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绝缘子表面污秽颗粒粒径分布对污层吸水特性的影响

0自然积污经典工艺环境近年来，雾雨气候在中国大部分地区最为常见，并对能源系统能源装置的外连接作用构成了威胁。雾霾对电力系统的影响主要体现在两个方面:一方面雾霾中的霾导致绝缘子表面的污秽增多,遇到高湿环境,容易造成绝缘子的沿面闪络;另一方面雾霾中的雾导致绝缘子表面的污秽受潮,使绝缘水平下降,进而造成绝缘子的污闪。而研究绝缘子表面积污是研究绝缘子闪络的前提,因此进行雾霾环境下绝缘子的积污特性研究是了解雾霾对输变电设备外绝缘影响的必要工作。国内外学者对瓷、玻璃、复合绝缘子在不同情况下的积污规律进行了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。研究结果表明,直流绝缘子的积污较交流绝缘子严重;带电与否对复合绝缘子上表面的盐密值影响不大,对复合绝缘子灰密值有一定影响;复合绝缘子积污比瓷、玻璃绝缘子严重;绝缘子下伞面盐密沿串呈U型分布,上伞面沿串分布均匀,盐密值变化不大;对于运行绝缘子,直流电压下的上、下伞面污秽度比值明显低于交流电压。文献[11-12]对沙尘环境下线路绝缘子的积污特性进行了研究。研究结果表明,影响积污量的显著因素是沙尘流速和沙尘持续时间;长棒形瓷绝缘子具有开放伞形和光滑表面,在沙尘环境中具有优良的空气动力学特性。同时,国内外学者对影响积污过程的因素进行了大量的探究。文献认为影响尘粒运动的主要因素是风力,其次是电场力,而重力和极化力对其影响不大。MarkN.Horenstein等认为距离绝缘子较远时,风力主导着尘粒的运动,在绝缘子伞群附近时,电场力对尘粒的运动起一定作用。王晶等通过建立二维轴对称数值计算模型研究了尘粒在电场、湍流流场和重力场同时作用时的运动轨迹。研究结果表明,荷电尘粒在电场力的作用下会发生明显偏转;风速较大时,尘粒的运动主要受稳态曳力的影响。蒋兴良等通过建立了绝缘子外部三维两相不可压缩湍流流场的基本控制方程组研究了流体曳力对尘粒运动轨迹的影响。刘瑛岩等利用原子力显微镜研究了绝缘子表面对污秽颗粒的粘附力。研究结果表明,材料性质、表面粗糙度、表面荷电状态等因素对粘附力的大小均有影响;硅橡胶对污秽颗粒的粘附力比瓷和钢化玻璃大。文献认为影响绝缘子积污的首要因素是粒径,粒径越小越易吸附,其次是相对湿度,最后是空气中的主流风速。目前,国内外关于雾霾环境下绝缘子积污特性研究并不多,且主要集中在盐密、灰密方面,污秽颗粒的粒径分布特性尚无系统报道。而绝缘子污秽颗粒的粒径大小影响污层的吸水性和保水性,进而对闪络电压产生影响,所以亟需开展相关方面的研究。本文对雾霾环境下自然积污绝缘子的污秽颗粒粒径分布特性进行研究。统计分析绝缘子污秽颗粒的粒径分布状况,比较不同带电形式下、上下伞面以及不同类型绝缘子污秽颗粒粒径分布的差异,为雾霾天气下输电线路外绝缘的防污工作提供了参考。1试验方法和试验样本1.1积污站的设置本自然积污站位于北京西北部北五环附近,积污站周围多民居,西方约150m处有建筑工地,西北方向300m处为学校锅炉房,南方约300m处货物运输较频繁。积污期间降雨量较少,主导风向为西北风。自然积污站如图1所示。积污站建在约10m高的楼顶,积污试验架约1.5m高,试品距地面11.5m。交流试验电源为华宇高压电气有限公司生产的型号为YDT-5/100的工频试验变压器,试品所施加的交流电压为10kV,直流电源为北京机电院高技术股份有限公司生产的直流高压发生器,试品所施加的直流电压为-14.2kV。积污站共使用了4种不同类型的绝缘子:XWP2-70型瓷绝缘子、ME160KN型瓷绝缘子、U160T145W型玻璃绝缘子和FXBZ-220/300型复合绝缘子短棒。直流电压下设3片XWP2-70型瓷绝缘子,3片ME160KN型瓷绝缘子,3片U160T145W型玻璃绝缘子和3串FXBZ-220/300型复合绝缘子短棒。交流电压和不带电情况下各设3片XWP2-70型瓷绝缘子。