DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.015

湖南地区输电线路悬式绝缘子自然积污规律

蒋子丹¹，蒋兴良¹，蒋晏如²，李永福³

(1. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆，400030；

2. 国网株洲供电公司，湖南 株洲，412000；

3. 国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆，401123)

摘要：利用位于湖南省电力公司500 kV输电线路上的绝缘子样品，研究典型区域悬式绝缘子的自然积污特点。根据历年来的气象数据、绝缘子每月的等值附盐密度和不可溶物密度的取样数据研究污秽颗粒粒径、降雨、季节性等因素对绝缘子表面自然积污的影响。同时，通过拟合得到了绝缘子清洗能力随降雨强度、降雨时间发生变化的指数方程。研究结果表明：黏附力和颗粒粒径直接决定颗粒在绝缘子表面持续积污的能力，且较小污秽颗粒更易于吸附绝缘子表面。

关键词：悬式绝缘子；积污特性；等值附盐密度；不可溶物密度；颗粒粒径；黏附力；降雨强度

中图分类号：TM852        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)07-1683-08

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)

Abstract: 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.

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

当前，防污工作已成为保障电网安全运行的重中之重。而防污工作的开展通常是以污秽度测量为基础，来研究自然积污的规律，确定污区等级，指导外绝缘设计和调爬清扫等工作^[1-6]。为提高我国电网外绝缘的整体水平，应采用“绝缘到位，留有裕度”的基本原则。通过依靠设备本体绝缘水平抵御恶劣自然环境导致的污闪，不把绝缘设计建立在大规模清扫工作(一年一次)的基础上；在绝缘配置上要适当留有裕度，从而预防日益增长的大气污染和可能出现的灾害性天气^[7-10]。因此，准确测量和预测绝缘子表面污秽度对预防电力系统污秽闪络事故具有重要意义。近几年，国内外科研机构开展了关于输电线路绝缘子积污特性的研究，研究了部分地区的盐密、灰密、自然气候条件等主要参数，讨论了沿海、城市和沙漠等地形环境因素导致的积污差异，建立了自然积污模型并且研发相关的在线监测系统^[11-14]。文献[15]指出对于不同的地理环境，由于污染源、污染成分、雨水的冲刷和气候条件的不同对绝缘子积污造成的影响也不同；选取东莞市6个典型区域的绝缘子样品，测得等值附盐密度和不可溶物密度，反映不同区域下的积污特性，得到了工业区域的积污最为严重的结论。文献[16]对当地沿海及岛屿环境进行数据分析，研究了降雨对绝缘子表面污秽程度的影响，建立了污秽冲刷模型，有效预测了在类似自然条件下绝缘子积污特性。这些研究结果在一定程度上指导了输电线路的防污工作。但是，绝缘子积污具有典型的区域性，且在自然环境中，气候因素不可控制，试验数据点较少。因此，现有研究主要通过人工模拟试验方式以及模糊数学、神经网络等方法预测绝缘子积污规律^[17-18]，其研究结果无法真实反映我国不同区域的积污情况。本文作者通过在南方地区为期5 a的自然积污试验，利用大量的历史数据和500 kV线路未带电模拟串自然积污数据，研究自然条件下绝缘子表面盐密和灰密的积污规律；通过大气粒径分布特点表征和预测绝缘子表面粒径范围，监测大气污秽颗粒浓度，分析南方地区空气中污秽颗粒浓度、粒径分布对表面积污特性的影响，以及降雨与绝缘子表面冲刷之间的有效关系，以便为南方地区进行绝缘子污秽清扫提供合理的参考方案，提高清扫的效率。

1  试验环境

1.1  试验点选取

本次现场自然积污试验测试点位于湖南省，选取现有的500 kV输电线路上非带电悬式绝缘子模拟串(如图1所示)。试验点的建立依托于现有的500 kV输电线路杆塔，在杆塔上安装非带电模拟串，进行为期5 a绝缘子自然积污试验。每一地区选取相邻的5基杆塔，安装一定数量的绝缘子进行同步自然积污和数据测量，测量时间为每月28号。

