基于鹽堿沙塵地區的接觸網絕緣子污閃預警的研究

王 惠,王思華

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

電氣化鐵路接觸網絕緣子是牽引供電系統的重要構成部分，其性能的優劣直接影響到整個牽引供電系統的安全可靠運行。對于暴露在戶外的絕緣子來說，沙塵氣候是極端惡劣的工作環境，嚴重影響了絕緣表面的積污濃度。隨著中國北方地區咸鹽水湖泊與鹽沼陸續萎縮干涸，形成了一種局部地域鹽堿沙塵天氣發生系統[3]，使得沙塵天氣對牽引接觸供電網的影響不再僅僅是“物理威脅”，而是以其自身具有的化學性質來影響接觸網的運營安全。

國內外專家對鹽堿沙塵源區的形成及其影響作了大量研究。文獻[4]研究歸納了鹽堿塵暴的風蝕規律，得出了離干涸湖底距離越遠，鹽堿沙塵暴的發生率、強度、降塵量越低的規律；文獻[5]對干涸湖底區域含鹽粉塵的沉積通量和物質組成進行了詳細研究，得出干鹽湖下風向受影響區域的大氣降塵量以及大氣降塵中的含鹽量。當前針對鹽堿地的研究方向大致都從風蝕強度、風運堆積等方面著手，對接觸網的影響僅提出絕緣子表面覆鹽度較高，易污閃，并沒有進行定性分析。還有學者以細沙量、硅藻土量、NaCl量比值為6∶6∶1的構成比例模擬了戈壁、鹽堿地域內固體顆粒物在絕緣表面的積污規律[6]，但未能考慮鹽堿沙塵源區對下風向區域影響的差異性。

本文在前人研究的基礎上，根據鹽堿地區沙塵天氣下干涸湖底源區對下風向區域不同的影響，結合接觸網絕緣子在沙塵天氣下的積污特性，通過建立的絕緣表面積污簡化模型，得出污穢顆粒的碰撞吸附判據。在污穢源區風運特性和受影響區域氣象條件的雙重影響下，分析含鹽沙塵天氣對接觸網絕緣子絕緣性能的影響。依據絕緣子表面沉降污穢顆粒的累加性[7]，結合預報的惡劣天氣來臨時間，正確定位和篩選出可能污閃的絕緣子元件，在惡劣天氣來臨之前對絕緣子清掃除污，減少污閃事故的發生頻次。

1 鹽堿地區對接觸網絕緣子的影響

1.1 鹽堿地概述

鹽堿地在我國分布廣泛，占可利用土地面積的4.88%[7]，其中鹽湖區域干涸表層的土壤含鹽量高達40%，鹽堿化尤為嚴重[8]。新疆是我國最大的鹽湖成鹽區，面積高達10 789 km2[8]。由于區域內氣候干旱，多風沙，少降水，蒸發量為降水量的十到數百倍，因此鹽湖多數處于干鹽湖發展階段，鹽堿化現象嚴重，受風蝕作用影響形成含鹽沙塵天氣[9]。

1.2 干涸鹽湖對蘭新鐵路接觸網絕緣子的影響

烏魯木齊至阿拉山口的北疆鐵路段是蘭新線的重要組成部分，沿線分布有多個鹽湖(艾比湖、小鹽湖、艾丁湖等[9])，其中有140 km鐵路沿艾比湖西南邊緣通過，80 km處于阿拉山口大風主通道。干涸的湖盆離鐵路只有2 km左右，繼而加劇了絕緣子的污穢程度，增加了絕緣子的污閃風險。小鹽湖附近的鹽湖站/鹽湖西站地區也曾在2013年～2015年在春融季節前后均發生跳閘事故，嚴重時一晚上跳閘次數多達57次。

雖然復合絕緣子防污性能更佳，但是在紫外線很強的北疆地區極易老化，故該地區大多還是采用瓷絕緣子，絕緣表面經過不斷地刮風積塵、受潮后，就會形成較厚的污穢層。在惡劣氣象條件下(如大霧、毛毛雨、小雨、融雪)，污穢層中的電解質吸收空氣中的水分溶解導電，極易造成污閃。若再遇到沙塵暴天氣和沙塵暴過境之后常伴隨的降水天氣，那么在積污到污閃之間就幾乎沒有時間采取任何防污措施。

