霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響的研究進(jìn)展

郝敬亮，趙天良，高嵩，李杰，王詠薇

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

·環(huán)境預(yù)警·

霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響的研究進(jìn)展

郝敬亮1，趙天良1，高嵩2，李杰2，王詠薇1

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

為了研究霾污染對(duì)電力安全的影響，綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響的研究進(jìn)展，總結(jié)了影響輸變電設(shè)備外絕緣的霾天氣指標(biāo)，霾對(duì)外絕緣運(yùn)行狀態(tài)的危害和絕緣子沉積吸附的研究。展望了大氣顆粒物在絕緣子沉積的外場(chǎng)綜合觀測(cè)，霾顆粒沉積物的實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)分析以及沉降過(guò)程的數(shù)值模型等亟待解決的問(wèn)題。

霾；輸變電設(shè)備；外絕緣；氣溶膠沉積

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，近幾年引發(fā)了大氣顆粒物污染的大氣環(huán)境問(wèn)題，其主要集中發(fā)生在京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角區(qū)域。作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，這些區(qū)域也是我國(guó)電力能源主要消耗地區(qū)。我國(guó)大氣環(huán)境污染已由傳統(tǒng)的煤煙型污染轉(zhuǎn)向以PM2.5和污染氣體(O3、SO2、NOx)形成的復(fù)合型污染，而大氣環(huán)境中PM2.5和PM10等顆粒物濃度的增加是引起霾污染的主要原因。霾污染不僅危害人體健康，還導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，進(jìn)而影響交通、城市景觀和人民生活。

輸電線路絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中，受人為排放物以及自然揚(yáng)塵等環(huán)境因素的影響，會(huì)減弱輸電的效率以及發(fā)生污閃事故，而霾多發(fā)地區(qū)大多與輸電走廊或用電高負(fù)荷密度地區(qū)重合[ 1 ]。霾污染過(guò)程中顆粒物沉降的積污對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣造成影響，有可能誘發(fā)并加劇這一過(guò)程，其加劇作用與霾污染特征存在密切關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示，2013年12月上旬，全國(guó)中東部地區(qū)20個(gè)省份共104個(gè)城市空氣質(zhì)量達(dá)到了重霾污染[ 2-6 ]，直接導(dǎo)致京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)的城市發(fā)生變電設(shè)備污閃而出現(xiàn)故障。

現(xiàn)針對(duì)霾對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響的研究，綜述了霧霾影響指標(biāo)、影響危害和沉積吸附幾個(gè)方面，并指出目前面臨的問(wèn)題和研究展望。

1 主要研究進(jìn)展

1.1 影響外絕緣的霾污染主要指標(biāo)

近幾年來(lái)，霾污染事件頻發(fā)，環(huán)境氣象的影響因素得到密切關(guān)注[ 7-10 ]，然而一些霾的特征參數(shù)，如能見(jiàn)度、PM2.5質(zhì)量濃度、溫度、pH值等與輸變電設(shè)備外絕緣積污特性相關(guān)性小，霾天氣條件下的外絕緣積污的評(píng)估需要考慮其他合適的指標(biāo)。我國(guó)不同地區(qū)在工業(yè)密集區(qū)形成的霾中主要陰離子為SO42-和NO3-，主要陽(yáng)離子為NH4+和Ca2+[ 11 ]。在研究大氣環(huán)境對(duì)高壓絕緣的影響時(shí)，表征霧臟污程度的參數(shù)應(yīng)使用霧水電導(dǎo)率?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬試驗(yàn)都證實(shí)，在霾污染的持續(xù)作用下，絕緣子表面污穢度(積污程度)逐漸增大。根據(jù)以上結(jié)果，當(dāng)分析霾對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣造成影響時(shí)，霧水電導(dǎo)率及其作用時(shí)間應(yīng)作為一個(gè)關(guān)鍵因素，其作用結(jié)果將導(dǎo)致絕緣子表面污穢度的增長(zhǎng)以及絕緣子表面電導(dǎo)率的升高，這兩個(gè)指標(biāo)直接決定了霾對(duì)絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響程度[ 12-15 ]。