图1  500 kV输电线路绝缘子布置

Fig. 1  Layout of experiment point

试验线路上悬挂的绝缘子均为悬式玻璃绝缘子LXY1-70，绝缘子结构参数如表1所示(其中H为绝缘子的结构高度，D为盘径，L为绝缘子的爬电距离)。在试验开始前，所有绝缘子均已仔细清洗。试验样品安装方式为非带电悬式安装，直接安装在靠近导线的横担上，安装位置距离挂线点500~600 mm。

表1  绝缘子结构参数

Table 1  Main parameters and profile of insulator tested

1.2  气候条件

南方地区主要为大陆型中亚热带季风湿润气候。其中湖南地区气候具有光、热、水资源丰富，三者的高值又基本同步。模拟串测试积污时间为期5 a，在积污期间主导风向为北风，该地区平均风速一般在3~10 m/s之间，雨雪天气达到800多d。根据气象统计部门数据的分析，降水量占全年总降水量的68%~84%，11月份到次年1月份为旱季。该地区大气中的主要污染物为可吸入颗粒物(PM10)，其次是SO₂。2011—2015年大气污染指数(AQI)在轻度污染以上的月份约占总月份数的30%。大气污染具有明显的季节性差异，冬季大气污染较夏季污染重。

1.3  测量方法

考虑绝缘子串上端绝缘子的上表面无遮挡物，其降雨冲刷效果好，污秽值偏低；下端绝缘子的下表面受地面扬尘污染严重，且没有雨水飞溅作用，污秽值偏高，因此，主要测定杆塔左右侧绝缘子串，即左右串的第2至4片绝缘子(不采集绝缘子两端的污秽数据)。等值附盐密度(盐密)ρ_ESDD和不可溶物密度(灰密)ρ_NSDD测定方法如下：参照IEC 60815标准^[19]，每个伞面用500 mL去离子水进行清洗，测量污液电导率得到ρ_ESDD，对不溶性污秽经过过滤烘干后，称质量，测量得到ρ_NSDD。

2  试验结果与分析

2.1  季节变化规律

绝缘子表面积污过程有明显的季节变化规律。在旱季进行污秽积累，在雨季进行降雨冲刷。因此，根据5 a内500 kV星云线每月测得的盐密和灰密进行数据筛选和处理得到污秽随时间、天气变化的情况，如图2所示。

由图2可知：2011年至2015年每年测得的ρ_ESDD和ρ_NSDD的变化均呈现季节性。基于当地气象数据统计(图3)，11月份到次年2月份主要属于旱季，旱季阶段降雨强度不超过2 mm/d，且空气中悬浮物颗粒浓度较高，使绝缘子表面自然积污概率大大增加；4月份至9月份期间为雨季，其中每年6月份或7月份降雨强度达到极值，最高达到24.61 mm/d，最低也达到8.30 mm/d。ρ_ESDD和ρ_NSDD在每年雨季时会发生陡降，体现了降雨对绝缘子表面污层的清洗效果十分显著。雨季阶段，绝缘子受到反复冲刷，得到了有效清洗。测得的ρ_ESDD与ρ_NSDD的变化趋势也反映了污秽数值与降雨强度变化趋势整体一致：5 a内盐密与灰密在2月份至3月份出现最高值，而在7月份至9月份达到最小值。

通过5 a内测得的ρ_ESDD和ρ_NSDD纵向对比，ρ_ESDD的变化范围较为规律且变化幅度较小。而ρ_NSDD的变化具有一定的波动性，这主要是由于雨季对盐密和灰密的冲刷效果作用不同。降雨冲刷过程首先开始于可溶性污染物，其在降雨初期即被溶解，并随着绝缘子表面径流的形成和流动不断被带走，只需少量降雨就可以进行有效地清洗。而难溶解性污染物的冲刷规律则不同，降雨只能依靠水流的机械冲刷力对其进行冲刷，且只有在绝缘子表面径流流速达到污秽颗粒的启动速度后，难溶解性污染物才会被径流冲走。所以，当降雨强度大时，才能产生足够的机械冲刷力进行有效清洗。盐密主要是可溶性污染物，灰密中主要成分大多为难溶性污染物。因此，盐密在降雨初期被雨水溶解时也受到机械冲刷的作用，其雨水冲刷的时效性较好。而灰密仅仅只受到雨水直接机械冲刷的作用，降雨强度对ρ_NSDD的影响更为显著。

图2  盐密和灰密随时间变化趋势(500 kV星云线)

Fig. 2  Contamination deposit densities for each year in Xin-Yun line.