為了避免持續干旱期間積污量累積較多，遇惡劣天氣便污閃的情況，建立接觸網絕緣子表面積污簡化模型，計算絕緣子表面累積積污量，分析污穢含鹽量，由此推算出各站點的污閃預警時間來安排除污工作是很有必要的。

2 污穢顆粒積污模型

2.1 污穢顆粒與絕緣子表面碰撞前運動分析

大氣污穢顆粒受氣象因素等影響，主要經歷自由沉降階段、邊界層沉降階段和碰撞吸附階段來附著在絕緣子表面。

在自由沉降階段時，顆粒經過一定的時間在豎直方向上受力平衡，以終點速度開始作勻速運動。豎直方向的終點速度如式(1)所示

(1)

式中，g為重力加速度，9.8 m/s2；dp為污穢顆粒的直徑；ρp為污穢顆粒密度2.32×103kg/m3；μ為動力黏度，取1.8×10-5Pa·s。

在邊界層沉降階段時，各粒徑顆粒在豎直方向的速度幾乎沒有變化，與其在自由沉降階段的終點速度一致。

經上述分析，在碰撞吸附過程之前，顆粒豎直方向的末速度與污穢顆粒粒徑的平方成正比，如圖1所示。

圖1 污穢顆粒豎直末速度隨粒徑變化

2.2 污穢顆粒在絕緣子表面的碰撞吸附過程

入射、碰撞、出射吸附是顆粒在絕緣表面碰撞的必經階段。在第一階段中，顆粒射向絕緣表面的速度為V0，豎直方向的速度Vy0與自由沉降階段的終點速度相同，如圖2所示；在第二階段中，當顆粒在絕緣子表面形變量最大時，Vy1=0，然后顆粒在沿法向朝相反方向運動的同時恢復形變，如圖3所示；第三階段中，顆粒如果能克服水膜產生的吸附力，則完成出射，否則將吸附于絕緣表面，如圖4所示。

顆粒運動過程中，在法向上的受力表達式如下

(2)

圖2 顆粒入射壁面階段

圖3 顆粒碰撞壁面階段

圖4 顆粒出射吸附階段

(3)

(4)

(5)

式中，FW為VanderWaals力；Fc為毛細力；R為顆粒半徑；H為VanderWaals常數，在空氣中的H為H1=10.38×10-20J，在水中的H為H2=1.90×10-20J；a為兩物體表面間距，a=0.25 nm；γ為水的表面張力，γ=72.50×10-3N/m；h為水膜厚度；rk為Kelvin半徑；Vm為室溫下水的摩爾體積，Vm=1.080 4×10-5m3/mol；Kc為標準狀態下的摩爾氣體常數，Kc=8.31 J/(mol·K)；T為華氏溫度；cRH為相對濕度；em為單層水分子在飽和條件下的等效厚度，em=0.14 nm；cB為BET系數，BET系數cB=5。

由式(2)～式(5)可得出，溫、濕度都會影響毛細力和范德華力的大小。因此在考慮吸附條件的同時還需考慮溫、濕度對其的作用。

2.3 污穢顆粒吸附判據

顆粒和絕緣表面接觸過程中的能量損耗主要由碰撞損耗構成。顆粒豎直方向的速度關系見下式[10]

Vy2=eVy0

(6)

(7)

式中，e為恢復系數；σs為屈服極限，σs=200 N/mm2；m為顆粒的質量；V為正碰相對速度，V=Vy0；E=6.40×1011Pa。

若顆粒可以出射，則顆粒在水平方向的速度滿足Vx3=Vx2，可得下式

果蔬運輸系統網絡結構主要由3部分構成，感知網絡、通信網絡(包括移動通信網絡和互聯網Internet)和網管中心，如圖3所示。

(8)

Wa=Fw(amax-amin)+Fc(h-a0)

(9)

式中，Wa為顆粒克服壁面水膜的吸附力所做的功；amax為VanderWaals力的最大值，amax=0.4 nm；amin為VanderWaals力的最小值，amin=0.165 nm；a0為物體的接觸距離，a0=0.1 nm。

由以上分析得出顆粒法向出射速度公式如下

(10)