霾污染中大氣顆粒物在絕緣子表面沉積也會(huì)直接造成積污。不同污染排放源產(chǎn)生的顆粒物在絕緣子表面上的沉積量與其粒徑有一定關(guān)系，粒徑大的工業(yè)顆粒物會(huì)更多地沉積在絕緣子上表面[ 16 ]?？梢酝ㄟ^(guò)一些特征粒徑來(lái)直接了解和比較顆粒物的沉積特點(diǎn)和差異。對(duì)于沉積在絕緣子表面的顆粒物，以及以TSP和降塵方式存在于大氣中的顆粒物，都可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到它們的特征粒徑[ 17-18 ]。在自然揚(yáng)塵，燃煤、鋼鐵、石化、水泥等各類工業(yè)污染排放和農(nóng)業(yè)地區(qū)焚燒秸稈過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量不同粒徑的大氣顆粒物。在嚴(yán)重霾污染環(huán)境中，高導(dǎo)電率霧與不同排放源類型的顆粒物相結(jié)合，通過(guò)自然和靜電作用力吸附、沉積在絕緣子表面，由此引起的絕緣子積污量增加、表面電導(dǎo)率變化會(huì)使絕緣子的污閃電壓出現(xiàn)不同程度的下降[ 11,19-20 ]。

1.2 霾對(duì)外絕緣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響

霾對(duì)輸變電設(shè)備絕緣子的沿面放電特性有很大影響，容易導(dǎo)致絕緣子發(fā)生污閃。對(duì)于霾污染環(huán)境中輸變電設(shè)備外絕緣的污閃特性，國(guó)內(nèi)外開展過(guò)一些初步研究和機(jī)理研究。一般情況下，污閃事件在霾初發(fā)期不會(huì)出現(xiàn)，但持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的霾天氣則不然[ 20 ]。霾天氣下，空氣中攜帶大量粉塵等懸浮顆粒，累積在大氣邊界層內(nèi)無(wú)法擴(kuò)散，極容易導(dǎo)致絕緣子表面快速積污；并且大氣濕度普遍較高，不利于污層獲得優(yōu)良的憎水性能[ 21-22 ]。此外，空氣污染物還會(huì)降低復(fù)合絕緣子污閃電壓[ 11,19-20 ]，加速硅橡膠復(fù)合材料的老化。其具體表現(xiàn)為：(1) 霾增大傘裙之間氣隙發(fā)生擊穿的概率[ 23 ]。霾發(fā)生時(shí)，大氣中懸浮大量顆粒物，如PM2.5、PM10等，這些微粒子會(huì)對(duì)傘裙之間氣隙的電場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響，使得電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，使得空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大幅度降低，增大了傘群氣隙擊穿的可能性，降低閃絡(luò)電壓；(2) 霾產(chǎn)生的污穢物會(huì)加速硅橡膠材料的老化[ 23 ]。霾污染物中含有的酸、堿性污穢物通過(guò)濕沉降附著于硅橡膠表面，會(huì)產(chǎn)生一定的化學(xué)腐蝕作用，破壞硅橡膠的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硅橡膠傘裙表面松動(dòng)、陷阱密度增大，加速老化，降低其使用壽命。

1.3 霾顆粒物在絕緣子沉積吸附過(guò)程的研究

霾對(duì)絕緣子的影響還主要體現(xiàn)在以下兩方面：(1)各種霾污染微粒會(huì)使絕緣子表面的積污量增加[ 20 ]；(2)霾引起絕緣子表面潮濕會(huì)增大泄漏電流，降低閃絡(luò)電壓[ 11,19-20 ]。其中，絕緣子表面的積污量增加與顆粒物在絕緣子表面的沉積吸附特性密切相關(guān)[ 17-18 ]，可分為3個(gè)步驟：(1)污穢顆粒從空氣中自由沉降到絕緣子表面的邊界層；(2)污穢顆粒從進(jìn)入邊界層到碰撞絕緣子表面；(3)污穢顆粒從碰撞絕緣子表面到吸附在絕緣子表面，此步驟決定顆粒物能否附著在絕緣子表面上。

