北京地區外絕緣表面霧霾積污特征及其影響研究

張睿哲，周 愷 ，葉 寬，蔡瀛淼 ，楊 亮，劉 勇

（1.國網北京電科院，北京 100075；2.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072）

近年來，由于經濟規模的迅速擴大和城市化進程的加快，持續性霧霾天氣頻繁覆蓋北京地區，成為影響北京電網大氣環境的災害性氣象之一。與傳統污染物相比，霧霾是由大氣中懸浮微細顆粒隨空氣濕度變化而形成的，是環境污染在一定氣象條件下的體現[1-2]。當絕緣子長時間在霧霾環境下運行時，懸浮在大氣中的微細顆粒在絕緣子周圍形成帶有一定電荷的氣態溶膠，通過吸附黏結在絕緣子表面形成積污，并且隨著大氣中硫化物、氮氧化物、溫度、濕度的變化而吸附有害氣體，使其對絕緣子表面具有更強附著性，導致表面呈現一定電導率，加劇電場畸變，造成輸變電設備外絕緣表面發生嚴重放電乃至閃絡跳閘事故[3-4]。持續霧霾天氣對北京電網在新形勢下的安全可靠運行提出了污染新問題與安全新挑戰。

文獻[5-8]研究霧霾環境下絕緣子的積污特性，與常規自然積污相比，霧霾天氣下絕緣子積污明顯增快。文獻[9-11]研究了霧霾環境對絕緣子絕緣子性能的影響，隨著霧霾持續時間和霧霾電導率相關參數的增長，絕緣子的閃絡電壓有明顯的下降。當前霧霾環境對輸變電設備外絕緣影響的研究尚處于起步階段。

本文對北京地區110 kV及以上輸變電設備展開污穢專項測試，并進行污穢化學成分分析、污穢顆粒度分析和微觀形貌特征分析，并就絕緣子表面污穢顆粒物來源進行分析，以掌握北京地區絕緣子表面吸附的霧霾顆粒物的理化性質特點，為電力線路防污工作提供理論基礎。

1 北京地區積污特點及測試點布置

1.1 北京地區積污特點

北京地區冬季氣象主要受冷高壓控制，近地面層溫度較低，有利于低層空氣中水汽凝結形成大霧。同時受地形因素影響，冬季季風在北部山脈受到攔截，不利于污染物擴散。因此，北京地區冬季霧天較多，維持時間也較長。如圖1所示，近年來華北地區霧霾天氣較2011年明顯增多。2015年以前，年霧霾日數持續增加，到2015年后，隨著北京政府著手大力整治霧霾，年霧霾日數開始降低，但其仍然維持在一個較高的水平。據文獻[12]，朝陽區年平均霧霾濃度為80.6 μg/m3，為二級年均濃度限值的兩倍之多。可見北京地區的霧霾狀況依舊不容樂觀，易引發絕緣子表面快速積污。絕緣子表面在霧霾等天氣積累的污層會在大雨等天氣后被沖刷掉一部分，因此降水的減少對絕緣子的絕緣性能也是一大威脅。

圖1 北京地區近幾年霧霾日數Fig.1 Number of smog days in Beijing in recent years

北京地區年平均降水量為600 mm左右，近年來降水量總體呈下降趨勢，如圖2所示，北京地區降水主要集中在6月—9月，11月至次年3月降水量不足全年降水量的10%，而這個時段正是霧霾天氣容易發生的時段，容易出現絕緣子表面污層過度積累，導致絕緣子發生污穢放電。

圖2 北京降水量時間分布特征Fig.2 Temporal distribution characteristics of precipitation in Beijing

1.2 測試點布置及測試項目

為測試霧霾天氣對北京地區絕緣子污穢程度的影響，本文于2018年開展北京地區現場污穢度專項測試，在10條架空輸電線路上，選取10個霧霾日數大于120天具有代表性的污穢度監測點，其均為模擬監測點，統一使用型號為XP型或XWP型的非帶電模擬絕緣子串，每串4片絕緣子，將其懸掛至與實際運行絕緣子相同高度。積污結束后僅測量上、中、下（中間隨機抽取）3片的污穢度并取平均值，檢驗霧霾天氣對實際運行絕緣子污穢程度的影響。北京地區污穢專項測試選取10個監測點的基本信息如表1所示。

