絕緣子表面污穢顆粒粒徑分布對污層吸水特性的影響

0自然積污經典工藝環境近年來，霧雨氣候在中國大部分地區最為常見，并對能源系統能源裝置的外連接作用構成了威脅。霧霾對電力系統的影響主要體現在兩個方面:一方面霧霾中的霾導致絕緣子表面的污穢增多,遇到高濕環境,容易造成絕緣子的沿面閃絡;另一方面霧霾中的霧導致絕緣子表面的污穢受潮,使絕緣水平下降,進而造成絕緣子的污閃。而研究絕緣子表面積污是研究絕緣子閃絡的前提,因此進行霧霾環境下絕緣子的積污特性研究是了解霧霾對輸變電設備外絕緣影響的必要工作。國內外學者對瓷、玻璃、復合絕緣子在不同情況下的積污規律進行了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。研究結果表明,直流絕緣子的積污較交流絕緣子嚴重;帶電與否對復合絕緣子上表面的鹽密值影響不大,對復合絕緣子灰密值有一定影響;復合絕緣子積污比瓷、玻璃絕緣子嚴重;絕緣子下傘面鹽密沿串呈U型分布,上傘面沿串分布均勻,鹽密值變化不大;對于運行絕緣子,直流電壓下的上、下傘面污穢度比值明顯低于交流電壓。文獻[11-12]對沙塵環境下線路絕緣子的積污特性進行了研究。研究結果表明,影響積污量的顯著因素是沙塵流速和沙塵持續時間;長棒形瓷絕緣子具有開放傘形和光滑表面,在沙塵環境中具有優良的空氣動力學特性。同時,國內外學者對影響積污過程的因素進行了大量的探究。文獻認為影響塵粒運動的主要因素是風力,其次是電場力,而重力和極化力對其影響不大。MarkN.Horenstein等認為距離絕緣子較遠時,風力主導著塵粒的運動,在絕緣子傘群附近時,電場力對塵粒的運動起一定作用。王晶等通過建立二維軸對稱數值計算模型研究了塵粒在電場、湍流流場和重力場同時作用時的運動軌跡。研究結果表明,荷電塵粒在電場力的作用下會發生明顯偏轉;風速較大時,塵粒的運動主要受穩態曳力的影響。蔣興良等通過建立了絕緣子外部三維兩相不可壓縮湍流流場的基本控制方程組研究了流體曳力對塵粒運動軌跡的影響。劉瑛巖等利用原子力顯微鏡研究了絕緣子表面對污穢顆粒的粘附力。研究結果表明,材料性質、表面粗糙度、表面荷電狀態等因素對粘附力的大小均有影響;硅橡膠對污穢顆粒的粘附力比瓷和鋼化玻璃大。文獻認為影響絕緣子積污的首要因素是粒徑,粒徑越小越易吸附,其次是相對濕度,最后是空氣中的主流風速。目前,國內外關于霧霾環境下絕緣子積污特性研究并不多,且主要集中在鹽密、灰密方面,污穢顆粒的粒徑分布特性尚無系統報道。而絕緣子污穢顆粒的粒徑大小影響污層的吸水性和保水性,進而對閃絡電壓產生影響,所以亟需開展相關方面的研究。本文對霧霾環境下自然積污絕緣子的污穢顆粒粒徑分布特性進行研究。統計分析絕緣子污穢顆粒的粒徑分布狀況,比較不同帶電形式下、上下傘面以及不同類型絕緣子污穢顆粒粒徑分布的差異,為霧霾天氣下輸電線路外絕緣的防污工作提供了參考。1試驗方法和試驗樣本1.1積污站的設置本自然積污站位于北京西北部北五環附近,積污站周圍多民居,西方約150m處有建筑工地,西北方向300m處為學校鍋爐房,南方約300m處貨物運輸較頻繁。積污期間降雨量較少,主導風向為西北風。自然積污站如圖1所示。積污站建在約10m高的樓頂,積污試驗架約1.5m高,試品距地面11.5m。交流試驗電源為華宇高壓電氣有限公司生產的型號為YDT-5/100的工頻試驗變壓器,試品所施加的交流電壓為10kV,直流電源為北京機電院高技術股份有限公司生產的直流高壓發生器,試品所施加的直流電壓為-14.2kV。積污站共使用了4種不同類型的絕緣子:XWP2-70型瓷絕緣子、ME160KN型瓷絕緣子、U160T145W型玻璃絕緣子和FXBZ-220/300型復合絕緣子短棒。