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(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640； 2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心，廣州 510080； 3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢 430074)

0 引言

南方電網(wǎng)沿海地區(qū)的輸電線路絕緣子，由于高溫、高濕、海洋鹽霧等特殊的氣象條件，以及近年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響，其表面污穢成分與內(nèi)陸地區(qū)輸電線路絕緣子存在明顯差異[1-2]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，絕緣子表面污穢成分與污染源有一定聯(lián)系。日本日本名古屋工業(yè)大學(xué)與墨西哥電氣研究所取樣并檢測(cè)了絕緣子表面污穢成分，將成分特點(diǎn)分為三類，沿海型、工業(yè)型、農(nóng)業(yè)型[3]。但是，在針對(duì)我國(guó)沿海絕緣子，污穢成分與離海岸距離等因素之間的量化關(guān)系研究仍存在一定空白。同時(shí)，已有研究表明，絕緣子表面污穢成分的差異會(huì)影響其污穢閃絡(luò)電壓[4]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，污穢導(dǎo)致的閃絡(luò)事故是輸電線路外絕緣事故的主要類型之一[5]，對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[6-7]。針對(duì)南網(wǎng)沿海地區(qū)的海洋鹽霧可能導(dǎo)致輸電線路絕緣子污穢閃絡(luò)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)南方電網(wǎng)沿海地區(qū)污穢絕緣子的表面污穢成分進(jìn)行了采樣與檢測(cè)，分析了污穢數(shù)據(jù)與海邊距離及附近污染源的相關(guān)性，為下一步沿海輸電通道的污閃風(fēng)險(xiǎn)等研究奠定了基礎(chǔ)，并可提供具有重要參考價(jià)值的實(shí)際污穢情況數(shù)據(jù)。

1 沿海絕緣子污穢取樣方法

1.1 取樣地點(diǎn)與污染源情況

為了獲取沿海輸電線路絕緣子的積污特性，對(duì)南方電網(wǎng)沿海輸電線路絕緣子進(jìn)行了走訪調(diào)研與采樣工作，在海南?？凇⑷齺?、瓊海、儋州，廣西防城港、欽州以及廣東江門(mén)等輸電線路上進(jìn)行了絕緣子污穢采樣。采樣的試品型號(hào)為XWP2-70型懸式絕緣子和FXBW4-110/100型復(fù)合絕緣子[8-10]，部分污穢試品如圖1所示，部分試品參數(shù)如表1所示。

1.2 取樣位置

具體取樣及調(diào)研地點(diǎn)、周邊地形地貌情況列出于表2中。海南地區(qū)的沿海輸電線路，大多離海岸距離不遠(yuǎn)，甚至就在海濱；線路周邊環(huán)境往往保持原生態(tài)，未經(jīng)人為開(kāi)發(fā)，無(wú)工業(yè)和汽車(chē)排放等污染。但也有少部分線路附近有水泥廠等污染源。廣東、廣西的沿海輸電線路往往離海岸比較遠(yuǎn)，線路附近經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，污染源較多。

圖1 復(fù)合絕緣子試品Fig.1 Composite insulator sample

型號(hào)結(jié)構(gòu)高度/mm爬電距離/mmXWP2-70146400FXBW4-110/1001 2403 150

表2 采樣位置、周邊環(huán)境與離海距離Table 2 Sampling location, surrounding environment and distance from the sea

采樣點(diǎn)分布如圖2、圖3所示。

具體采樣點(diǎn)到海岸的距離，主要利用衛(wèi)星地圖所帶測(cè)距工具測(cè)定。即在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研采樣時(shí)，記錄采樣點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息，利用在線地理信息系統(tǒng)提供的衛(wèi)星地圖，將采樣點(diǎn)的位置標(biāo)記在地圖上[11]，之后使用地理信息系統(tǒng)內(nèi)嵌的測(cè)距工具測(cè)量取樣點(diǎn)與海岸之間的距離。測(cè)得的距離數(shù)據(jù)如表2所示[12]。海南采樣點(diǎn)到海岸的距離均小于5公里，廣西與廣東地區(qū)的采樣點(diǎn)到海岸的距離在5至10公里。

圖2 部分海南地區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of sampling points in Hainan area

圖3 部分廣西廣東地區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of sampling points in Guangxi，Guangdong

1.3 取樣方法

在現(xiàn)場(chǎng)摘取污穢絕緣子時(shí)，根據(jù)絕緣子的取樣位置與桿塔號(hào)對(duì)絕緣子進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)進(jìn)行表面污穢擦取工作[13-14]。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 26218對(duì)絕緣子污穢取樣的相關(guān)規(guī)定，本文采用脫脂棉球浸潤(rùn)法從絕緣子表面進(jìn)行取樣。首先將脫脂棉球浸潤(rùn)蒸餾水，用該棉球在絕緣子表面擦取污穢，然后通告擠壓與漂洗將污穢溶解于200 mL蒸餾水中，在整個(gè)過(guò)程中確保蒸餾水溶液體積不發(fā)生明顯變化[15-18]。

