霾污染对输变电设备外绝缘影响的参数化

论文总字数：24488字

输变电设备外绝缘体大气颗粒物干沉降参数化方案的建立

郝敬亮

, China

Abstract: With respect to the research process about effects of haze on power transmission equipment insulation, this paper tried a study on the harm on the external insulation and a parameterization investigation into deposition and adsorption on external insulation. A dry deposition model in Canadian Aerosol Module (CAM) was revised with an electrostatic effect parameter between particle and high voltage wire, for the reason that current aerosol dry deposition models have not focused on power transmission equipment external insulation yet. With the annual average concentration of PM_2.5 in Yangtze River Delta region of China, the mass of particle adhered to unit-length wire was estimated. It primarily established a parameterization scheme for atmospheric particle dry deposition on power transmission equipment external insulation. Through uncertainty analysis, it was revealed that friction velocity, washed off by rain, and collection efficiency from Brownian diffusion and impaction have indispensable effects on aerosol deposition.

Key words: Haze; Power transmission equipment; Dry deposition; Parameterization

1 引言

随着我国经济的快速增长和城市化进程的加快，近几年引发了大气颗粒物污染的大气环境问题，其主要集中发生在京津冀、长三角和珠三角区域。作为我国经济发达地区，这些区域也是我国电力能源主要消耗地区。我国大气环境污染已由传统的煤烟型污染转向以PM_2.5和污染气体（臭氧、二氧化硫、氮氧化物）形成的复合型污染，而大气环境中PM_2.5和PM₁₀等颗粒物浓度的增加是引起霾污染的主要原因。霾污染不仅危害人体健康，还导致能见度降低，进而影响交通、城市景观和人民生活。

输电线路绝缘子在运行过程中，受人为排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，会减弱输电的效率以及发生污闪事故，而霾多发地区大多与输电走廊或用电高负荷密度地区重合^{[ 1 ]}。霾污染过程中颗粒物沉降的积污对输变电设备外绝缘造成影响，有可能诱发并加剧这一过程，其加剧作用与霾污染特征存在密切关系。数据显示，2013年12月上旬，全国中东部地区20个省份共104个城市空气质量达到了重霾污染 ^{[ 2 - 6 ]}。这次污染直接导致京津冀、长三角和珠三角地区的城市发生变电设备污闪而发生故障。

现针对霾对输变电设备外绝缘影响的研究，本节内容综述了霾影响指标、影响危害和沉积吸附几个方面，并指出目前面临的问题和研究展望。

1.1 主要研究进展

1.1.1 影响外绝缘的霾污染主要指标

近几年来，霾污染事件频发，环境气象的影响因素得到密切关注^{[ 7 - 10 ]}，然而一些霾的特征参数，如能见度、PM_2.5质量浓度、温度、pH值等与输变电设备外绝缘积污特性相关性小，霾天气条件下的外绝缘积污的评估需要考虑其他合适的指标。我国不同地区在工业密集区形成的霾中主要阴离子为SO₄^2-和NO^3-，主要阳离子为NH⁴ 和Ca^{2 [ 11 ]}。在研究大气环境对高压绝缘的影响时，表征雾脏污程度的参数应使用雾水电导率。现场监测与模拟试验都证实，在霾污染的持续作用下，绝缘子表面污秽度（积污程度）逐渐增大。根据以上结果，当分析霾对输变电设备外绝缘造成影响时，雾水电导率及其作用时间应作为一个关键因素，其作用结果将导致绝缘子表面污秽度的增长以及绝缘子表面电导率的升高，这两个指标直接决定了霾对绝缘子运行状态的影响程度^{[ 12 - 15 ]}。

霾污染中大气颗粒物在绝缘子表面沉积也会直接造成积污。不同污染排放源产生的颗粒物在绝缘子表面上的沉积量与其粒径有一定关系，粒径大的工业颗粒物会更多地沉积在绝缘子上表面^{[ 16 ]}。可以通过一些特征粒径来直接了解和比较颗粒物的沉积特点和差异。对于沉积在绝缘子表面颗粒物，以及以TSP和降尘方式存在于大气中的颗粒物，都可以通过统计方法得到它们的特征粒径^{[ 17 - 18 ]}。在自然扬尘，燃煤、钢铁、石化、水泥等各类工业污染排放和农业地区焚烧秸秆过程中，会产生大量不同粒径的大气颗粒物。在严重霾污染环境中，高导电率雾与不同排放源类型的颗粒物相结合，通过自然和静电作用力吸附、沉积在绝缘子表面，由此引起的绝缘子积污量增加、表面电导率变化会使绝缘子的污闪电压出现不同程度的下降^{[ 11,19 - 20 ]}。目前空气质量模式的干湿沉降模型主要针对自然的下垫面，没有考虑上述大气污染物在输变电设备的沉降过程，限制了绝缘子积污特性的模式预报模拟能力。