背著母親，我偷偷到父親出事的現(xiàn)場(chǎng)去了幾次，每次都待上很長(zhǎng)的時(shí)間。父親在我心中的無(wú)名英雄形象，變成了一個(gè)用白色漆線勾勒在柏油路面上的空白輪廓，肢體雖然扭曲，但是依然完整。南來(lái)北往的車輛不斷地從父親的輪廓上壓輾而過(guò)，每壓一回，關(guān)于父親的生前種種便更加清晰起來(lái)。父親依舊活在我的心中，依然繼續(xù)為我增添新的記憶，只是不再與我分擔(dān)新的悲傷。蹲在父親的身旁時(shí)，我不止一次地想起那個(gè)在夜市口賣蒸餃的老人。有時(shí)，我甚至有一個(gè)沖動(dòng)，想要把父親的死訊告訴他；我知道這一切都與他無(wú)干，我只是想看看他聽到我的述說(shuō)之后，在一陣陣的白色蒸汽包圍下，依舊兩眼茫茫，仿佛世事原本并無(wú)可喜，亦無(wú)甚可悲的模樣。

上述對(duì)絕緣子沉積吸附過(guò)程的理解依然是針對(duì)較為理想的大氣環(huán)境，全面地理解霾污染物在絕緣子上的沉積吸附過(guò)程，將有利于霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響的環(huán)境氣象外場(chǎng)監(jiān)測(cè)，尤其是絕緣子表面的邊界層及其變化影響因子的綜合觀測(cè)。

1.3.1 綜合構(gòu)建人工霾污染環(huán)境和自然積污試驗(yàn)

綜合構(gòu)建人工霾污染環(huán)境和自然積污實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用等值鹽密、等值灰密、積污量測(cè)定及原子力顯微鏡(AFM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡-能譜分析(FSEM- EDX)、光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、空氣顆粒物粒度譜儀等測(cè)試手段，選取代表性絕緣子，研究分析顆粒物與絕緣子表面的相互作用力、顆粒物由氣相主體向絕緣子表面的遷移運(yùn)動(dòng)及其在絕緣子表面的吸附沉積過(guò)程。有研究表明，不同大氣懸浮顆粒物在不同絕緣材料(硅橡膠、瓷和鋼化玻璃)表面以及材料表面帶有不同荷電的情況下，絕緣子的積污效果不一樣[ 24-25 ]。

1.3.2 霾污染物在絕緣子表面快速沉積的數(shù)值模擬

在大氣環(huán)境條件下，絕緣子積污過(guò)程受到眾多因素的影響，如天氣條件(空氣濕度、溫度、風(fēng)向與風(fēng)速、降雨)[ 26-27 ]，顆粒物成分及絕緣子所在地域粉塵種類、大小、濃度、黏度等[ 28-29 ]，絕緣子表面形狀(不同種類絕緣子幾何形狀、凹凸面、迎風(fēng)面、正反面等)[ 30-31 ]。如果完全依靠實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行積污規(guī)律的研究，難以完成大量不同條件的綜合影響實(shí)驗(yàn)，也難以深入研究和揭示絕緣子表面積污機(jī)理。因此在開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地研究和實(shí)驗(yàn)室研究的同時(shí)，平行開展絕緣子在大氣環(huán)境條件下積污過(guò)程的數(shù)值模擬研究[ 32-34 ]，其中包括積污過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立與求解，利用計(jì)算模擬對(duì)不同條件下絕緣子積污過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行研究與分析，深入地揭示絕緣子的積污規(guī)律，使之成為研究、分析絕緣子表面積污過(guò)程和預(yù)報(bào)絕緣子積污狀況的有效工具。

國(guó)外也在嘗試著建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?AMICO)來(lái)預(yù)報(bào)絕緣子積污[ 35 ]，ILCMS系統(tǒng)可測(cè)量絕緣子的泄漏電流[ 36 ]。AMICO和ILCMS系統(tǒng)一起使用，配合測(cè)量氣象因素得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果對(duì)比，最終得到選樣地點(diǎn)的絕緣子積污規(guī)律。為了檢測(cè)所有地域的絕緣子積污狀況，用有限的積污規(guī)律嘗試研究建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