若顆粒的動能大于克服吸附力所做的功，則顆粒不能出射，然后沿絕緣表面運動，運動距離相較于絕緣子表面盤徑可忽略不計。

如圖5所示，在條件1(濕度20%，溫度0 ℃)和條件2(濕度70%，溫度25 ℃)兩種邊界條件下畫出了各粒徑顆粒克服絕緣子表面吸附力做的功和顆粒動能的曲線關系。在溫度為0～25 ℃、濕度為20%～70%的條件下，可吸附顆粒最大直徑在32～42 μm變化。

圖5 絕緣子表面污穢顆粒的粒徑范圍

2.4 絕緣子表面累積積污量以及灰鹽比

2.4.1 累積積污量

污穢源區的下風向地區積污速率高，短時間內就可在絕緣表面積聚較厚的鹽土層，遇惡劣天氣污閃的可能性極高。由于資源限制，并不能對每個支柱的絕緣子都安裝監測設備，且現在常用的由泄漏電流檢測儀來預防污閃的方法在持續干旱地區并不能有效發揮其作用，因其受干擾較多，且在預警信號發出到現場發生污閃之間沒有足夠的時間對絕緣元件進行清掃。因此，可采用動態積污模型來獲取累計積污濃度值。

式(11)便可積分獲得在持續干旱期間絕緣表面的累積積污量。

(11)

式中，ρSAND為絕緣子在受含鹽沙塵天氣影響下的單位面積內的污穢沉積濃度；C(t，dp)為粒徑為dp的顆粒在t時刻的污穢濃度，可由《沙塵暴天氣監測規范標準》獲得；Vy0(dp)為粒徑為dp的顆粒豎直方向上的沉降速度。

2.4.2 各地區灰鹽比

常用沿海地區的鹽密度較高，取灰鹽比ke為2～3，內陸和高原地區灰鹽比ke為4～10，但由于接觸網絕緣子的安裝高度較低，跨越距離大，沿線所經地區污染源種類多，因此，不能簡單由一個固定的灰鹽比來等值于整個受鹽堿沙塵影響區域的接觸網絕緣子表面污穢成分比例。可通過監測點獲得的降塵量以及降塵含鹽量百分比來插值獲得各站點的灰鹽比，由式(12)算得ρESDD和ρNSDD，使得對各站點的預警信息更為精確。

ρSAND=ρNSDD+ρESDD

(12)

3 污閃預警

絕緣子在遇惡劣天氣時發生污閃的先決條件是絕緣表面累積了足夠的污穢顆粒，IEC標準也劃分了相應的污穢等級。由年度鹽密測量平均值和運行經驗便可獲得污區分布圖，但因蘭新線受艾比湖下風向影響區域氣候情況變化幅度大，在測量期間獲得的數據并不能確切的反映每個時刻的積污變化，因此年度鹽密均值難以反映實際污級，絕緣設備廠家、運行單位常用污區分布圖來制定爬電比距，且現階段對氣象條件和地理因素的系統分析較少，因此在鹽堿沙塵地區內僅通過污區分布圖來確保接觸網的安全穩定運行是遠遠不夠的。

由于大多數污閃發生在旱期后出現的大霧、毛毛雨等惡劣天氣下，且此種天氣的來臨時間均可準確預測。故可通過本文提出的持續干旱期間的污穢顆粒累積積污量和不同站點的降塵含鹽量來計算出各時段的耐壓值來進行預警。以XP-160為例，前人由大量的人工污穢實驗得出此型號單片絕緣子污閃電壓公式為[11]

(13)

由持續干旱期間內絕緣子表面的累積積污量以及各地區的灰鹽比計算出當前時間絕緣子的耐壓值，當計算值高于絕緣元件設計的耐壓值的10%時，開始預警。預警發出之后，可關注氣象預報信息，在惡劣天氣預報時間到臨之前，合理安排天窗時間，采取防污閃措施。

4 算例分析

以艾比湖為例，將其東南路經風向所影響的區域做為研究對象，分析鹽堿沙塵天氣下接觸網絕緣子絕緣性能的受影響程度。

由沿途距被影響區域較近的9個氣象臺收集的氣象信息，插值得到受鹽堿沙塵天氣影響的蘭新線沿途鐵路站點的氣象條件。表1為具有代表性的幾個時段數據，可看出天氣現象并不與距污染源區的距離成正比，與氣象信息和地表條件相關，具有隨機性。