直流電壓下設3片XWP2-70型瓷絕緣子,3片ME160KN型瓷絕緣子,3片U160T145W型玻璃絕緣子和3串FXBZ-220/300型復合絕緣子短棒。交流電壓和不帶電情況下各設3片XWP2-70型瓷絕緣子。4種絕緣子的主要結構參數及圖片如表1和圖2所示。霧霾發生時,將清洗干凈的絕緣子掛到積污站進行積污。霧霾消散后,將絕緣子懸掛在清潔的密封室內,下次霧霾發生時,再將絕緣子掛出,進行下次積污。積污完成后,方可對試品表面污穢進行粒徑測試。3月末到5月中旬共進行了11次積污,累積積污為9d。表2給出了積污期間PM2.5,PM10,TSP(大氣總懸浮顆粒物)的質量濃度。1.2粒度分布測試1.2.1自然條件下的粒徑等效處理本試驗采用電子顯微鏡法測量污穢粒徑分布。電子顯微鏡法測量粒徑分布的步驟如下:對于絕緣子表面污穢,應首先將導電膠帶黏粘在樣品座上,用黏有導電膠帶的樣品座去粘取試樣顆粒,然后在電子顯微鏡下觀察。在粘取試樣顆粒時,用力要均勻,不可擠壓試樣顆粒,以免破壞試樣顆粒的原有形貌和大小。最后,通過圖像處理軟件對獲得的顆粒圖像進行二值化處理,處理后即可對顆粒的粒徑分布進行統計。圖像二值化處理如圖3所示。由于絕緣子污穢顆粒的形狀復雜多樣,有球形、橢球形、針狀、雪花狀、片狀顆粒,還有一些形狀極不規則的顆粒。因此在統計污穢顆粒的粒徑時,需要對其進行等效處理。當一個顆粒的某一物理特性與同質球形顆粒相同或相近時,就用該球形顆粒的直徑來代表這個實際顆粒的直徑。根據測量方法的不同,污穢顆粒的等效粒徑可分為以下幾種:等效體積直徑、等效斯托克斯直徑、等效電阻直徑和等效投影面積直徑等。由于本試驗是采用電子顯微鏡測量污穢顆粒的粒徑,所以文中提到的粒徑皆指等效投影面積直徑。1.2.2不同取樣區域的粒徑分布考慮風力和場強的影響,同一片傘面不同部位的污穢粒徑分布也存在一定的差異。為了能較完整的表征絕緣子污穢顆粒粒徑分布的狀況,按徑向距離,將絕緣子上、下傘面分為內側和外側2個區域;按方位,將傘面均分為3等分。整個傘面共有6個取樣區域,取樣區域示意圖如圖4所示。為了確定每個取樣區域的取樣點數,分別對每個區域取1個點和2個點這兩種情況進行獨立樣本t檢驗,檢驗結果如表3所示。由表3可知:6個取樣區域的方差齊次性檢驗均采用F檢驗,其顯著水平Sig.均大于0.05,所以認為取1個點和取2個點的樣本的方差是相等的。在方差相等的情況下,所有取樣區域的校正t檢驗的顯著水平Sig.(雙側)均大于0.05。所以認為每個取樣區域取1個點和取2個點沒有顯著差異。據此,確定每個取樣區域取1個點,即整個傘面的粒徑分布狀況由6個取樣點的測量結果表征。其中,每個試樣在電子顯微鏡下拍攝3張圖像。文中所使用的粒徑分布數據為3片絕緣子表面粒徑分布的平均結果。復合絕緣子短棒的上傘面是指靠近低壓端的第1片傘的上傘面,下傘面是指靠近高壓端的第1片傘的下傘面;XWP2-70型瓷絕緣子的下傘面是指第2片傘的下傘面。2結果和分析2.1對數正態分布檢驗P-P圖可以用來檢驗數據是否服從指定的分布,當服從指定分布時,P-P圖上的數據點與直線重合或者近似重合,而在P-P趨勢圖上的點關于直線Y=0在較小范圍內上下波動。對霧霾環境下絕緣子表面污穢的粒徑累積分布進行對數正態分布檢驗,檢驗圖見圖5和圖6。由圖5和圖6可知:對數正太分布P-P圖的數據點與直線近似重合;而對數正態分布P-P趨勢圖的數據點均勻的分布在Y=0的直線上下,且上下波動范圍較小。故可以認為霧霾環境下污穢的粒徑分布服從對數正態分布。