霧霾環(huán)境下自然積污絕緣子污穢顆粒特性研究

李婧+毛東+唐秋明

摘 要：霧霾環(huán)境下，絕緣子表面易于形成污穢層，使得高壓輸電線路發(fā)生污閃事故的風(fēng)險(xiǎn)增加。在我國(guó)霧霾天氣頻發(fā)的當(dāng)下，研究自然積污絕緣子表面污穢顆粒的特性，為“十三五規(guī)劃”中的超、特高壓輸電的順利發(fā)展及國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：霧霾；絕緣子；電子顯微鏡；粒徑；自然積污

中圖分類號(hào)：TM21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0021-03

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)保障[1，2]。因沙塵天氣及霧霾天氣頻發(fā)，直接暴露于空氣中的絕緣子表面易于形成污穢層，使得絕緣子發(fā)生污閃事故的風(fēng)險(xiǎn)增加，威脅了高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。為了進(jìn)一步研究霧霾環(huán)境下自然積污絕緣子表面污穢顆粒物的特性，本文開(kāi)展自然積污試驗(yàn)，揭示霧霾顆粒物對(duì)絕緣子積污的影響，為霧霾環(huán)境下絕緣子防污及清污提供參考，為絕緣子積污仿真實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

1 霧霾環(huán)境下自然積污試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)

本文在位于蘇州市姑蘇區(qū)的蘇州大學(xué)機(jī)物樓樓頂建立了一個(gè)單片絕緣子自然積污觀測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)，主要污染源為學(xué)生食堂鍋爐房排出的煙塵及主干道汽車尾氣排放。為了還原正常輸電塔高度和避免校園內(nèi)樹(shù)木及建筑物對(duì)自然風(fēng)的遮擋，本文將積污試驗(yàn)點(diǎn)建在13m高的機(jī)物樓樓頂，積污試驗(yàn)架1.2m高，絕緣子離地面總距離為14.2m，本文自然積污試驗(yàn)點(diǎn)如1所示。對(duì)自然風(fēng)無(wú)遮擋，很好的還原了絕緣子在輸電塔架的環(huán)境。

試驗(yàn)初將清洗干凈的XP13-160絕緣子妥善置于觀測(cè)點(diǎn)處，試驗(yàn)期間僅選擇無(wú)雨天氣將絕緣子置于觀測(cè)點(diǎn)處，雨天則將絕緣子收回室內(nèi)，置于干燥無(wú)塵的干燥皿內(nèi)，天晴之后繼續(xù)放置回觀測(cè)點(diǎn)處，以避免雨水對(duì)絕緣子表面污穢層的沖刷。整個(gè)試驗(yàn)為期1個(gè)月，試驗(yàn)期間下雨天數(shù)共計(jì)12天。試驗(yàn)中絕緣子樣品為蘇州電瓷廠生產(chǎn)的XP13-160絕緣子，其具體參數(shù)如表1所示。

1.2 霧霾顆粒物濃度

相關(guān)研究表明，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近污染源的數(shù)量越多，絕緣子表面污穢的沉積量也越嚴(yán)重[3]。因此其監(jiān)測(cè)公布的霧霾顆粒物濃度數(shù)據(jù)與本文所設(shè)觀測(cè)點(diǎn)處的霧霾顆粒物濃度存在一定差異。因而本文用PMS7003數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器自主搭建大氣霧霾顆粒物濃度監(jiān)測(cè)裝置，并對(duì)本文絕緣子自然積污觀測(cè)點(diǎn)附近空間的顆粒物濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。自制的大氣顆粒物濃度檢測(cè)裝置如圖2所示，該裝置由Arduino單片機(jī)、PMS7003傳感器和電源組成。積污期間觀測(cè)點(diǎn)附近的PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 污穢顆粒SEM圖

絕緣子表面污穢顆粒物多為霧霾等微小顆粒物，因而本文采用電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行絕緣子表面污穢顆粒的觀察。首先，在絕緣子表面選好污穢顆粒取樣區(qū)域，在用導(dǎo)電膠帶粘取試樣顆粒時(shí)，以避免用力過(guò)大在粘取過(guò)程中損害導(dǎo)電膠內(nèi)部的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，同時(shí)也避免試樣顆粒被擠壓破壞失去原有形狀。其次，將粘有試樣顆粒的導(dǎo)電膠帶做必要處理。最后，將處理好的試樣放入電子顯微鏡觀察區(qū)域，并截取需要的試樣圖片。本文采用的電子顯微鏡為日立熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SU5000（見(jiàn)圖3），選擇絕緣子表面合適的取樣區(qū)域，制取觀測(cè)樣品，得到掃描顆粒圖像如圖4所示。

