宋浩永，黃青丹，陳于晴，何彬彬，楊 輝，趙靈智

玻璃絕緣子積污微觀特性研究

宋浩永1，黃青丹1，陳于晴1，何彬彬1，楊 輝2，趙靈智2

（1.廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院，廣州510410；2.廣東省低碳與新能源材料工程技術(shù)研究中心，廣州510631）

絕緣子表面的污穢物是導(dǎo)致閃絡(luò)的重要因素之一。采用SEM結(jié)合EDS元素分析技術(shù)對(duì)于廣州典型區(qū)域玻璃絕緣絕緣子的污穢沉積性質(zhì)展開(kāi)了測(cè)試研究，研究結(jié)果表明：玻璃絕緣子表面積污微觀結(jié)構(gòu)具有層次結(jié)構(gòu)，積污量呈徑向減小趨勢(shì)，并呈現(xiàn)不規(guī)律性分布；污穢主要由難溶物組成，不同區(qū)域的難溶物組成基本接近，且在徑向方向沒(méi)有大幅度變化；污穢中鈣元素的相對(duì)含量沿徑向升高，鈉元素相對(duì)含量在徑向方向減小。

污穢物；微觀結(jié)構(gòu)；元素分析

0 引言

絕緣子表面積污狀況一直是電力系統(tǒng)外絕緣基礎(chǔ)研究重點(diǎn)內(nèi)容之一，外絕緣器件在電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，長(zhǎng)期暴露在空氣中污穢物會(huì)附著在絕緣子表面，在一定的條件下會(huì)造成嚴(yán)重的污閃事故，因此研究絕緣子表面積污的微觀特性及積污的分布和化學(xué)組成，可以為電力系統(tǒng)外絕緣設(shè)計(jì)、污閃防治和基礎(chǔ)研究提供重要依據(jù)，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

目前對(duì)于絕緣子積污規(guī)律的研究主要集中在絕緣子外部幾何構(gòu)造與積污規(guī)律的相關(guān)性研究[1-7]，對(duì)于華南地區(qū)，絕緣子表面積污的少量報(bào)道主要集中在絕緣子上下表面等值附鹽密度（ESDD）和不可溶物密度（NSDD）的季節(jié)性、相關(guān)性等方面進(jìn)行研究[8]，測(cè)定過(guò)程均采集絕緣子表面污穢物，測(cè)定過(guò)程并沒(méi)有討論絕緣子污穢物微觀沉積結(jié)構(gòu)和自然狀態(tài)下積污化學(xué)組成，因此有必要對(duì)廣州地區(qū)絕緣子污穢物進(jìn)行更微觀沉積特征研究，完善污穢物研究體系。本文以廣州地區(qū)的盤(pán)式防污型鋼化玻璃絕緣子表面污穢物為研究對(duì)象，在最大程度保護(hù)絕緣子表面污穢物形貌的基礎(chǔ)上對(duì)絕緣子上表面的污穢微觀沉積結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定，并在此基礎(chǔ)上對(duì)絕緣子表面污穢物絕緣子污穢元素組成進(jìn)行分析。

1 研究方法

為研究廣州地區(qū)線路盤(pán)式防污型絕緣子的自然積污規(guī)律，根據(jù)絕緣子所在區(qū)域?qū)傩赃x擇農(nóng)田/村莊區(qū)域、工業(yè)區(qū)區(qū)域、沿海區(qū)域等3個(gè)主要區(qū)域玻璃絕緣子污穢物為研究對(duì)象，為了研究絕緣子的污穢表面的污穢物沉積結(jié)構(gòu)，如圖1所示在絕緣子表面等間距劃定寬度為1 cm的3個(gè)圓環(huán)，在互成90°角的4個(gè)方向上共取12個(gè)點(diǎn)，取樣點(diǎn)取樣采用的雙面導(dǎo)電膠帶黏貼0.5 cm×0.5 cm面積試樣，對(duì)試樣（絕緣子表面污穢物）的微觀沉積結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡的觀測(cè)，同時(shí)對(duì)絕緣子污穢物進(jìn)行原位元素分析，觀測(cè)電壓為20 KV，放大倍數(shù)為200倍，襯度成像信號(hào)源為背散射電子。每個(gè)區(qū)域采集至少3個(gè)絕緣子樣品對(duì)表面污穢物進(jìn)行污穢物取樣，稱取2～4g樣品，加入質(zhì)量比600:1的超純水后，充分振蕩后放入超聲波清洗器中超聲20 min。抽濾分離后，用移液管抽取約1.5 ml上層澄清液至潔凈的樣品瓶中備用；分別進(jìn)行陰離子（F-、Cl-、SO42-、NO3-、PO43-、NO3-、甲酸根離子、草酸根離子；離子色譜儀配備高容量陰離子交換柱；配置電導(dǎo)檢測(cè)器；以氫氧化鉀溶液作為淋洗液）、堿金屬及堿土金屬陽(yáng)離子（Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+；離子色譜儀配備陽(yáng)離子交換柱；配置電導(dǎo)檢測(cè)器；以20甲烷磺酸溶液作為淋洗液）測(cè)定。

