王思華，王 惠, 田銘興

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

雷害是導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的首要因素，而屬次要因素的污閃事故所導(dǎo)致的損失卻是雷害的近十倍[1-2]，且牽引供電接觸網(wǎng)為露天供電設(shè)備，經(jīng)常受到工業(yè)污染或自然鹽堿、灰塵、鳥糞等污染，因此在高濕度環(huán)境下絕緣子的累積積污程度將直接影響到接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。艾比湖區(qū)域高頻次的鹽堿沙塵更是加劇了受影響區(qū)域內(nèi)接觸網(wǎng)絕緣表面的積污程度，具有高含鹽量的污穢層也使得絕緣子在濕潤(rùn)條件下更易發(fā)生污閃。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鹽堿沙塵氣象的形成與絕緣子的動(dòng)態(tài)積進(jìn)行了大量的研究工作：文獻(xiàn)[3-4]從氣象和地質(zhì)兩方面研究了干涸湖濱部分在風(fēng)蝕作用下形成的鹽堿沙塵對(duì)下風(fēng)向各區(qū)域的影響，但是在電力方面的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[5]以溫度、濕度、風(fēng)速等特征參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入值以預(yù)測(cè)其與等值附鹽密度之間關(guān)系的模型，由于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為月數(shù)據(jù)，故針對(duì)積污速率快的地區(qū)沒有大的參考性。文獻(xiàn)[6]將鹽堿沙塵發(fā)源地的顆粒成分以固定的占比模型來模擬其在絕緣子表面的積污現(xiàn)象，但在大氣污穢顆粒的構(gòu)成方面，未考慮在污穢源區(qū)影響的基礎(chǔ)上添加本區(qū)域污源的疊加作用。文獻(xiàn)[7]研究了自然降雨特征參數(shù)、降雨沖刷作用影響因素等，建立了降雨沖刷物理模型，但雨滴粒徑等數(shù)學(xué)參數(shù)受環(huán)境因素影響大，具有不確定性，不易獲得。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合艾比湖區(qū)域特有的鹽堿沙塵天氣，根據(jù)建立的絕緣子表面積污簡(jiǎn)化模型，在污穢源區(qū)風(fēng)運(yùn)特性和受影響區(qū)域氣象條件的雙重影響下，得出絕緣表面在持續(xù)無(wú)降水天氣下的累積積污，再通過分析降雨沖刷各因素對(duì)積污的影響，利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鹽密、灰密值和降雨參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行非線性映射模型的建模。依據(jù)經(jīng)緯度信息和氣象信息來獲取受影響地區(qū)每個(gè)支柱的動(dòng)態(tài)污穢度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子的耐污水平，正確定位和篩選出可能污閃的絕緣子元件。

1 鹽堿沙塵對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子的影響

1.1 新疆鹽湖簡(jiǎn)介

新疆是我國(guó)面積最大的干旱-半干旱鹽湖分布區(qū)，也是沙塵天氣頻發(fā)區(qū)域，以新疆第一大鹽湖艾比湖為例來分析鹽堿沙塵對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子動(dòng)態(tài)積污的影響。艾比湖處于極端干旱的荒漠地帶以及阿拉山口大風(fēng)主通道下[8]，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，人類的不合理活動(dòng)更是加劇了湖面的干縮，初期湖面面積達(dá)到1 200 km2，如今湖面已經(jīng)萎縮至500 km2左右，其中干涸區(qū)域表層的土壤含鹽量高達(dá)40%[9]。水鹽運(yùn)動(dòng)的加劇加快了湖濱地區(qū)荒漠化程度，含鹽沙塵活動(dòng)也越來越頻繁，直接威脅到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和新亞歐大陸橋的安全運(yùn)行。

1.2 艾比湖對(duì)北疆鐵路接觸網(wǎng)絕緣子的影響

艾比湖干涸湖底的鹽漠粉塵受阿拉山口大風(fēng)作用，向東南快速擴(kuò)展，途徑溫泉、博樂、精河、烏蘇、奎屯等地，路徑覆蓋了阿拉山口至烏魯木齊的北疆段鐵路。大風(fēng)、鹽塵是對(duì)該區(qū)域牽引接觸網(wǎng)危害最大的因素，列車曾多次受影響使得不能直接發(fā)車[8,10]。

