絕緣子表面灰密的測(cè)量影響因素分析

燕寶峰，車傳強(qiáng)，趙建坤，高思明，曹 彬，趙晨龍，王黎明

(1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院, 呼和浩特 010020；2.清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院， 廣東 深圳 518055)

0 引言

電氣設(shè)備外絕緣性能的測(cè)評(píng)需要分析其外表面的可溶性鹽和不溶解物質(zhì)[1-3]。一般利用等值鹽密和等值灰密分別表征電氣設(shè)備外表面污穢程度。等值鹽密和等值灰密常用的測(cè)量方法為通過(guò)取樣布將電氣設(shè)備表面的污穢擦拭下來(lái)，溶解到定量的去離子水中，通過(guò)測(cè)量溶解后的電導(dǎo)率，通過(guò)換算得出最終的等值鹽密；等值灰密則是通過(guò)濾紙過(guò)濾溶解后的溶液，對(duì)比過(guò)濾前后的完全干燥的濾紙重量得出污穢中不可溶解物質(zhì)的質(zhì)量，求得等值灰密[4]。

絕緣子表面灰密測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到多種因素影響，如擦洗的干凈程度、濾紙測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫濕度、濾紙的烘干時(shí)間等。由于缺乏細(xì)致的測(cè)量規(guī)范，相同污穢度的絕緣子灰密不同操作人員測(cè)量出來(lái)的分散性很大。但是目前尚未有人對(duì)基于濾紙過(guò)濾稱量法的灰密測(cè)量方法進(jìn)行系統(tǒng)研究[5-11]。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的工作者曾研究過(guò)濾紙重量法的影響因素[12-15]。文獻(xiàn)[12]中認(rèn)為酸堿度會(huì)影響濾紙重量法的測(cè)定結(jié)果。文獻(xiàn)[13]中提及到過(guò)濾物溶解，空氣濕度及放冷時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[14]中通過(guò)試驗(yàn)，得出冷卻時(shí)間、可溶物性質(zhì)、烘干時(shí)間、酸堿度、取樣量及空氣濕度等對(duì)濾紙重量法準(zhǔn)確度的影響。文獻(xiàn)[15]中提出樣品采集保存時(shí)間、取樣量及烘干時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

濾紙重量法是測(cè)量電氣設(shè)備表面等值灰密的一個(gè)重要方法[16-20]。其準(zhǔn)確度會(huì)影響到后續(xù)研究的可靠性和真實(shí)性，大部分地區(qū)，空氣濕度較低，濾紙吸水導(dǎo)致的濾紙質(zhì)量增加非常小，可以得出一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)值。但是在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中，灰密測(cè)量過(guò)程中，濾紙的吸濕性會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究分析。然而目前在相關(guān)的外絕緣標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，沒(méi)有對(duì)濾紙重量法進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的描述，污穢度較低的絕緣子表面的等值灰密時(shí)，不同操作者測(cè)量結(jié)果分散性很大，難以得出可靠的測(cè)量結(jié)果,。

為了試驗(yàn)研究灰密測(cè)量的影響因素，并供操作人員人進(jìn)行等值灰密測(cè)量時(shí)參考。筆者將從濾紙烘干溫度、烘干時(shí)間、濾紙飽和重量(通過(guò)切割濾紙方式設(shè)置多個(gè)濾紙飽和重量，飽和重量指放置于大氣中足夠時(shí)間使其充分受潮后的重量)及冷卻時(shí)間(從干燥箱中取出時(shí)間)4個(gè)影響因素對(duì)濾紙質(zhì)量法中濾紙干燥程度的影響進(jìn)行研究。

1 絕緣子灰密測(cè)量流程

等值灰密的測(cè)量使用的是濾紙稱重法，主要包括：表面污穢擦洗、濾紙干燥及質(zhì)量測(cè)量、污穢過(guò)濾、濾紙干燥、濾紙質(zhì)量測(cè)試等5個(gè)環(huán)節(jié)。測(cè)量流程見(jiàn)圖1。在進(jìn)行等值灰密測(cè)量時(shí)，由于烘干時(shí)間，烘干溫度，取出時(shí)間等均會(huì)對(duì)濾紙稱重的質(zhì)量造成影響。為減少測(cè)量誤差，本研究對(duì)濾紙稱重法的影響因素進(jìn)行了研究分析。

圖1 絕緣子等值灰密測(cè)量程序Fig.1 Measurement procedure of NSDD

濾紙稱重法需要使用高精度天平、真空泵以及高溫烘箱等設(shè)備，見(jiàn)圖2。電子天平用于稱量烘干后的濾紙，精度為1 mg。循環(huán)水式真空泵用于加快濾紙過(guò)濾速度。真空烘干箱用于烘干濾紙。

圖2 濾紙稱重法主要設(shè)備Fig.2 Main equipment of filter paper weighing method

為了減小試驗(yàn)誤差，當(dāng)制作n個(gè)完全相同的試驗(yàn)樣品時(shí)，利用高精度天平稱量“n+1”份污穢，然后利用細(xì)毛刷將每份污層定量刷涂于在試片表面，為了減小毛刷上所沾污穢對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，棄用第一個(gè)染污的試驗(yàn)樣品，然后對(duì)剩余n個(gè)試驗(yàn)樣品進(jìn)行灰密測(cè)量試驗(yàn)。

