應用大氣塵埃分布預測絕緣子表面積污的影響

，

(1. 國家電網(wǎng)有限公司 直流建設分公司，北京 100052； 2. 國網(wǎng)湖南省電力公司 株洲供電分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量的增大以及輸電線路電壓等級的提升，經(jīng)濟的快速發(fā)展，污染日趨嚴重，雖然多種防污措施已被采用，但絕緣子污閃事故仍時有發(fā)生，嚴重威脅電力系統(tǒng)的可靠運行[1-5]。現(xiàn)有的污區(qū)分布圖是根據(jù)平均年度最大鹽密和運行經(jīng)驗劃分的，在城市污染、工業(yè)污染和汽車尾氣排放量增長過快的區(qū)域，實際污穢等級比現(xiàn)有污區(qū)測量平均年度最大鹽密值高很多[6-8]。因此，根據(jù)污區(qū)分布圖設計選擇絕緣子時，容易導致絕緣配置不足而發(fā)生污穢閃絡事故。同時，在污閃事故分析報告中，事故所在區(qū)域都具有空氣環(huán)境質量差特點。根據(jù)湖南、湖北等地的氣象部門監(jiān)測的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在污閃發(fā)生時段空氣質量指數(shù)(AQI)均出現(xiàn)了極值。從每年絕緣子污閃發(fā)生的時間來看，污閃的發(fā)生有一定的季節(jié)性。經(jīng)統(tǒng)計，92%的污閃事故發(fā)生在雨季來臨之前(冬末春初)[9-11]。

從污區(qū)分布圖劃分依據(jù)來看，氣候因素(降雨情況與旱季天數(shù))是造成平均年度最大污穢量波動改變的重要原因。通常，絕緣子表面在長期積污過程中，通過積污(冬季)—清洗(雨季)—再累積(冬季)—再清洗(雨季)等往復循環(huán)周期，污穢表面不斷增長和不斷清楚，久而久之絕緣子表面污穢狀態(tài)將會達到動態(tài)平衡狀態(tài)[12]。國內(nèi)研究表明：通過對各地絕緣子表面年度最大鹽密或飽和鹽密的測量和分析，提出一種基于概率統(tǒng)計與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的絕緣子鹽密預測方法，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立絕緣子鹽密預測模型[13-15]；國外學者通過統(tǒng)計方法和大量歷史數(shù)據(jù)分析了20個歐洲典型地區(qū)的絕緣子表面污穢度，討論了污區(qū)絕緣子配合的標準并設計和優(yōu)化污穢地區(qū)的絕緣子。也有學者考慮全年大氣污染物和絕緣子幾何參數(shù)對絕緣子表面污穢度進行預測，利用計算流體力學對絕緣子的積污特性進行了研究[16]。文獻[17]建立了顆粒碰撞系數(shù)與粒徑和風速的對應關系，利用計算流體力學得到了影響絕緣子表明污穢度的主要參數(shù)，從而預測絕緣子表面最大污穢度。以上研究都是根據(jù)現(xiàn)有年度最大鹽密和飽和鹽密進行分析，而全年的最大污穢度無法從測量數(shù)據(jù)中真實反映每個階段的積污速率，即一年內(nèi)的動態(tài)積污過程，基于年度最大污穢度測量的現(xiàn)有防污體系就難以提出污閃預警。

筆者通過現(xiàn)已運行輸電線路所在區(qū)域的每月平均最大污穢量數(shù)據(jù)和當?shù)貧庀笠蛩?主要為降雨天數(shù))，預測未來一個月或者一年內(nèi)每月的污穢變化趨勢，然后再通過當?shù)氐目諝赓|量(大氣污穢顆粒物濃度、質量粒徑分布)與絕緣子表面污穢度之間的相關性分析，進一步預測絕緣子表面污穢度。從而對現(xiàn)有污區(qū)分布具有一定參考補充作用。

