霧霾天氣下動車組車頂絕緣子積污特性研究

宋 瑋，賈 男，楊升杰，王小華

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003；2.國網(wǎng)紹興供電公司，浙江紹興312000）

0 引言

自2008年京津城際高速鐵路開通以來，我國高鐵發(fā)展呈現(xiàn)出指數(shù)增長，高鐵已經(jīng)成為推動我國經(jīng)濟發(fā)展的主要動力[1]。近幾年的冬春季節(jié)，動車組在北京、河北及河南等地發(fā)生多起車頂高壓外絕緣系統(tǒng)閃絡(luò)事故，嚴重影響了旅客的出行。對于車頂高壓系統(tǒng)閃絡(luò)事故，動車制造、運營等相關(guān)部門的分析報告指出，閃絡(luò)多集中在深夜至第二天黎明之間，閃絡(luò)發(fā)生時動車組多處于進出車站的低速運行狀態(tài)[2]。絡(luò)主要發(fā)生在車頂受電弓絕緣子和高壓隔離開關(guān)絕緣子沿面，以及高壓連接導(dǎo)體對空氣間隙之間。

車頂絕緣系統(tǒng)作為動車組的核心部分，在動車組高速運行時，車頂周圍氣流速度提高，這將會改變車頂絕緣子表面積污特性，影響車頂高壓外絕緣系統(tǒng)的絕緣性能[3-7]。分析霧霾天氣下車頂絕緣子表面積污分布規(guī)律，對絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防污閃工作具有重要意義。

目前國內(nèi)外對絕緣子表面積污特性進行了大量研究，研究重點集中在輸電線路絕緣子表面污穢分布規(guī)律、污穢成分及積污對閃絡(luò)放電特性的影響等，但是對高速氣流作用下絕緣子傘裙表面積污特性研究較少[8-11]。文獻[12]在風洞實驗室中，模擬了低速氣流條件下電壓極性對絕緣子表面積污特性的影響。文獻[13]分析了污穢來源與污穢成分之間的關(guān)系和污閃電壓與污穢成分之間的關(guān)系。文獻[14-15]通過對深圳地區(qū)多處有代表性輸電桿塔上進行帶電與不帶電復(fù)合絕緣子自然積污試驗，研究了帶電與否對絕緣子上下表面灰密及鹽密的影響。

然而，以上研究主要是針對靜態(tài)的輸電線路絕緣子得到的絕緣子表面污穢分布規(guī)律。而對于動車組，運行時速200～300 km/h之間甚至更高，車頂絕緣子在高速氣流作用下，表面流場分布比輸電線路絕緣子復(fù)雜的多，其絕緣子表面積污特性也不同于輸電線路絕緣子表面積污特性。因此，不能簡單地將目前研究獲得的絕緣子表面積污規(guī)律等直接引用。掌握嚴重霧霾天氣條件下動車組車頂絕緣子表面積污規(guī)律，對研究車頂絕緣子污閃特性提供可靠的依據(jù)。論文以在網(wǎng)高速運行的動車組車頂高壓隔離開關(guān)絕緣子為對象，在2013年12月底發(fā)生嚴重霧霾期間采集車頂絕緣子表面污穢，然后送往實驗室對污液進行分析，研究結(jié)果可以為霧霾天氣條件下車頂絕緣子防污閃提供參考。

1 試驗試品及方法

1.1 試驗試品

為研究在嚴重霧霾天氣下在網(wǎng)運行動車組車頂絕緣子表面積污分布特性，在石家莊市動車檢修所利用動車組夜間檢修期間展開對絕緣子表面污穢采集工作。采樣絕緣子主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其外形見圖1。

表1 絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of insulators mm

圖1 試品絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.1 Test insulator

1.2 等值鹽密和灰密測量方法

為了減少動車組車頂絕緣子污穢閃絡(luò)次數(shù)，自2012年冬季以來，動車組維護人員每天晚上對車頂絕緣子表面污穢進行擦拭，因此，本文所研究絕緣子表面自然積污為日污穢積累量。利用動車組入庫停電檢修期間，用蒸餾水清洗傘裙表面，清洗后水量減少量在6～10 ml之間，清洗完畢后，將污液使用專用實驗塑料瓶封裝編號，并送進實驗室測試。

為全面分析霧霾天氣下車頂絕緣子表面積污規(guī)律，試驗采集了絕緣子各個大中傘裙上表面和下表面的污穢。按照GB/T4585規(guī)定，由污液電導(dǎo)率計算出等值附鹽密度（equivalent salt deposit density，ESDD）；并根據(jù)IEC60815，分別測量傘裙上下表面的不溶物密度（non soluble deposit density，NSDD），測量流程見圖2。