此外，為保證試品取樣的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)時(shí)利用3塊10 cm×10 cm的采樣巾擦洗試品表面污穢。試驗(yàn)時(shí)，戴上手套，首先利用第一塊采樣巾反復(fù)擦洗絕緣子表面的污穢，將肉眼可見(jiàn)的污穢全部擦洗下來(lái)，然后在利用第2塊采樣巾，將絕緣表面污穢認(rèn)真擦洗一遍，最后利用第3塊采樣巾擦洗試片，最后將污穢全部轉(zhuǎn)移至采樣巾上，進(jìn)行后續(xù)分析。

2 正交試驗(yàn)

濾紙重量法的影響因素很多，由于在電氣設(shè)備外表面污穢測(cè)量中分為等值鹽密和等值灰密，在測(cè)量時(shí)需要保證溶解充分，因此可以不考慮污穢對(duì)測(cè)量的影響，可以忽略酸堿度、可溶物、污穢量的影響。為了能夠細(xì)化對(duì)濾紙重量法的研究，本研究主要對(duì)濾紙重量法使用過(guò)程中濾紙重量變化影響因素進(jìn)行考量，即研究濾紙重量法測(cè)量時(shí)哪些因素將會(huì)導(dǎo)致濾紙自身重量變化。此處將會(huì)忽略污穢物對(duì)濾紙的影響和污穢物受到環(huán)境影響所造成的重量測(cè)量誤差。

濾紙重量法中，濾紙首先進(jìn)行干燥，測(cè)量濾紙重量，過(guò)濾，最后進(jìn)行二次干燥后測(cè)量過(guò)濾后濾紙重量。此過(guò)程中，濾紙將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)潤(rùn)濕然后干燥最后測(cè)重的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中，干燥箱的溫度，干燥時(shí)間會(huì)影響到濾紙的干燥程度，進(jìn)而影響到濾紙的重量。在測(cè)量過(guò)程中，由于空氣中存在水分子，其拿出后的冷卻時(shí)間會(huì)由于干燥后濾紙存在吸水效應(yīng)，重量會(huì)上升，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大。而濾紙本身的重量必然影響到最終的測(cè)量結(jié)果。

為此，從干燥箱烘干溫度、烘干時(shí)間、濾紙飽和重量(通過(guò)切割濾紙方式設(shè)置多個(gè)濾紙飽和重量，飽和重量指放置于大氣中足夠時(shí)間使其充分受潮后的重量)及冷卻時(shí)間(從干燥箱中取出時(shí)間)4個(gè)影響因素分析濾紙質(zhì)量法中濾紙干燥程度的影響。下文將會(huì)選取濾紙重量占比(即測(cè)量時(shí)濾紙重量與濾紙飽和重量的比值)作為試驗(yàn)指標(biāo)，選取上述4個(gè)因素各3個(gè)水平，構(gòu)成4因素3水平共計(jì)9組試驗(yàn)的正交表，見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experiment table comprising four-factor three-level

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了上述4因素對(duì)濾紙重量占比的影響。首先，測(cè)量濾紙?jiān)?0%濕度下的飽和吸水總重量，然后，將濾紙潤(rùn)濕，放置于干燥箱中，在規(guī)定的水平時(shí)間取出，放置規(guī)定的冷卻時(shí)間后測(cè)量其重量；進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算得出不同因素和不同水平下濾紙的重量占比。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，需要注意以下3方面內(nèi)容：

1)為保證試驗(yàn)初始條件一致，需要使濾紙完全浸潤(rùn)，因此將濾紙放入裝滿去離子水的燒杯當(dāng)中浸泡10分鐘后取出置于干燥箱中。

2)由于干燥箱溫度調(diào)節(jié)需要一定時(shí)間才能升高或降低，因此在放入及取出濾紙時(shí)注意快速操作。

3)取出時(shí)，以打開(kāi)干燥箱的閥門為冷卻時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，由于時(shí)間15 s較短，需要注意保證每一片濾紙取出操作相同，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)性分析

根據(jù)表1中正交試驗(yàn)因素水平表進(jìn)行試驗(yàn)9組試驗(yàn)，9組試驗(yàn)所采用的正交試驗(yàn)方案試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)指標(biāo)選取烘干后的濾紙質(zhì)量占比，烘干后濾紙質(zhì)量占比的高低代表了在灰密測(cè)量過(guò)程中，濾紙吸水對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，烘干程度越高，濾紙吸水對(duì)污層測(cè)量結(jié)果的影響越小，因此選擇濾紙質(zhì)量占比最高值所對(duì)應(yīng)的水平作為最佳方案。

從表2可看出，9組試驗(yàn)中的濾紙占比在92.19%～95.77%之間，其中濾紙重量占比最低的為第9組，而濾紙重量占比最高的為第3組試驗(yàn)，二者之間相差超過(guò)3%。考慮到濾紙質(zhì)量占比越高，對(duì)絕緣子表面灰密的測(cè)量結(jié)果影響越小，因此，最佳方案為烘干溫度110 ℃，烘干時(shí)間為45 min，濾紙質(zhì)量選擇2.294 g(飽和重量)，冷卻時(shí)間為15 s。

