PM10與絕緣子積污特性的關系研究

李偉性 張富春 廖 鵬 謝慶云

（超高壓輸電公司廣州局，廣州 565000）

PM10與絕緣子積污特性的關系研究

李偉性 張富春 廖 鵬 謝慶云

（超高壓輸電公司廣州局，廣州 565000）

為研究PM10與絕緣子積污特性之間的關系、掌握絕緣子表面積污特性，筆者將PM10、污穢（鹽密、灰密）及微氣象在線監測技術應用于輸電線路中。開展對現場運行中PM10、絕緣子污穢（鹽密、灰密）及環境溫濕度在線監測數據的分析研究，建立了PM10、絕緣子表面污穢度（鹽密、灰密）和環境溫濕度等因素之間的相互關系模型，提出了PM10與絕緣子污穢度（鹽密/灰密）之間存在明顯的線性對比關系模型。研究結果表明，筆者設計的PM10、鹽密、灰密在線監測裝置，能夠準確地反應現場絕緣子的污穢狀況，能夠為線路清掃提供準確判據，對逐步實現電網狀態檢修具有積極意義。

PM10；污穢；鹽密；灰密；溫濕度；污閃；泄漏電流

隨著我國工業飛速發展，環境污染也日趨嚴重，PM10值持續攀高不下，絕緣子表面積污嚴重，隨之帶來的電力系統污閃事故危害也日趨嚴重，普遍表現為跳閘率高、影響范圍廣、危害大等特點，對電網安全運行構成嚴重威脅。絕緣子污閃是絕緣子表面污穢的沉積、空氣濕度、絕緣子絕緣電阻下降等多個因素共同作用的結果，其中絕緣子表面污穢物受潮使得絕緣子表面泄漏電流增大、局部電弧的產生并沿污穢表面的發展是最終閃絡的根本原因。絕緣子表面污穢物分為灰密、鹽密兩大類，其中鹽密對污閃影響較大，主要陽離子為Ca2+，NH+、Zn2+、Na+、Mg2+，還有K+等，主要陰離子為SO42?、NO3?、Cl?、HCO3?、還有 F?等，其中以 Ca2+和 SO42?離子含量最大。PM10是指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于 10μm的顆粒物，化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。

1 PM10及絕緣子污穢度監測技術

筆者綜合采用PM10、絕緣子污穢度和微氣象在線監測技術，用于對絕緣子表面污穢度、絕緣子周圍環境中的 PM10和環境溫濕度等多個參量進行實時監測，用于掌握PM10值的變化對絕緣子積污速度的影響，進行 PM10與絕緣子積污規律的關聯特性研究。

1.1 PM10監測技術的實現

筆者利用粉塵粒子吸收β射線的量與粉塵粒子的質量成正比關系的原理，研制了基于β射線吸收法的實時監測PM10監測模塊，通過測量β射線通過干凈濾紙和含有粉塵濾紙前后強度的變化，測量出PM10的濃度值。通過與標準過濾稱重法的對比校準，筆者設計研制的PM10監測模塊具有很高的測量準確性，符合國家相關技術標準中的精度要求。

1.2 光傳感污穢監測技術的實現

目前國內外測量絕緣子污穢度的方法主要有絕緣子污層電導率測量、絕緣子局部表面電導率測量、泄漏電流測量和絕緣子表面等值附鹽密度測量。由于這些方法存在技術限制或人為因素，都很難合理確定測量周期，無法測得現場絕緣子鹽密的年度最大飽和鹽密值。研究認為，光纖鹽密/灰密傳感器對其表面污染具有良好的敏感性，通過檢測光在光纖傳輸過程中的損耗可以達到定量檢測污穢物的目的。

筆者基于介質光波導中的光場分布理論和光能損耗機理研究設計了光纖傳感器用于測量絕緣子表面污穢。在電網現場實際應用中，為克服光學元器件不穩定因素和提高分辨率，筆者采用多通路分光器技術。設計了光電轉換系統和數據系統以及光譜檢測硬件和管理軟件，選用穩定性優良、色散小、光接受靈敏度高、分光準確的激光發生器，測試了鹽密/灰密測量系統的基本特性。

研究發現光纖傳感器芯子的光衰減量除了與鹽密/灰密有關外，與濕度也有關系，其原因是污穢物中的含鹽量在因受潮發生潮解性變化，使得光纖傳感器的折射率發生改變所致。鹽密和濕度一定時，塵埃比率（污穢物中不溶性物質塵埃的質量分數）也使光衰減量發生變化。試驗中發現，在高濕度時，塵埃比率并不影響光的衰減量，隨著濕度的減少，特性曲線將出現較大差異。基于所述特性，應用濕度和光衰減量關系的曲線來判別塵埃比率，并要盡量取低濕度下的光衰減量，在此基礎上建立鹽密與光衰減量、塵埃比率和濕度的數學模型。通過檢測光能參數可計算出傳感器表面污穢物的多少。