沙塵暴和浮塵、揚(yáng)沙都屬于沙塵天氣，但是沙塵暴的持續(xù)時(shí)間較短(多為2～4 h)，發(fā)生次數(shù)也較少，較高的風(fēng)速對(duì)電力線路產(chǎn)生的力學(xué)破壞是沙塵暴對(duì)接觸網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)的首要威脅。而浮塵、揚(yáng)沙氣象發(fā)生時(shí)，較小的風(fēng)速對(duì)線路的影響較小，較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間卻是絕緣表面持續(xù)積污、受潮污閃的必要條件[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，精河縣20世紀(jì)90年代的浮塵天氣較之20世紀(jì)60年代的天數(shù)增長(zhǎng)了120多倍[5]。長(zhǎng)時(shí)間的浮塵天氣使得沉降在接觸網(wǎng)絕緣子表面的污穢顆粒持續(xù)增多，在大氣濕度較高的氣象條件下(如大霧、毛毛雨、小雨、融雪)，可溶性顆粒吸收水分溶解，泄漏電流逐漸增強(qiáng)，電流熱效應(yīng)促使干帶形成，進(jìn)而出現(xiàn)橋接在干帶兩邊的電弧，若沒有達(dá)到污閃所需的污穢度，較小的電流便維持不了電弧的發(fā)展，沿面閃絡(luò)現(xiàn)象將不會(huì)發(fā)生，絕緣表面將在遇到浮塵天氣后繼續(xù)積污；若達(dá)到了一定的污穢程度，電弧便會(huì)沿半導(dǎo)體的積污層加速發(fā)展直至閃絡(luò)[12]。因此在浮塵天氣頻發(fā)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣表面的動(dòng)態(tài)變化是很有必要的。

2 鹽堿污穢顆粒動(dòng)態(tài)積污總模型

根據(jù)動(dòng)態(tài)積污原理的研究，污穢顆粒經(jīng)沉降、沖刷、再沉降的過程沉積在絕緣表面，若將一段無(wú)降水時(shí)間內(nèi)污穢顆粒的增長(zhǎng)率設(shè)為定值，則顆粒在物體表面的動(dòng)態(tài)積污量如圖1所示。

總積污量可由鹽密ρESDD和灰密ρNSDD分別計(jì)算，以各無(wú)降水時(shí)段內(nèi)的累積增長(zhǎng)值ρESDDi、ρNSDDi和降水沖刷的負(fù)增長(zhǎng)值ΔCESDDi、ΔCNSDDi累加得出(i=1，2，…)。

ρESDD=ρESDD1+ΔCESDD1+ρESDD2+ΔCESDD2+…

( 1 )

ρNSDD=ρNSDD1+ΔCNSDD1+ρNSDD2+ΔCNSDD2+…

( 2 )

3 接觸網(wǎng)絕緣子表面污穢顆粒沉降分析

3.1 鹽堿沙塵顆粒沉降

污穢顆粒需要在被風(fēng)揚(yáng)起后經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理過程才可以沉降在絕緣表面，一般將此過程分為4個(gè)獨(dú)立的階段[15]。自由沉降階段中，顆粒在豎直方向上保持平衡后的終點(diǎn)速度vy0做勻速運(yùn)動(dòng)，水平方向以等同于主流風(fēng)速的大小運(yùn)動(dòng)；邊界層階段中，顆粒在豎直方向的速度變化很小，可忽略不計(jì)；碰撞吸附階段時(shí)，顆粒入射絕緣表面的水膜層，經(jīng)過入射、碰撞、出射吸附3個(gè)過程，如圖2～圖4所示。如果顆粒在出射時(shí)所具有的動(dòng)能大于污穢層水膜對(duì)其的吸附力，則將出射成功，否則將作為污穢層的一部分吸附在絕緣表面。