對(duì)9組正交試驗(yàn)方案試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，計(jì)算參數(shù)A(烘干溫度)、B(烘干時(shí)間)、C(濾紙質(zhì)量)、D(冷卻時(shí)間)分別在表1所示的1，2，3三個(gè)水平下所對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)指標(biāo)K1，K2，K3和極差R，見(jiàn)表3。然后對(duì)表3所獲得的結(jié)果進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)，并利用極差分析后因素影響最小的誤差值作為隨機(jī)因素，進(jìn)一步分析烘干溫度、烘干時(shí)間、濾紙質(zhì)量和冷卻時(shí)間對(duì)正交試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 L9(34)正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析Table 3 L9(34) orthogonal test scheme and result analysis

表4 方差分析表Table 4 L9(34) table of variance analysis

根由表4可知，烘干溫度和冷卻時(shí)間顯著影響試驗(yàn)指標(biāo)，而烘干時(shí)間在15 min以上時(shí)，濾紙重量以及烘干時(shí)間對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響很小。

據(jù)上述結(jié)論，為了進(jìn)一步研究上述影響因素的作用，下面將對(duì)烘干溫度和冷卻時(shí)間兩個(gè)顯著影響因素進(jìn)行單獨(dú)分析。

3.2 烘干溫度

為了研究烘干溫度對(duì)濾紙質(zhì)量占比的影響，筆者將質(zhì)量相近的濾紙放置于干燥箱內(nèi)，通過(guò)控制變量法，分別測(cè)量烘干時(shí)間為15 min、30 min以及45 min后，冷卻時(shí)間為15 s的濾紙質(zhì)量，再計(jì)算出最后的濾紙質(zhì)量占比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同烘干溫度下的濾紙質(zhì)量占比圖Fig.3 Proportion of filter paper quality at different drying temperatures

不同烘干溫度下的濾紙質(zhì)量占比結(jié)果與正交試驗(yàn)得到的結(jié)果相符。值得關(guān)注的是烘干時(shí)間在溫度較低時(shí)對(duì)濾紙質(zhì)量占比的影響較大，隨著溫度升高其響應(yīng)大大減小，當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，烘干15 min和烘干45 min，濾紙質(zhì)量占比結(jié)果已經(jīng)沒(méi)有太大區(qū)別，且大于110 ℃后烘干溫度提高烘干程度提高有限。

3.3 冷卻時(shí)間

為了研究冷卻時(shí)間對(duì)濾紙質(zhì)量占比的影響，將1/4濾紙，1/2濾紙及全濾紙放置于干燥箱內(nèi)，通過(guò)控制變量法，測(cè)量測(cè)烘干溫度分別為90℃，烘干時(shí)間為45 min后不同冷卻時(shí)間下的濾紙質(zhì)量，再計(jì)算出最后的濾紙質(zhì)量占比，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同冷卻時(shí)間下的濾紙質(zhì)量占比圖Fig.4 Proportion of filter paper quality at different cooling time

通過(guò)控制變量法得到的結(jié)果(圖4)，與正交試驗(yàn)得到的結(jié)果相符，隨著冷卻時(shí)間的增加，濾紙質(zhì)量占比增加，且上升速度逐漸減緩，說(shuō)明測(cè)量時(shí)間越慢所測(cè)得的結(jié)果差別越大，因此應(yīng)該在取出濾紙后盡快進(jìn)行濾紙重量測(cè)量。

4 結(jié)論

本研究對(duì)濾紙稱重法中濾紙質(zhì)量受空氣中濕度影響進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)濾紙質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響很小，也說(shuō)明了增加濾紙質(zhì)量會(huì)提高吸水量，但不會(huì)影響濾紙的吸水性能。

2)烘干溫度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著，說(shuō)明隨著溫度提升，濾紙將能夠得到進(jìn)一步干燥。

3)冷卻時(shí)間的結(jié)果與實(shí)際相符，放置于大氣中時(shí)間越長(zhǎng)，濾紙質(zhì)量將會(huì)逐漸增大。

4)烘干時(shí)間對(duì)濾紙的烘干程度影響不大，而通過(guò)控制變量法說(shuō)明了烘干時(shí)間在溫度較低時(shí)影響較大，說(shuō)明在所選取的3個(gè)水平的條件下，烘干時(shí)間的影響遠(yuǎn)小于烘干溫度的影響。

為了能在試驗(yàn)中正確測(cè)得濾紙的重量，結(jié)合上述的分析結(jié)果，在等值灰密測(cè)量試驗(yàn)中采用溫度為110 ℃，烘干時(shí)間15 min的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，在保證烘干程度下減少試驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，對(duì)每次的濾紙重量測(cè)量，均進(jìn)行3次測(cè)量，然后取測(cè)量所得的最小重量，以此減少由于操作導(dǎo)致冷卻時(shí)間區(qū)別所造成的測(cè)量誤差。