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(清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引言

自電力系統(tǒng)誕生以來，絕緣子的污閃問題就一直威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-4]。近年來，我國大氣質(zhì)量逐年惡化，而輸電線路運行電壓逐年升高，架空線路絕緣子污閃的可能性及其危害都在增大，部分線路被迫降壓運行[5-7]。絕緣子污閃的必要前提之一是絕緣子表面污穢的積累，研究絕緣子的污穢積聚特性不僅能夠降低污閃風(fēng)險，有助于降低在運線路的運維成本，也能為待建線路的絕緣配置提供參考，降低待建線路的建設(shè)成本[8-10]。

目前國內(nèi)外通過自然積污、人工積污、仿真計算等手段研究了電壓種類、絕緣子傘形等因素對絕緣子表面污穢積聚特性[11-15]和污穢粒徑分布[16-18]的影響，測量了自然污穢顆粒帶電性[19-20]，計算了帶電性、污穢粒徑等因素對絕緣子表面的黏附條件的影響[21-25]。具有普適性的結(jié)論主要有以下幾點：1)帶電絕緣子比不帶電絕緣子積污嚴(yán)重；2)直流電壓下絕緣子積污比交流電壓下絕緣子積污嚴(yán)重；3)復(fù)合絕緣子比玻璃、瓷絕緣子積污嚴(yán)重；4)下表面積污重于上表面積污；5)自然污穢平均粒徑在20 μm以下；6)污穢粒徑越小越容易黏附在絕緣子表面等。

但現(xiàn)有研究在研究電場對絕緣子積污特性的影響時，往往止步于電壓種類、電壓等級，并沒有針對電場強度做深入的研究，更缺乏對均勻電場、不均勻電場下絕緣子積污特性的研究。

針對此問題，研制了一套用于研究均勻電場下絕緣子積污特性的試驗裝置，該裝置能避免空氣流動、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生恒溫、恒濕、靜風(fēng)的試驗環(huán)境；設(shè)計了相應(yīng)的試驗方法，初步進行了不同電壓類型下的積污試驗。

1 試驗裝置

本試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由恒溫恒濕箱、無風(fēng)試驗罐、均勻電場發(fā)生裝置和粉塵發(fā)生裝置組成。

1-絕緣架；2-玻璃試片；3-均壓板；4-氣溶膠粒徑譜儀； 5-粉塵發(fā)生器；6-加濕器；7-加熱器；8-降溫抽濕器。圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of contamination test system

1.1 恒溫恒濕箱

恒溫恒濕箱為試驗系統(tǒng)提供溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素穩(wěn)定、可控的試驗環(huán)境。恒溫恒濕箱由試驗腔體、循環(huán)風(fēng)道和電氣控制柜三部分組成。恒溫恒濕箱如下圖2所示。

圖2 恒溫恒濕箱Fig.2 Constant temperature and humidity chamber

試驗腔體為八邊形，占地14 m2，高4 m。用COMSOL Multiphysics軟件對試驗腔體內(nèi)的流場分布進行了仿真計算，設(shè)定風(fēng)機輸出風(fēng)速為2 m/s，結(jié)果如下圖3所示，圖中箭頭代表風(fēng)向，灰度代表風(fēng)速。

圖3 試驗腔體流場分布圖Fig.3 Flow field distribution of test chamber

從仿真結(jié)果可以看到，在試驗腔體內(nèi)流場分布并不均勻，但在紅框范圍內(nèi)流場速度和方向都近似均勻，因此將紅框范圍設(shè)定為試驗區(qū)，并在此區(qū)域內(nèi)安裝溫度、濕度傳感器。

在循環(huán)風(fēng)道內(nèi)安裝有電加熱絲、蒸汽加濕器以及降溫降濕空調(diào)，電氣控制柜根據(jù)試驗區(qū)內(nèi)的溫度傳感器和濕度傳感器的測量數(shù)據(jù)對加熱加濕裝置和降溫降濕裝置的輸出功率進行控制，按負(fù)反饋邏輯使試驗區(qū)內(nèi)的溫度和濕度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

1.2 無風(fēng)試驗罐

為了得到無風(fēng)的試驗環(huán)境，在恒溫恒濕箱的試驗區(qū)內(nèi)放置有小型的無風(fēng)試驗罐。無風(fēng)試驗罐高60 cm，直徑80 cm，在試驗區(qū)頂部10 cm高處安裝有圓環(huán)狀的吹霾管道。由于試驗罐與試驗腔體不相連通，可以認(rèn)為試驗罐內(nèi)的污穢顆?；静皇茱L(fēng)力作用，主要在重力和電場力的作用下運動。無風(fēng)試驗罐如圖4所示。