圖2 顆粒入射壁面階段

圖3 顆粒碰撞壁面階段

圖4 顆粒出射吸附階段

顆粒豎直方向的速度關(guān)系為[6]

( 3 )

vy2=evy0

( 4 )

( 5 )

式中：g為重力加速度；dp為污穢顆粒的直徑；ρp為污穢顆粒密度；μ為動(dòng)力黏度；e為恢復(fù)系數(shù)；σs為屈服極限，σs=200 N/mm2；m為顆粒的質(zhì)量；v為正碰相對(duì)速度，v=vy0；E=6.40×1011Pa。

污穢顆粒和絕緣子表面接觸過程中的能量損耗主要由顆粒碰撞損耗構(gòu)成。

( 6 )

Wa=Fw(amax-amin)+Fc(h-a0)

( 7 )

式中：Wa為顆?？朔诿嫠さ奈搅λ龅墓Γ籉w為范德華力；Fc為毛細(xì)力；amax為使范德華力最大的距離，amax=0.4 nm；amin為使范德華力最小的距離，amin=0.165 nm；a0為物體的接觸距離，a0=0.1 nm。出射時(shí)水平方向不受力的作用，vx3=vx2。

由以上分析得出顆粒法向出射速度為

( 8 )

如果污穢顆粒沒有完成出射，則vy3將下降為0，且在絕緣表面以vx3為初始速度進(jìn)行一段遠(yuǎn)小于絕緣表面長(zhǎng)度的減速運(yùn)動(dòng)，因此可將vy3=0作為顆粒吸附的判據(jù)。

3.2 接觸網(wǎng)絕緣子表面累積積污量

3.2.1 累積積污量

文獻(xiàn)[8]中以式( 9 )來獲得懸式絕緣子在一定時(shí)間的積污量，且通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)值與理論值誤差為14.8%，驗(yàn)證了理論公式的可行性。

( 9 )

式中：SDD為實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)單位面積積污量；vpy(r)為粒徑為r的污穢顆粒在豎直方向的沉降終點(diǎn)速度；C(t，r)為空氣顆粒實(shí)時(shí)濃度，由空氣總懸浮物(TSP)獲得；P(r,U∞,RH)為顆粒沉積判據(jù)。

3.2.2 艾比湖區(qū)域絕緣表面累積積污量

受艾比湖鹽堿沙塵影響的區(qū)域絕緣子表面積污速率高，短時(shí)間內(nèi)就能累積較厚的污穢層，遇到惡劣天氣極易污閃，由式( 9 )可以計(jì)算出實(shí)時(shí)積污濃度的大小，以便于及時(shí)的做出預(yù)警。但作為數(shù)據(jù)主要參考的TSP，即總懸浮物顆粒，卻不能有效呈現(xiàn)出艾比湖區(qū)域大氣中鹽堿沙塵顆粒的含量信息。TSP監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多分布于城市區(qū)域，受燃油、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)等人為活動(dòng)排放影響較大，而艾比湖下風(fēng)向地區(qū)地形寬廣，地處邊遠(yuǎn)，受人為因素影響較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)不僅不能覆蓋所有范圍，還會(huì)導(dǎo)致顆粒分布誤差過大。為了更適用于艾比湖區(qū)域，以增加數(shù)據(jù)參考量，增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性為前提，將各個(gè)縣級(jí)氣象局采集到的信息作為數(shù)據(jù)來源代替城區(qū)TSP數(shù)據(jù)的不足?？赏ㄟ^二維插分法將各縣局的能見度、風(fēng)速等信息賦值于各支柱所在的經(jīng)緯度，判定各小時(shí)環(huán)境影響下可沉降顆粒的粒徑大小，并結(jié)合各區(qū)域降塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合出的顆粒累積分布函數(shù)得出各粒徑顆粒在可沉降顆粒中的含量。修改后的公式為

(10)