4种绝缘子的主要结构参数及图片如表1和图2所示。雾霾发生时,将清洗干净的绝缘子挂到积污站进行积污。雾霾消散后,将绝缘子悬挂在清洁的密封室内,下次雾霾发生时,再将绝缘子挂出,进行下次积污。积污完成后,方可对试品表面污秽进行粒径测试。3月末到5月中旬共进行了11次积污,累积积污为9d。表2给出了积污期间PM2.5,PM10,TSP(大气总悬浮颗粒物)的质量浓度。1.2粒度分布测试1.2.1自然条件下的粒径等效处理本试验采用电子显微镜法测量污秽粒径分布。电子显微镜法测量粒径分布的步骤如下:对于绝缘子表面污秽,应首先将导电胶带黏粘在样品座上,用黏有导电胶带的样品座去粘取试样颗粒,然后在电子显微镜下观察。在粘取试样颗粒时,用力要均匀,不可挤压试样颗粒,以免破坏试样颗粒的原有形貌和大小。最后,通过图像处理软件对获得的颗粒图像进行二值化处理,处理后即可对颗粒的粒径分布进行统计。图像二值化处理如图3所示。由于绝缘子污秽颗粒的形状复杂多样,有球形、椭球形、针状、雪花状、片状颗粒,还有一些形状极不规则的颗粒。因此在统计污秽颗粒的粒径时,需要对其进行等效处理。当一个颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时,就用该球形颗粒的直径来代表这个实际颗粒的直径。根据测量方法的不同,污秽颗粒的等效粒径可分为以下几种:等效体积直径、等效斯托克斯直径、等效电阻直径和等效投影面积直径等。由于本试验是采用电子显微镜测量污秽颗粒的粒径,所以文中提到的粒径皆指等效投影面积直径。1.2.2不同取样区域的粒径分布考虑风力和场强的影响,同一片伞面不同部位的污秽粒径分布也存在一定的差异。为了能较完整的表征绝缘子污秽颗粒粒径分布的状况,按径向距离,将绝缘子上、下伞面分为内侧和外侧2个区域;按方位,将伞面均分为3等分。整个伞面共有6个取样区域,取样区域示意图如图4所示。为了确定每个取样区域的取样点数,分别对每个区域取1个点和2个点这两种情况进行独立样本t检验,检验结果如表3所示。由表3可知:6个取样区域的方差齐次性检验均采用F检验,其显著水平Sig.均大于0.05,所以认为取1个点和取2个点的样本的方差是相等的。在方差相等的情况下,所有取样区域的校正t检验的显著水平Sig.(双侧)均大于0.05。所以认为每个取样区域取1个点和取2个点没有显著差异。据此,确定每个取样区域取1个点,即整个伞面的粒径分布状况由6个取样点的测量结果表征。其中,每个试样在电子显微镜下拍摄3张图像。文中所使用的粒径分布数据为3片绝缘子表面粒径分布的平均结果。复合绝缘子短棒的上伞面是指靠近低压端的第1片伞的上伞面,下伞面是指靠近高压端的第1片伞的下伞面;XWP2-70型瓷绝缘子的下伞面是指第2片伞的下伞面。2结果和分析2.1对数正态分布检验P-P图可以用来检验数据是否服从指定的分布,当服从指定分布时,P-P图上的数据点与直线重合或者近似重合,而在P-P趋势图上的点关于直线Y=0在较小范围内上下波动。对雾霾环境下绝缘子表面污秽的粒径累积分布进行对数正态分布检验,检验图见图5和图6。由图5和图6可知:对数正太分布P-P图的数据点与直线近似重合;而对数正态分布P-P趋势图的数据点均匀的分布在Y=0的直线上下,且上下波动范围较小。故可以认为雾霾环境下污秽的粒径分布服从对数正态分布。2.2交流、直流电压和不经济带对污水粒径的影响图7给出了交流电压作用、直流电压作用和不带电3种情况下,XWP2-70型双伞瓷绝缘子上伞面的粒径累积概率分布和频率分布。分析图7(a)可以得到以下结果。1)直流电压下,90%的污秽颗粒粒径<14.1μm;不带电情况下,90%的污秽颗粒粒径<13.3μm;交流电压下,90%的污秽颗粒粒径<15.4μm。由此可知,无论是交流、直流电压作用下,还是不带电,双伞瓷绝缘子上伞面绝大多数污秽颗粒的粒径<16.6μm。2)直流电压下,D50(累积概率分布数达到50%时所对应的粒径,常用来表示颗粒的平均粒径)为4.2μm;不带电情况下,D50为4.6μm;交流电压下,D50为5.2μm。