2.2 污穢顆粒物粒徑統(tǒng)計(jì)

從圖4 的電鏡掃描圖像可知霧霾天氣下絕緣子表面污穢顆粒物的微觀形貌。在污穢顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)時(shí)，雖然掃描電鏡可以對(duì)污穢顆粒物的某一尺寸進(jìn)行標(biāo)注（如圖4（a）和（b）），但試驗(yàn)中選取的試樣顆粒較多，將顯示的顆粒進(jìn)行標(biāo)注并進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，這是一項(xiàng)極其繁瑣的工作；由于本試驗(yàn)采用掃描電鏡圖像來(lái)測(cè)量污穢顆粒的粒徑，所以污穢顆粒物的等效直徑采用等效投影面積直徑。為了避免繁瑣的標(biāo)記與統(tǒng)計(jì)工作，本文采用圖像處理方法來(lái)進(jìn)行顆粒物粒徑的統(tǒng)計(jì)工作。

（a）污穢顆粒電鏡掃描圖像原圖

通過(guò)編寫(xiě)的圖像處理程序?qū)ξ鄯x顆粒電鏡掃描圖像進(jìn)行處理，基于大津法（OTSU算法）對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，處理前后的圖像如圖5所示。將處理后的圖片再用程序統(tǒng)計(jì)污穢顆粒的粒徑分布，統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析，得到污穢顆粒物的粒徑分布情況如圖6所示?？梢缘贸?，霧霾天氣下自然積污絕緣子表面90%的污穢顆粒粒徑小于11μm，污穢顆粒的平均粒徑為3.4μm，污穢顆粒的最大粒徑為41μm。由于本文觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)樓頂，距離地面有一定的高度，屬于半高空，粒徑較大且較重的顆粒多處在近地面，自然風(fēng)不大的情況下很難出現(xiàn)在半高空中。

對(duì)污穢顆粒物粒徑分布進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)霧霾天氣下自然積污絕緣子表面污穢顆粒的概率分布的總趨勢(shì)近似于對(duì)數(shù)正態(tài)概率分布，如圖6（a）所示。為了驗(yàn)證這一猜想，對(duì)污穢顆粒粒徑數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)顆粒物粒徑的對(duì)數(shù)正態(tài)概率百分?jǐn)?shù)與參考線相近，因此猜想正確，污穢顆粒物粒徑的總分布趨勢(shì)近似滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在蘇州大學(xué)機(jī)物樓樓頂以 XP13-160絕緣子為研究對(duì)象進(jìn)行了為期1個(gè)月的自然積污試驗(yàn)。通過(guò)自主搭建的大氣霧霾顆粒物濃度監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)附近空間的霧霾顆粒物濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。利用日立熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SU5000采集了污穢顆粒的電鏡掃描圖像，然后用圖像處理方法對(duì)污穢顆粒的電鏡掃描圖像進(jìn)行二值化處理，接著利用程序統(tǒng)計(jì)處理后圖像上污穢顆粒的粒徑數(shù)據(jù)，最后分析得到的污穢顆粒物總粒徑數(shù)據(jù)。分析結(jié)果如下：

（1）在霧霾天氣下自然積污絕緣子表面污穢顆粒物的粒徑分布總體趨勢(shì)近似滿足于對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

（2）由于觀測(cè)點(diǎn)位置處在半高空，且在考慮霧霾天氣條件下，本觀測(cè)點(diǎn)處的絕緣子表面90%的污穢顆粒粒徑小于11μm，污穢顆粒的平均粒徑為3.4μm，污穢顆粒的最大粒徑為41μm。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)志成.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：1-5.

[2]梁曦東，周遠(yuǎn)翔，曾嶸.高電壓工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：9-12.

[3]楊灝.輸電線路絕緣子防污技術(shù)研究探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（02）：113.endprint