PM10與絕緣子積污特性的關(guān)系研究

李偉性 張富春 廖 鵬 謝慶云

（超高壓輸電公司廣州局，廣州 565000）

PM10與絕緣子積污特性的關(guān)系研究

李偉性 張富春 廖 鵬 謝慶云

（超高壓輸電公司廣州局，廣州 565000）

為研究PM10與絕緣子積污特性之間的關(guān)系、掌握絕緣子表面積污特性，筆者將PM10、污穢（鹽密、灰密）及微氣象在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路中。開展對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中PM10、絕緣子污穢（鹽密、灰密）及環(huán)境溫濕度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究，建立了PM10、絕緣子表面污穢度（鹽密、灰密）和環(huán)境溫濕度等因素之間的相互關(guān)系模型，提出了PM10與絕緣子污穢度（鹽密/灰密）之間存在明顯的線性對(duì)比關(guān)系模型。研究結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的PM10、鹽密、灰密在線監(jiān)測(cè)裝置，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子的污穢狀況，能夠?yàn)榫€路清掃提供準(zhǔn)確判據(jù)，對(duì)逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)檢修具有積極意義。

PM10；污穢；鹽密；灰密；溫濕度；污閃；泄漏電流

隨著我國工業(yè)飛速發(fā)展，環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重，PM10值持續(xù)攀高不下，絕緣子表面積污嚴(yán)重，隨之帶來的電力系統(tǒng)污閃事故危害也日趨嚴(yán)重，普遍表現(xiàn)為跳閘率高、影響范圍廣、危害大等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。絕緣子污閃是絕緣子表面污穢的沉積、空氣濕度、絕緣子絕緣電阻下降等多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，其中絕緣子表面污穢物受潮使得絕緣子表面泄漏電流增大、局部電弧的產(chǎn)生并沿污穢表面的發(fā)展是最終閃絡(luò)的根本原因。絕緣子表面污穢物分為灰密、鹽密兩大類，其中鹽密對(duì)污閃影響較大，主要陽離子為Ca2+，NH+、Zn2+、Na+、Mg2+，還有K+等，主要陰離子為SO42?、NO3?、Cl?、HCO3?、還有 F?等，其中以 Ca2+和 SO42?離子含量最大。PM10是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 10μm的顆粒物，化學(xué)成分主要包括有機(jī)碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。

1 PM10及絕緣子污穢度監(jiān)測(cè)技術(shù)

筆者綜合采用PM10、絕緣子污穢度和微氣象在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于對(duì)絕緣子表面污穢度、絕緣子周圍環(huán)境中的 PM10和環(huán)境溫濕度等多個(gè)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用于掌握PM10值的變化對(duì)絕緣子積污速度的影響，進(jìn)行 PM10與絕緣子積污規(guī)律的關(guān)聯(lián)特性研究。

1.1 PM10監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

筆者利用粉塵粒子吸收β射線的量與粉塵粒子的質(zhì)量成正比關(guān)系的原理，研制了基于β射線吸收法的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PM10監(jiān)測(cè)模塊，通過測(cè)量β射線通過干凈濾紙和含有粉塵濾紙前后強(qiáng)度的變化，測(cè)量出PM10的濃度值。通過與標(biāo)準(zhǔn)過濾稱重法的對(duì)比校準(zhǔn)，筆者設(shè)計(jì)研制的PM10監(jiān)測(cè)模塊具有很高的測(cè)量準(zhǔn)確性，符合國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的精度要求。

1.2 光傳感污穢監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

目前國內(nèi)外測(cè)量絕緣子污穢度的方法主要有絕緣子污層電導(dǎo)率測(cè)量、絕緣子局部表面電導(dǎo)率測(cè)量、泄漏電流測(cè)量和絕緣子表面等值附鹽密度測(cè)量。由于這些方法存在技術(shù)限制或人為因素，都很難合理確定測(cè)量周期，無法測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)絕緣子鹽密的年度最大飽和鹽密值。研究認(rèn)為，光纖鹽密/灰密傳感器對(duì)其表面污染具有良好的敏感性，通過檢測(cè)光在光纖傳輸過程中的損耗可以達(dá)到定量檢測(cè)污穢物的目的。