直流电压下的污秽颗粒的平均粒径最小,交流电压下的污秽颗粒的平均粒径最大,不带电情况下的污秽颗粒的平均粒径位于两者之间。由图7(b)可知,对于粒径位于0~4μm之间的颗粒,直流电压下的颗粒较交流和不带电情况下的颗粒多;而对于粒径位于4~40μm之间的颗粒,结果则恰恰相反。即直流电压下的小颗粒较交流和不带电情况下的多,大颗粒则相对较少;交流电压下的小颗粒较直流和不带电情况下的少,大颗粒则相对较多。交流、直流电压作用和不带电3种情况下的污秽粒径分布存在差异,不同带电形式下电场力对荷电粒子在绝缘子表面沉降的作用效果不同是引起这种差异的原因。交流电压下,荷电粒子在交变电场中做周期运动,其净位移为零,即交变电场对荷电粒子的影响极小,因此交流电压下和不带电情况下,重力是影响粒子沉降的主要因素。而直流电场下,电场力可以持续地将荷电粒子驱至绝缘子伞面。由于荷电粒子所受的重力与粒径的3次方成正比,所受的电场力与粒径的2次方成正比。所以,大颗粒的运动主要受重力的影响,而荷电小颗粒则主要受电场力的影响。因此在电场力的作用下,直流电压下的小颗粒较交流电压和不带电情况下的多,而大颗粒相对较少。虽然,荷电粒子在交流电压作用下的净位移为零,但交变电场中的周期运动却增加了荷电粒子的沉降时间。由于电场对粒径较小的荷电粒子影响较大,而对大粒径的荷电粒子影响较小。所以交流电压作用下的小颗粒较直流电压作用、不带电情况下的少,而大颗粒相对较多。交流、直流电压作用和不带电3种情况下的污秽粒径分布存在差异,但3者之间的差异并不是特别明显。主要由于以下两方面的原因:一方面,大气中的尘粒并不都是处于荷电状态的,有文献指出31%的尘粒带正电,43%的尘粒不带电,26%的尘粒带负电,大气中有近一半的颗粒是非荷电粒子。而非荷电粒子的沉降主要是重力作用下的自然沉降,不受电场力的影响。另一方面,试品上所施加的电压并不高,电场力对荷电粒子的沉降影响有限。2.3复合绝缘子厚度的分布分别取直流电压作用下的双伞瓷绝缘子和复合绝缘子的上、下伞面污秽颗粒进行粒径测试,图8和图9分别给出了双伞瓷绝缘子和复合绝缘子上、下伞面的粒径累积概率分布和频率分布。从图8可以看出,双伞瓷绝缘子上、下伞面90%的污秽颗粒粒径<14μm,且上、下伞面污秽颗粒粒径的分布范围相差不大;上伞面的平均粒径D50为3.4μm,下伞面的平均粒径D50为2.9μm,上伞面的颗粒比下伞面的颗粒大;0~3μm范围内,下伞面的颗粒较上伞面多,而在3~40μm内,下伞面的颗粒较上伞面的少。换言之,下伞面的小颗粒比上伞面的多,而大颗粒较上伞面少。从图9可以看出,复合绝缘子的上伞面90%的污秽颗粒粒径<20μm,下伞面90%的污秽颗粒<13.1μm,下伞面污秽颗粒粒径的分布范围比上伞面的窄;上伞面污秽颗粒的平均粒径D50为6.7μm,下伞面的平均粒径D50为4.2μm,下伞面的颗粒比上伞面的小;0~6μm范围内,下伞面的颗粒较上伞面的多,而在6~40μm内,下伞面的颗粒较上伞面的少。即,下伞面的小颗粒比上伞面的多,而大颗粒较上伞面少。对比图8和图9可知,双伞瓷绝缘子上、下伞面污秽颗粒粒径的分布范围相差不大,而复合绝缘子下伞面污秽颗粒粒径的分布范围明显比上伞面的窄。且复合绝缘子上、下伞面污秽颗粒的粒径分布的差异比双伞瓷绝缘子更为明显。对于上、下伞面,重力在污秽颗粒的沉积过程中所起的作用相反,且粒径较大的颗粒受重力作用影响更大,所以上伞面的平均粒径大于下伞面。由于双伞瓷绝缘子质地较硬,粒径较大的污秽颗粒与上伞面发生碰撞时容易发生弹射,减小了大颗粒在瓷绝缘子上伞面沉积的可能性。从而使双伞瓷绝缘子上、下伞面的粒径分布相差不大。复合绝缘子材质较软,具有一定的弹性,当大颗粒与上伞面发生碰撞时,复合绝缘子可以通过形变将颗粒的动能转化为弹性势能,进而将大颗粒捕获。而大颗：苣言诰底酉律∶娉粱,因此复合绝缘子上、下伞面的粒径分布具有明显差异。2.4污泥颗粒形态分析分别取直流作用下的双伞瓷绝缘子、复合绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子上伞面的污秽颗粒进行比较。