蔣子丹，蔣興良，蔣晏如，李永福

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湖南地區(qū)輸電線路懸式絕緣子自然積污規(guī)律

蔣子丹1，蔣興良1，蔣晏如2，李永福3

(1. 重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶，400030；2. 國網(wǎng)株洲供電公司，湖南 株洲，412000；3. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶，401123)

利用位于湖南省電力公司500 kV輸電線路上的絕緣子樣品，研究典型區(qū)域懸式絕緣子的自然積污特點。根據(jù)歷年來的氣象數(shù)據(jù)、絕緣子每月的等值附鹽密度和不可溶物密度的取樣數(shù)據(jù)研究污穢顆粒粒徑、降雨、季節(jié)性等因素對絕緣子表面自然積污的影響。同時，通過擬合得到了絕緣子清洗能力隨降雨強度、降雨時間發(fā)生變化的指數(shù)方程。研究結(jié)果表明：黏附力和顆粒粒徑直接決定顆粒在絕緣子表面持續(xù)積污的能力，且較小污穢顆粒更易于吸附絕緣子表面。

懸式絕緣子；積污特性；等值附鹽密度；不可溶物密度；顆粒粒徑；黏附力；降雨強度

當(dāng)前，防污工作已成為保障電網(wǎng)安全運行的重中之重。而防污工作的開展通常是以污穢度測量為基礎(chǔ)，來研究自然積污的規(guī)律，確定污區(qū)等級，指導(dǎo)外絕緣設(shè)計和調(diào)爬清掃等工作[1?6]。為提高我國電網(wǎng)外絕緣的整體水平，應(yīng)采用“絕緣到位，留有裕度”的基本原則。通過依靠設(shè)備本體絕緣水平抵御惡劣自然環(huán)境導(dǎo)致的污閃，不把絕緣設(shè)計建立在大規(guī)模清掃工作(一年一次)的基礎(chǔ)上；在絕緣配置上要適當(dāng)留有裕度，從而預(yù)防日益增長的大氣污染和可能出現(xiàn)的災(zāi)害性天 氣[7?10]。因此，準(zhǔn)確測量和預(yù)測絕緣子表面污穢度對預(yù)防電力系統(tǒng)污穢閃絡(luò)事故具有重要意義。近幾年，國內(nèi)外科研機構(gòu)開展了關(guān)于輸電線路絕緣子積污特性的研究，研究了部分地區(qū)的鹽密、灰密、自然氣候條件等主要參數(shù)，討論了沿海、城市和沙漠等地形環(huán)境因素導(dǎo)致的積污差異，建立了自然積污模型并且研發(fā)相關(guān)的在線監(jiān)測系統(tǒng)[11?14]。文獻[15]指出對于不同的地理環(huán)境，由于污染源、污染成分、雨水的沖刷和氣候條件的不同對絕緣子積污造成的影響也不同；選取東莞市6個典型區(qū)域的絕緣子樣品，測得等值附鹽密度和不可溶物密度，反映不同區(qū)域下的積污特性，得到了工業(yè)區(qū)域的積污最為嚴(yán)重的結(jié)論。文獻[16]對當(dāng)?shù)匮睾＜皪u嶼環(huán)境進行數(shù)據(jù)分析，研究了降雨對絕緣子表面污穢程度的影響，建立了污穢沖刷模型，有效預(yù)測了在類似自然條件下絕緣子積污特性。這些研究結(jié)果在一定程度上指導(dǎo)了輸電線路的防污工作。但是，絕緣子積污具有典型的區(qū)域性，且在自然環(huán)境中，氣候因素不可控制，試驗數(shù)據(jù)點較少。因此，現(xiàn)有研究主要通過人工模擬試驗方式以及模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法預(yù)測絕緣子積污規(guī)律[17?18]，其研究結(jié)果無法真實反映我國不同區(qū)域的積污情況。本文作者通過在南方地區(qū)為期5 a的自然積污試驗，利用大量的歷史數(shù)據(jù)和500 kV線路未帶電模擬串自然積污數(shù)據(jù)，研究自然條件下絕緣子表面鹽密和灰密的積污規(guī)律；通過大氣粒徑分布特點表征和預(yù)測絕緣子表面粒徑范圍，監(jiān)測大氣污穢顆粒濃度，分析南方地區(qū)空氣中污穢顆粒濃度、粒徑分布對表面積污特性的影響，以及降雨與絕緣子表面沖刷之間的有效關(guān)系，以便為南方地區(qū)進行絕緣子污穢清掃提供合理的參考方案，提高清掃的效率。

