沙漠區(qū)域絕緣子試驗環(huán)境模擬沙塵選擇方法

鄧 慰，龔 浩，王 建，劉春翔，金 銘，鄧鶴鳴，張 婷

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074；3.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 8300113)

0 引言

我國極端環(huán)境以沙漠環(huán)境[1]、高寒環(huán)境[2]、地質(zhì)脆弱環(huán)境[3]最為典型。其中沙漠區(qū)域沙塵暴災(zāi)害影響范圍大，引發(fā)損失巨大，直接影響著西電東送的安全運行。區(qū)域內(nèi)電力設(shè)備故障中，線路絕緣子風沙故障、金具沙塵磨損尤為突出。風沙的作用下發(fā)生電力設(shè)備的系列故障，直接影響著沙漠區(qū)域的供電安全。

國際上涉及風沙環(huán)境絕緣子積污模擬試驗較少，模擬用沙漠粉塵未進行科學考證。中東地區(qū)工程人員直接采用沙漠沙粒模擬進行間隙放電試驗，電壓等級較低，設(shè)備簡陋，采用提升機和吹風機的組合[4]；國內(nèi)華中科技大學采用石英砂模擬間隙放電，間隙為30 mm以下，設(shè)備也是采用提升機和吹風機的組合[5-7]；華北電力大學重慶大學借用流化床設(shè)備來研究表面放電，以普通河沙為研究對象[8-9]。國網(wǎng)電力科學研究院在研究連接金具磨損問題時，仍然選用石英砂作為金具試驗的磨料材料[10-11]。沙漠區(qū)域風沙故障問題要考慮風沙因素的耦合影響，絕緣子的風偏閃絡(luò)與風速風向相關(guān)，但風偏閃絡(luò)過程中絕緣子表面沙塵影響考慮較少，其沉積規(guī)律未引起重視，同時試驗用沙塵參數(shù)與現(xiàn)場情況相去甚遠。因此，構(gòu)建“沙塵環(huán)境—試驗方法—評價方法”的線路絕緣子風沙運行試驗體系，首先需要定量化模擬風沙現(xiàn)場情況，確保試驗用沙塵參數(shù)與現(xiàn)場情況基本吻合。

本研究獲取沙漠區(qū)域線路絕緣子污穢、沙塵暴塵粒和絕緣子風沙積污物，進行了Al-Ca相關(guān)性分析以及樣本溶解率相關(guān)性分析，絕緣子沙塵積污物和沙漠沙塵暴主要來源周圍沙漠表層沙粒物，指出了富Si礦物是主要災(zāi)害物源，給出了模擬試驗用沙漠粉塵的相關(guān)參數(shù)，建議200 μm以下富Si沙塵為試驗?zāi)M環(huán)境的沙漠粉塵。

1 沙塵收集與分析方法

沙漠表層沙粒樣品來自庫木塔格沙漠(鄯善區(qū)域)、塔克拉瑪干沙漠(若羌區(qū)域)、古爾班通古特沙漠(五家渠區(qū)域)和科爾沁沙漠(通遼區(qū)域)；沙塵暴塵粒收集絕緣子附近的沙粒；絕緣子風沙積污物來自110 kV絕緣子表面沉積物。采用X射線衍射儀等測試了沙漠地區(qū)絕緣子風沙積污物、沙塵暴粉塵以及沙漠表層沙粒樣本，用偏光顯微鏡識別礦物；分析了這些樣品的酸堿溶解度。

1.1 實驗儀器

X射線衍射儀(XRD)，采用德國帕納科公司的X'Pert Powder，掃描速度為10°/min，管壓為40 kV，管流為30 mA。偏光顯微鏡，采用德國正置偏光顯微鏡Leica DM2700P。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)采用Agilent 5110，檢測器為VistaChip II CCD。

1.2 礦物與元素測定分析

1)制作沙塵的礦物玻片，采用偏光顯微鏡識別礦物，并估計沙塵的礦物顆粒粒徑；

2)采用XRD分析沙塵的主要礦物成分，獲取主要礦物；

3)采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-MS)測定沙塵的元素含量，測試方法參考文獻 [12]。

1.3 樣本溶解率分析

1)采用去離子的純水，在溫度20 ℃，充分溶解粉末化的樣本后過濾，烘干剩下的樣品，獲取在純水溶解后失去的質(zhì)量，從而獲取樣品在純水中的溶解率。

2)采用濃度為1 mol/L的氫氧化鈉溶液，在溫度20 ℃，充分溶解粉末化的樣本后過濾，烘干剩下的樣品，獲取氫氧化鈉溶液溶解后失去的質(zhì)量，從而獲取樣品在氫氧化鈉溶液中的溶解率。