與傳統的等值鹽密人工測量法相比，筆者設計的光纖傳感污穢模塊采集的污穢數據，不僅具有很高的準確性，能夠滿足國家Q/GDW 558—2010《輸電線路污穢度狀態監測裝置通用技術規范》中的精度要求；而且還能夠對現場絕緣子污穢度進行實時監測，能夠獲取運行中絕緣子的實時鹽密/灰密值和最大飽和鹽密/灰密值，能夠避免因為人工測量存在人為誤差且不及時、檢測時需要線路停電等方面的缺陷。

2 現場應用數據分析

2.1 PM10及絕緣子積污特性的關系數據分析

筆者設計的PM10及絕緣子污穢監測裝置，在超高壓輸電公司廣州局所轄的500kV梧羅I線410#桿塔上進行了安裝投運，裝置采用太陽能+蓄電池供電模式和 3G無線通信方式，對現場絕緣子鹽密、灰密、PM10值、環境溫度和濕度共5個參量進行實時監測。該監測點周圍環境特殊，不僅具有垃圾焚燒廠、煤炭運輸鐵路線等多個污染源，而且還有對監測點濕度影響較大的河流從旁邊經過。結合污穢監測裝置長時間運行所積累的現場數據，下面對PM10及絕緣子積污特性的關系進行分析（如圖 1至圖 3所示）。

圖1 PM10＜150（空氣質量良好）時絕緣子積污變化曲線

圖2 150＜PM10＜300（空氣中等污染）時絕緣子積污變化曲線

從上述PM10、鹽密/灰密對比曲線圖中，可以發現：

1）從圖1、圖2、圖3的污穢對比曲線中可以發現：由于監測點周圍有垃圾焚燒廠、煤炭鐵路運輸線等多個嚴重污染源，即使外界大環境污染位于輕度范圍內（PM10＜150）時，絕緣子表面的積污仍相對比較嚴重（鹽密最高值為0.074mg/cm2，灰密最高是0.83mg/cm2），需要增加該監測點的清掃頻率。

圖3 PM10＞300（空氣重度污染）時絕緣子積污變化曲線

2）從圖1的監測數據中可以發現：PM10＜150時，由于外界大環境的污染不嚴重，絕緣子表面的積污速度整體并沒有明顯加快的趨勢，有時絕緣子表面鹽密、灰密值會有小幅增加，但遇到明顯降雨時絕緣子表面鹽密、灰密值又會明顯下降（鹽密最低值為0.029mg/cm2，灰密最高是0.29mg/cm2），這說明雨水對絕緣子表面污穢物有較強的沖洗作用。

3）從圖 2可以發現：150＜PM10＜300時，絕緣子表面的鹽密、灰密值會隨 PM10的增加而增加（鹽密最高值為 0.096mg/cm2，灰密最高值為1.47mg/cm2），有時遇到明顯降水時，鹽密、灰密會小幅下降，但持續增加的趨勢不會變（鹽密最低值為0.071mg，灰密最低值為1.01mg/cm2）。

4）從圖3可以發現：PM10＞300時，絕緣子表面的鹽密、灰密值會隨PM10的增加而快速增加，這種情況多發生在每年的秋冬季，主要是因為這短時間廣東地區降雨明顯減少，空氣中污穢顆粒物比較多，絕緣子在這段時間內的積污是最嚴重的。

2.2 積污期及其前后不同時段絕緣子積污特性分析

下面是筆者設計的絕緣子污穢監測裝置以及超高壓公司已投運的其他同類絕緣子污穢監測裝置，在積污期及其前后不同時段所采集的絕緣子污穢數據變化曲線（如圖4、圖5所示）。

對上面兩組污穢變化趨勢曲線圖對比分析，可以發現：

1）南網范圍內高壓線路的積污期集中于每年的9月到次年的3月，尤其是每年的10月、11月、12月和 1月、2月是每年積污速率最快、積污最嚴重的時間段；每年4月、5月、6月7月、8月由于南方降雨量比較集中，絕緣子表面污穢物具有明顯的沖洗作用，絕緣子積污速率最慢、積污相對較輕。

2）±500kV興安直流線路 381#、383#、385#監測點分別位于農田、高速公路和工廠附近，附近只有單一污染源，而500kV梧羅I線410#桿塔監測點周圍有垃圾焚燒廠、煤炭鐵路運輸線等多個嚴重污染源，因此該區域內絕緣子表面灰密度比± 500kV興安直流線路381#、383#、385#三個監測點絕緣子表面灰密度嚴重的多。