圖1 絕緣子表面取樣示意圖Fig.1 Diagram of insulator surface contamination sampling method

2 結(jié)果與討論

從圖2、圖3、圖4絕緣子污穢物掃描電鏡圖可知，不同區(qū)域絕緣子污穢物的沉積量存在較大差異，相同倍率下觀測(cè)到絕緣子工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域的積污量較大，農(nóng)田區(qū)域的積污量相對(duì)較??；同一個(gè)絕緣子表面積污量差異主要體現(xiàn)在第一圈與第二圈和第三圈積污量差異較大，而第二圈與第三圈積污穢量差異較小，在工業(yè)區(qū)域，主要是由于空氣污穢量較大，污穢物碰撞粘連[9-10]概率較大，造成沉積量較大，而在沿海區(qū)，空氣濕度較大，潤(rùn)濕后的污穢顆粒更容易碰撞后粘連，形成較大量的污穢沉積，同時(shí)第一圈積污受到自然清洗作用[11]影響較小，造成積污量大；第二圈和第三圈的沉積量較小并且沒(méi)有明顯的差異，主要由于在外圈受到雨水的清洗作用[12-13]較大，所以在所測(cè)試的絕緣子第二圈和第三圈積污量并不大，第二圈與第三圈積污量差異也較小。

圖2 農(nóng)田/村莊區(qū)域絕緣子表面污穢物SEM圖Fig.2 SEM photos of contamination on insulator surface in farmland/village area

圖3 工業(yè)區(qū)區(qū)域絕緣子表面污穢物SEM圖Fig.3 SEM photos of contamination on insulator surface in industrial area

圖4 沿海區(qū)域絕緣子表面污穢物SEM圖Fig.4 SEM photos of contamination on insulator surface in coastal area

從圖3和圖4上可明顯看出，污穢微觀沉積物分布并不均勻，主要表現(xiàn)為絕緣子表面不均勻覆蓋；工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域（污穢沉積量較大的區(qū)域）污穢物在第一圈位置積污表層呈現(xiàn)松散的微米級(jí)松散顆粒堆積，沿著徑向方向的第二圈和第三圈污穢物沉積量明顯減小，污穢物表層的堆積結(jié)構(gòu)也由松散顆粒物變?yōu)轭w粒較大更致密的塊狀結(jié)構(gòu)，而圖2農(nóng)田區(qū)域（絕緣子表面積污量較小的區(qū)域）絕緣子污穢物量也從第一圈向外圈呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，相鄰的兩圈位置的污穢沉積量之間的減小的幅度相比工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域的減小幅度更小，而且一圈位置的沉積結(jié)構(gòu)也不同于工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域，積污結(jié)構(gòu)更緊密，第二圈和三圈的沉積結(jié)構(gòu)與第一圈一致。出現(xiàn)這樣不同積污結(jié)構(gòu)的主要原因可能是由于廣州地區(qū)絕緣子降雨可以產(chǎn)生更有效的清洗，所以松散的顆粒物在絕緣子外圈難以附著形成，這種清洗作用對(duì)于內(nèi)圈（第一圈）的影響并不如外圈大，只形成底層的致密結(jié)合層，而在工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域第一圈積污結(jié)構(gòu)會(huì)有松散的表層。根據(jù)取樣的特點(diǎn)，可以看出，絕緣子污穢物的微觀堆積結(jié)構(gòu)從表面到與玻璃接觸的污物的沉積結(jié)構(gòu)越來(lái)越規(guī)整，結(jié)構(gòu)更致密，底層污穢物與絕緣子表面的結(jié)合力也較強(qiáng)[14]，在雨水的清洗作用下，不至于完全脫落。