1 試驗環(huán)境

1.1 試驗點選取

本次現(xiàn)場自然積污試驗測試點位于湖南省，選取現(xiàn)有的500 kV輸電線路上非帶電懸式絕緣子模擬串(如圖1所示)。試驗點的建立依托于現(xiàn)有的500 kV輸電線路桿塔，在桿塔上安裝非帶電模擬串，進行為期5 a絕緣子自然積污試驗。每一地區(qū)選取相鄰的5基桿塔，安裝一定數(shù)量的絕緣子進行同步自然積污和數(shù)據(jù)測量，測量時間為每月28號。

圖1 500 kV輸電線路絕緣子布置

試驗線路上懸掛的絕緣子均為懸式玻璃絕緣子LXY1?70，絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示(其中為絕緣子的結(jié)構(gòu)高度，為盤徑，為絕緣子的爬電距離)。在試驗開始前，所有絕緣子均已仔細清洗。試驗樣品安裝方式為非帶電懸式安裝，直接安裝在靠近導(dǎo)線的橫擔(dān)上，安裝位置距離掛線點500~600 mm。

表1 絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 氣候條件

南方地區(qū)主要為大陸型中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。其中湖南地區(qū)氣候具有光、熱、水資源豐富，三者的高值又基本同步。模擬串測試積污時間為期5 a，在積污期間主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，該地區(qū)平均風(fēng)速一般在3~ 10 m/s之間，雨雪天氣達到800多d。根據(jù)氣象統(tǒng)計部門數(shù)據(jù)的分析，降水量占全年總降水量的68%~84%，11月份到次年1月份為旱季。該地區(qū)大氣中的主要污染物為可吸入顆粒物(PM10)，其次是SO2。2011—2015年大氣污染指數(shù)(AQI)在輕度污染以上的月份約占總月份數(shù)的30%。大氣污染具有明顯的季節(jié)性差異，冬季大氣污染較夏季污染重。

1.3 測量方法

考慮絕緣子串上端絕緣子的上表面無遮擋物，其降雨沖刷效果好，污穢值偏低；下端絕緣子的下表面受地面揚塵污染嚴(yán)重，且沒有雨水飛濺作用，污穢值偏高，因此，主要測定桿塔左右側(cè)絕緣子串，即左右串的第2至4片絕緣子(不采集絕緣子兩端的污穢數(shù)據(jù))。等值附鹽密度(鹽密)ESDD和不可溶物密度(灰密)NSDD測定方法如下：參照IEC 60815標(biāo)準(zhǔn)[19]，每個傘面用500 mL去離子水進行清洗，測量污液電導(dǎo)率得到ESDD，對不溶性污穢經(jīng)過過濾烘干后，稱質(zhì)量，測量得到NSDD。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)變化規(guī)律

絕緣子表面積污過程有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。在旱季進行污穢積累，在雨季進行降雨沖刷。因此，根據(jù)5 a內(nèi)500 kV星云線每月測得的鹽密和灰密進行數(shù)據(jù)篩選和處理得到污穢隨時間、天氣變化的情況，如圖2所示。

由圖2可知：2011年至2015年每年測得的ESDD和NSDD的變化均呈現(xiàn)季節(jié)性?；诋?dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(圖3)，11月份到次年2月份主要屬于旱季，旱季階段降雨強度不超過2 mm/d，且空氣中懸浮物顆粒濃度較高，使絕緣子表面自然積污概率大大增加；4月份至9月份期間為雨季，其中每年6月份或7月份降雨強度達到極值，最高達到24.61 mm/d，最低也達到8.30 mm/d。ESDD和NSDD在每年雨季時會發(fā)生陡降，體現(xiàn)了降雨對絕緣子表面污層的清洗效果十分顯著。雨季階段，絕緣子受到反復(fù)沖刷，得到了有效清洗。測得的ESDD與NSDD的變化趨勢也反映了污穢數(shù)值與降雨強度變化趨勢整體一致：5 a內(nèi)鹽密與灰密在2月份至3月份出現(xiàn)最高值，而在7月份至9月份達到最小值。