式中：ρSAND為每小時(shí)絕緣表面單位面積上沉積的顆粒濃度；C(t,dp)為粒徑為dp的顆粒在t時(shí)刻的污穢濃度；vy0(dp)為粒徑為dp的顆粒豎直方向上的沉降速度;dpmax為該時(shí)段內(nèi)沉積顆粒粒徑最大值。

絕緣表面顆粒的沉降取決于該粒徑顆粒所具有的動(dòng)能和克服水膜吸附力做的功，克服吸附力做功取決于范德華力與毛細(xì)力的大小，而溫、濕度是影響這兩種力的主要因素。如圖5所示，當(dāng)設(shè)置一個(gè)溫度在0～25 ℃變化，濕度在20%～70%變化的區(qū)間，絕緣表面可沉降最大顆粒的直徑也將保持在32～42 μm區(qū)間內(nèi)，各溫濕度環(huán)境下得到的最大可沉降顆粒的粒徑可以作為沉降判據(jù)。

圖5 絕緣子表面污穢顆粒的粒徑范圍

根據(jù)GB/T 20479—2006《沙塵暴天氣監(jiān)測(cè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》中能見度與DM40的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)[16]，將實(shí)際的各小時(shí)能見度大小結(jié)合該時(shí)刻溫、濕度環(huán)境下最大可沉降顆粒粒徑的大小，得出可沉降顆粒的濃度值。表2為艾比湖下風(fēng)向區(qū)域9個(gè)氣象站幾個(gè)時(shí)段能見度對(duì)應(yīng)的DMpmax，將氣象站距離源區(qū)由近及遠(yuǎn)排列為1號(hào)至9號(hào)，由表2可知，在各區(qū)域本地污穢源的疊加作用下，污穢顆粒濃度值并不與距艾比湖的距離成反比。

表1 沙塵天氣等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 2011年艾比湖東南風(fēng)向沿途各點(diǎn)DMpmax濃度

C(t,dp)不僅取決于大氣污穢濃度和最大可沉降顆粒粒徑的大小，還需由污穢顆粒粒徑分布函數(shù)來得出大氣中各粒徑顆粒的濃度值。由艾比湖下風(fēng)向區(qū)域10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)降塵粒徑分布得出各地的粒徑分布相差不大，粒徑小于63 μm的顆粒占比均在89%以上。圖6 擬合了小于63 μm的顆粒的累積分布函數(shù)，擬合公式為

y=75.82e0.002 549x-75.67e-0.067 09x

(11)

圖6 污穢顆粒粒徑累計(jì)分布

3.3 鹽堿沙塵顆粒含鹽量分析

IEC 60815(新)在劃分污穢等級(jí)時(shí)附加考慮了灰密的影響，不同的灰鹽比不僅會(huì)影響污穢等級(jí)的劃分、污閃電壓的大小，也會(huì)影響降雨對(duì)絕緣表面積污的沖刷效果。

沿海區(qū)域海鹽蒸發(fā)量大，導(dǎo)致沉降顆粒中鹽含量相對(duì)較高，而內(nèi)陸高原地區(qū)沉降物中不溶性顆粒含量較高，因此將灰鹽比劃分為沿海2～3，內(nèi)陸高原4～10的區(qū)間范圍值，大多數(shù)研究將灰鹽比取為固定值。受艾比湖影響的下風(fēng)向地域分布較廣，且各小區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，并不能完全由一個(gè)固定的灰鹽比做分析。如圖7 所示，受鹽堿沙塵影響嚴(yán)重的精河縣在2—5月由于艾比湖干涸、半干涸湖底的鹽量加速析出，氣候干燥、地面保濕性差、風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致降塵含鹽量明顯高于其他月份。如圖8所示，老鹽場(chǎng)附近由于有露天廢棄鹽場(chǎng)的影響沉降含鹽量較高，而相距不遠(yuǎn)的托里鄉(xiāng)含鹽量?jī)H為5%，相差15%?？梢钥闯龈鞯爻两岛}量除了艾比湖源區(qū)的影響，還應(yīng)考慮各小區(qū)域內(nèi)環(huán)境的疊加影響。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降塵含鹽量數(shù)據(jù)結(jié)合距離艾比湖源區(qū)由近及遠(yuǎn)的地理位置信息，可由二維插分法得出2008年各站點(diǎn)的降塵含鹽量數(shù)據(jù)，如圖9所示，可得出降塵含鹽量并不與距污穢源區(qū)的距離成正比。綜上所述，降塵含鹽量是一個(gè)隨時(shí)間和距離而變化的值，因此，本文將灰鹽比作為動(dòng)態(tài)變化量來分析是很有必要的。

