試驗(yàn)程序差異對(duì)絕緣子污穢測(cè)量結(jié)果影響

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(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039； 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044)

試驗(yàn)程序差異對(duì)絕緣子污穢測(cè)量結(jié)果影響

武劍1，張志勁2，冉軍德1，陳杭1，鄭凱1，王海飛1，朱俊宇2

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039； 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044)

染污絕緣子閃絡(luò)威脅電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，長(zhǎng)期以來(lái)掌握運(yùn)行中絕緣子積污特性是電力部門(mén)重要的工作之一，相關(guān)規(guī)程也規(guī)定了絕緣子自然積污測(cè)試方法，但測(cè)試過(guò)程差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并不清楚。這里采用瓷和復(fù)合絕緣子，模擬不同等級(jí)污穢，采用不同測(cè)試方法對(duì)鹽密和灰密進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)各種方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：采用污穢溶解靜置24 h、去離子水用量300 ml、專(zhuān)用取樣布擦拭法、每片絕緣子取樣布使用6張的方法可使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。研究結(jié)果可為絕緣子自然積污測(cè)試技術(shù)提供技術(shù)參考。

絕緣子；鹽密；灰密；污穢測(cè)試

0 引 言

目前中國(guó)的特高壓輸電工程仍然在飛速發(fā)展的進(jìn)程中[1]。為滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)電力的需求，數(shù)條特高壓直流輸電線路在建或者已投入運(yùn)行[2]。電網(wǎng)覆蓋范圍的擴(kuò)大，電壓等級(jí)的提升，意味著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行額外重要。因此在防污方面仍需加強(qiáng)鞏固，多采用科學(xué)安全的方法來(lái)得到外絕緣設(shè)備的積污特性，從而指導(dǎo)防污工作開(kāi)展[1-2]。

國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在絕緣子積污特性方面開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[3]。目前表征絕緣子污穢度的特征量有等值鹽密、表面污層電導(dǎo)率和泄漏電流等。等值鹽密可以直觀地反映絕緣子的污穢程度，而且測(cè)量簡(jiǎn)單，因此在工程應(yīng)用中得到了廣泛的使用[4]。此外，絕緣子表面灰密對(duì)絕緣子的污閃電壓也有一定影響，已有研究表明閃絡(luò)電壓與鹽密、灰密均成冪函數(shù)關(guān)系，并且二者對(duì)閃絡(luò)電壓的影響是獨(dú)立的[5-6]，因此在開(kāi)展輸電線路污穢測(cè)試時(shí)，需要測(cè)量其灰密值，從而對(duì)污穢等級(jí)劃分提供參考。

還有研究表明，輸電線路外絕緣污穢所含化學(xué)成分復(fù)雜[7]，包括多種可溶物、難溶物以及導(dǎo)電物質(zhì)和惰性物質(zhì)，因此有相關(guān)學(xué)者建議在開(kāi)展污穢度測(cè)試時(shí)，需對(duì)典型桿塔區(qū)域的污穢化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)量，并且根據(jù)不同化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)電壓關(guān)系，對(duì)桿塔的絕緣水平進(jìn)行換算，再對(duì)污穢等級(jí)的劃分進(jìn)行修正[8]。

目前電力相關(guān)機(jī)構(gòu)在防污閃以及外絕緣設(shè)計(jì)方面取得了一定的效果，但是污閃事故時(shí)有發(fā)生[9]。長(zhǎng)期以來(lái)掌握運(yùn)行中絕緣子積污特性是電力部門(mén)重要的工作之一，相關(guān)規(guī)程也規(guī)定了絕緣子自然積污測(cè)試方法，但測(cè)試過(guò)程差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并不清楚。為了更科學(xué)地指導(dǎo)防污工作的開(kāi)展，使絕緣子自然積污測(cè)試更加簡(jiǎn)便高效、準(zhǔn)確易行，下面以瓷和玻璃絕緣子為對(duì)象，模擬不同等級(jí)污穢，采用不同測(cè)試方法對(duì)鹽密和灰密進(jìn)行測(cè)量，分析清洗方法、用水量、污液靜置時(shí)間等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并對(duì)各種方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果可直接運(yùn)用于工程實(shí)際，對(duì)輸配電外絕緣防污工作的開(kāi)展具有指導(dǎo)意義。

1 污穢測(cè)量方法、試品及測(cè)量?jī)x器

1.1污穢測(cè)量方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，鹽密及灰密測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 鹽密及灰密測(cè)量流程圖