圖2 灰密和鹽密測量流程Fig.2 Flow of NSDD and ESDD measurement

實驗中，干燥濾紙采用型號為DHG-9 140 A的干燥箱，干燥溫度100℃，干燥時間25 min。每次干燥完成后，關(guān)閉干燥箱電源并靜止1 min后進行測量，為盡量減少空氣中濕度造成的誤差，每次稱重均在20 s內(nèi)完成。并且每次稱量按照傘裙編號固定放置濾紙位置，以減少測量順序不同所造成濾紙中吸附水分差異所造成的誤差。采用型號為AL204的精密電子稱重，其精度0.1 mg。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 污穢采集時的霧霾情況

構(gòu)成霧霾的主要成分包括固體顆粒物PM2.5、PM10及CO、NO2和SO2等氣體。其中，固體顆粒物PM2.5、PM10在高速氣流作用下碰撞并可能粘附于絕緣子表面形成積污，NO2和SO2等氣體溶于霧水中后通過復(fù)雜的化學反應(yīng)生成硝酸及硫酸等增加霧水電導(dǎo)率。空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，簡稱AQI）是空氣中PM2.5、PM10及CO、NO2和SO2等含量的綜合評價，AQI可以直接量化反應(yīng)空氣質(zhì)量狀況。AQI可以分為6個等級，見表2。表3為動車組運行期間經(jīng)過主要大中城市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中 PM2.5、PM10、NO2和 SO2的質(zhì)量濃度單位為μg.m-3，CO的質(zhì)量濃度單位為mg.m-3。由表3可知：PM2.5和PM10隨AQI在空氣中的含量變化趨勢基本相同；而NO2和SO2隨AQI在空氣中的變化稍有隨機性，可能是與當?shù)鼗S酸性氣體排放時間有關(guān)；污穢顆粒物PM10含量最高，是形成霧霾的重要原因。

表2 AQI分級標準Table 2 AQI grade scale

表3 動車所經(jīng)主要城市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of air quality index of mian cities

從表3可看出，污穢采集期間，除武漢空氣質(zhì)量指數(shù)基本相同外，其他地區(qū)均為12月23日空氣污染最嚴重，22日次之，26日空氣污染最輕。

2.2 灰密、鹽密測量結(jié)果及分析

動車組車頂高壓隔離開關(guān)處由2個絕緣子“一”字排列。由于時間及條件限制，本試驗中每次只采集了高壓隔離開絕緣子的大號和中號傘裙表面的污穢樣本，即從高壓端起的1、3、5、7號傘裙。通過實驗室內(nèi)測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，同一車次2個絕緣子的等值鹽密和灰密與平均值相比，相對差值均值10%以內(nèi)，因此文中所用數(shù)據(jù)均為2個絕緣子的平均值。為分析方便，記12月22日數(shù)據(jù)為A，記12月23日數(shù)據(jù)為B，記12月26日數(shù)據(jù)為C。試驗所得不同傘裙上下表面的等值灰密、鹽密結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可看出，除樣本A和B的7號傘裙及樣本C的5號傘裙下表面鹽密大于上表面鹽密外，其余傘裙的灰密和鹽密均表現(xiàn)出上表面大于下表面的分布特性。圖3中除樣本B的1號傘裙和3號傘裙上表面積污量基本相同外，其余傘裙不管是上表面還是下表面都表現(xiàn)出3號傘裙的灰密最大，7號傘裙的灰密最小。

圖3 不同傘裙等值灰密分布圖Fig.3 NSDD distribution of different sheds

從圖4可看出，樣本A和C的最大等值鹽密均出現(xiàn)在3號傘裙的上表面；樣本B的1號傘裙上表面鹽密最大，3號傘裙上表面稍低于1號傘裙。整體來看，鹽密分布規(guī)律均表現(xiàn)出上表面大于下表面。從圖中還可以看出，3個樣本的鹽密變化規(guī)律基本相同，而且樣本B的對應(yīng)傘裙鹽密均大于樣本A，樣本A的對應(yīng)傘裙鹽密均大于樣本C。但是觀察圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，3號傘裙較5號傘裙積污量差別明顯較大，這可能與車頂絕緣子布置有關(guān)。