3)采用濃度為1 mol/L的HCl溶液，在溫度20 ℃，充分溶解粉末化的樣本后過濾，同樣烘干剩下的樣品，獲取HCl溶液溶解后失去的質(zhì)量，從而獲取樣品在HCl溶液中的溶解率。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 礦物分析

聯(lián)合偏光顯微鏡、XRD和ICP-OES的結(jié)果，具體分析如下：

庫木塔格沙漠：絕緣子風沙積污物(見圖1)中石英含量32%～40%，鈉長石18%～23%左右，其余為粘土成分，絕緣子風沙積污物的顆粒粒徑基本小于200 μs；沙漠沙粒樣品石英含量60%～65%，長石和石英巖屑礦物集合體，18%～20%，其余為粘土成分，顆粒非常均勻，保持在500 μm以下；沙塵暴粉塵(見圖2)中石英含量38%～45%，鈉長石18%～23%左右，其余為粘土成分，顆粒較均勻，保持在250 μm以下。

圖1 庫木塔格沙漠絕緣子沙塵沉積物顯微圖片F(xiàn)ig.1 Micrograph of insulator sand sediment in Kumtag desert

圖2 庫木塔格沙漠沙塵暴粉塵顯微圖片F(xiàn)ig.2 Micrograph of storm sand dust in Kumtag desert

塔克拉瑪干沙漠：絕緣子風沙積污物中石英含量28%～45%，鈉長石和閃石15%～27%，其余粘土成分，絕緣子風沙積污物的顆粒粒徑基本也小于200 μm；沙漠沙粒樣品石英含量42%～67%，巖屑礦物集合體較為復(fù)雜、含長石、閃石和石英等巖屑礦物集合體，11%～19%，其余為粘土成分，顆粒相對均勻，保持在600 μm以下；沙塵暴粉塵中石英含量約38%～45%，長石仍以鈉長石為主約15%～28%左右，其余粘土成分，顆粒較為均勻，保持在250 μm以下。

古爾班通古特沙漠：絕緣子風沙積污物中石英含量25%～41%，長石和閃石等硅酸鹽礦物12%～23%，其余為粘土成分，絕緣子風沙積污物的顆粒粒徑分布不均勻，但基本小于200 μm；沙漠沙粒樣品石英含量60%～65%，石英、長石和閃石的巖屑礦物集合體12%～17%，碳酸鈣和石膏3%～5%，其余為粘土成分，顆粒極端不均勻，但保持在5 000 μm以下；沙塵暴粉塵中石英含量28%～47%，長石和閃石17%～23%，其余為粘土成分，顆粒不均勻，保持在250 μm以下。

科爾沁沙漠：絕緣子風沙積污物中石英含量約27%～43%，長石11%～17%，碳酸鈣和石膏占1%～3%，其余為粘土成分，絕緣子風沙積污物的顆粒粒徑分布也不均勻，但基本小于200 μm；沙漠沙粒樣品石英含量23%～47%，長石和巖屑礦物集合體，約20%，碳酸鈣和石膏占3%～5%，其余為粘土成分，顆粒極度不均勻，保持在1 200 μm以下；沙塵暴粉塵中石英含量約28%～48%，長石和巖屑礦物集合體17%-20%，碳酸鈣和石膏占2%～5%，其余為粘土成分，顆粒不均勻，保持在250 μm以下。

綜上所述，從上述分析來看：

1)沙漠表層沙粒、沙塵暴沙粒和絕緣子風沙積污物的均以石英、長石等硅酸鹽為主，其中石英含量最高；

2)絕緣子風沙積污物的粒徑在200 μm，沙塵暴粉塵在250 μm以下；

3)沙漠表層沙粒、沙塵暴沙粒和絕緣子風沙積污物的樣本，塔克拉瑪干沙漠和庫木塔格沙漠沙粒均勻性較好，古爾班通古特沙漠和科爾沁沙漠均勻性較差。

鄧鶴鳴等[10-11]根據(jù)參考文獻[13-15]的結(jié)果，提出富Si類礦物是金具沙粒磨損的主要物源，并且石英砂的硬度最大(石英的莫氏硬度7；長石和閃石的莫氏硬度6-6.5，粘土，莫氏硬度3以下)，建議可選用石英砂來進行線路金具磨料磨損研究，本研究認為，采用石英砂獲得的金具磨損結(jié)果，相對偏嚴格。