筆者基于介質(zhì)光波導(dǎo)中的光場(chǎng)分布理論和光能損耗機(jī)理研究設(shè)計(jì)了光纖傳感器用于測(cè)量絕緣子表面污穢。在電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，為克服光學(xué)元器件不穩(wěn)定因素和提高分辨率，筆者采用多通路分光器技術(shù)。設(shè)計(jì)了光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及光譜檢測(cè)硬件和管理軟件，選用穩(wěn)定性優(yōu)良、色散小、光接受靈敏度高、分光準(zhǔn)確的激光發(fā)生器，測(cè)試了鹽密/灰密測(cè)量系統(tǒng)的基本特性。

研究發(fā)現(xiàn)光纖傳感器芯子的光衰減量除了與鹽密/灰密有關(guān)外，與濕度也有關(guān)系，其原因是污穢物中的含鹽量在因受潮發(fā)生潮解性變化，使得光纖傳感器的折射率發(fā)生改變所致。鹽密和濕度一定時(shí)，塵埃比率（污穢物中不溶性物質(zhì)塵埃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）也使光衰減量發(fā)生變化。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在高濕度時(shí)，塵埃比率并不影響光的衰減量，隨著濕度的減少，特性曲線將出現(xiàn)較大差異。基于所述特性，應(yīng)用濕度和光衰減量關(guān)系的曲線來判別塵埃比率，并要盡量取低濕度下的光衰減量，在此基礎(chǔ)上建立鹽密與光衰減量、塵埃比率和濕度的數(shù)學(xué)模型。通過檢測(cè)光能參數(shù)可計(jì)算出傳感器表面污穢物的多少。

與傳統(tǒng)的等值鹽密人工測(cè)量法相比，筆者設(shè)計(jì)的光纖傳感污穢模塊采集的污穢數(shù)據(jù)，不僅具有很高的準(zhǔn)確性，能夠滿足國家Q/GDW 558—2010《輸電線路污穢度狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范》中的精度要求；而且還能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)絕緣子污穢度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠獲取運(yùn)行中絕緣子的實(shí)時(shí)鹽密/灰密值和最大飽和鹽密/灰密值，能夠避免因?yàn)槿斯y(cè)量存在人為誤差且不及時(shí)、檢測(cè)時(shí)需要線路停電等方面的缺陷。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

2.1 PM10及絕緣子積污特性的關(guān)系數(shù)據(jù)分析

筆者設(shè)計(jì)的PM10及絕緣子污穢監(jiān)測(cè)裝置，在超高壓輸電公司廣州局所轄的500kV梧羅I線410#桿塔上進(jìn)行了安裝投運(yùn)，裝置采用太陽能+蓄電池供電模式和 3G無線通信方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子鹽密、灰密、PM10值、環(huán)境溫度和濕度共5個(gè)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境特殊，不僅具有垃圾焚燒廠、煤炭運(yùn)輸鐵路線等多個(gè)污染源，而且還有對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)濕度影響較大的河流從旁邊經(jīng)過。結(jié)合污穢監(jiān)測(cè)裝置長時(shí)間運(yùn)行所積累的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，下面對(duì)PM10及絕緣子積污特性的關(guān)系進(jìn)行分析（如圖 1至圖 3所示）。

圖1 PM10＜150（空氣質(zhì)量良好）時(shí)絕緣子積污變化曲線

圖2 150＜PM10＜300（空氣中等污染）時(shí)絕緣子積污變化曲線

從上述PM10、鹽密/灰密對(duì)比曲線圖中，可以發(fā)現(xiàn)：

1）從圖1、圖2、圖3的污穢對(duì)比曲線中可以發(fā)現(xiàn)：由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍有垃圾焚燒廠、煤炭鐵路運(yùn)輸線等多個(gè)嚴(yán)重污染源，即使外界大環(huán)境污染位于輕度范圍內(nèi)（PM10＜150）時(shí)，絕緣子表面的積污仍相對(duì)比較嚴(yán)重（鹽密最高值為0.074mg/cm2，灰密最高是0.83mg/cm2），需要增加該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的清掃頻率。

