特殊工業粉塵地區復合絕緣子自然積污特性研究

邵仕超， 畢曉甜， 李明哲 ， 陳杰， 吳笑寒， 陶風波

(1. 清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518000；2. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

電力系統運行發展過程中，輸電線路一直受到外絕緣閃絡的影響。污穢閃絡是電力系統外絕緣的主要威脅之一，其顯著特點是同時多點跳閘幾率高。絕緣等級越低，跳閘幾率越高，且重合閘成功率小[1—3]。輸電線路外絕緣的積污水平顯著影響線路的絕緣水平，在特殊工業粉塵地區，大氣污穢問題越發嚴重，且由于污穢成分的特殊性，使得該區域外絕緣閃絡風險顯著增加[4—7]。

現有輸電線路絕緣子積污特性分析大多通過現場測量污穢的鹽密和灰密(non soluble deposit density，NSDD)，按照氣候和環境條件模擬計算污穢水平[8—15]。但此類方法未考慮特殊地區污穢的特殊性，忽略了污穢中特殊成分對輸電線路絕緣水平的影響[16—22]。在某些特殊重工業區、化工區，工業粉塵成分復雜，其中含有較大比例的鐵粉及銅粉等金屬微粒、碳粉等導電性微粒、糖分等吸水性物質、硫化物等酸性腐蝕性成分，該類工業粉塵對電力設備污閃性能影響較大。運行于該種特殊粉塵污穢條件下的復合絕緣子，表面更容易染污、吸水，進而在極端運行條件下產生局部爬電，對硅橡膠形成燒蝕或酸、堿性腐蝕，極大影響絕緣子的電氣性能。

文中對特殊工業粉塵地區運行的復合絕緣子自然積污特性進行研究，通過離子色譜(ion chromatography，IC)、電感耦合等離子體發射光譜儀(inductively coupled plasma emission spectrometer，ICP)和X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)分析等手段分析絕緣子表面污穢可溶鹽成分、惰性污穢顆粒成分。基于分析結果，結合地區特性，對特殊工業粉塵地區復合絕緣子的積污特性進行評估，為線路外絕緣防污的工作奠定理論基礎。

1 污穢特性分析

為分析特殊工業粉塵地區輸電線路復合絕緣子積污特性，選取江蘇某特殊工業園區運行復合絕緣子進行采樣與測試。選取具有典型特點的4支復合絕緣子進行檢測，絕緣子樣品型號均為FXBW-220/120，運行年限為5 a，運行地點周圍有嚴重的化工污染，絕緣子表面存在明顯可見的自然污穢。

通過洗刷法對絕緣子表面的污穢進行取樣，并對污穢成分進行檢測，污穢成分分析方法見圖1。

圖1 絕緣子污穢成分分析方法Fig.1 Analysis method of insulator dust ingredients

分析內容為復合絕緣子表面污穢鹽灰密測試、污穢可溶鹽成分分析、污穢不溶物成分分析。絕緣子污穢度檢測參照GB/T 26218.1—2010進行，計算等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)、NSDD分別表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。使用ICP和IC等工具，分析污穢可溶鹽成分中的陰、陽離子組成及濃度。使用XPS分析惰性不溶物成分。基于上述檢測方法得到該地區復合絕緣子污穢的主要成分，進而對特殊工業粉塵地區復合絕緣子自然積污特性進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 ESDD和NSDD

參照標準GB/T 26218.1—2010，使用去離子水擦洗絕緣子表面污穢，對所得污液進行ESDD和NSDD測算，評估其表面污穢度，檢測結果見表1。

表1 ESDD和NSDD檢測結果Table 1 Test results of ESDD and NSDD mg·cm-2

由表1可知，所述4支典型絕緣子中，ESDD平均為0.1～0.2 mg/cm2，鹽灰比為1∶2～1∶1，說明該特殊工業粉塵污穢地區，污穢中的含鹽量較高，相對含灰量較低。分布在絕緣子表面的污穢，肉眼可見的主要成分為灰分及其他不溶成分。因此，在該批絕緣子中，直接觀測污穢度不明顯的樣品，其表面ESDD仍可能處于較高水平，在潮濕情況下將會較大程度削弱絕緣子表面的絕緣性能。