2.2交流、直流電壓和不經濟帶對污水粒徑的影響圖7給出了交流電壓作用、直流電壓作用和不帶電3種情況下,XWP2-70型雙傘瓷絕緣子上傘面的粒徑累積概率分布和頻率分布。分析圖7(a)可以得到以下結果。1)直流電壓下,90%的污穢顆粒粒徑<14.1μm;不帶電情況下,90%的污穢顆粒粒徑<13.3μm;交流電壓下,90%的污穢顆粒粒徑<15.4μm。由此可知,無論是交流、直流電壓作用下,還是不帶電,雙傘瓷絕緣子上傘面絕大多數污穢顆粒的粒徑<16.6μm。2)直流電壓下,D50(累積概率分布數達到50%時所對應的粒徑,常用來表示顆粒的平均粒徑)為4.2μm;不帶電情況下,D50為4.6μm;交流電壓下,D50為5.2μm。直流電壓下的污穢顆粒的平均粒徑最小,交流電壓下的污穢顆粒的平均粒徑最大,不帶電情況下的污穢顆粒的平均粒徑位于兩者之間。由圖7(b)可知,對于粒徑位于0~4μm之間的顆粒,直流電壓下的顆粒較交流和不帶電情況下的顆粒多;而對于粒徑位于4~40μm之間的顆粒,結果則恰恰相反。即直流電壓下的小顆粒較交流和不帶電情況下的多,大顆粒則相對較少;交流電壓下的小顆粒較直流和不帶電情況下的少,大顆粒則相對較多。交流、直流電壓作用和不帶電3種情況下的污穢粒徑分布存在差異,不同帶電形式下電場力對荷電粒子在絕緣子表面沉降的作用效果不同是引起這種差異的原因。交流電壓下,荷電粒子在交變電場中做周期運動,其凈位移為零,即交變電場對荷電粒子的影響極小,因此交流電壓下和不帶電情況下,重力是影響粒子沉降的主要因素。而直流電場下,電場力可以持續地將荷電粒子驅至絕緣子傘面。由于荷電粒子所受的重力與粒徑的3次方成正比,所受的電場力與粒徑的2次方成正比。所以,大顆粒的運動主要受重力的影響,而荷電小顆粒則主要受電場力的影響。因此在電場力的作用下,直流電壓下的小顆粒較交流電壓和不帶電情況下的多,而大顆粒相對較少。雖然,荷電粒子在交流電壓作用下的凈位移為零,但交變電場中的周期運動卻增加了荷電粒子的沉降時間。由于電場對粒徑較小的荷電粒子影響較大,而對大粒徑的荷電粒子影響較小。所以交流電壓作用下的小顆粒較直流電壓作用、不帶電情況下的少,而大顆粒相對較多。交流、直流電壓作用和不帶電3種情況下的污穢粒徑分布存在差異,但3者之間的差異并不是特別明顯。主要由于以下兩方面的原因:一方面,大氣中的塵粒并不都是處于荷電狀態的,有文獻指出31%的塵粒帶正電,43%的塵粒不帶電,26%的塵粒帶負電,大氣中有近一半的顆粒是非荷電粒子。而非荷電粒子的沉降主要是重力作用下的自然沉降,不受電場力的影響。另一方面,試品上所施加的電壓并不高,電場力對荷電粒子的沉降影響有限。2.3復合絕緣子厚度的分布分別取直流電壓作用下的雙傘瓷絕緣子和復合絕緣子的上、下傘面污穢顆粒進行粒徑測試,圖8和圖9分別給出了雙傘瓷絕緣子和復合絕緣子上、下傘面的粒徑累積概率分布和頻率分布。從圖8可以看出,雙傘瓷絕緣子上、下傘面90%的污穢顆粒粒徑<14μm,且上、下傘面污穢顆粒粒徑的分布范圍相差不大;上傘面的平均粒徑D50為3.4μm,下傘面的平均粒徑D50為2.9μm,上傘面的顆粒比下傘面的顆粒大;0~3μm范圍內,下傘面的顆粒較上傘面多,而在3~40μm內,下傘面的顆粒較上傘面的少。換言之,下傘面的小顆粒比上傘面的多,而大顆粒較上傘面少。從圖9可以看出,復合絕緣子的上傘面90%的污穢顆粒粒徑<20μm,下傘面90%的污穢顆粒<13.1μm,下傘面污穢顆粒粒徑的分布范圍比上傘面的窄;上傘面污穢顆粒的平均粒徑D50為6.7μm,下傘面的平均粒徑D50為4.2μm,下傘面的顆粒比上傘面的小;0~6μm范圍內,下傘面的顆粒較上傘面的多,而在6~40μm內,下傘面的顆粒較上傘面的少。