圖3 PM10＞300（空氣重度污染）時(shí)絕緣子積污變化曲線

2）從圖1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)：PM10＜150時(shí)，由于外界大環(huán)境的污染不嚴(yán)重，絕緣子表面的積污速度整體并沒有明顯加快的趨勢(shì)，有時(shí)絕緣子表面鹽密、灰密值會(huì)有小幅增加，但遇到明顯降雨時(shí)絕緣子表面鹽密、灰密值又會(huì)明顯下降（鹽密最低值為0.029mg/cm2，灰密最高是0.29mg/cm2），這說明雨水對(duì)絕緣子表面污穢物有較強(qiáng)的沖洗作用。

3）從圖 2可以發(fā)現(xiàn)：150＜PM10＜300時(shí)，絕緣子表面的鹽密、灰密值會(huì)隨 PM10的增加而增加（鹽密最高值為 0.096mg/cm2，灰密最高值為1.47mg/cm2），有時(shí)遇到明顯降水時(shí)，鹽密、灰密會(huì)小幅下降，但持續(xù)增加的趨勢(shì)不會(huì)變（鹽密最低值為0.071mg，灰密最低值為1.01mg/cm2）。

4）從圖3可以發(fā)現(xiàn)：PM10＞300時(shí)，絕緣子表面的鹽密、灰密值會(huì)隨PM10的增加而快速增加，這種情況多發(fā)生在每年的秋冬季，主要是因?yàn)檫@短時(shí)間廣東地區(qū)降雨明顯減少，空氣中污穢顆粒物比較多，絕緣子在這段時(shí)間內(nèi)的積污是最嚴(yán)重的。

2.2 積污期及其前后不同時(shí)段絕緣子積污特性分析

下面是筆者設(shè)計(jì)的絕緣子污穢監(jiān)測(cè)裝置以及超高壓公司已投運(yùn)的其他同類絕緣子污穢監(jiān)測(cè)裝置，在積污期及其前后不同時(shí)段所采集的絕緣子污穢數(shù)據(jù)變化曲線（如圖4、圖5所示）。

對(duì)上面兩組污穢變化趨勢(shì)曲線圖對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1）南網(wǎng)范圍內(nèi)高壓線路的積污期集中于每年的9月到次年的3月，尤其是每年的10月、11月、12月和 1月、2月是每年積污速率最快、積污最嚴(yán)重的時(shí)間段；每年4月、5月、6月7月、8月由于南方降雨量比較集中，絕緣子表面污穢物具有明顯的沖洗作用，絕緣子積污速率最慢、積污相對(duì)較輕。

2）±500kV興安直流線路 381#、383#、385#監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于農(nóng)田、高速公路和工廠附近，附近只有單一污染源，而500kV梧羅I線410#桿塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍有垃圾焚燒廠、煤炭鐵路運(yùn)輸線等多個(gè)嚴(yán)重污染源，因此該區(qū)域內(nèi)絕緣子表面灰密度比± 500kV興安直流線路381#、383#、385#三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)絕緣子表面灰密度嚴(yán)重的多。

圖4 ±500kV興安直流線路381#、383#、385#桿塔污穢變化曲線

圖5 500kV梧羅I線410#桿塔污穢變化曲線

3 結(jié)論

1）通過與監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝的污穢模擬絕緣子串采集的污穢數(shù)據(jù)分析對(duì)比，筆者設(shè)計(jì)的PM10、鹽密、灰密在線監(jiān)測(cè)裝置，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子的污穢狀況，能夠?yàn)榫€路清掃提供準(zhǔn)確判據(jù)，對(duì)逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)由定期檢修到狀態(tài)檢修具有積極意義。

2）通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)長期積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，PM10與絕緣子污穢度（鹽密/灰密）之間存在明顯的線性對(duì)比關(guān)系，即PM10較?。ōh(huán)境良好或污染輕）時(shí)，絕緣子表面的污穢度不會(huì)明顯增加；PM10長期趨勢(shì)增加時(shí)，絕緣子污穢度也會(huì)趨勢(shì)增加，而且是線性快速增加。這一線性對(duì)比關(guān)系，對(duì)掌握絕緣子表面積污規(guī)律具有重要參考價(jià)值。