利用測(cè)量過(guò)濾后的污液電導(dǎo)率，可以得到絕緣子的等值鹽密為

(1)

式中：DESD為等值鹽密，mg/cm2；V為污液體積，cm3；A為絕緣子表面積，cm2；Sa為污液的鹽度，kg/m3，可由式(2)求得：

Sa=(5.7σ20)1.03

(2)

式中，σ20為換算到水溫20℃時(shí)污液的電導(dǎo)率，S/m。

各溫度下的污液電導(dǎo)率σθ與σ20的關(guān)系為

σ20=σθ[1-b(θ-20)]

(3)

式中：θ為測(cè)量污液電導(dǎo)率時(shí)對(duì)應(yīng)的污液溫度，℃；b為污液溫度的系數(shù)。b與θ有如下關(guān)系：

b=-3.2×10-8θ3+1.032×10-5θ2-8.272×
10-4θ+3.544×10-2

(4)

將濾紙過(guò)濾后的不溶物進(jìn)行烘干、稱(chēng)重，則求得灰密為

(5)

式中：DNSD為灰密，mg/cm2；W為烘干的剩余不溶物質(zhì)量，mg，其值等于W1-W2，其中W1為烘干后紙巾試樣、不溶污穢物與烘干后過(guò)濾紙質(zhì)量總和，W2為烘干后紙巾試樣與過(guò)濾紙質(zhì)量總和。

運(yùn)行部門(mén)采用上述相同測(cè)量方法進(jìn)行污穢測(cè)量，但在實(shí)際操作中，結(jié)合各自生產(chǎn)情況和經(jīng)驗(yàn)摸索，對(duì)測(cè)量流程有不同的理解，主要體現(xiàn)在：

1) 清洗

污穢如何清洗并沒(méi)有明確規(guī)定，現(xiàn)有污穢清洗一般有刷子清洗法、脫脂棉清洗法、專(zhuān)用取樣布擦拭法、濕巾擦拭法等，但各種清洗方法對(duì)污穢測(cè)量結(jié)果的影響并不清楚，且專(zhuān)用取樣布和濕巾使用數(shù)量也未說(shuō)明。

2) 清洗的水用量

污穢的清洗和溶解可采用電導(dǎo)率小于10 μs/cm的去離子水。去離子水用量通常根據(jù)絕緣子表面積大小來(lái)確定，表面積越大的絕緣子需要的水量越多。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了滿(mǎn)足工程應(yīng)用的用水量推薦值，然而不同區(qū)域的污穢成分有差異，難溶及微溶物的含量不同，所以用水量的多少必然會(huì)對(duì)污穢度的測(cè)試結(jié)果造成影響，同時(shí)用水量越多則過(guò)濾所需時(shí)間越長(zhǎng)，影響效率。因此選擇合理的用水量十分重要，需要開(kāi)展相關(guān)研究以確定。

3) 污穢溶解靜置時(shí)間

污液過(guò)濾前靜置的時(shí)間沒(méi)明確規(guī)定，一般為4 ～24 h。不同區(qū)域自然積污中污穢成分各異，而各種污穢成分溶解是需要一定時(shí)間的，為保證污液中各導(dǎo)電物質(zhì)能充分溶解以反映真實(shí)的鹽密，污穢溶解靜置時(shí)間的確定非常重要。靜置時(shí)間短，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小，不能真實(shí)反映實(shí)際污穢度；靜置時(shí)間長(zhǎng)，則效率低，浪費(fèi)人力、財(cái)力。

1.2試品

試驗(yàn)中選取普通懸式瓷絕緣子(XP-160)和復(fù)合絕緣子(FXBW-10/70)為研究對(duì)象，其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示，H為結(jié)構(gòu)高度，D為盤(pán)徑，L為泄漏距離，A為表面積。

表1 絕緣子主要參數(shù)

1.3測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置主要有配制污穢的500 ml燒杯、毛細(xì)刷子、漏斗、溫度計(jì)。電導(dǎo)率測(cè)量采用型號(hào)為DD-810E的電導(dǎo)率儀，其具體參數(shù)為電極常數(shù)×(1～3 000) μS/cm，測(cè)量溫度范圍為0～99.9℃；分辨率可達(dá)到 0.001 μS/cm，0.1℃，污穢質(zhì)量測(cè)量采用型號(hào)為 BT-224S電子天平，其讀數(shù)精度可達(dá)0.1 mg，如圖2 所示。

