特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子自然積污特性研究

邵仕超， 畢曉甜， 李明哲 ， 陳杰， 吳笑寒， 陶風(fēng)波

(1. 清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518000；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展過程中，輸電線路一直受到外絕緣閃絡(luò)的影響。污穢閃絡(luò)是電力系統(tǒng)外絕緣的主要威脅之一，其顯著特點(diǎn)是同時(shí)多點(diǎn)跳閘幾率高。絕緣等級(jí)越低，跳閘幾率越高，且重合閘成功率小[1—3]。輸電線路外絕緣的積污水平顯著影響線路的絕緣水平，在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，大氣污穢問題越發(fā)嚴(yán)重，且由于污穢成分的特殊性，使得該區(qū)域外絕緣閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[4—7]。

現(xiàn)有輸電線路絕緣子積污特性分析大多通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量污穢的鹽密和灰密(non soluble deposit density，NSDD)，按照氣候和環(huán)境條件模擬計(jì)算污穢水平[8—15]。但此類方法未考慮特殊地區(qū)污穢的特殊性，忽略了污穢中特殊成分對(duì)輸電線路絕緣水平的影響[16—22]。在某些特殊重工業(yè)區(qū)、化工區(qū)，工業(yè)粉塵成分復(fù)雜，其中含有較大比例的鐵粉及銅粉等金屬微粒、碳粉等導(dǎo)電性微粒、糖分等吸水性物質(zhì)、硫化物等酸性腐蝕性成分，該類工業(yè)粉塵對(duì)電力設(shè)備污閃性能影響較大。運(yùn)行于該種特殊粉塵污穢條件下的復(fù)合絕緣子，表面更容易染污、吸水，進(jìn)而在極端運(yùn)行條件下產(chǎn)生局部爬電，對(duì)硅橡膠形成燒蝕或酸、堿性腐蝕，極大影響絕緣子的電氣性能。

文中對(duì)特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子自然積污特性進(jìn)行研究，通過離子色譜(ion chromatography，IC)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma emission spectrometer，ICP)和X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)分析等手段分析絕緣子表面污穢可溶鹽成分、惰性污穢顆粒成分?；诜治鼋Y(jié)果，結(jié)合地區(qū)特性，對(duì)特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子的積污特性進(jìn)行評(píng)估，為線路外絕緣防污的工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 污穢特性分析

為分析特殊工業(yè)粉塵地區(qū)輸電線路復(fù)合絕緣子積污特性，選取江蘇某特殊工業(yè)園區(qū)運(yùn)行復(fù)合絕緣子進(jìn)行采樣與測(cè)試。選取具有典型特點(diǎn)的4支復(fù)合絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，絕緣子樣品型號(hào)均為FXBW-220/120，運(yùn)行年限為5 a，運(yùn)行地點(diǎn)周圍有嚴(yán)重的化工污染，絕緣子表面存在明顯可見的自然污穢。

通過洗刷法對(duì)絕緣子表面的污穢進(jìn)行取樣，并對(duì)污穢成分進(jìn)行檢測(cè)，污穢成分分析方法見圖1。

圖1 絕緣子污穢成分分析方法Fig.1 Analysis method of insulator dust ingredients

分析內(nèi)容為復(fù)合絕緣子表面污穢鹽灰密測(cè)試、污穢可溶鹽成分分析、污穢不溶物成分分析。絕緣子污穢度檢測(cè)參照GB/T 26218.1—2010進(jìn)行，計(jì)算等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)、NSDD分別表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。使用ICP和IC等工具，分析污穢可溶鹽成分中的陰、陽離子組成及濃度。使用XPS分析惰性不溶物成分?；谏鲜鰴z測(cè)方法得到該地區(qū)復(fù)合絕緣子污穢的主要成分，進(jìn)而對(duì)特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子自然積污特性進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ESDD和NSDD

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26218.1—2010，使用去離子水擦洗絕緣子表面污穢，對(duì)所得污液進(jìn)行ESDD和NSDD測(cè)算，評(píng)估其表面污穢度，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 ESDD和NSDD檢測(cè)結(jié)果Table 1 Test results of ESDD and NSDD mg·cm-2

由表1可知，所述4支典型絕緣子中，ESDD平均為0.1～0.2 mg/cm2，鹽灰比為1∶2～1∶1，說明該特殊工業(yè)粉塵污穢地區(qū)，污穢中的含鹽量較高，相對(duì)含灰量較低。分布在絕緣子表面的污穢，肉眼可見的主要成分為灰分及其他不溶成分。因此，在該批絕緣子中，直接觀測(cè)污穢度不明顯的樣品，其表面ESDD仍可能處于較高水平，在潮濕情況下將會(huì)較大程度削弱絕緣子表面的絕緣性能。