圖4 不同傘裙等值鹽密分布圖Fig.4 ESDD distribution of different sheds

從等值灰密和鹽密數(shù)值大小與傘裙序號之間的關(guān)系來看，最大值出現(xiàn)在中上傘裙或者上傘裙所在位置。由圖3和圖4可發(fā)現(xiàn)，樣本數(shù)據(jù)B明顯高于數(shù)據(jù)A，數(shù)據(jù)A稍高于數(shù)據(jù)C，結(jié)合表3中所采集數(shù)據(jù)動車組經(jīng)過主要城市的空氣質(zhì)量綜合參數(shù)可以看出，樣本B對應(yīng)的AQI指數(shù)明顯高于樣本A所對應(yīng)的AQI指數(shù)，樣本A所對應(yīng)AQI指數(shù)略高于樣本C所對應(yīng)的AQI指數(shù)。等值灰密主要取決于固體顆粒物PM2.5、PM10的含量以及固體顆粒與絕緣子碰撞、吸附的過程，顯然在相同的流場作用下，隨著空氣中固體顆粒物含量的增加，絕緣子表面的積污量也會呈現(xiàn)出增加趨勢?？諝庵兴腘O2、SO2等酸性氣體溶于霧水后，會增加霧水的電導(dǎo)率，從而直接影響絕緣子表面的鹽密，整體分析表3中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，動車組所經(jīng)地區(qū)23日空氣中所含NO2、SO2最多，26日空氣中含量最少，這與所對應(yīng)樣本數(shù)據(jù)是相符的。動車組車頂絕緣子表面積污同AQI指數(shù)所呈現(xiàn)出的變化趨勢是一致的。

動車組在運行過程中，最高運行速率可達300km/h，1號傘裙距離高壓導(dǎo)桿75 mm，7號傘裙距離固定底座僅70 mm。由于車頂表面其他高壓設(shè)備對高速氣流作用下的固體顆粒具有一定的阻礙作用，固體顆粒和中下部傘裙碰撞并粘附于絕緣子表面的概率要小于中上部傘裙。對于中上部傘裙，由于沒有障礙物的屏蔽作用，其與高速氣流的作用面積增加，并且相鄰序號傘裙的下表面和上表面之間間距僅為20 mm，密集分布的傘裙使固體顆粒同絕緣子表面碰撞后，更容易受力達到平衡狀態(tài)從而粘附于絕緣子表面。

2.3 絕緣子上下表面污穢分布不均勻度

為研究在網(wǎng)運行動車組車頂絕緣子傘裙上下表面污穢不均勻度，分別定義等值灰密不均勻系數(shù)λNSDD，等值鹽密不均勻系數(shù)λESDD：

式中：ρNSDD上、ρNSDD下分別為絕緣子上下表面的等值灰密；ρESDD上、ρESDD下分別為絕緣子上下表面等值鹽密。

從圖5和圖6中絕緣子傘裙上下表面灰密和鹽密分布不均勻度系數(shù)可以看出，灰密不均勻度比值在1.03～1.76之間，鹽密不均勻度比值在0.72～1.82之間，除7號傘裙外，整體上表現(xiàn)出絕緣子傘裙上表面大于下表面的規(guī)律。而電力系統(tǒng)常用的玻璃、瓷等材料絕緣子則表現(xiàn)出下表面積污多于上表面的現(xiàn)象，這與絕緣子的傘裙結(jié)構(gòu)及周圍空氣流速等密切相關(guān)。絕緣子表面的積污量主要受空氣中固體顆粒與傘裙表面的碰撞及吸附過程影響，試驗所采集動車組高壓隔離開關(guān)絕緣子上表面有一定的傾角，下表面幾乎沒有傾角，一定的傾角使傘裙上表面與高速氣流下空氣中的固體顆粒物質(zhì)碰撞幾率增大，并且考慮重力作用，污穢物質(zhì)更容易在絕緣子上表面沉積。

圖5 傘裙上下表面灰密不均勻度Fig.5 The NSDD irregularity of the upper and lower insulator surfaces

圖6 傘裙上下表面鹽密不均勻度Fig.6 The ESDD irregularity of the upper and lower insulator surfaces

3 結(jié)論

1）從上到下隨著絕緣子傘裙序號的增加，其表面積污量分布基本呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，NSDD和ESDD最大值基本出現(xiàn)在中上部的3號傘裙，在嚴重霧霾天氣下其最大值分別為60μg/cm2、17μg/cm2。

2）除最底端的7號傘裙表面ESDD下表面大于上表面外，其余傘裙表面NSDD和ESDD均表現(xiàn)出上表面大于下表面。污穢不均勻度的最大值為1.82。

3）絕緣子傘裙表面NSDD和ESDD與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI呈正相關(guān)。不同AQI條件下傘裙表面積污變化趨于一致。且AQI對絕緣子表面ESDD的影響明顯強于其對NSDD的影響。

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