圖4 ±500kV興安直流線路381#、383#、385#桿塔污穢變化曲線

圖5 500kV梧羅I線410#桿塔污穢變化曲線

3 結論

1）通過與監測點安裝的污穢模擬絕緣子串采集的污穢數據分析對比，筆者設計的PM10、鹽密、灰密在線監測裝置，能夠準確地反應現場絕緣子的污穢狀況，能夠為線路清掃提供準確判據，對逐步實現電網由定期檢修到狀態檢修具有積極意義。

2）通過對監測點長期積累的運行數據分析，PM10與絕緣子污穢度（鹽密/灰密）之間存在明顯的線性對比關系，即PM10較小（環境良好或污染輕）時，絕緣子表面的污穢度不會明顯增加；PM10長期趨勢增加時，絕緣子污穢度也會趨勢增加，而且是線性快速增加。這一線性對比關系，對掌握絕緣子表面積污規律具有重要參考價值。

3）通過對監測點長期積累的運行數據分析，降雨尤其是強降雨對絕緣子表面的污穢物具有明顯的清洗作用，但對水泥廠周圍的線路桿塔，降雨對這些地點的絕緣子并沒有明顯沖洗作用，反而會加速絕緣子表面的積污速度，因為水泥廠周圍絕緣子表面的污穢物多是水泥，遇到雨水會出現凝固。

4）通過對監測點年度范圍內的污穢變化曲線分析，每年第4季度由于降雨少，將是絕緣子表面積污速率最快、表面污穢度最嚴重的時期，應該增加絕緣子清掃力度。否則，在次年 1月、2月這段時期內，由于降雨量并為明顯增多、南方回南天天氣頻繁、空氣濕度明顯增大，如果絕緣子表面積污嚴重，就會造成這段時期內絕緣子污閃事故隱患幾率大增。

[1]張建興,律方成,劉云鵬,等.高壓絕緣子泄漏電流與溫、濕度的灰關聯分析[J].高電壓技術,2006(1):40-41,73.

[2]張威,趙新德.污穢絕緣子泄漏電流與濕度及鹽密關系綜述[J].云南電力技術,2010,38(1):55-57.

[3]樂波,王黎明,毛穎科.污穢絕緣子高頻泄漏電流特征的研究[J].高壓電器,2005,41(6):401-404,407.

[4]王雪波.光傳感器輸變電設備鹽密在線監測系統研究[D].武漢:湖北工業大學,2007:21-51.

[5]葉根富,周明,李庚銀.絕緣子在線檢測方法的比較[J].電力科學與工程,2007(3):37-40.

[6]陶元中,包建強.輸電線路絕緣子運行技術手冊[M].北京:中國電力出版社,2003.

[7]應偉國.架空送電線路狀態檢修實用技術[M].北京:中國電力出版社,2004.

[8]張建輝.絕緣子污穢閃絡機理及影響因素的研究[D].重慶:重慶大學,1992:32-37.

[9]關志成,時衛東.絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京:清華大學出版社,2006.

[10]何錦雄.輸電線路絕緣子在線監測及電網防污閃分析[J].機電工程,2012,29(5):593-595,604.

[11]Mizuno Y.Hiroaki kusada and katsuhiko naito.effect of climatic conditions oncontamination flashover voltage of insulators[J].IEEE Transaction on Dielectrics and ElectricalInsulation,V01(3):286-289.

[12]Mereure H P.Insulators filth performance at hiigh altitude[J].IEEE.Transaction on PowerDelivery,V01(2):1461-1468.

[13]T.Kawamura,M.Ishii,M.Akbar and ICNagai.Pressurv Dependence of DC Breakdown of Contaminated Insulators,IEEE Tram.on Electrical Insulation,V01.EI-17,No.1,1982:39-45.

Research on the Relationship between PM10and Insulator Filth Characteristics

Li Weixing Zhang Fuchun Liao Peng Xie Qingyun
(Guangzhou Bureau of EHV Power Transmission Company,Guangzhou 565000)

In order to study the relationship between PM10and the filth characteristics of insulator,and to master the filth characteristics of the surface area,the author applies PM10,filth (salt,ash) and micro meteorological on-line monitoring technology to transmission line.The analysis and Research on the on-line monitoring data of PM10,insulator contamination (salt,ash) and environmental temperature and humidity were carried out in the field,and the relationship between the PM10and the surface contamination degree (salt density,dust density) and the environment temperature and humidity were established.The linear correlation model was put forward.The research results show that the PM10,salt and ash dense on-line monitoring device can accurately reflect the filth condition of the insulator,and can provide accurate criterion for the line cleaning.

PM10;filth;salt;ash;temperature and humidity;filth flashover;leakage current