圖7 精河縣降塵量中可溶性鹽含量的月變化動(dòng)態(tài)(1998年)

圖8 艾比湖下風(fēng)向降塵可溶鹽含量

圖9 各站點(diǎn)降塵可溶鹽含量

4 考慮絕緣子表面沖刷特征的污穢度預(yù)測(cè)建模

絕緣表面的污穢顆粒受風(fēng)力沖刷和降雨沖刷兩種沖刷方式的影響。由于邊界層的作用，風(fēng)對(duì)顆粒產(chǎn)生的拖曳力遠(yuǎn)小于絕緣表面對(duì)顆粒的摩擦力，因此顆粒在風(fēng)力的作用下無(wú)法有效被沖刷，因此本文僅考慮降雨對(duì)污穢顆粒的沖刷。

4.1 降雨沖刷要素分析

降雨對(duì)顆粒的沖刷效果取決于雨滴粒徑、終點(diǎn)速度、動(dòng)能、降雨量、強(qiáng)度、沖刷角度、持續(xù)時(shí)間等多個(gè)方面。而雨滴粒徑出現(xiàn)的比例受降雨強(qiáng)度的影響最大。降雨的雨滴直徑一般在0.1～6.5 mm之間，過大的氣動(dòng)阻力會(huì)使雨滴變得扁平，增大了受力面積，在降落之前就破裂為小雨滴。雨滴動(dòng)能正比于粒徑的三次方及終點(diǎn)速度的平方。降雨強(qiáng)度為單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，在降雨強(qiáng)度一定的情況下，絕緣表面污穢顆粒被沖刷的速率會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變緩，降雨初始階段，沖刷效果較好，經(jīng)過較短的時(shí)間后沖刷效果變?nèi)酰}密、灰密值變化趨于平緩。雨滴受風(fēng)力的作用，在豎直方向上會(huì)偏移一定的角度，隨著角度的增大，絕緣子懸垂串各片之間的遮擋作用將會(huì)減弱，造成絕緣表面被直接沖刷面積的增大，使得沖刷效果增強(qiáng)。

綜合上述分析，雨滴動(dòng)能可以綜合反映雨滴粒徑與終點(diǎn)速度；時(shí)間段確定的情況下，降雨強(qiáng)度便可反映降雨量的大小，降雨量是雨滴體積和速度的體現(xiàn)，因此在考慮降雨對(duì)污穢顆粒的沖刷效果時(shí)，只需考慮降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間和風(fēng)速的大小即可。

4.2 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

文獻(xiàn)[17]研究表明,中雨、大雨、暴雨(小時(shí)降雨量大于2.5 mm)可以有效對(duì)絕緣表面進(jìn)行沖刷，小雨、毛毛雨僅能濕潤(rùn)絕緣表面的污穢層，造成易于污閃的環(huán)境，并不能有效沖刷。但是小雨與中雨并不能以數(shù)據(jù)的界定完全分割開來，兩者的界點(diǎn)是個(gè)過度量，雨滴是吸附大氣中的污穢顆粒進(jìn)行濕沉降還是對(duì)絕緣表面的污穢顆粒進(jìn)行沖刷都與諸多因素存在非線性關(guān)系，無(wú)法表示為單一的線性函數(shù)，因此本文使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來映射輸入、輸出量之間的映射關(guān)系。圖10為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱含層、輸出層。將影響降雨沖刷效果的參數(shù)作為輸入節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，得到相關(guān)的映射模型。