表1 北京地區污穢專項測試監測點Tab.1 Special contamination monitoring points in Beijing

污穢測試點涵蓋了海淀、朝陽、豐臺、昌平、大興、懷柔、門頭溝等7個區域，測試點所在環境覆蓋霧霾嚴重的城區和郊區兩種典型環境，取樣方式采用停電取樣。10個測點所處環境為公路、高速路、農田，污染來源主要為汽車尾氣、粉塵、土壤揚塵、農藥噴灑物等。

對絕緣子表面為期一年的污穢，通過發射光譜儀、能譜儀、掃面電子顯微鏡、激光粒徑分析儀進行陰陽離子濃度分析、元素組成、微觀形貌和粒徑分布進行分析，探究絕緣子表面霧霾顆粒物理化特性，并分析其來源。

2 檢測結果分析

2.1 污穢度檢測情況

對積污的絕緣子進行取樣分析，測試絕緣子表面污穢度。通過檢測其等值鹽密和等值灰密的數值，繪制污區圖，確定是否超出所在區域的污區分布等級，校核絕緣水平，并將本次等值鹽密數據與2017年的等值鹽密數據進行對比，分析絕緣子表面污穢程度變化情況。抽測結果如表2所示。

表2 污穢度抽測結果Tab.2 Contamination level sampling result

從表2可以看出，2018年10處測試點的鹽密范圍為 0.025～0.245 mg/cm2，灰密范圍為 0.097～1.023 mg/cm2，均未超出所在區域的污區等級，其中，君文一3號測試結果接近所處污區圖等級上限，這是因為君文一3號桿塔在五環邊，靠近高鐵，線下為綠地，考慮尾氣污染和農藥污染是導致其污穢值較高的原因。霧霾日數超過120天的重度污穢測試點污穢水平并未顯著增加。

如圖3所示，本次專項測試10個測試點中有8個點的飽和鹽密值較2017年減小，2個點的飽和鹽密值較2017年增大。分析主要原因在于2018年積污季期間北京地區出現多次強雨雪天氣，對絕緣子表面污穢有一定的清潔作用，而2017年積污季期間，北京地區僅出現零星雨夾雪，且主要集中在北部山區，對此次霧霾監測點來說，清潔作用有限。而且相比于2017年，2018年霧霾日數減少，這也是可能原因之一。

圖3 2017與2018年霧霾專項測試結果對比Fig.3 Comparison between special smog test results in 2017 and 2018

2.2 霧霾可溶鹽陰、陽離子濃度分析

對絕緣子表面污穢物進行可溶性鹽的陰、陽離子濃度分析，以探究霧霾顆粒物中可溶性成分的離子構成并分析其可能來源。

圖4 北京地區可溶物鹽成分陽離子濃度Fig.4 Cationic concentration of soluble salt components in Beijing

圖5 北京地區的可溶物鹽成分陰離子濃度Fig.5 Anionic concentration of soluble salt components in Beijing

表3 北京地區的可溶物鹽成分陽離子濃度Tab.3 Cationic concentration of soluble salt components in Beijing

表4 北京地區的可溶物鹽成分陰離子濃度Tab.4 Anionic concentration of soluble salt components in Beijing

陽離子中Ca2+含量較高，來源于建材工業大量使用的砂石、石灰等產生的工業廢氣。Zn2+含量較多，推測其來源為土壤揚塵、化石燃料燃燒以及汽車輪胎摩擦和橡膠生產等人類活動。Fe2+較多，推測是鋼鐵工業廢氣對該地霧霾期間大氣污染物成分產生了較大影響。Mg2+為地殼元素，推測主要來源為沙塵暴和揚塵。

2.3 霧霾顆粒物元素分析

為確定霧霾對絕緣子表面污穢顆粒物中不溶性成分的元素組成，對污穢顆粒無機元素特征測試。對外絕緣表面積污后污穢樣品的元素分離與檢測，對所含無機元素進行定性、定量分析。測試結果如表5和圖6所示。

圖6 北京污穢樣本元素質量分數Fig.6 Mass fraction of elements in contamination samples in Beijing