圖4 無風(fēng)試驗罐Fig.4 Windless test chamber

1.3 粉塵發(fā)生器

用粉塵發(fā)生器將污穢顆粒吹入試驗罐內(nèi)，粉塵發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。用空壓機將冷凍式干燥機干燥后的干燥空氣吹入氣體腔體內(nèi)，空氣經(jīng)氣體腔體進入粉塵腔體后會形成高速氣流，帶動小粒徑粉塵顆粒進入無風(fēng)試驗罐。在無風(fēng)試驗罐的中心安裝有采樣管道，使用GRIMM 11A型氣溶膠粒徑譜儀監(jiān)測試驗罐內(nèi)的顆粒物濃度和粒徑分布。一般情況下，粉塵腔體內(nèi)的顆粒物粒徑?jīng)Q定了吹入無風(fēng)試驗罐的顆粒物粒徑。調(diào)節(jié)流量控制旋鈕，可以調(diào)節(jié)干燥空氣的流量，流量越大，高速氣流流速越快，從而提高吹塵速度。

圖5 粉塵發(fā)生器示意圖Fig.5 Schematic diagram of dust generator

自然條件下，絕緣子表面積聚的污穢的粒徑基本都在0～50 μm之間，其d(0.5)基本在20 μm左右[6，16-18]。另外，重力基本與污穢顆粒粒徑呈三次方關(guān)系，電場力與粒徑呈二次方關(guān)系，所以粒徑越小的污穢顆粒受電場力的影響就越顯著。為了在試驗區(qū)內(nèi)得到小粒徑的塵粒環(huán)境，選用指定的小粒徑的高嶺土模擬自然污穢，其粒徑分布如圖6和表1所示。

圖6 粒度分布圖Fig.6 Particle-size distribution of kaolin

d(0.1)/μmd(0.5)/μmd(0.9)/μm1.614.8112.27

1.4 電場發(fā)生裝置

本試驗所用的變壓器能產(chǎn)生有效值為0～30 kV的交流電壓和0～35 kV的直流正、負(fù)極性電壓。使用均壓板產(chǎn)生均勻電場，均壓板直徑為30 cm，厚5 mm，均壓板間距為10 cm。薄玻璃試片長寬均為10 cm，厚0.5 mm，放置在均壓板中心的5 cm高處。

在試驗罐內(nèi)同時放置兩組均壓板，其中一組的下板接高壓，其余均壓板接地。于是兩片玻璃試片一片放置于均勻電場中，另一片表面則無電場。

使用COMSOL Multiphysics仿真軟件計算了玻璃試片表面的電勢和電場分布，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 試片表面電場分布Fig.7 Electric field distribution on the surface of specimen

從仿真計算的結(jié)果看，帶電玻璃試片表面電場分布均勻，電場強度方向與試片表面垂直，試片表面電勢基本不變，可以認(rèn)為處在均勻電場中。而不帶電試片表面電場強度很低，且電勢幾乎為0，可以認(rèn)為表面無電場存在，與預(yù)期結(jié)果一致。因此，試片表面場強范圍約為0～3 kV/cm。

2 試驗方法

2.1 試驗前準(zhǔn)備

在試驗開始前，先準(zhǔn)備恒溫恒濕環(huán)境。為此，將無風(fēng)試驗罐與恒溫恒濕箱連通，設(shè)定恒溫恒濕箱的溫濕度和風(fēng)速值，經(jīng)過40 min到1 h的擴散過程后，恒溫恒濕箱內(nèi)的溫濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值，可以認(rèn)為試驗腔體內(nèi)溫濕度與恒溫恒濕箱內(nèi)溫濕度一致，均達(dá)到設(shè)定溫濕度。之后將無風(fēng)試驗罐與恒溫恒濕箱隔離，整個試驗過程中除了更換試片外，均保持隔離狀態(tài)，同時溫濕度控制系統(tǒng)仍保持運行，為試驗提供穩(wěn)定的外部溫濕度環(huán)境。一般情況下，將試驗區(qū)內(nèi)的環(huán)境溫度控制在25℃，濕度控制在70%相對濕度。