2.2 Al-Ca含量分布分析

Al和Ca均是地表的主量元素，通常用這兩種元素的相關(guān)圖來分析物質(zhì)來源，該方法被劉春翔等[12]、高慶先等[13]學者采用。

庫木塔格沙漠、塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠和科爾沁沙漠的表層沙粒、沙塵暴沙粒和絕緣子風沙積污物中的Al-Ca相關(guān)分析見圖3。

圖3 Al-Ca含量相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagram of Al -Ca content

從圖3可以看出：

1)沙漠區(qū)域絕緣子沙塵積污物和附近沙漠沙粒的Al-Ca含量分布部分重合，同時跟沙塵暴也部分重合，但表層沙粒所占比重相對較大；

2)表層沙粒Ca含量較高，略高于絕緣子積污物的含量，沙塵暴中Al-Ca含量分布分散性相對較大，表層沙粒Ca含量分布相對較小，這跟采樣有一定相關(guān)性；

3)從地區(qū)來看，庫木塔格沙漠的Al-Ca含量分布分散性較小，其次塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠，科爾沁沙漠的分布相對較大，跟科爾沁區(qū)域的周邊環(huán)境相關(guān)；

4)庫木塔格沙漠的Al和Ca含量值相對較小，其次塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠，科爾沁沙漠的Al和Ca含量值相對較大，這跟前面的結(jié)論一致。

從上述分析來看，絕緣子沙塵積污成分主要源于附近的表層沙粒，沙塵暴對絕緣子沙塵積污也有很大的影響，即絕緣子沙塵積污物主要來源為附近沙漠沙塵暴和周圍沙漠表層沙粒物。

2.3 樣本溶解率分析

根據(jù)礦物分析的結(jié)果，大多數(shù)沙漠沙粒、沙塵暴沙粒以及附近線路絕緣子風沙沉積物中，石英、長石、閃石等硅酸鹽礦物居多，部分沙漠含有CaCO3和CaSO4，如古爾班通古特沙漠和科爾沁沙漠。有研究者發(fā)現(xiàn)沙塵暴中含有可溶性離子，如Ca2+、Na+離子，這些均是絕緣子污穢中鹽密的組成[1,14]。庫木塔格沙漠、塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠和科爾沁沙漠的表層沙粒、沙塵暴沙粒和絕緣子風沙積污物在HCl溶液、NaOH溶液和純水中的溶解率分析見表1。

表1 樣本溶解率表Table 1 Solubility of the samples %

從表1可以看出：

1)采用3種溶液獲得的結(jié)果，沙漠區(qū)域絕緣子沙塵積污物的溶解率接近附近沙漠沙粒的溶解率，略低于沙塵暴的溶解率；

2)這些沙漠區(qū)域的樣本，在HCl溶液中的溶解率略高于NaOH溶液中的值，純水的溶解率最低，這跟石灰?guī)r等碳酸巖相關(guān)，前面討論科爾沁沙漠的Ca含量值相對較大，結(jié)論一致；

3)從地區(qū)來看，庫木塔格沙漠的溶解率最低，其次塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠，科爾沁沙漠的溶解率最大，分散性也最大，也跟科爾沁區(qū)域周邊環(huán)境的石灰?guī)r類Ca礦物較多相關(guān)，從而導(dǎo)致了Ca的含量偏高。

從上述分析進一步看出，絕緣子沙塵積污成分主要源于附近的沙漠表層沙粒，沙塵暴對絕緣子沙塵積污也有很大的影響，絕緣子風沙積污試驗所用的粉塵，推薦采用線路附近沙漠表層沙粒物質(zhì)。

3 結(jié) 論

1)絕緣子沙塵積污物的主要成分為石英、長石以及粘土成分，沉積沙粒的粒徑基本小于200 μms；

2)根據(jù)Al-Ca含量以及樣本溶解率分析的相關(guān)性分析，絕緣子沙塵積污物主要來源為附近沙漠沙塵暴和周圍沙漠表層沙粒物；

3)建議采用線路附近沙漠表層沙粒來模擬沙漠區(qū)域線路絕緣子和金具等電力設(shè)備的沙塵試驗，但沙粒粒徑需控制在200 μms以下。