图3  2011—2015年每月平均降雨量和降雨时间

Fig. 3  Averaged monthly rainfall and rain time for five years.

2.2  污秽颗粒对积污特性的影响

根据上述绝缘子表面积污随季节变化的规律，研究绝缘子表面在旱季阶段的积污特性。本文选取500 kV星云线所在的株洲市为检测点，根据测试地区大气环境空气质量检测得到沉降粒径分布特征，大量的数据统计结果分析表明粒度分布是随意的，但这种分布近似地符合某种规律。为了更好地反映出粒径细小的特征，采用质量分布表示各级颗粒粒径的分布情况^[20-22]。主要分析测试地区中PM_2.5，PM₁₀，10~15 μm及总悬浮微粒(TSP)粒径小于100 μm的颗粒物累积概率。

测试地区周围主要污染源有公路、铁路、建筑工地、工业污染、交通运输污染等。如图4所示，大气中的污秽颗粒粒径主要分布在50 μm以下，其中95%的污秽颗粒粒径小于25 μm，通过对粒径分布特征的研究，发现较小的污秽颗粒粒径更容易附着于绝缘子表面。

测试地区周围主要污染源有公路、铁路、建筑工地、工业污染、交通运输污染等。从图4可知：大气中的污秽颗粒粒径主要分布在50 μm以下，其中95%的污秽颗粒粒径小于25 μm，通过对粒径分布特征的研究，发现较小的污秽颗粒粒径更容易附着于绝缘子表面。

图4  污秽颗粒的粒径分布

Fig. 4  Distribution of particles size

污秽颗粒受到空气流场的影响，碰撞到绝缘子表面时受到水平和垂直方向的作用力^[23-24]。在水平方向上，与风存在相对运动，需考虑风力对污秽颗粒水平运动的拖拽力F_d；在垂直方向上，需考虑污秽颗粒受到向下的黏附力F_a和向上的弹性力F_t，以及污秽颗粒自身重力F_g、绝缘子表面摩擦对颗粒运动产生表面应力力矩M_t。图5中，a表示两物体表面接触半径；表示压缩位移；δ₁表示表面粗糙度，决定污秽颗粒在粗糙表面运动的方向(如图5所示)。

污秽颗粒在与绝缘子表面碰撞过程中，表面对颗粒产生向下的黏附力F_a，通常包括毛细力(F_c)和固体表面之间的作用力。固体之间的相互作用力主要是范德华力(F_vw)，所以，黏附力可以表示为：

                (1)

            (2)

               (3)

式中：A为Hamaker常数；a为两物体表面接触半径，a=0.25 nm；γ为液体表面张力，若液体为水，则γ=72.50 mN/m；h为水膜厚度；r_k为Kelvin半径；V_m为液体的摩尔体积，室温下水的摩尔体积V_m=1.080 4×10^{-5 m3}/mol；k_c为气体常数，在标准状态下，k_c=8.31 J/(mol·K)；T为室内的热力学温度；R_H为相对湿度。

图5  颗粒碰撞微观图

Fig. 5  Schematic of a particle adhesion on surface

根据污秽颗粒在绝缘子表面的受力分析，可以得到污秽颗粒与绝缘表面碰撞的入射速度v。当发生回弹效应时，颗粒会克服黏附力的作用，完成回弹，从而得到1个回弹的出射速度。由于碰撞中需要克服黏附力的作用引起碰撞损耗，因此，满足动能定理：

            (4)

              (5)