通過5 a內(nèi)測得的ESDD和NSDD縱向?qū)Ρ龋珽SDD的變化范圍較為規(guī)律且變化幅度較小。而NSDD的變化具有一定的波動性，這主要是由于雨季對鹽密和灰密的沖刷效果作用不同。降雨沖刷過程首先開始于可溶性污染物，其在降雨初期即被溶解，并隨著絕緣子表面徑流的形成和流動不斷被帶走，只需少量降雨就可以進行有效地清洗。而難溶解性污染物的沖刷規(guī)律則不同，降雨只能依靠水流的機械沖刷力對其進行沖刷，且只有在絕緣子表面徑流流速達到污穢顆粒的啟動速度后，難溶解性污染物才會被徑流沖走。所以，當(dāng)降雨強度大時，才能產(chǎn)生足夠的機械沖刷力進行有效清洗。鹽密主要是可溶性污染物，灰密中主要成分大多為難溶性污染物。因此，鹽密在降雨初期被雨水溶解時也受到機械沖刷的作用，其雨水沖刷的時效性較好。而灰密僅僅只受到雨水直接機械沖刷的作用，降雨強度對NSDD的影響更為顯著。

圖2 鹽密和灰密隨時間變化趨勢(500 kV星云線)

圖3 2011—2015年每月平均降雨量和降雨時間

2.2 污穢顆粒對積污特性的影響

根據(jù)上述絕緣子表面積污隨季節(jié)變化的規(guī)律，研究絕緣子表面在旱季階段的積污特性。本文選取500 kV星云線所在的株洲市為檢測點，根據(jù)測試地區(qū)大氣環(huán)境空氣質(zhì)量檢測得到沉降粒徑分布特征，大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析表明粒度分布是隨意的，但這種分布近似地符合某種規(guī)律。為了更好地反映出粒徑細小的特征，采用質(zhì)量分布表示各級顆粒粒徑的分布情況[20?22]。主要分析測試地區(qū)中PM2.5，PM10，10~15 μm及總懸浮微粒(TSP)粒徑小于100 μm的顆粒物累積概率。

測試地區(qū)周圍主要污染源有公路、鐵路、建筑工地、工業(yè)污染、交通運輸污染等。如圖4所示，大氣中的污穢顆粒粒徑主要分布在50 μm以下，其中95%的污穢顆粒粒徑小于25 μm，通過對粒徑分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)較小的污穢顆粒粒徑更容易附著于絕緣子表面。

測試地區(qū)周圍主要污染源有公路、鐵路、建筑工地、工業(yè)污染、交通運輸污染等。從圖4可知：大氣中的污穢顆粒粒徑主要分布在50 μm以下，其中95%的污穢顆粒粒徑小于25 μm，通過對粒徑分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)較小的污穢顆粒粒徑更容易附著于絕緣子表面。

圖4 污穢顆粒的粒徑分布

污穢顆粒在與絕緣子表面碰撞過程中，表面對顆粒產(chǎn)生向下的黏附力a，通常包括毛細力(c)和固體表面之間的作用力。固體之間的相互作用力主要是范德華力(vw)，所以，黏附力可以表示為：

圖5 顆粒碰撞微觀圖

式中：為Hamaker常數(shù)；為兩物體表面接觸半徑，=0.25 nm；為液體表面張力，若液體為水，則=72.50 mN/m；為水膜厚度；k為Kelvin半徑；m為液體的摩爾體積，室溫下水的摩爾體積m=1.080 4×10?5 m3/mol；c為氣體常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，c=8.31 J/(mol·K)；為室內(nèi)的熱力學(xué)溫度；H為相對濕度。

式中：1為關(guān)于水平方向拖拽力與點之間的力臂距離；2為關(guān)于垂直方向的彈性力、黏附力與點之間的力臂距離。

同時，由于相互擠壓變形，產(chǎn)生了垂直方向的彈性力。當(dāng)發(fā)生碰撞時，污穢顆粒會引起碰撞損耗，從而導(dǎo)致污穢顆粒與絕緣子表面接觸瞬間發(fā)生回彈效應(yīng)，從而脫離于表面。根據(jù)經(jīng)典的赫茲彈性理論，可以得到如下表達式：

在碰撞過程中，污穢顆粒與絕緣表面之間伴隨著能量損耗和力矩平衡關(guān)系，垂直向上只有黏附力做功。通過微觀分析得到關(guān)于顆粒的力矩平衡關(guān)系。