即,下傘面的小顆粒比上傘面的多,而大顆粒較上傘面少。對比圖8和圖9可知,雙傘瓷絕緣子上、下傘面污穢顆粒粒徑的分布范圍相差不大,而復合絕緣子下傘面污穢顆粒粒徑的分布范圍明顯比上傘面的窄。且復合絕緣子上、下傘面污穢顆粒的粒徑分布的差異比雙傘瓷絕緣子更為明顯。對于上、下傘面,重力在污穢顆粒的沉積過程中所起的作用相反,且粒徑較大的顆粒受重力作用影響更大,所以上傘面的平均粒徑大于下傘面。由于雙傘瓷絕緣子質地較硬,粒徑較大的污穢顆粒與上傘面發生碰撞時容易發生彈射,減小了大顆粒在瓷絕緣子上傘面沉積的可能性。從而使雙傘瓷絕緣子上、下傘面的粒徑分布相差不大。復合絕緣子材質較軟,具有一定的彈性,當大顆粒與上傘面發生碰撞時,復合絕緣子可以通過形變將顆粒的動能轉化為彈性勢能,進而將大顆粒捕獲。而大顆粒很難在絕緣子下傘面沉積,因此復合絕緣子上、下傘面的粒徑分布具有明顯差異。2.4污泥顆粒形態分析分別取直流作用下的雙傘瓷絕緣子、復合絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子上傘面的污穢顆粒進行比較。以上4種絕緣子表面污穢粒徑累積概率分布和頻率分布如圖10所示。分析圖10可以得出:1)雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子90%的污穢顆粒粒徑<14.6μm,且3者的粒徑分布范圍相差不大。而復合絕緣子90%的污穢顆粒粒徑<20μm,明顯比雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子的粒徑分布范圍大。2)雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子污穢顆粒的平均粒徑D50相差不大,都在4.6μm左右。而復合絕緣子污穢顆粒的平均粒徑D50為6.8μm,比雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子的大的多。3)在0~6μm范圍內,雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子的污穢顆粒較復合絕緣子多,而在6~45μm內,復合絕緣子的污穢顆粒較其他3種絕緣子的多。即,復合絕緣子表面的小顆粒比雙傘瓷絕緣子、玻璃絕緣子和鐘罩瓷絕緣子的少,而大顆粒則相對較多。復合絕緣子污穢顆粒的粒徑較雙傘瓷、玻璃和鐘罩瓷絕緣子污穢顆粒的粒徑大。雙傘瓷、玻璃和鐘罩瓷絕緣子污穢顆粒的粒徑相差不大,這主要是由于以下3方面的原因:1)污穢顆粒在不同類型絕緣子表面碰撞吸附過程中存在差異。由于粒徑較小的顆粒只要與絕緣子表面碰撞就能吸附。所以只需討論較大的污穢顆粒在玻璃、瓷、硅橡膠3種材料上的碰撞吸附差異。當大顆粒污穢以相同的動能碰撞3種材質表面時,硅橡膠材質較軟,具有一定的彈性,硅橡膠可以通過形變將顆粒的動能轉化為彈性勢能,進而將大顆粒捕獲;而玻璃和瓷材料質地較硬,大顆粒會在其表面發生彈射,使玻璃和瓷不易捕獲大顆粒的污穢。從而導致復合絕緣子表面污穢的粒徑較玻璃絕緣子和瓷絕緣子的粒徑大。2)污穢顆粒在不同材質的絕緣子表面保持的過程中存在差異。污穢顆粒在絕緣子表面沉積后,在風力的作用下,不同類型的絕緣子對污穢顆粒的保持作用不同,從而使不同類型絕緣子粒徑分布的不同。對于瓷和玻璃材料,小顆粒容易被粗糙表面的凹坑捕捉,導致其與材料表面的接觸面積較大,粘結力也較大。而大顆粒的粒徑較大,不易落到凹坑內,與材料表面的接觸面積較小,粘附力也較小。所以小顆粒比大顆粒更容易在瓷和玻璃材料表面保持