1 沉降污穢顆粒的粒度分布特征

由于污穢顆粒的形狀復雜多變，有球形、橢圓形、針狀、雪花狀等甚至不規(guī)則的顆粒。因此污穢顆粒的大小需要結合空氣質量參數(shù)，統(tǒng)計污穢顆粒粒徑分布，從而將其進行等效處理。在污穢研究中，單個污穢顆粒的實際形狀并不重要，重要的是污穢顆粒在絕緣子表面沉降的微粒群統(tǒng)計特性。因此，為了研究方便，當一個顆粒的物理特性與球體顆粒相同或者相近時，就用該球體的直徑表示顆粒粒徑。根據(jù)不同的測量方法，污穢顆粒的等效粒徑可以分為幾種：等效體積直徑、等效斯托克斯直徑、等效電阻直徑和等效投影面積直徑等。在沉降顆粒研究中，主要研究動態(tài)變化的空氣污穢顆粒的濃度、粒徑的分布、密度、形狀、吸附特性等空氣污染參數(shù)。

顆粒物的粒徑分布特點直接反映了自然積污過程中大氣污穢顆粒的統(tǒng)計特征。在大氣顆粒物研究中一般按照顆粒物的粒徑大小對顆粒物進行物理分類，PM2.5代表空氣動力學直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，而PM10代表空氣動力學直徑小于等于10 μm的顆粒物，TSP代表粒徑小于100 μm的污穢顆粒，即總懸浮顆粒。湖南省平均每月大氣質量濃度見圖1。

圖1 湖南省平均每月大氣質量濃度Fig.1 The average of atmospheric concentration of quality for every month in Hunan province

由圖1可知，2015年湖南省平均每月大氣污染指數(shù)在輕度污染以上的月份約占總月數(shù)的30%，大氣污染具有明顯的季節(jié)性差異，呈現(xiàn)出明顯的秋冬季高，夏季較低的季節(jié)變化特征。通常在10-12月和次年1月出現(xiàn)高值，7-9月濃度較低。原因可能是城區(qū)秋、冬季干燥，顆粒污染物難以擴散，而春、夏季雨水較多對顆粒物起到了沖刷清除作用。

選取湖南省株洲市為代表的檢測點，在2015年7月-2015年9月的夏季階段和2015年11月-2016年1月冬季階段，兩個階段連續(xù)監(jiān)測大氣環(huán)境中污穢顆粒濃度。根據(jù)測試地區(qū)大氣環(huán)境空氣質量檢測得到沉降粒徑分布特征，大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析表明粒度分布是隨意的，但這種分布近似地符合某種規(guī)律，為了更好地反映出粒徑細小的特征，因而采用質量分布表示各級顆粒粒徑的分布情況。主要分析測試地區(qū)中PM2.5；PM10；10～15 μm及總懸浮微粒(TSP)粒徑小于100 μm的顆粒物累積概率。

測試地區(qū)周圍主要污染源有公路、鐵路、建筑工地、工業(yè)污染、交通運輸污染等。見圖2，大氣中的主要污染物為可吸入顆粒物(PM10)。污穢顆粒粒徑主要分布在25 μm以下，其中有85%的污穢顆粒粒徑小于15 μm，所以在污穢研究中，僅需要研究顆粒范圍在0～50 μm之間。

圖2 污穢顆粒的粒徑分布Fig.2 The distribution of particles size

通過空氣污穢顆粒指數(shù)標準表征絕緣子表面積污主要污穢顆粒粒徑大小。因此，確定大氣中主要污穢顆粒分布情況對預測絕緣子表面積污特性尤為重要。

2 預測方法

2.1 預測污穢累積方法

從統(tǒng)計角度可看出，絕緣子平均每月最大積污量和雨季階段絕緣子自清洗能力均可認為是常數(shù)。如平均每月最大污穢度(通常是指每年積污期階段而未受到雨水沖洗所測得的月度最大污穢度的平均值)用Si表示，則根據(jù)雨季后絕緣子表面剩余污穢度為C·Si(C為反映絕緣子表面的清洗能力系數(shù))。

旱季積污階段的污穢度表示為

(1)

式中：Si為積污階段每月最大污穢度(10月至次年2月，i=1～5)；τ積污時間常數(shù)，表征積污速率；K1為常量。

雨季階段的污穢度可以表示為

(2)

式中：C反應了降雨強度和沖刷系數(shù)對絕緣子表面的影響；t為雨季階段(3月-9月)降雨天數(shù)；K2為常量，與絕緣子結構、其他環(huán)境相關的系數(shù)。