為了增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂能力和學(xué)習(xí)能力，本文利用遺傳算法特有的全局搜索能力優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值、閾值以及學(xué)習(xí)速率進(jìn)行優(yōu)化，解決隨機(jī)分配的弊端。

圖10 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

4.3 輸入量選取

降雨對(duì)絕緣表面污穢量的沖刷作用可由風(fēng)速、降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間3個(gè)特征值考量。自然降雨對(duì)污穢顆粒中的惰性成分和鹽堿成分有不同的沖刷效果：惰性顆粒僅受雨滴降落在絕緣表面產(chǎn)生的沖擊力作用；而未被雨滴沖擊力沖刷的鹽堿顆粒，還可繼續(xù)受到絕緣表面污穢層水膜的影響，當(dāng)水膜量超過保有值便以溶解滴落的方式脫離絕緣表面。由此可得，在相同污穢沉積量，且受到相同的降雨沖刷條件下，惰性顆粒含量較高的污穢層在受沖刷作用后剩余的污穢顆粒較多，因此，需將鹽密、灰密分開考慮以提高預(yù)測(cè)精度。根據(jù)上月監(jiān)測(cè)到的絕緣表面鹽密、灰密值疊加由式(10)計(jì)算出的本月在無(wú)降雨天氣下的累積積污量的大小，對(duì)比本月實(shí)際監(jiān)測(cè)到的鹽密、灰密值的大小即可反映降雨對(duì)污穢層的沖刷效果。輸入層各參數(shù)可選為：上月ρESDD監(jiān)測(cè)值、上月ρNSDD監(jiān)測(cè)值、月均降雨強(qiáng)度、降水次數(shù)、降水時(shí)間均值、月均風(fēng)速、月均相對(duì)濕度以及當(dāng)前月累積的ρESDD、ρNSDD值共9個(gè)參數(shù)，輸出層參數(shù)為當(dāng)前月絕緣表面實(shí)測(cè)的ρESDD、ρNSDD值。

4.4 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

本文共收集了84組XP-160型懸式瓷絕緣子表面的污穢積污濃度值以及絕緣子所在地的相關(guān)氣象參數(shù)，將60組數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，再由24組數(shù)據(jù)作為檢測(cè)樣本，輸入到模型中比對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果，驗(yàn)證本文所提方法的正確性。

表3列出了部分檢測(cè)樣本與學(xué)習(xí)模型的預(yù)測(cè)數(shù)值。用上月監(jiān)測(cè)出的鹽密、灰密值分別疊加當(dāng)月對(duì)應(yīng)的累積沉降量與當(dāng)月實(shí)際污穢監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，可以看出在月均降雨強(qiáng)度較小的前三組樣本中，降雨對(duì)絕緣表面的累積污穢并沒有明顯的沖刷效果，樣本2、樣本3中更是出現(xiàn)了疊加值小于實(shí)際污穢監(jiān)測(cè)值的現(xiàn)象，可解釋為，小強(qiáng)度的降雨對(duì)表面的沖刷作用有限，且經(jīng)降雨后污穢層濕度增加，顆粒間黏聚力增強(qiáng)，同時(shí)吸附空氣中的濕潤(rùn)污穢顆粒增加絕緣表面的污穢累加值，導(dǎo)致污穢層顆粒在降雨后不降反增的現(xiàn)象。樣本4、樣本5中，當(dāng)月實(shí)際監(jiān)測(cè)值明顯小于污穢沉積累加值，取決于較大的降雨強(qiáng)度對(duì)污穢層的機(jī)械以及溶解沖刷作用。經(jīng)比對(duì)，本文提出預(yù)測(cè)模型的輸出值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的誤差為9%，在誤差范圍之內(nèi)，說明本文提出的方法可行。

表3 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算絕緣子表面降雨沖刷后的污穢沉積量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 實(shí)例分析