式中：t，d，t和a分別為表面摩擦應(yīng)力力矩、拖拽力、彈性力和黏附力。

根據(jù)式(8)，是否克服黏附力作用是判定顆粒是否沉降于絕緣表面的主要判斷依據(jù)。而顆粒碰撞絕緣子水平和垂直方向的速度差異直接反映了作用大小的結(jié)果。因此，污穢顆粒沉降絕緣表面的速度決定了顆粒沉降的條件。

由圖6可知：在空氣風(fēng)速一定情況下，通過力矩平衡理論式(8)，黏附力作用力矩1在粒徑低于臨界值25 μm的情況下大于由表面摩擦應(yīng)力、拖拽力、彈性力力矩之和2。隨著粒徑增大，2大于1，則外作用力克服了表面對污穢顆粒的黏附力，從而污穢顆粒脫離絕緣表面，沒有達到沉降條件。

圖6 粒徑與力矩關(guān)系

碰撞表面回彈速度隨著污穢顆粒粒徑增大而增大。出射速度和污穢顆粒質(zhì)量的增大使得污穢顆?？朔じ搅Φ膭幽茱@著增大，從而脫離絕緣子表面，達到移除的作用。同時可知：出射速度的變化隨粒徑增大而增大，因此，粒徑小的污穢顆粒較粒徑大的顆粒更加易于吸附于絕緣表面。根據(jù)對絕緣子表面污穢顆粒的受力分析，粒徑?jīng)Q定顆粒的質(zhì)量，從而影響污穢顆粒在空氣流場作用下的運動規(guī)律和絕緣表面碰撞過程。

圖7 粗糙度對顆粒與接觸面積的影響

同時，當(dāng)污穢顆粒粒徑較大，絕緣表面粗糙度小于粒徑，則污穢顆粒與表面之間的接觸面積減小，更容易滾落或回彈。而當(dāng)污穢顆粒較小時，顆粒會陷于粗糙表面，與絕緣表面充分接觸，進而表面對顆粒的黏附力作用增強。顆粒物的粒徑分布特點直接反映了自然積污過程中絕緣子表面積污的特征。

綜上所述，污穢粒徑對碰撞過程后的回彈效應(yīng)成正相關(guān)的關(guān)系。而對碰撞過程的受力分析可知：粒徑對力矩平衡的影響是相對的，在空氣主流風(fēng)速一定的情況下，得到了粒徑為25 μm的臨界值，所以，控制空氣中粒徑小于25 μm的顆粒，則可有效、正確地評估絕緣子表面自然積污量。

2.3 降雨沖刷對積污特性的影響

根據(jù)上述ESDD和NSDD季節(jié)變化的趨勢，可以了解到雨水對絕緣子表面積污的影響十分明顯。通過對星云線同步自然積污和數(shù)據(jù)測量，選取每年2月份至9月份的8對ESDD和NSDD。在此期間，降雨逐漸增多，污穢水平受到雨水的影響。根據(jù)統(tǒng)計的40個點數(shù)據(jù)，得到降雨強度對ESDD和NSDD的影響趨勢，如圖8所示。

圖8 降雨強度對ρESDD和ρNSDD的影響

由圖8可知：降雨強度在較低水平時，污穢水平下降十分顯著；隨著降雨強度的增大，污穢降低趨于平緩；當(dāng)降雨強度很大時，最后污穢水平變化趨于靜止；在降雨初期，較小的降雨強度對絕緣子上表面污穢的清洗非常有效，因此，ESDD和NSDD在雨水的作用下下降明顯且沖刷的時效性很快；隨著降雨強度增加，上表面污層已得到有效地清洗，ESDD和NSDD的減小趨勢放緩；隨著該地區(qū)進入雨季，降雨強度持續(xù)變強和降雨頻度增加，因此，ESDD和NSDD依然有下降的趨勢但趨于一個恒定值。同時，由于雨水本身干燥后留有殘余污穢和絕緣子外形輪廓的影響，測量值均大于0 mg/cm2。

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)測量，可以得到ESDD和NSDD與降雨強度()的關(guān)系是指數(shù)變化的趨勢，其表達式為：

從式(9)和(10)可以看出：ESDD和NSDD在降雨強度較低水平時，剩余污穢量流失十分明顯。通過大量的試驗數(shù)據(jù)點分析，得到了降雨強度對絕緣子表面積污的影響趨勢，從而可基于降雨強度預(yù)測絕緣子在雨季期間的積污水平和積污趨勢。