表5 固體顆粒物元素質量分數Tab.5 Mass fraction of elements in solid particles %

霧霾條件下積污的絕緣子表面的固體顆粒物中不溶物的主要元素有O、Ca、Zn、S、Al、Fe、Si、Mg，不同地區絕緣子試樣上采集到的顆粒物的元素組成略有不同，其中O、Ca、Fe、Al存在范圍較廣且質量分數較高，Si、Mg、Zn、S只在部分地區存在且質量分數較低。

霧霾顆粒物元素組成當中Si、Al元素未在可溶鹽陰陽離子中出現，推測存在二氧化硅、氧化鋁等不溶物。整體來說，北京地區霧霾天氣下絕緣子表面污穢不溶物成分主要為金屬氧化物，具體氧化物構成不同地區受當地污染源影響有一定差異，主要有Ca、Al、Fe的金屬氧化物含量較多。

2.4 污穢微觀形貌分析

圖7為掃描電鏡觀測到的絕緣子表面污穢物樣品的形貌特征。可以看出，絕緣子表面污穢中固體顆粒物的微觀樣貌多樣，主要為形狀各異的不規則塊狀顆粒物和長條狀顆粒物。顆粒物粒徑一般小于100 μm，其中，粒徑小于30 μm的顆粒物分布較多。不規則塊狀顆粒物的表面粗糙，吸附有粒徑小于5 μm的細微顆粒物。由于采用的是積污一年的絕緣子，其積污程度較為嚴重，導致絕緣子表面污層當中小顆粒物聚集、吸附在一起導致顆粒物表面粗糙。

圖7 顆粒物微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of particles

2.5 污穢顆粒度分析

霧霾粒子的分布比較均勻，從0.001 μm到10 μm，平均直徑大約在 1～2 μm，霧霾天氣下的PM2.5與PM10的比例均高于非霧霾日。霧霾對絕緣子表面污穢顆粒物粒徑的影響還有待研究，本次污穢專項測試對10個點進行了粒徑分析，測試結果如表6和圖8所示。

表6 污穢粒徑分布Tab.6 Distribution of contamination particle sizes

圖8 不同累計概率粒徑值Fig.8 Particle size at different accumulative probability

根據污穢顆粒物粒徑測試，D10和D50結果現象對穩定。D10平均值為5.718 μm，說明90%的顆粒物粒徑大于5.718 μm。累計概率50%的微粒粒徑為8.17～15.28 μm，平均值11.45 μm。此平均粒徑符合空氣中可吸入顆粒物PM10的粒徑范圍，說明絕緣子表面污穢物主要是能長期懸浮在空氣中的飄塵黏附形成的，此粒徑段也是霧霾粒徑的范圍，說明霧霾對絕緣子表面污穢有一定的影響。檢測到絕緣子表面粒徑小于5 μm較少，推測是由于絕緣子表面小粒徑污穢物容易吸附到粒徑較大污穢物之上。

D90波動較大，不同地區差異較大，總體上＜76 μm。由于粒徑大于75 μm主要是建筑施工產生的塵粒，在空氣中存在時間短，可見建筑施工對絕緣子表面積污影響很小。絕緣子表面大粒徑顆粒物主要是受工業生產、揚塵等活動影響。

3 結論

經過為期一年的對北京地區霧霾天氣下絕緣子表面積污程度和理化特性進行檢測，結論如下。

（1）本次專項測試共選取10個測試點，霧霾期間均未超過污區分布圖污穢等級。其中，君文一3號測試結果接近所處污區圖等級上限。君文一3號桿塔在五環邊，靠近高鐵，線下為綠地，考慮尾氣污染和農藥污染是導致其污穢值較高的原因。根據污穢測試結果，校核了現有絕緣水平，各測試點外絕緣配置均符合要求。

（3）根據污穢顆粒物粒徑測試，累計概率為50%的微粒粒徑為 8.17～15.28 μm，平均值 11.45 μm，D90波動加大，為13.28～75.45 μm。絕緣子表面小粒徑污穢物在一定程度上受到霧霾的影響。大粒徑污穢物主要污穢來源為工業、揚塵等污染；形狀各異的不規則塊狀顆粒物和長條狀顆粒物，并吸附有粒徑小于5 μm的細微顆粒物。