3）通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)長期積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，降雨尤其是強(qiáng)降雨對(duì)絕緣子表面的污穢物具有明顯的清洗作用，但對(duì)水泥廠周圍的線路桿塔，降雨對(duì)這些地點(diǎn)的絕緣子并沒有明顯沖洗作用，反而會(huì)加速絕緣子表面的積污速度，因?yàn)樗鄰S周圍絕緣子表面的污穢物多是水泥，遇到雨水會(huì)出現(xiàn)凝固。

4）通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年度范圍內(nèi)的污穢變化曲線分析，每年第4季度由于降雨少，將是絕緣子表面積污速率最快、表面污穢度最嚴(yán)重的時(shí)期，應(yīng)該增加絕緣子清掃力度。否則，在次年 1月、2月這段時(shí)期內(nèi)，由于降雨量并為明顯增多、南方回南天天氣頻繁、空氣濕度明顯增大，如果絕緣子表面積污嚴(yán)重，就會(huì)造成這段時(shí)期內(nèi)絕緣子污閃事故隱患幾率大增。

[1]張建興,律方成,劉云鵬,等.高壓絕緣子泄漏電流與溫、濕度的灰關(guān)聯(lián)分析[J].高電壓技術(shù),2006(1):40-41,73.

[2]張威,趙新德.污穢絕緣子泄漏電流與濕度及鹽密關(guān)系綜述[J].云南電力技術(shù),2010,38(1):55-57.

[3]樂波,王黎明,毛穎科.污穢絕緣子高頻泄漏電流特征的研究[J].高壓電器,2005,41(6):401-404,407.

[4]王雪波.光傳感器輸變電設(shè)備鹽密在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2007:21-51.

[5]葉根富,周明,李庚銀.絕緣子在線檢測(cè)方法的比較[J].電力科學(xué)與工程,2007(3):37-40.

[6]陶元中,包建強(qiáng).輸電線路絕緣子運(yùn)行技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社,2003.

[7]應(yīng)偉國.架空送電線路狀態(tài)檢修實(shí)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[8]張建輝.絕緣子污穢閃絡(luò)機(jī)理及影響因素的研究[D].重慶:重慶大學(xué),1992:32-37.

[9]關(guān)志成,時(shí)衛(wèi)東.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[10]何錦雄.輸電線路絕緣子在線監(jiān)測(cè)及電網(wǎng)防污閃分析[J].機(jī)電工程,2012,29(5):593-595,604.

[11]Mizuno Y.Hiroaki kusada and katsuhiko naito.effect of climatic conditions oncontamination flashover voltage of insulators[J].IEEE Transaction on Dielectrics and ElectricalInsulation,V01(3):286-289.

[12]Mereure H P.Insulators filth performance at hiigh altitude[J].IEEE.Transaction on PowerDelivery,V01(2):1461-1468.

[13]T.Kawamura,M.Ishii,M.Akbar and ICNagai.Pressurv Dependence of DC Breakdown of Contaminated Insulators,IEEE Tram.on Electrical Insulation,V01.EI-17,No.1,1982:39-45.

Research on the Relationship between PM10and Insulator Filth Characteristics

Li Weixing Zhang Fuchun Liao Peng Xie Qingyun
(Guangzhou Bureau of EHV Power Transmission Company,Guangzhou 565000)

In order to study the relationship between PM10and the filth characteristics of insulator,and to master the filth characteristics of the surface area,the author applies PM10,filth (salt,ash) and micro meteorological on-line monitoring technology to transmission line.The analysis and Research on the on-line monitoring data of PM10,insulator contamination (salt,ash) and environmental temperature and humidity were carried out in the field,and the relationship between the PM10and the surface contamination degree (salt density,dust density) and the environment temperature and humidity were established.The linear correlation model was put forward.The research results show that the PM10,salt and ash dense on-line monitoring device can accurately reflect the filth condition of the insulator,and can provide accurate criterion for the line cleaning.

PM10;filth;salt;ash;temperature and humidity;filth flashover;leakage current