圖2 測(cè)量?jī)x器

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同清洗方法下絕緣子積污結(jié)果與分析

人工配制幾種不同比例的氯化鈉與硅藻土污液，利用浸污法對(duì)兩種試品絕緣子進(jìn)行染污，然后利用不同的測(cè)量方法對(duì)比同一染污情況下同種試品絕緣子的鹽密和灰密，以及同種測(cè)量方法下不同試品絕緣子的鹽密和灰密進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3至表6所示。

表3 不同濃度污穢下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果1 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 350 g、硅藻土1 200 g

表4 不同濃度污穢下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果2 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 700 g、硅藻土1 200 g

表5 不同濃度污穢下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果3 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 1 500 g、硅藻土2 000 g

表6 不同濃度污穢下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果4 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 2 000 g、硅藻土3 000 g

由以上測(cè)試結(jié)果可知：采用不同擦拭方法，對(duì)污穢測(cè)量結(jié)果有一定影響，5種擦拭方式中，不管是瓷絕緣子還是復(fù)合絕緣子，由于傳統(tǒng)方法清洗污穢時(shí)可以比較徹底地清洗絕緣子表面，所以測(cè)量的結(jié)果最大，專(zhuān)用試紙次之，其次濕巾，最小的是脫脂棉法。這可能是由于擦洗絕緣子表面時(shí)，不同擦拭方式對(duì)污穢處理存在差異導(dǎo)致的，而濕巾可能含有其他化學(xué)成分也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)稍有干擾。因此，考慮現(xiàn)場(chǎng)操作的便利性，建議采用專(zhuān)用試紙收集污穢。

考慮到專(zhuān)業(yè)試紙可能對(duì)污穢量具有飽和性，對(duì)于各種污穢程度的絕緣子，合理采用專(zhuān)用試紙片數(shù)以保證污穢測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。項(xiàng)目組開(kāi)展了不同濃度的污穢情況下，使用不同的片數(shù)時(shí)對(duì)鹽密、灰密測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，測(cè)量結(jié)果如表7 、表8所示。

表7 不同試紙片數(shù)下鹽密灰密測(cè)量結(jié)果1 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 350 g、硅藻土1 200 g

表8 不同試紙片數(shù)下鹽密灰密測(cè)量結(jié)果2 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 1 500 g、硅藻土2 000 g

由以上測(cè)試結(jié)果可知：采用不同片數(shù)試紙擦拭時(shí)，對(duì)污穢測(cè)量影響結(jié)果明顯，且污穢越嚴(yán)重時(shí)，差異越明顯，綜合測(cè)試結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)積污情況，建議試紙用量為上、下表面各3片。

2.2不同去離子水用量下積污測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)際測(cè)量中，各研究單位對(duì)洗刷并溶解絕緣子表面污穢物所采用的去離子水量一般按表9進(jìn)行選擇。

表9 絕緣子表面積與鹽密測(cè)量用水量的關(guān)系

根據(jù)表9中的建議確定用水量，可基本保證絕緣子表面洗刷的污穢能充分溶解。然而目前該用水量的確定僅僅滿(mǎn)足了按照工程經(jīng)驗(yàn)，且不同污穢區(qū)域的污穢成分有差異，難溶及微溶污穢物質(zhì)的含量不同，所以用水量的多少必然會(huì)對(duì)污穢度的測(cè)試結(jié)果和效率造成影響。

為研究用水量對(duì)污穢測(cè)試的影響，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中用所推薦的專(zhuān)用試紙法測(cè)量污穢度，試紙用量為上、下表面各3片，試驗(yàn)結(jié)果如表10、表11所示。

表10 不同用水量下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果1 單位：mg/cm2

注：污液配置制為水30 L、NaCl 700 g、硅藻土1 200 g

由表中數(shù)據(jù)可得，用水量對(duì)污穢度的測(cè)量影響十分有限，隨著用水量的增大，鹽密和灰密測(cè)量值變化不明顯，且沒(méi)有明顯的規(guī)律。這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室配制的人工污液中只含有氯化鈉一種導(dǎo)電成分，而且浸污過(guò)程中不同絕緣子表面實(shí)際污穢量有一定的誤差。