絕緣子污穢物的化學(xué)組成：在上述微觀電鏡測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用EDS對(duì)所有取樣點(diǎn)進(jìn)行絕緣子污穢物進(jìn)行原位元素分析，元素分析結(jié)果見(jiàn)圖5至圖7。從測(cè)試結(jié)果可看出：所有取樣點(diǎn)污穢物碳元素和氧元素的含量分別在12%～32%和33%～45%，碳元素主要以碳素、有機(jī)化合物和碳酸鹽形式存在[15]，氧元素主要以氧化物和含氧酸根形式存在，其次以Al、Si、Fe、Ca、S為主，所有絕緣子污穢物的這些元素相對(duì)含量具有一致性，表明絕緣子中的大量污穢物為相同或相似化合物，研究表明，廣州地區(qū)絕緣子污穢物主要為 C、SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaSO4、MgSO4、Pb等[16-18]，對(duì)污穢的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到90%以上，與測(cè)試主要元素基本保持一致。

圖5 農(nóng)田/村莊絕緣子污穢取樣點(diǎn)EDS元素分析結(jié)果Fig.5 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of farmland/village area

圖6 工業(yè)區(qū)絕緣子污穢取樣點(diǎn)EDS元素分析結(jié)果Fig.6 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of industrial area

從圖5、圖6、圖7可以看出：不同區(qū)域絕緣子污穢物主要化合物在徑向方向組成及含量并沒(méi)有大幅變化，表明污穢物化學(xué)組成并沒(méi)有變化，一個(gè)重要的原因由于積污分布不均勻，造成元素相對(duì)含量分布出現(xiàn)細(xì)微浮動(dòng)。判斷絕緣子積污主要為難溶化合物，根據(jù)SEM測(cè)試絕緣子污穢物沉積結(jié)構(gòu)可知主要難溶污穢物在表面橫向和縱向的組成一致。在農(nóng)田區(qū)域絕緣子污穢物出現(xiàn)了相對(duì)含量較高的鐵元素和鋅元素，這可能來(lái)自于該區(qū)域特殊的污染源。

顯然難溶物并不是造成污閃事故的主要原因，可溶解離子對(duì)于污閃具有重要的影響，見(jiàn)圖8。3個(gè)區(qū)域離子色譜測(cè)試結(jié)果品均測(cè)試結(jié)果表明：這3個(gè)區(qū)域絕緣子污穢物中的大量可溶陰離子主要有硫酸根、硝酸根、氯離子，其中以硫酸根含量高達(dá)28%～44%，可溶陽(yáng)離子主要有鈣離子和鈉離子，其中鈣離子的含量高達(dá)18%～25%。見(jiàn)表1。

圖7 沿海區(qū)域緣子污穢取樣點(diǎn)EDS元素分析結(jié)果Fig.7 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of coastal area

圖8 各個(gè)區(qū)域絕緣子污穢物可溶離子含量Fig 8 The concentration of soluble ion in various regions

表1 各個(gè)區(qū)域主要離子之間的相關(guān)系數(shù)表Table 1 Correlation coefficient between major ions in various regions

從表1可以明顯看出：3個(gè)區(qū)域絕緣子污穢物中鈣離子與硫酸根離子、鈉離子與氯離子和硝酸根質(zhì)量具有良好相關(guān)性，依據(jù)陰陽(yáng)離子之間質(zhì)量相關(guān)性可知，在廣州3個(gè)主要區(qū)域絕緣子污穢物可溶（微溶）鹽的化合物形式主要以CaSO4、NaCl形式存在，個(gè)別區(qū)域由于離子含量差異不同，會(huì)出現(xiàn)NaNO3或Ca（NO3）2，以上測(cè)試結(jié)果為各個(gè)區(qū)域絕緣污穢物中可溶（微溶）鹽的整體采樣測(cè)試結(jié)果。不同區(qū)域鈉元素相對(duì)含量徑向變化情況見(jiàn)圖9。

圖9 不同區(qū)域鈉元素相對(duì)含量徑向變化情況Fig.9 radial Relative content of sodium changes in different areas

有研究表明，上述兩種鹽是絕緣子污穢中可溶物的主要成分，對(duì)污閃有貢獻(xiàn)，其中一價(jià)離子可以顯著降低污閃電壓[19-20]，為了反應(yīng)自然狀態(tài)下絕緣子表面污穢物中可能提高污閃可能性的鈉鹽和鈣鹽的分布狀況，主要研究鈉鹽和鈣鹽的分布狀況，在原位EDS測(cè)試結(jié)果中都有對(duì)應(yīng)的鈣元素和鈉元素檢出，離子色譜分析表明，對(duì)于絕緣子污穢中含量較高的兩種鹽CaSO4和NaCl。如圖10所示元素分析測(cè)試結(jié)果中鈉元素幾乎在每個(gè)取樣點(diǎn)均被檢測(cè)到，含量都在3%以下，并且所有的被測(cè)絕緣子污穢中鈉元素在徑向方含量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。分析主要是鈉元素在污穢中多以可溶鹽形式存在，遇水可以電離，受到雨水的溶解沖刷作用之后，會(huì)出現(xiàn)鈉離子流失，鈉離子流動(dòng)性較強(qiáng)，與難溶物結(jié)合較弱，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