絕緣子表面污穢量主要通過在旱季累積，雨季沖刷兩個過程。本文從測試地點獲取為期5年的近千個污穢數(shù)據(jù)和測試桿塔所在區(qū)域的氣象條件。將前四年的污穢數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計計算，從而分析測量等值鹽密、擬合污穢度與采樣間隔時間得到污穢度隨時間的變化曲線，并經(jīng)過2015年同一地區(qū)輸電線路現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗。

2.2 大氣環(huán)境質量指數(shù)的確定

同時，降水也對顆粒物具有沖刷作用，能有效降低顆粒物濃度。尤其是連續(xù)降水對大氣顆粒物的去除效果明顯。顆粒物組分不同，通過降水從大氣中去除受到多種因素影響，包括不同組分的化學性質、降雨類型、顆粒物粒徑、降水強度、降水量、雨滴大小等。連續(xù)性的長時間降水對SO2質量濃度、NO2質量濃度、可吸入顆粒物(PM10)質量濃度的降低效果更明顯。春夏季節(jié)的降水對大氣空氣質量濃度的沖刷作用也更顯著。

通過污穢顆粒粒徑大小和絕緣子表面污穢成分分析[20-21]，空氣中污穢顆粒物質量主要集中于PM10，其主要化學成分為可溶性成分(大多數(shù)為無機離子)。大氣環(huán)境質量參數(shù)包括SO2質量濃度C[SO2]、NO2質量濃度C[NO2]、PM10質量濃度C[PM10]。根據(jù)大量電網(wǎng)污區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)，得到了描述電網(wǎng)污區(qū)污閃特征的大氣質量指數(shù)P經(jīng)驗公式：

(3)

式中：P為電網(wǎng)污區(qū)的大氣質量指數(shù)，C為各環(huán)境質量參數(shù)，B為污穢物標準質量濃度限值，根據(jù)國家標準GB 3095—2006《環(huán)境空氣質量標準》中的規(guī)定B[SO2]、B[NO2]和B[PM10]分別為0.06 mg/m3、0.04 mg/m3和0.07 mg/m3。x是當?shù)卮髿猸h(huán)境質量指數(shù)中，3種因素對電網(wǎng)污區(qū)污閃特征影響程度較大的因素。根據(jù)所選輸電線路模擬絕緣子測試點，分析2條500 kV輸電線路在株洲地區(qū)的空氣質量指數(shù)，結合P指數(shù)關系，得到各個地區(qū)預測值與實測線路絕緣子鹽密度之間的相關關系。

3 預測結果與分析

3.1 株洲地區(qū)污穢累積趨勢預測

筆者在株洲地區(qū)選取了2條主要500kV輸電線路上100個絕緣子檢測點，在2011年至2015年每月28號獲取每個監(jiān)測點上的絕緣子表面污穢度，從而得到同一測試點上每月ESDD/NSDD值。將2011年—2014年每月的污穢數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計計算，從而分析測量等值鹽密、擬合污穢度與公式(1-2)得到污穢度隨時間的變化曲線，并經(jīng)過2015年同一輸電線路絕緣子現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢驗，見圖3和圖4。

(a)鹽密

(b)灰密圖3 2015年鶴云線預測曲線與實測曲線相關性Fig.3 The correlation of He-Yun predicted data and actual data in 2015

(a)鹽密

(b)灰密圖4 2015年星云線預測曲線與實測曲線相關性Fig.4 The correlation of Xing-Yun predicted data and actual data in 2015

由圖3和圖4可知，根據(jù)全年積污期和降雨清洗期兩個階段的污穢預測公式得到每月預測數(shù)據(jù)，與2015年實測數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)：預測值和實測值全年整體趨勢一致，鹽密值和灰密值均在2月份達到最大值，在9月或者10月達到最小值。兩者之間的決定系數(shù)R2均大于0.9。因此，通過現(xiàn)已運行輸電線路所在區(qū)域的歷史平均最大污穢量數(shù)據(jù)和當?shù)貧庀笠蛩?主要為降雨天數(shù))，可以預測未來一個月或者一年內(nèi)每月的污穢變化趨勢。為電力部門對絕緣子測量和清掃提供了工程指導。

3.2 氣象參數(shù)對絕緣子積污預測

株洲地區(qū)是湖南人口密度大、工業(yè)多的兩大城市，同時也是湖南省主要負荷中心，因此其大氣質量指數(shù)往往高于其他地區(qū)，空氣質量較為嚴重，以下是株洲監(jiān)測點所得到的2015年大氣質量指數(shù)濃度，見圖5。