選取受艾比湖鹽堿沙塵影響嚴(yán)重且在2011年3月14日發(fā)生污閃事故的精河站作為實(shí)例分析對(duì)象，并增加博樂站與伊里生站與精河站做對(duì)比分析。根據(jù)建立的絕緣表面積污總模型，對(duì)絕緣表面累積積污量進(jìn)行計(jì)算，并累加降雨對(duì)積污的負(fù)增長(zhǎng)作用，可得出三站點(diǎn)的累積鹽密、灰密值，如圖11、圖12所示。博樂站和精河站累積污穢層顆粒總量相差不大，灰密值幾乎持平，鹽密值卻差異較大，可解釋為精河站絕緣表面的污穢層在干涸鹽湖的作用下疊加了周圍易被吹蝕的鹽漬化土地與廢棄露天鹽場(chǎng)的作用，使得該站降塵量并不隨著距離的增加而減弱，伊里生站附近無(wú)露天污染源疊加沉降累積值，且距離艾比湖污源較遠(yuǎn)，鹽密、灰密值均較小。

圖11 各站點(diǎn)累積積污濃度(鹽密)

圖12 各站點(diǎn)累積積污濃度(灰密)

經(jīng)大量的人工污穢實(shí)驗(yàn)，得出XP-160型單片絕緣子污閃電壓為[1]

(12)

根據(jù)式(12)計(jì)算出的污閃電壓對(duì)比絕緣子的耐受電壓，便可對(duì)易污閃地區(qū)做出預(yù)警。本文中實(shí)例分析的3個(gè)站點(diǎn)在污穢等級(jí)地域分布上均處于e級(jí)，根據(jù)IEC 60815標(biāo)準(zhǔn)所列統(tǒng)一爬電比距區(qū)間值結(jié)合當(dāng)?shù)剡\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將統(tǒng)一爬電比距均置為60 mm/kV。XP-160型懸式絕緣子的爬電距離為305 mm，故在此種氣象環(huán)境下該絕緣子的單片耐壓值為5.1 kV，將預(yù)警值在耐壓值的基礎(chǔ)上提高10%，即在某時(shí)刻所得的鹽密、灰密值對(duì)應(yīng)的污閃電壓為5.61 kV時(shí)預(yù)警。圖13為每日各站點(diǎn)絕緣表面的污穢度由式(12)計(jì)算得到的耐壓值，雖然精河、博樂兩站總沉降量相差不大，但含量較少的鹽密值差異卻影響了耐受電壓的大小。可看出精河站在第11天便達(dá)到了預(yù)警值，第13天達(dá)到了耐壓臨界值，在無(wú)任何處理情況下，遇第15天的降雨天氣發(fā)生污閃。博樂站第16天遇小強(qiáng)度降雨，但耐壓值經(jīng)計(jì)算為5.73 kV，還未達(dá)到預(yù)警值，并未發(fā)生污閃，且如圖11、圖12所示，經(jīng)小強(qiáng)度降雨后，由于濕沉降作用，鹽密、灰密均有小幅增長(zhǎng)。

圖13 每日耐受電壓值

6 結(jié)論

(1) 在艾比湖地區(qū)特有的地理氣象環(huán)境下，北疆段鐵路絕緣子表面積污速率較高，通過優(yōu)化的累積積污公式結(jié)合易于獲得且數(shù)據(jù)樣本量大的氣象站數(shù)據(jù)來計(jì)算無(wú)降水期間的積污量，解決了監(jiān)測(cè)設(shè)備耗資大、誤差大的不足，更能根據(jù)氣象參數(shù)結(jié)合經(jīng)緯度信息精確獲得各支柱絕緣子的積污狀態(tài)。

(2) 提出的基于遺傳-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨沖刷模型能夠較好映射降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間等輸入值與降雨后污穢度之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差值在可接受范圍內(nèi)。

(3) 動(dòng)態(tài)積污總模型不僅可以計(jì)算并預(yù)測(cè)短期無(wú)降雨條件下的累計(jì)污穢濃度，而且可以通過降雨沖刷模型，得出每次降雨后的剩余污穢度，作為后續(xù)積污的初值，解決降雨后污穢沉積量初值不確定的問題。