表1 各氣象臺發布的能見度信息 m

由小時溫濕度以及能見度確定的最大可附著顆粒直徑，以及《沙塵暴天氣監測規范標準》中的對應關系，可獲得污穢顆粒在空氣中的濃度值，見表2。由于強沙塵暴和特強沙塵暴發生次數極少，且對接觸網的影響以對輸電線路的風力破壞為主，本文不做分析。

表3列出了艾比湖下風向4個不同監測點的粒徑分布，由于各地含鹽沙塵粒徑分布含量相差不大，可取平均值。

表2 沙塵天氣等級對應關系

表3 粒徑分布百分數 %

由表3數據擬合出顆粒粒徑分布函數，如圖6所示，粒徑小于10 μm的顆粒占38%，但其在豎直方向上的速率增幅卻不大，保持在0.01 m/s以下(圖1)，相較于豎直速度為0.1 m/s，直徑為40 μm的顆粒而言，粒徑小于10 μm的顆粒含量高，且在單位時間內的沉積通量小。若不區分各粒徑污穢顆粒的含量，將各粒徑的百分比均分，則得到的累積污穢量定會大幅度增加。

圖6 污穢顆粒粒徑累計分布

由式(11)算得精河站與博樂站從2011年2月28日到3月14日15天的累積污穢量，如圖7所示。期間無降水，濕度保持在20%～70%，符合絕緣子表面累積積污但不發生污閃的條件。

圖7 站點累積積污濃度

相較得出，雖精河站和博樂站在此期間各小時能見度與溫濕度相差較大，但以日累積量來計，兩站積污量濃度相差不大，精河伊里生站累積積污濃度卻相差很大，可以解釋為精河站雖然距污穢源區比博樂站遠，但是其周圍有露天鹽場、次生鹽堿地等附加供塵區，因此在總體積污量上高于距源區較近的博樂站。伊里生站離源區較遠，且周邊附加供塵區相對較少，所以與精河站累積積污量相差較大。

由下風向監測點的大氣降塵含鹽量插值得出所需站點的含鹽百分比。由圖8可看出，此方法可以精確到每個支柱所對應的含鹽量信息，可更為精確地定位預警元件。

圖8 各經緯度降塵含鹽量

插值得出各鐵路站臺地區的降塵含鹽量，見圖9，含鹽量相差較大，與艾比湖干涸鹽漠相關，也取決于站臺周邊的附加供塵區，還取決于氣象條件，本文降塵含鹽量以月降塵量來等值日值數據。

圖9 由監測點數據插值得到各站點含鹽量

本文以XP-160為例，由各站臺的降塵含鹽量將ρSAND分為ρESDD和ρNSDD，由式(13)計算得出單片絕緣子的污閃電壓，見表4。3個站臺都處于e級污穢等級，則由IEC60815的標準可得此時的USCD值需在55以上，按60計算，XP-160的單片耐壓值為5.1 kV。設高于耐壓值10%為預警值，將在預測值為5.61 kV時預警。精河站累積積污導致耐受電壓達到5.61 kV的時刻為3月11日23時，而博樂站在受鹽堿沙塵氣候影響且持續無降水的15 d內，雖然單位面積的降塵量與精河站相近，卻因灰鹽比的差異沒有達到污閃的預警值，與3月14日有降水導致精河站在凌晨4時發生污閃而博樂站沒有發生污閃的事故相吻合[12]。

表4 污閃電壓預測值

由以上分析可知，本文的方法是有效可行的。既可以利用易獲得的氣象站數據來建立污閃預警系統，減少資源輸出，又可以充分考慮氣候的大幅度變化和地域環境的差異對絕緣表面積污的影響，能更加適用于鹽堿沙塵地區的污閃預警系統。

5 結論

(1)在含鹽沙塵天氣頻發的地區，積污速率高，可根據實時氣象信息和各地區的降塵含鹽量，通過絕緣表面污穢沉降簡化模型來獲取各站點的動態積污數值，解決了干旱地區測量設備誤差大且耗費高的缺點。

(2)依據各站點的動態積污數值，可通過各型號絕緣子污穢實驗得出的污閃電壓公式，來獲得在各時刻積污條件下是否能達到絕緣子的耐壓值，發出預警信息，同時對絕緣元件的調爬提供了計算依據。

(3)預警發出之后，可關注氣象預報信息，合理安排天窗時間，采取防污閃措施。利用現有資源，實現從計劃除污到狀態除污的轉化，減少人力物力的輸出。

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