式中：L₁为关于水平方向拖拽力与O点之间的力臂距离；L₂为关于垂直方向的弹性力、黏附力与O点之间的力臂距离。

同时，由于相互挤压变形，产生了垂直方向的弹性力。当发生碰撞时，污秽颗粒会引起碰撞损耗，从而导致污秽颗粒与绝缘子表面接触瞬间发生回弹效应，从而脱离于表面。根据经典的赫兹弹性理论，可以得到如下表达式：

                  (6)

                 (7)

在碰撞过程中，污秽颗粒与绝缘表面之间伴随着能量损耗和力矩平衡关系，垂直向上只有黏附力做功。通过微观分析得到关于颗粒的力矩平衡关系。

        (8)

式中：M_t，F_d，F_t和F_a分别为表面摩擦应力力矩、拖拽力、弹性力和黏附力。

根据式(8)，是否克服黏附力作用是判定颗粒是否沉降于绝缘表面的主要判断依据。而颗粒碰撞绝缘子水平和垂直方向的速度差异直接反映了作用大小的结果。因此，污秽颗粒沉降绝缘表面的速度决定了颗粒沉降的条件。

由图6可知：在空气风速一定情况下，通过力矩平衡理论式(8)，黏附力作用力矩M₁在粒径低于临界值25 μm的情况下大于由表面摩擦应力、拖拽力、弹性力力矩之和M₂。随着粒径增大，M₂大于M₁，则外作用力克服了表面对污秽颗粒的黏附力，从而污秽颗粒脱离绝缘表面，没有达到沉降条件。

图6  粒径与力矩关系

Fig. 6  Relation between particle size and moment of force

碰撞表面回弹速度随着污秽颗粒粒径增大而增大。出射速度和污秽颗粒质量的增大使得污秽颗粒克服黏附力的动能显著增大，从而脱离绝缘子表面，达到移除的作用。同时可知：出射速度的变化随粒径增大而增大，因此，粒径小的污秽颗粒较粒径大的颗粒更加易于吸附于绝缘表面。根据对绝缘子表面污秽颗粒的受力分析，粒径决定颗粒的质量，从而影响污秽颗粒在空气流场作用下的运动规律和绝缘表面碰撞过程。

图7  粗糙度对颗粒与接触面积的影响

Fig. 7  Influence of surface’s roughness on particle

同时，当污秽颗粒粒径较大，绝缘表面粗糙度小于粒径，则污秽颗粒与表面之间的接触面积减小，更容易滚落或回弹。而当污秽颗粒较小时，颗粒会陷于粗糙表面，与绝缘表面充分接触，进而表面对颗粒的黏附力作用增强。颗粒物的粒径分布特点直接反映了自然积污过程中绝缘子表面积污的特征。

综上所述，污秽粒径对碰撞过程后的回弹效应成正相关的关系。而对碰撞过程的受力分析可知：粒径对力矩平衡的影响是相对的，在空气主流风速一定的情况下，得到了粒径为25 μm的临界值，所以，控制空气中粒径小于25 μm的颗粒，则可有效、正确地评估绝缘子表面自然积污量。

2.3  降雨冲刷对积污特性的影响

根据上述ρ_ESDD和ρ_NSDD季节变化的趋势，可以了解到雨水对绝缘子表面积污的影响十分明显。通过对星云线同步自然积污和数据测量，选取每年2月份至9月份的8对ρ_ESDD和ρ_NSDD。在此期间，降雨逐渐增多，污秽水平受到雨水的影响。根据统计的40个点数据，得到降雨强度对ρ_ESDD和ρ_NSDD的影响趋势，如图8所示。