圖5 株洲地區(qū)每月各空氣參數(shù)平均質量濃度和降雨量Fig.5 Average air quality index and rainfall for each month in Zhuzhou

根據(jù)株洲大氣環(huán)境質量3個參數(shù)分析，可吸入顆粒(PM10)指數(shù)濃度在2月份達到了0.1396mg/m3超過了國家2級標準，其他大氣環(huán)境指數(shù)也是全年最大值，該地區(qū)在2月空氣指數(shù)達到了重度污染。株洲地區(qū)每月SO2質量濃度C[SO2]均大于0.020 mg/m3，該地區(qū)工業(yè)較多，因此空氣中SO2是對株洲市內(nèi)電網(wǎng)污區(qū)污閃特征影響程度較大的因素(x為SO2)。根據(jù)電網(wǎng)污區(qū)污閃特征的大氣質量指數(shù)P，可以得到株洲地區(qū)每月P指的變化曲線，同時與測試點所在區(qū)域輸電線路絕緣子串在2015年鹽密變化曲線進行對比，見圖6。

(a)鶴云線

(b)星云線圖6 2015年大氣質量指數(shù)P與實測鹽密度之間的關系Fig.5 Relationship of atmospheric quality index(P) and actual data(2015)

由圖6可知，在2015年全年的P值預測趨勢與所測的鹽密值隨時間、季節(jié)變化規(guī)律基本一致。P值在2月達到最大值，隨著夏季的開始，3月-9月逐漸下降，9月份達到最低值。從9月開始持續(xù)上升，在12月達到峰值。P值變化規(guī)律與冬夏季降雨變化規(guī)律有一定關系。與大氣質量指數(shù)P值對應的每月鹽密測量值反映了實際運行輸電線路的絕緣子積污隨季節(jié)變化規(guī)律一致，說明P值越大時，該地區(qū)鹽密值也越大，絕緣子表面積污就越為嚴重。因此，根據(jù)不同區(qū)域的大氣質量指數(shù)的計算，可以得到該地區(qū)P值與當?shù)佧}密之間的線性關系，株洲地區(qū)兩者之間的線性關系表示為

ρESDD=-0.187 8+0.640 7P

(4)

決定系數(shù)R2=0.929 3

ρESDD=-0.166 2+0.459 9P

(5)

決定系數(shù)R2=0.906 6。

從數(shù)據(jù)進行線性回歸計算后分析的擬合結果來看，在空氣質量污染嚴重的株洲地區(qū)，輸電線路絕緣子的實測鹽密值受到大氣污染影響十分明顯，P值與實測值之間的決定系數(shù)達到了0.9以上，大氣污染指數(shù)很好的預測了絕緣子表面鹽密累積、清洗結果。

4 結論

通過對空氣質量統(tǒng)計得到污穢顆粒的粒度分布特征從而確定了粒徑大小的研究范圍。收集、整理了株洲地區(qū)2011—2015年的歷史氣象資料和監(jiān)測點的污穢量，提出了自然環(huán)境下絕緣子污穢水平預測方法。通過本文的分析得到以下結論。

1)對株洲市區(qū)大氣污染指數(shù)進行分析，大氣中主要污穢顆粒分布在1～50 μm范圍內(nèi)。通過顆粒物的粒徑分布特點直接反映了自然積污過程中大氣污穢顆粒的統(tǒng)計特征。

2)根據(jù)統(tǒng)計大量歷史數(shù)據(jù)的計算，分析得到了絕緣子表面在積污階段和降雨沖刷階段的污穢度與時間、積污速率(τ)、沖刷系數(shù)(C)等影響因素之間的表達關系。基于歷史實測數(shù)據(jù)能有效預測絕緣子表面ESDD/NSDD在不同積污階段的變化趨勢。

3)根據(jù)絕緣子表面污穢成分和粒徑大小的分析，通過對電網(wǎng)污區(qū)的大氣質量濃度(PM10、SO2、NO2)的每月監(jiān)測，得到電網(wǎng)污區(qū)的大氣質量指數(shù)P關系，從而根據(jù)大氣質量指數(shù)預測絕緣子表面污穢度。為絕緣子污穢預測提供了一種新的思路。