圖10 不同區(qū)域鈣元素相對(duì)含量徑向變化情況Fig.10 radial Relative content of Calcium changes in different areas

除了鈉元素外，鈣元素主要以微溶鈣鹽形式存在，也在所有取樣點(diǎn)被檢測(cè)出，在徑向方向出現(xiàn)了不同于鈉元素分布的規(guī)律分布，在三圈取樣點(diǎn)中，鈣離子第三圈中的濃度較高，第二圈濃度較小，主要是由于鈣元素以微溶硫酸鈣形式存在，溶解沖刷遷移的作用影響較小，而主要受到機(jī)械沖刷作用，同時(shí)硫酸鈣結(jié)合力較強(qiáng)，所以出現(xiàn)在絕緣子外圈富集，而沖刷作用對(duì)于第一圈的影響較小，所以機(jī)械沖刷對(duì)一圈的影響較小。

實(shí)驗(yàn)室模擬絕緣子污穢沉積，并研究污閃與絕緣子污穢物的相關(guān)性并沒(méi)有關(guān)注絕緣子自然污穢物的微觀沉積結(jié)構(gòu)與模擬實(shí)驗(yàn)中污穢物的結(jié)構(gòu)差異，以及部分對(duì)污閃有貢獻(xiàn)的元素對(duì)的規(guī)律性分布，因此造成污閃研究缺陷。上述積污規(guī)律對(duì)于實(shí)驗(yàn)室模擬自然污穢沉積過(guò)程進(jìn)行污閃研究具有重要的指導(dǎo)和實(shí)踐價(jià)值。

3 結(jié)論

1）微觀結(jié)構(gòu)的分析表明，污穢物沉積量較大時(shí)，表層的污穢物呈現(xiàn)微米級(jí)的松散堆積顆粒，逐漸向下，污穢的沉積顆粒變大進(jìn)一步致密化，呈現(xiàn)緊密的塊狀沉積結(jié)構(gòu)，有良好的結(jié)合力；絕緣子表面積污量沿著徑向呈遞減趨勢(shì)。

2）從EDS元素測(cè)試結(jié)果可以判斷，廣州地區(qū)絕緣子表面積污主要為難溶污穢物，由于玻璃表面性質(zhì)不均勻和自然力的作用，污穢物組成元素含量在絕緣子表面呈現(xiàn)無(wú)規(guī)變化，污穢物組成元素含量有小幅變化，但是偏離程度并不大，可判斷取樣區(qū)域的絕緣子污穢物化學(xué)組成一致，工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)域絕緣子積污量較大，農(nóng)田/村莊積污量較小。

3）上述4支絕緣子難溶污穢物在組成上沒(méi)有呈現(xiàn)橫線或縱向組成變化。

4）絕緣子污穢物中的可溶性鈉離子相對(duì)含量在徑向出現(xiàn)遞減的現(xiàn)象，微溶的鈣離子在絕緣子污穢物中呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在最外圈富集。

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Study on the Microstructure Characteristics of Natural Contamination Deposit on Glass Insulator Surface

SONG Haoyong1，HUANG Qingdan1，CHEN Yuqing1，HE Binbin1，YANG Hui2，ZHAO Lingzhi2
（1.Tests and Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau Co.，Ltd，.Guangzhou 510410，China；2.Guangdong Engineering Technology Research Center of Low Carbon and Advanced Energy Materials，Guangzhou 510631，China）

Contamination of insulator surface is one of the important factors causing flashover acci?dents.So this article focus on microstructure characteristics of insulator natural contamination in Guang?zhou based on the experimental data of SEM and EDS element analysis.Test results indicate that the mi?crostructure of deposition has a hierarchical structure and radial decreasing trend，irregular distribution;contamination is mainly composed of insoluble material which did not change significantly in the radial di?rection，the insulator insoluble contamination of different areas appears nearly uniform composition.Meanwhile the relative content of calcium is increased along the radial direction and the relative content of sodium decreased in the radial direction.

contamination；microstructure；element analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.041

2016-09-08

宋浩永（1985—），男，工程師，從事電力外絕緣技術(shù)研究。