图8  降雨强度对ρ_ESDD和ρ_NSDD的影响

Fig. 8  Influence of rainfall’s intensity for ρ_ESDD and ρ_NSDD

由图8可知：降雨强度在较低水平时，污秽水平下降十分显著；随着降雨强度的增大，污秽降低趋于平缓；当降雨强度很大时，最后污秽水平变化趋于静止；在降雨初期，较小的降雨强度对绝缘子上表面污秽的清洗非常有效，因此，ρ_ESDD和ρ_NSDD在雨水的作用下下降明显且冲刷的时效性很快；随着降雨强度增加，上表面污层已得到有效地清洗，ρ_ESDD和ρ_NSDD的减小趋势放缓；随着该地区进入雨季，降雨强度持续变强和降雨频度增加，因此，ρ_ESDD和ρ_NSDD依然有下降的趋势但趋于一个恒定值。同时，由于雨水本身干燥后留有残余污秽和绝缘子外形轮廓的影响，测量值均大于0 mg/cm²。

根据上述的数据测量，可以得到ρ_ESDD和ρ_NSDD与降雨强度(I)的关系是指数变化的趋势，其表达式为：

             (9)

    (10)

从式(9)和(10)可以看出：ρ_ESDD和ρ_NSDD在降雨强度较低水平时，剩余污秽量流失十分明显。通过大量的试验数据点分析，得到了降雨强度对绝缘子表面积污的影响趋势，从而可基于降雨强度预测绝缘子在雨季期间的积污水平和积污趋势。

2.4  不同地域对积污特性的影响

结合上述季节性、污秽颗粒粒径、降雨对绝缘子表面自然积污特性的分析，选取南方地区在2015年4个试验点测得的ρ_ESDD和ρ_NSDD，得到典型区域悬式绝缘子的自然积污特点。

如图9所示，4个测试点中，ρ_NSDD和ρ_ESDD在2月份均达到了最高值，在10月份或11月份达到最小值。3月份进入雨季时，在充沛的雨水作用下，污秽度逐渐被雨水冲刷而下降。在绝缘子表面累积阶段，鹤云线、星云线和船古线ρ_NSDD最大值达0.50 mg/cm²以上，而古星线的ρ_NSDD最大值为0.40 mg/cm²。由于空气污染浓度在旱季较高，空气中污秽颗粒粒径较大，因此，测得的绝缘子污秽度在高速公路、农田和工业环境下，其绝缘子表面难溶污染物含量较高。4个测试点ρ_ESDD最大值均达到0.25 mg/cm²以上，其中船古线的ρ_ESDD比其他几个测试点高。在降雨阶段，ρ_NSDD和ρ_ESDD下降幅度较大，其雨水冲刷的效果十分显著。但工业地区的ρ_NSDD和ρ_ESDD相较于其他地区变化幅度较为平缓，且污秽度较大。说明工业地区比其他污染源对绝缘子表面污染更为严重，污秽等级较高。

因此，污秽的累积和流失主要是污染源和降雨冲刷造成的。电力部门可结合降雨规律合理制定对不同污染源地区的绝缘子清扫工作。

图9 不同区域的污秽度(2015)

Fig. 9  Contamination deposit densities for 2015 in different test sites

3  结论

1) 根据气象参数和降雨条件，纵向对比星云输电线路绝缘子串长达5 a的积污情况。每年积污均呈现出冬季累积、夏季冲刷的规律。分析得到了灰密在随季节变化规律滞后于盐密的主要原因。

2) 颗粒物的粒径分布特点直接反映了自然积污过程中大气污秽颗粒的统计特征。根据污秽颗粒在绝缘子表面运动的回弹条件和力矩平衡关系，得到了粒径为25 μm的极值，从而由该区间颗粒浓度表征污秽颗粒在绝缘子表面积污速率增长的趋势。进而通过监视和测量大气空气质量指数、预测绝缘表面积污度，实现对绝缘子有针对性的清扫。

3) 拟合得到等值附盐密度和不可溶物密度与降雨强度的关系呈指数变化，从而改进了现有电力部门清洗绝缘子方案，提供了优化的工程指导意见。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2017-03-06；修回日期：2017-05-04

基金项目(Foundation item)：国家电网科技项目(SGTYHT/14-JS-188) (Project(SGTYHT/14-JS-188) supported by the Science and Technology Project of States Grid Corporation of China)

通信作者：蒋子丹，博士，从事高电压与绝缘子技术研究；E-mail: jiangzidandq4@163.com