當(dāng)前，主流的第三代空氣質(zhì)量模式考慮了大氣動(dòng)力學(xué)與大氣化學(xué)間的雙向耦合，實(shí)現(xiàn)了多種污染物、多尺度的大氣污染模擬預(yù)報(bào)[ 37-39 ]。在現(xiàn)代三維空氣質(zhì)量模式中引入霾顆粒在絕緣子表面的沉積過(guò)程的參數(shù)化方案，更真實(shí)合理地模擬霾污染物在絕緣子表面的沉積變化，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性且對(duì)能源安全具有極大應(yīng)用價(jià)值的研究。

霾污染顆粒物在空氣中混合的過(guò)程，一部分受重力作用沉降到輸變電設(shè)備外絕緣設(shè)備上；還有一部分帶電粒子受到輸變電設(shè)備靜電場(chǎng)的吸引力而沉降到外絕緣設(shè)備上，這部分帶電粒子也是影響外絕緣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要因素，很大程度上影響了輸變電設(shè)備的污閃和損壞以及電磁波傳播[ 40 ]。目前，大氣顆粒物物理化學(xué)特性研究主要集中在其云凝結(jié)核(冰核)活化性，散射和吸收光學(xué)特性及危害人體健康的化學(xué)特性。此外，考慮大氣污染物危及電網(wǎng)安全，大氣顆粒物電學(xué)特性的研究也已起步。

自然和人為的因素可以改變大氣顆粒物的電性，比如空間里的宇宙射線、來(lái)自空氣和地表輻射性物質(zhì)的輻射、閃電、電磁輻射、高溫放電和顆粒物間碰撞[ 41 ]，研究發(fā)現(xiàn)顆粒物的極性依賴于粒子粒徑分布，大粒子比小粒子更容易帶電[ 42 ]，有實(shí)驗(yàn)用過(guò)濾介質(zhì)測(cè)量PM2.5的帶電量[ 43 ]。當(dāng)大氣顆粒物帶有電性時(shí)，粒子間的相互作用和粒子表面化學(xué)反應(yīng)都會(huì)被影響，因此改變了凝聚、黏附、穩(wěn)定性這些物理屬性[ 41-42 ]。根據(jù)大氣顆粒物在風(fēng)沙通量方面的研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物的靜電力與重力相比后已經(jīng)不可忽略，靜電力明顯地改變著顆粒物的運(yùn)送[ 42 ]。粒子的荷質(zhì)比是一個(gè)描述帶電顆粒物屬性的重要參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)粒子的荷質(zhì)比隨著高度呈指數(shù)性增長(zhǎng)，荷質(zhì)比由粒子碰撞數(shù)量、碰撞速度和直徑?jīng)Q定[ 40 ]。

2 問(wèn)題與展望

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于絕緣子在常規(guī)天氣條件下積污及污閃特性的研究，大多關(guān)注傳統(tǒng)氣象條件、環(huán)境參數(shù)和絕緣子外形對(duì)積污特性的影響[ 44-46 ]，絕緣子在霾污染條件下的沉積吸附特性及其數(shù)值模型建立和模擬依然是大氣環(huán)境影響評(píng)估研究的難題?；谖覈?guó)中東部霾污染的大氣環(huán)境研究現(xiàn)狀，針對(duì)霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響，亟待從以下3個(gè)方面開展研究。

2.1 完善影響輸變電設(shè)備外絕緣的霾污染環(huán)境氣象綜合外場(chǎng)觀測(cè)