以上4种绝缘子表面污秽粒径累积概率分布和频率分布如图10所示。分析图10可以得出:1)双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子90%的污秽颗粒粒径<14.6μm,且3者的粒径分布范围相差不大。而复合绝缘子90%的污秽颗粒粒径<20μm,明显比双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子的粒径分布范围大。2)双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子污秽颗粒的平均粒径D50相差不大,都在4.6μm左右。而复合绝缘子污秽颗粒的平均粒径D50为6.8μm,比双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子的大的多。3)在0~6μm范围内,双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子的污秽颗粒较复合绝缘子多,而在6~45μm内,复合绝缘子的污秽颗粒较其他3种绝缘子的多。即,复合绝缘子表面的小颗粒比双伞瓷绝缘子、玻璃绝缘子和钟罩瓷绝缘子的少,而大颗粒则相对较多。复合绝缘子污秽颗粒的粒径较双伞瓷、玻璃和钟罩瓷绝缘子污秽颗粒的粒径大。双伞瓷、玻璃和钟罩瓷绝缘子污秽颗粒的粒径相差不大,这主要是由于以下3方面的原因:1)污秽颗粒在不同类型绝缘子表面碰撞吸附过程中存在差异。由于粒径较小的颗粒只要与绝缘子表面碰撞就能吸附。所以只需讨论较大的污秽颗粒在玻璃、瓷、硅橡胶3种材料上的碰撞吸附差异。当大颗粒污秽以相同的动能碰撞3种材质表面时,硅橡胶材质较软,具有一定的弹性,硅橡胶可以通过形变将颗粒的动能转化为弹性势能,进而将大颗粒捕获;而玻璃和瓷材料质地较硬,大颗粒会在其表面发生弹射,使玻璃和瓷不易捕获大颗粒的污秽。从而导致复合绝缘子表面污秽的粒径较玻璃绝缘子和瓷绝缘子的粒径大。2)污秽颗粒在不同材质的绝缘子表面保持的过程中存在差异。污秽颗粒在绝缘子表面沉积后,在风力的作用下,不同类型的绝缘子对污秽颗粒的保持作用不同,从而使不同类型绝缘子粒径分布的不同。对于瓷和玻璃材料,小颗粒容易被粗糙表面的凹坑捕捉,导致其与材料表面的接触面积较大,粘结力也较大。而大颗粒的粒径较大,不易落到凹坑内,与材料表面的接触面积较小,粘附力也较小。所以小颗粒比大颗粒更容易在瓷和玻璃材料表面保持。而对于硅橡胶材料,由于硅橡胶材质较软,颗粒与其碰撞的过程中发生弹性形变,这会使颗粒与其的接触面积增大,粘附力也增大。另外,电荷易在硅橡胶材料表面集聚,且集聚的电荷不易消散,电荷的集聚会对颗粒产生较大的长程吸引力,一定程度上也增大了粘附力。所以,对于硅橡胶材料,大颗：托】帕６既菀自诓牧媳砻姹３。因此,复合绝缘子表面污秽的粒径较双伞瓷、玻璃和钟罩瓷绝缘子表面污秽的粒径大。不同大小的颗粒与绝缘子表面接触的示意图如图11所示。3)硅橡胶材料具有憎水性及憎水性迁移特性,硅橡胶表面有污秽颗粒沉积时,未与其他分子交链的小分子硅氧烷从硅橡胶材料内部扩散到材料表面,将污秽颗粒包裹,有可能导致硅橡胶材料表面污秽颗粒的粒径增大。3不同介质在样品中的粒径1)雾霾环境下积污后的绝缘子表面污秽颗粒的粒径服从对数正态分布,90%的污秽粒径<20μm。2)交流、直流、不带电3种情况下污秽颗粒的粒径分布存在差异,表现为直流电压下的平均粒径最小,交流电压下的平均粒径最大。不同带电形式下电场力对荷电粒子在绝缘子表面沉降的作用效果不同是引起这种差异的原因。3)对于上、下伞面,重力在污秽颗粒的沉积过程中所起的作用相反,且粒径较大的颗粒受重力作用影响更大,所以上伞面的平均粒径大于下伞面。4)复合绝缘子表面污秽颗粒的粒径较双伞瓷、玻璃和钟罩瓷绝缘子表面污秽的粒径大。一方面是由于复合绝缘子材质较软,可以通过形变捕获污秽大颗粒;另一方面,复合绝缘子易形变且易于集聚电荷,增大了对颗粒的粘附力。此外,小分子包裹也可能造成复合绝缘子表面污秽颗粒粒径增大。