霧霾環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：霧霾環境下，絕緣子表面易于形成污穢層，使得高壓輸電線路發生污閃事故的風險增加。在我國霧霾天氣頻發的當下，研究自然積污絕緣子表面污穢顆粒的特性，為“十三五規劃”中的超、特高壓輸電的順利發展及國家電網系統的安全運行提供保障，具有重要意義。

關鍵詞：霧霾；絕緣子；電子顯微鏡；粒徑；自然積污

中圖分類號：TM21 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0021-03

引言

近年來，隨著我國工業化進程的快速推進，高壓電網的安全運行成為了國民經濟平穩發展不可或缺的基礎保障[1，2]。因沙塵天氣及霧霾天氣頻發，直接暴露于空氣中的絕緣子表面易于形成污穢層，使得絕緣子發生污閃事故的風險增加，威脅了高壓電網安全穩定地運行。為了進一步研究霧霾環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，揭示霧霾顆粒物對絕緣子積污的影響，為霧霾環境下絕緣子防污及清污提供參考，為絕緣子積污仿真實驗提供依據。

1 霧霾環境下自然積污試驗

1.1 試驗觀測點

本文在位于蘇州市姑蘇區的蘇州大學機物樓樓頂建立了一個單片絕緣子自然積污觀測試驗點，主要污染源為學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樹木及建筑物對自然風的遮擋，本文將積污試驗點建在13m高的機物樓樓頂，積污試驗架1.2m高，絕緣子離地面總距離為14.2m，本文自然積污試驗點如1所示。對自然風無遮擋，很好的還原了絕緣子在輸電塔架的環境。

試驗初將清洗干凈的XP13-160絕緣子妥善置于觀測點處，試驗期間僅選擇無雨天氣將絕緣子置于觀測點處，雨天則將絕緣子收回室內，置于干燥無塵的干燥皿內，天晴之后繼續放置回觀測點處，以避免雨水對絕緣子表面污穢層的沖刷。整個試驗為期1個月，試驗期間下雨天數共計12天。試驗中絕緣子樣品為蘇州電瓷廠生產的XP13-160絕緣子，其具體參數如表1所示。

1.2 霧霾顆粒物濃度

相關研究表明，隨著監測點附近污染源的數量越多，絕緣子表面污穢的沉積量也越嚴重[3]。因此其監測公布的霧霾顆粒物濃度數據與本文所設觀測點處的霧霾顆粒物濃度存在一定差異。因而本文用PMS7003數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測裝置，并對本文絕緣子自然積污觀測點附近空間的顆粒物濃度進行了監測。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、PMS7003傳感器和電源組成。積污期間觀測點附近的PM2.5和PM10的質量濃度部分數據如表2所示。

2 試驗結果

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域，在用導電膠帶粘取試樣顆粒時，以避免用力過大在粘取過程中損害導電膠內部的導電結構，同時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射掃描電鏡SU5000（見圖3），選擇絕緣子表面合適的取樣區域，制取觀測樣品，得到掃描顆粒圖像如圖4所示。

2.2 污穢顆粒物粒徑統計

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。在污穢顆粒粒徑統計時，雖然掃描電鏡可以對污穢顆粒物的某一尺寸進行標注（如圖4（a）和（b）），但試驗中選取的試樣顆粒較多，將顯示的顆粒進行標注并進行數學統計，這是一項極其繁瑣的工作；由于本試驗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。為了避免繁瑣的標記與統計工作，本文采用圖像處理方法來進行顆粒物粒徑的統計工作。

（a）污穢顆粒電鏡掃描圖像原圖

通過編寫的圖像處理程序對污穢顆粒電鏡掃描圖像進行處理，基于大津法（OTSU算法）對圖像進行二值化處理，處理前后的圖像如圖5所示。將處理后的圖片再用程序統計污穢顆粒的粒徑分布，統計后的數據經過分析，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。由于本文觀測點設置在實驗樓頂，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，自然風不大的情況下很難出現在半高空中。

對污穢顆粒物粒徑分布進行概率統計分析，發現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正態概率分布，如圖6（a）所示。為了驗證這一猜想，對污穢顆粒粒徑數據做進一步的統計分析，如圖7所示。可以發現顆粒物粒徑的對數正態概率百分數與參考線相近，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正態分布。

3 結束語

本文在蘇州大學機物樓樓頂以 XP13-160絕緣子為研究對象進行了為期1個月的自然積污試驗。通過自主搭建的大氣霧霾顆粒物濃度監測裝置，對試驗觀測點附近空間的霧霾顆粒物濃度進行了監測。利用日立熱場發射掃描電鏡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行二值化處理，接著利用程序統計處理后圖像上污穢顆粒的粒徑數據，最后分析得到的污穢顆粒物總粒徑數據。分析結果如下：

（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正態分布。

（2）由于觀測點位置處在半高空，且在考慮霧霾天氣條件下，本觀測點處的絕緣子表面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：

[1]關志成.絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京：清華大學出版社，2006：1-5.

[2]梁曦東，周遠翔，曾嶸.高電壓工程[M].北京：清華大學出版社，2010：9-12.

[3]楊灝.輸電線路絕緣子防污技術研究探討[J].科技創新與應用，2013（02）：113.endprint