1.1.2 霾对外绝缘运行状态的影响

霾对输变电设备绝缘子的沿面放电特性有很大影响，容易导致绝缘子发生污闪。对于霾污染环境中输变电设备外绝缘的污闪特性，国内外开展过一些初步研究和机理研究。一般情况下，污闪事件在霾初发期不会出现，但持续长时间的霾天气则不然^{[ 20 ]}。霾天气下，空气中携带大量粉尘等悬浮颗粒，累积在大气边界层内无法扩散，极容易导致绝缘子表面快速积污；霾天气下，大气湿度普遍较高，不利于污层获得优良的憎水性能^{[ 21 - 22 ]}。此外，空气污染物还会降低复合绝缘子污闪电压^{[ 11,19 - 20 ]}，加速硅橡胶复合材料的老化。其具体表现在以下两个方面：

（1）霾增大伞裙之间气隙发生击穿的概率^{[ 23 ]}。霾发生时，大气中悬浮大量颗粒物，如PM_2.5、PM₁₀ 等，这些微粒子会对伞群之间气隙的电场分布产生较大影响，使得电场发生严重畸变，使得空气的击穿场强大幅度降低，增大了伞群气隙击穿的可能性，降低闪络电压；

（2）霾产生的污秽物会加速硅橡胶材料的老化^{[ 23 ]}。霾污染物中含有的酸、碱性污秽物通过湿沉降附着于硅橡胶表面，会产生一定的化学腐蚀作用，破坏硅橡胶的分子结构，导致硅橡胶伞裙表面松动、陷阱密度增大，加速老化、降低其使用寿命。

对霾污染物大气化学组分及电学特征进行更全面的实验分析，将深化霾对外绝缘运行状态的影响及其机理的认识，以便基于这些认识，开展霾污染区域气候观测和模拟研究，确定霾污染物危害的主要区域，为未来电力线路更合理布局，以尽可能避免霾污染物对电网安全产生的危害提供科学支撑。

1.1.3 霾颗粒物在绝缘子沉积吸附过程的研究

霾对绝缘子的影响还主要体现在以下两方面：（1）各种霾污染微粒会使绝缘子表面的积污量增加^{[ 20 ]}；（2）霾引起绝缘子表面潮湿会增大泄漏电流，降低闪络电压^{[ 11,19 - 20 ]}。其中，绝缘子表面的积污量增加与颗粒物在绝缘子表面的沉积吸附特性密切相关^{[ 17 - 18 ]}，一般认为可分为3个步骤：（1）污秽颗粒从空气中自由沉降到绝缘子表面的边界层；（2）污秽颗粒从进入边界层到碰撞绝缘表面；（3）污秽颗粒从与碰撞绝缘子表面到吸附在绝缘子表面，此步骤决定颗粒物能否附着在绝缘子表面上。

上述对绝缘子沉积吸附过程的理解依然是针对较为理想的大气环境，全面地理解霾污染物在绝缘子上的沉积吸附过程，将有利于霾污染对输变电设备外绝缘影响的环境气象外场监测，尤其是绝缘子表面的边界层及其变化影响因子的综合观测。

1.1.3.1 综合运用构建人工霾污染环境和自然积污试验

综合人工霾天气环境和自然积污试验，运用等值盐密、等值灰密、积污量测定及原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电镜-能谱分析（FSEM-EDX）、光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、空气颗粒物粒度谱仪等测试手段，选取代表性绝缘子，研究分析颗粒物与绝缘子表面的相互作用力、颗粒物由气相主体向绝缘子表面的迁移运动及其在绝缘子表面的吸附沉积过程。有研究表明，不同大气悬浮颗粒物在不同绝缘材料(硅橡胶、瓷和钢化玻璃)表面的黏附力以及表面荷电对颗粒黏附力的情况下，绝缘子的积污效果不一样^{[ 24-25 ]}。

1.1.3.2 霾污染物在绝缘子表面快速沉积的数值模拟

在大气环境条件下，绝缘子积污过程受到众多因素的影响，如天气条件（空气湿度、温度、风向与风速、降雨）^{[ 26 - 27 ]}，颗粒物成分及绝缘子所在地域粉尘种类、大小、浓度、黏度等 ^{[ 28 - 29 ]}，绝缘子表面形状（不同种类绝缘子几何形状、凹凸面、迎风面、正反面等）^{[ 30 - 31 ]}。如果完全依靠实验的方法进行积污规律的研究，难以完成大量不同条件的综合影响，也难以深入研究和揭示绝缘子表面积污机理。因此在开展现场实地研究和实验室研究的同时，平行开展绝缘子在大气环境条件下积污过程的数值模拟研究^{[ 32 - 34 ]}，其中包括积污过程数学模型的建立与求解，利用计算模拟对不同条件下绝缘子积污过程的机理进行研究与分析，深入地揭示绝缘子的积污规律，使之成为研究、分析绝缘子表面积污过程和预报绝缘子积污状况的有效工具。

国外也在尝试着建立经验模型（AMICO）来预报绝缘子积污 ^{[ 35 ]}，ILCMS系统可测量绝缘子的泄露电流^{[ 36 ]}。AMICO和ILCMS系统一起使用，配合着测量气象因素得到的结果与实验室结果对比，最终得到选样地点的绝缘子积污规律。为了应用检测所有地域的绝缘子积污状况，用有限的积污规律尝试研究建立了一个经验模型。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24488字