2.4 不同地域?qū)Ψe污特性的影響

結(jié)合上述季節(jié)性、污穢顆粒粒徑、降雨對絕緣子表面自然積污特性的分析，選取南方地區(qū)在2015年4 個試驗點測得的ESDD和NSDD，得到典型區(qū)域懸式絕緣子的自然積污特點。

如圖9所示，4個測試點中，NSDD和ESDD在2月份均達到了最高值，在10月份或11月份達到最小值。3月份進入雨季時，在充沛的雨水作用下，污穢度逐漸被雨水沖刷而下降。在絕緣子表面累積階段，鶴云線、星云線和船古線NSDD最大值達0.50 mg/cm2以上，而古星線的NSDD最大值為0.40 mg/cm2。由于空氣污染濃度在旱季較高，空氣中污穢顆粒粒徑較大，因此，測得的絕緣子污穢度在高速公路、農(nóng)田和工業(yè)環(huán)境下，其絕緣子表面難溶污染物含量較高。4個測試點ESDD最大值均達到0.25 mg/cm2以上，其中船古線的ESDD比其他幾個測試點高。在降雨階段，NSDD和ESDD下降幅度較大，其雨水沖刷的效果十分顯著。但工業(yè)地區(qū)的NSDD和ESDD相較于其他地區(qū)變化幅度較為平緩，且污穢度較大。說明工業(yè)地區(qū)比其他污染源對絕緣子表面污染更為嚴(yán)重，污穢等級較高。

因此，污穢的累積和流失主要是污染源和降雨沖刷造成的。電力部門可結(jié)合降雨規(guī)律合理制定對不同污染源地區(qū)的絕緣子清掃工作。

圖9 不同區(qū)域的污穢度(2015)

3 結(jié)論

1) 根據(jù)氣象參數(shù)和降雨條件，縱向?qū)Ρ刃窃戚旊娋€路絕緣子串長達5 a的積污情況。每年積污均呈現(xiàn)出冬季累積、夏季沖刷的規(guī)律。分析得到了灰密在隨季節(jié)變化規(guī)律滯后于鹽密的主要原因。

2) 顆粒物的粒徑分布特點直接反映了自然積污過程中大氣污穢顆粒的統(tǒng)計特征。根據(jù)污穢顆粒在絕緣子表面運動的回彈條件和力矩平衡關(guān)系，得到了粒徑為25 μm的極值，從而由該區(qū)間顆粒濃度表征污穢顆粒在絕緣子表面積污速率增長的趨勢。進而通過監(jiān)視和測量大氣空氣質(zhì)量指數(shù)、預(yù)測絕緣表面積污度，實現(xiàn)對絕緣子有針對性的清掃。

3) 擬合得到等值附鹽密度和不可溶物密度與降雨強度的關(guān)系呈指數(shù)變化，從而改進了現(xiàn)有電力部門清洗絕緣子方案，提供了優(yōu)化的工程指導(dǎo)意見。

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Natural contamination characteristics of suspension insulator in Hunan Province

JIANG Zidan1, JIANG Xingliang1, JIANG Yanru2, LI Yongfu3

(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2. State Grid Zhuzhou Power Supply Company, Zhuzhou 412000, China;3. State Grid Chongqing Electric Power Co. Electric Power Research Institute, Chongqing 401123, China)

In order to study the natural contamination characteristics of 500 kV line suspension insulator, the test insulator string with 500 kV transmission line pollution data result of a city in Hunan province was analyzed. Historical meteorological data and monthly equivalent salt deposit density and non-soluble deposit density measurements taken over a period of five years were analyzed to investigate the seasonal character, the size of particle and the relationship between rainfall intensity and insulator cleaning. A mathematical model was proposed to show the functional relationship between rainfall intensity and insulator self-cleaning capability. The results show that small particles are affected by adhesion forces when they move on the insulator surface and they are easily deposited on the insulator surface.

suspension insulator; contamination characteristic; equivalent salt deposit density; non-soluble deposit density; particle size; adhesion force; rainfall

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.015

TM852

A

1672?7207(2018)07?1683?08

2017?03?06；

2017?05?04

國家電網(wǎng)科技項目(SGTYHT/14-JS-188) (Project(SGTYHT/14-JS-188) supported by the Science and Technology Project of States Grid Corporation of China)

蔣子丹，博士，從事高電壓與絕緣子技術(shù)研究；E-mail: jiangzidandq4@163.com

(編輯 楊幼平)