表11 不同用水量下鹽密/灰密測(cè)量結(jié)果2 單位：mg/cm2

注：污液配制為水30 L、NaCl 1 500 g、硅藻土2 000 g

輸電線路絕緣子污穢中含有微溶成分硫酸鈣，其所占的百分比則可達(dá)20%～60%。常溫下硫酸鈣溶解度有2 g/L，不考慮飽和，硫酸鈣對(duì)等值鹽密的貢獻(xiàn)最多達(dá)到氯化鈉的0.48[7]。假設(shè)某重污穢地區(qū)的實(shí)際鹽密值為0.2 mg/cm2，且污穢量的80%為硫酸鈣，則按照普通瓷絕緣子面積換算，可得污穢中硫酸鈣的含量約為0.46 g，足以被300 ml的水溶解。

此外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)300 ml的水能夠完全浸泡擦拭污穢后的試紙，可保證試驗(yàn)順利開(kāi)展和試驗(yàn)結(jié)果的精度，且絕大多數(shù)絕緣子上、下表面積小于1 500 cm2，綜上可量，建議去離子水量取300 ml。

2.3污液不同靜置時(shí)間下積污測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)際測(cè)量中，通常將絕緣子污穢溶液攪拌靜置一段時(shí)間，使可溶物充分溶解，從而準(zhǔn)確得到等值鹽密值。運(yùn)行環(huán)境下絕緣子表面含有大量的硫酸鈣等不溶物。此時(shí)靜置時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)對(duì)其溶解產(chǎn)生影響，從而影響測(cè)量結(jié)果。

表12 不同污液靜置時(shí)間下現(xiàn)場(chǎng)絕緣子鹽密測(cè)量結(jié)果 單位：mg/cm2

注：如2/3，2表示從接地端往高壓端數(shù)第2片，3表示該試驗(yàn)絕緣子串片數(shù)

以±800 kV天中線某桿塔的XP-70絕緣子自然積污試驗(yàn)串為例，研究其表面污穢擦拭樣品浸泡在去離子水中的污液靜置時(shí)間對(duì)污穢度測(cè)試結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

由表中數(shù)據(jù)可得，不同靜置時(shí)間下測(cè)得污液的鹽密值有一定的差異，且隨著靜置時(shí)間的增加，測(cè)量到的鹽密值有增大趨勢(shì)，但是在一定時(shí)間后會(huì)趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)污液靜置20～24 h后鹽密測(cè)得值趨于穩(wěn)定，意味著污穢中的微溶物也得到了充分溶解。因此建議在專(zhuān)用試紙浸泡24 h后再進(jìn)行污穢度測(cè)試。

3 結(jié) 論

1) 不同擦拭方法對(duì)污穢測(cè)量結(jié)果有一定影響。5種擦拭方式中，傳統(tǒng)方法得到的測(cè)量結(jié)果最大，專(zhuān)用試紙次之，其次濕巾，最小的是脫脂棉法。考慮現(xiàn)場(chǎng)操作的便利性，建議采用專(zhuān)用試紙收集污穢，并且建議試紙用量為上、下表面各3片。

2) 污液靜置時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)得到的鹽密和灰密值有一定的增加趨勢(shì)，但是在24 h左右趨于平緩?？紤]到時(shí)間成本，建議在專(zhuān)用試紙浸泡24 h后再進(jìn)行污穢度測(cè)試。

3) 去離子水的用量對(duì)所用絕緣子試品污穢度的測(cè)試結(jié)果影響不大。采用專(zhuān)業(yè)試紙法測(cè)量污穢度時(shí)建議去離子水用量取300 ml。

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Surface flashover of polluted insulators is threatening the safe and reliable operation of power grid. The research of the contamination deposited characteristic on insulators of transmission line has been the one of the most important works of power grid departments for a long time. Some relevant regulations also provide the natural contamination test methods for insulators. However, the effects of the difference of test procedures on the measurement results have not been discussed yet. Porcelain insulators and composite insulators are adopted as the sample, the different pollution levels are simulated, and the salt deposit density (SDD) and non-soluble deposit density (NSDD) are measured using different kinds of test methods. Then the test results of different methods are compared. The research results show that, it is recommended to let the pollution solution stand for 24 hours, use 300 ml deionized water, wrap the pollution by special sampling cloth, and use 6 pieces of clothes for each insulator unit to make sure the accuracy of test data. The proposed research can provide a technical reference for the natural contamination test technology of insulators.

insulator; salt deposit density (SDD); non-soluble deposit density (NSDD); pollution test

科技項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(2016渝電科技35號(hào)，SGTYHT/14-JS-188)

TM85

：A

：1003-6954(2017)04-0038-05

2017-04-10)