2.2 試驗過程

試驗過程中為無風(fēng)試驗罐內(nèi)提供符合顆粒物濃度要求的顆粒物環(huán)境。

先打開氣溶膠粒徑譜儀，對試驗區(qū)內(nèi)的顆粒物濃度進行監(jiān)測。然后打開冷凍式干燥機和空壓機，開始向無風(fēng)試驗罐內(nèi)吹入塵粒，待顆粒物濃度達(dá)到預(yù)設(shè)濃度時，關(guān)閉空壓機，停止吹塵。一般情況下預(yù)設(shè)濃度為5 000 μg/m3，此時顆粒物濃度會持續(xù)上升1 min左右。此后試驗罐內(nèi)的顆粒物開始自然沉降，在重力和電場力的作用下逐漸吸附到玻璃試片表面。

待無風(fēng)試驗罐內(nèi)顆粒物濃度降低至100 μg/m3以下時，停止試驗。

2.3 試驗后測量

顆粒物沉降結(jié)束后，將玻璃試片放置在恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)在110℃環(huán)境下干燥30 min。用毛刷小心地將試片上、下表面沉積的污穢顆粒掃下來，使用電子天平稱量污穢質(zhì)量。

試驗中，每組試驗都測量帶電試片的上、下表面以及不帶電試片上表面積聚的顆粒物質(zhì)量。由于交流電場下帶電試片下表面積污量很小，故而不測量交流情況下的帶電試片下表面積污量。

以不帶電試片上表面的積污量作為基準(zhǔn)，用帶電試片上、下表面的積污量與不帶電試片上表面積污量的比值作為電場對絕緣子積污的影響系數(shù)，并將不帶電情況下的比值折合為1。

3 試驗結(jié)果

按上文所述試驗方法進行了多組均勻電場下的交流電場以及直流正、負(fù)極性電場下的積污試驗，并測量了試驗區(qū)內(nèi)的顆粒物濃度以及顆粒物粒徑等參數(shù)。

3.1 顆粒物濃度

多組試驗的測量結(jié)果顯示一般沉降時間在40～60 min之間，顆粒物濃度曲線基本一致。試驗過程中，罐內(nèi)的顆粒物濃度隨時間變化的一組典型曲線如圖8所示。

圖8 顆粒物濃度曲線Fig.8 Particle concentration curve

3.2 顆粒物粒徑

收集了試驗腔體內(nèi)的空間顆粒物以及不帶電試片表面的污穢顆粒，測量了其粒徑分布，結(jié)果如表2所示。

表2 污穢粒徑分布Table 2 Particle-size distribution of contamination

與表1中數(shù)據(jù)進行對比，相比于試驗前加入粉塵發(fā)生器的塵粒，無風(fēng)試驗罐內(nèi)的空間顆粒物粒徑略高，這可能是因為塵粒在吹霾管道中相互摩擦并與管道壁摩擦，部分顆粒因此團聚為大顆粒，使得平均粒徑變大。

相比于空間顆粒物，不帶電條件下試片表面積聚的污穢的粒徑范圍更加集中，試片表面污穢的平均粒徑也更大。

3.3 玻璃片表面積污效果

不同電壓種類下試片表面的積污效果如圖9所示，可以看到，不論何種電壓，試片上表面都均勻的積聚了一層污穢，而在直流正、負(fù)極性電壓下，下表面也出現(xiàn)了明顯的積污，但下表面積污量明顯小于上表面積污量。

(a)交流電壓下積污(左：上表面，右：下表面，下同)

(b)直流正極性電壓下積污

(c)直流負(fù)極性電壓下積污圖9 不同電壓類型下試片表面積污Fig.9 Contamination on the surface of specimen under different electric field type

4 結(jié)論

1)研制了一種用于均勻電場下人工積污的試驗裝置，該裝置可產(chǎn)生指定溫度、濕度、塵粒粒徑以及塵粒濃度的試驗環(huán)境，并提供場強可控的均勻電場。

2)成功產(chǎn)生了25℃、70%相對濕度、粒徑在20 μm以下的無風(fēng)塵粒環(huán)境，實現(xiàn)了對塵粒濃度和粒徑分布的實時監(jiān)測。

3)初步試驗表明，交流電場下試片表面積污與不帶電情況下類似，上表面有明顯積污，下表面無積污；直流正、負(fù)極性電場下，試片的上、下表面都出現(xiàn)了明顯積污，但上表面積污量更大。