2.2 可溶鹽成分

絕緣子表面污穢可溶鹽成分檢測結果如表2、表3所示。對離子的摩爾分數進行計算，用對應離子濃度求出樣品中含該離子的物質的量，再根據不同離子在總樣品離子中物質的量的占比，分別求出陰、陽離子的摩爾分數x。

表2 陽離子摩爾分數Table 2 Mole fraction of cation %

表3 陰離子摩爾分數Table 3 Mole fraction of anion %

2.3 XPS結果分析

對污穢過濾后的不溶物進行采樣，并進行XPS分析，得到復合絕緣子樣品表面污穢的元素組成和含量。由于該種惰性物質的主要成分尚不明確，因此先對污穢成分進行整體全譜分析。在確認相應的污穢大致元素后，對所測得的結果進一步分析對應側譜，測試相應元素的價態情況及化合物存在形態。XPS分析的各元素成分對應的結合能及其相對強度如圖2所示。

圖2 XPS譜圖Fig.2 XPS spectrogram

由圖2可知，污穢的主要成分為碳(C)、氧(O)、硅(Si)3種元素。根據Si原子核外電子的排布特性可知，離原子核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數的增加，電子的能量越來越大。同一層中，各亞層的能量按s，p，d，f的次序增強，電子在原子核外排布時遵守1s，2s，2p排列。因此Si原子在XPS譜圖中表現出Si2s、Si2p 2種化學態，分別表征Si原子2種不同的最外層電子排布情況。在考慮污穢中Si元素成分時，2種化學態均應納入考慮。分別對4個樣品的XPS譜圖進行分析，得到不溶物的主要元素及其占比，如表4所示。

表4 污穢不溶物的主要元素及其相對含量Table 4 The main elements and their relative contents of dust insoluble matter %

由表4可知，污穢不溶物主要元素為10%左右的Si，40%左右的O，50%左右的C。其中1，2號樣品中C元素含量較高、O元素含量較低，4份樣品中的Si元素成分都較為相近。可以推測污穢中的不溶物成分包含二氧化硅(SiO2)、碳粉等成分。

3 分析與討論

在特殊工業粉塵地區，污穢會快速從空氣中沉降并附著到絕緣子表面，經過一個積污期，絕大部分樣品的 ESDD 都超過 0.1 mg/cm2，污穢度較高。而測量結果表明，樣品表面鹽灰量較低，因此樣品表面可視污穢程度不高。

污穢的不溶惰性成分中，主要元素含量為C，Si，O，說明污穢中的灰分主要包含SiO2、碳粉等物質，以及包含部分可溶、微溶于水的氧化物如氧化鈣(CaO)等，同時存在一定量的糖類，如(CH2O)n等物質。

4 結論

以特殊工業粉塵地區運行的復合絕緣子為研究對象，研究典型工業粉塵環境中復合絕緣子的積污特性，得出的結論為：

(1) 采用ESDD、NSDD測量判斷絕緣子表面染污程度，進一步使用微觀分析對特殊污穢可溶物、不溶物成分進行分析，可定性得到特殊工業粉塵地區的復合絕緣子積污特性，且效果較佳。

(2) 特殊工業粉塵環境中污穢自由沉降作用明顯，絕緣子表面污穢度普遍較重，污穢的ESDD數值偏高，鹽灰比數值較低。污穢中含有數量較大的鹽分，而灰分較低，絕緣子表面直觀污穢并不明顯。

(3) 特殊工業粉塵環境中，絕緣子污穢可溶鹽成分主要為微溶的二價鹽 CaSO4，復合絕緣子污穢中Na2SO4，K2SO4，MgSO4比例較為明顯。自然污穢的不溶物灰分主要元素為C，O，Si，含碳粉、二氧化硅(SiO2)、氧化鈣、糖類等物質。

(4) 特殊工業粉塵地區污穢中的不溶物影響復合絕緣子表面的導電性及吸水性，從而影響絕復合絕緣子的絕緣性能。該部分不溶物是特殊工業粉塵地區的絕緣子在使用傳統污穢度評價方法時，與其他地區結果存在差異的主要原因。