由于缺少系統(tǒng)的絕緣子積污觀測(cè)，導(dǎo)致防污閃領(lǐng)域現(xiàn)有研究成果難以定量表征霾污染特征參數(shù)與積污增長(zhǎng)的關(guān)系，從而限制了霾影響下的輸變電設(shè)備外絕緣性能評(píng)估方法的深入研究和應(yīng)用。霾污染的形成需要考慮大氣氣溶膠及其前體物的排放、氣粒轉(zhuǎn)化過(guò)程、氣溶膠的輸送、沉降等物理化學(xué)過(guò)程以及水汽的影響，因而需要在輸電線路沿路關(guān)鍵區(qū)域的霧霾污染中，對(duì)大氣污染化學(xué)成分、大氣顆粒物物理性質(zhì)、電學(xué)和光學(xué)特征、氣象參數(shù)等進(jìn)行綜合立體監(jiān)測(cè)，進(jìn)而為霾污染對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣影響機(jī)理和電力行業(yè)霾天氣預(yù)測(cè)預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 加強(qiáng)危及電網(wǎng)安全污染物大氣化學(xué)組分及電學(xué)特征的實(shí)驗(yàn)分析

在線與離線顆粒物和氣體分析技術(shù)能夠確定典型霾污染事件中危及電網(wǎng)設(shè)備安全的顆粒污染物(如酸性氣溶膠)與污染氣體(如SO2和NOx)的生消過(guò)程及其時(shí)空變化規(guī)律。并利用同位素和分子標(biāo)志物示蹤技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)模型源解析方法解析不同污染物來(lái)源[ 47-48 ]及大氣細(xì)顆粒物和污染氣體的時(shí)空演變特征[ 49-50 ]。加深對(duì)霾污染物對(duì)絕緣材料影響與絕緣材料種類的研究，制定針對(duì)霾的材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用更有利于抵抗霾負(fù)面影響的絕緣材料。

2.3 發(fā)展針對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣子的大氣污染物干濕沉降模型

以大氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于對(duì)大氣物理和化學(xué)過(guò)程的理解，建立大氣污染物的排放、干濕沉降、化學(xué)轉(zhuǎn)換和動(dòng)力輸送擴(kuò)散數(shù)值模型[ 51 ]，借助計(jì)算機(jī)來(lái)模擬大氣污染物動(dòng)態(tài)分布變化。由于數(shù)值模式的優(yōu)越性，這一空氣質(zhì)量模式研發(fā)取得一系列顯著進(jìn)展[ 52-61 ]。但其中的干濕沉降模型主要針對(duì)自然的下墊面，沒(méi)有考慮輸變電設(shè)備的大氣污染物沉降過(guò)程，限制了外絕緣子積污特性的模擬能力?；诖髿馕廴疚锏南到y(tǒng)外場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)分析，建立考慮了輸變電設(shè)備靜電吸附作用、污染物電學(xué)特性和大氣濕度變化的大氣顆粒物沉降參數(shù)化，發(fā)展針對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣子的大氣污染物干濕沉降模型，將會(huì)改善空氣質(zhì)量模式對(duì)外絕緣子積污模擬預(yù)測(cè)能力，極大地提升針對(duì)電網(wǎng)設(shè)備安全的霾污染預(yù)警預(yù)報(bào)水平。

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Research Progress on the Effects of Haze Pollution on Power Transmission Equipment External Insulation

HAO Jing- liang1, ZHAO Tian- liang1, GAO Song2, LI Jie2, WANG Yong- wei1

( 1. Key Laboratory for Aerosol- Cloud- Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China; 2. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing, Jiangsu 211103, China)

Haze pollution mostly happens in the areas where demand a lot of electricity energy in China. The impact of haze on electric power security is an important issue on the harm of air pollution on the social economy. This paper reviewed the research process about effects of haze on power transmission equipment insulation. It focused on the summary of the index of haze’s effect on power transmission equipment external insulation, the harm on the external insulation and the study of deposition and adsorption on external insulation. It is pointed out that the comprehensive field observation of deposition of atmospheric particles on external insulation, the laboratory analysis of physical and chemical properties of sediments and numerical model development of deposition process are the urgent problems for future research.

Haze; Power transmission equipment; Insulation；Aerosol depositions

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.04.002

2016-11-28；

2017-01-09

郝敬亮(1994—)，男，本科，從事大氣物理研究工作。

X51；TM721.1

A

1674- 6732(2017)04-0005-05