2.2 可溶鹽成分

絕緣子表面污穢可溶鹽成分檢測(cè)結(jié)果如表2、表3所示。對(duì)離子的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，用對(duì)應(yīng)離子濃度求出樣品中含該離子的物質(zhì)的量，再根據(jù)不同離子在總樣品離子中物質(zhì)的量的占比，分別求出陰、陽離子的摩爾分?jǐn)?shù)x。

表2 陽離子摩爾分?jǐn)?shù)Table 2 Mole fraction of cation %

表3 陰離子摩爾分?jǐn)?shù)Table 3 Mole fraction of anion %

2.3 XPS結(jié)果分析

對(duì)污穢過濾后的不溶物進(jìn)行采樣，并進(jìn)行XPS分析，得到復(fù)合絕緣子樣品表面污穢的元素組成和含量。由于該種惰性物質(zhì)的主要成分尚不明確，因此先對(duì)污穢成分進(jìn)行整體全譜分析。在確認(rèn)相應(yīng)的污穢大致元素后，對(duì)所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)一步分析對(duì)應(yīng)側(cè)譜，測(cè)試相應(yīng)元素的價(jià)態(tài)情況及化合物存在形態(tài)。XPS分析的各元素成分對(duì)應(yīng)的結(jié)合能及其相對(duì)強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 XPS譜圖Fig.2 XPS spectrogram

由圖2可知，污穢的主要成分為碳(C)、氧(O)、硅(Si)3種元素。根據(jù)Si原子核外電子的排布特性可知，離原子核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數(shù)的增加，電子的能量越來越大。同一層中，各亞層的能量按s，p，d，f的次序增強(qiáng)，電子在原子核外排布時(shí)遵守1s，2s，2p排列。因此Si原子在XPS譜圖中表現(xiàn)出Si2s、Si2p 2種化學(xué)態(tài)，分別表征Si原子2種不同的最外層電子排布情況。在考慮污穢中Si元素成分時(shí)，2種化學(xué)態(tài)均應(yīng)納入考慮。分別對(duì)4個(gè)樣品的XPS譜圖進(jìn)行分析，得到不溶物的主要元素及其占比，如表4所示。

表4 污穢不溶物的主要元素及其相對(duì)含量Table 4 The main elements and their relative contents of dust insoluble matter %

由表4可知，污穢不溶物主要元素為10%左右的Si，40%左右的O，50%左右的C。其中1，2號(hào)樣品中C元素含量較高、O元素含量較低，4份樣品中的Si元素成分都較為相近?？梢酝茰y(cè)污穢中的不溶物成分包含二氧化硅(SiO2)、碳粉等成分。

3 分析與討論

在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，污穢會(huì)快速?gòu)目諝庵谐两挡⒏街浇^緣子表面，經(jīng)過一個(gè)積污期，絕大部分樣品的 ESDD 都超過 0.1 mg/cm2，污穢度較高。而測(cè)量結(jié)果表明，樣品表面鹽灰量較低，因此樣品表面可視污穢程度不高。

污穢的不溶惰性成分中，主要元素含量為C，Si，O，說明污穢中的灰分主要包含SiO2、碳粉等物質(zhì)，以及包含部分可溶、微溶于水的氧化物如氧化鈣(CaO)等，同時(shí)存在一定量的糖類，如(CH2O)n等物質(zhì)。

4 結(jié)論

以特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，研究典型工業(yè)粉塵環(huán)境中復(fù)合絕緣子的積污特性，得出的結(jié)論為：

(1) 采用ESDD、NSDD測(cè)量判斷絕緣子表面染污程度，進(jìn)一步使用微觀分析對(duì)特殊污穢可溶物、不溶物成分進(jìn)行分析，可定性得到特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的復(fù)合絕緣子積污特性，且效果較佳。

(2) 特殊工業(yè)粉塵環(huán)境中污穢自由沉降作用明顯，絕緣子表面污穢度普遍較重，污穢的ESDD數(shù)值偏高，鹽灰比數(shù)值較低。污穢中含有數(shù)量較大的鹽分，而灰分較低，絕緣子表面直觀污穢并不明顯。

(3) 特殊工業(yè)粉塵環(huán)境中，絕緣子污穢可溶鹽成分主要為微溶的二價(jià)鹽 CaSO4，復(fù)合絕緣子污穢中Na2SO4，K2SO4，MgSO4比例較為明顯。自然污穢的不溶物灰分主要元素為C，O，Si，含碳粉、二氧化硅(SiO2)、氧化鈣、糖類等物質(zhì)。

(4) 特殊工業(yè)粉塵地區(qū)污穢中的不溶物影響復(fù)合絕緣子表面的導(dǎo)電性及吸水性，從而影響絕復(fù)合絕緣子的絕緣性能。該部分不溶物是特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的絕緣子在使用傳統(tǒng)污穢度評(píng)價(jià)方法時(shí)，與其他地區(qū)結(jié)果存在差異的主要原因。