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

引言

近年來，隨著我國工業(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，本文開展自然積污試驗(yàn)，揭示霧霾顆粒物對絕緣子積污的影響，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)樹木及建筑物對自然風(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。對自然風(fēng)無遮擋，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點(diǎn)處，試驗(yàn)期間僅選擇無雨天氣將絕緣子置于觀測點(diǎn)處，雨天則將絕緣子收回室內(nèi)，置于干燥無塵的干燥皿內(nèi)，天晴之后繼續(xù)放置回觀測點(diǎn)處，以避免雨水對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)測公布的霧霾顆粒物濃度數(shù)據(jù)與本文所設(shè)觀測點(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)測裝置，并對本文絕緣子自然積污觀測點(diǎn)附近空間的顆粒物濃度進(jìn)行了監(jiān)測。自制的大氣顆粒物濃度檢測裝置如圖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)，以避免用力過大在粘取過程中損害導(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發(fā)射掃描電鏡SU5000（見圖3），選擇絕緣子表面合適的取樣區(qū)域，制取觀測樣品，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測量污穢顆粒的粒徑，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

通過編寫的圖像處理程序?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)過分析，得到污穢顆粒物的粒徑分布情況如圖6所示。可以得出，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近似于對數(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近似滿足對數(shù)正態(tài)分布。

3 結(jié)束語

本文在蘇州大學(xué)機(jī)物樓樓頂以 XP13-160絕緣子為研究對象進(jìn)行了為期1個(gè)月的自然積污試驗(yàn)。通過自主搭建的大氣霧霾顆粒物濃度監(jiān)測裝置，對試驗(yàn)觀測點(diǎn)附近空間的霧霾顆粒物濃度進(jìn)行了監(jiān)測。利用日立熱場發(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近似滿足于對數(shù)正態(tài)分布。

（2）由于觀測點(diǎn)位置處在半高空，且在考慮霧霾天氣條件下，本觀測點(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