1.4 成分檢測(cè)方法

將取樣的污穢送華中科技大學(xué)檢測(cè)中心進(jìn)行成分檢測(cè)[19]，檢測(cè)儀器為美國(guó)帕金埃爾默公司生產(chǎn)的型號(hào)為ELAN DRC-e的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和瑞士萬(wàn)通公司生產(chǎn)的型號(hào)為881 Compact IC pro離子色譜儀，檢測(cè)項(xiàng)目分別為陽(yáng)離子和陰離子的檢測(cè)。檢測(cè)中心完成檢測(cè)項(xiàng)目，給出檢測(cè)報(bào)告，然后對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理總結(jié)[20-21]。

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果

絕緣子表面污穢成分檢測(cè)結(jié)果整理如表3，表4，表中所列出的陽(yáng)離子與陰離子均為摩爾分?jǐn)?shù)。其中，樣品編號(hào)與桿塔編號(hào)相對(duì)應(yīng)。表中的0代表該成分在樣本中不存在或含量可忽略不計(jì)。具體整理過(guò)程是通過(guò)對(duì)離子的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，先用該離子的濃度除以該離子的摩爾質(zhì)量，求出單位體積溶液中該離子的物質(zhì)的量。同理可以求出其他離子的物質(zhì)的量。然后把溶液中所有離子的物質(zhì)的量相加，求出單位體積溶液的離子的總物質(zhì)的量，再用之前求得的單位體積溶液中該離子的物質(zhì)的量除以單位體積溶液的離子的總物質(zhì)的量，即可求得該離子的摩爾分?jǐn)?shù)。

表3 各陽(yáng)離子所占摩爾分?jǐn)?shù)Table 3 Percentage of each cation

表4 各陰離子所占摩爾分?jǐn)?shù)Table 4 Percentage of each anion

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 距離對(duì)積污成分的影響

根據(jù)表3、表4結(jié)果，分別以采樣點(diǎn)距離海岸的距離為橫軸，一價(jià)離子、二價(jià)離子所占摩爾分?jǐn)?shù)為縱軸，繪制出散點(diǎn)圖及其擬合曲線如圖4、圖5所示。

圖4 絕緣子污穢的一價(jià)離子摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Molar distribution of monovalent ions

圖5 絕緣子污穢的二價(jià)離子摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Molar distribution of Two valence ion

圖4中的擬合曲線可用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)如下。

XB=Ad-b

(1)

式中：XB為一價(jià)離子摩爾分?jǐn)?shù)；A為常數(shù)；b為影響特征常數(shù)；d為取樣點(diǎn)離海岸距離。經(jīng)擬合計(jì)算得出A、b值見(jiàn)表5。

表5 A、b擬合計(jì)算值Table 5 Ion percentage fitting

從圖4中結(jié)果可見(jiàn)，一價(jià)離子摩爾分?jǐn)?shù)隨海岸距離的增大呈指數(shù)形式下降，在距離海岸5 km以內(nèi)的摩爾分?jǐn)?shù)下降量顯著，5到10公里范圍的摩爾分?jǐn)?shù)下降量趨于平緩。

關(guān)于圖4、圖5摩爾分?jǐn)?shù)曲線的衰減規(guī)律的原因，本文通過(guò)查詢統(tǒng)計(jì)各個(gè)方面相關(guān)氣象數(shù)據(jù)(如表6所示)，分析可見(jiàn)其與沿海地區(qū)的鹽霧分布規(guī)律密切相關(guān)，即沿海地區(qū)鹽霧的含鹽量與海岸距離的關(guān)系呈指數(shù)形式分布。

表6 沿海地區(qū)鹽霧的含鹽量Table 6 Distribution of atmospheric salt content

將表6中數(shù)據(jù)畫(huà)出散點(diǎn)圖并作相應(yīng)的擬合曲線如圖6。從圖6可見(jiàn)，鹽霧含鹽量的分布特性具有指數(shù)形式的衰減規(guī)律。

圖6 沿海地區(qū)鹽霧的含鹽量分布Fig.6 Relationship between salt content and distance from the sea

圖6中的擬合曲線可用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)如下。

Sa=Nd-m

(2)

式中：Sa為鹽霧含鹽量；N為常數(shù)；m為影響特征常數(shù)；d為取樣點(diǎn)離海岸距離。經(jīng)擬合計(jì)算得出N、m值見(jiàn)表7。

表7 N、m擬合計(jì)算值Table 7 Fitting results of air salt content

由圖6可以看出，絕緣子污穢成分中的一價(jià)離子、二價(jià)離子的摩爾分?jǐn)?shù)變化與鹽霧含鹽量有密切關(guān)系。隨著鹽霧向內(nèi)陸擴(kuò)散和不斷衰減，鹽霧含鹽量呈指數(shù)形式降低，沉降在絕緣子表面的NaCl和KCl含量隨之也呈指數(shù)形式逐漸衰減，且可見(jiàn)當(dāng)距離海岸10公里時(shí)，絕緣子污穢中的一價(jià)離子含量衰減到50%，可見(jiàn)絕緣子污穢成分與鹽霧含鹽量具有密切關(guān)系。

2.2.2 污染源對(duì)污穢成分的影響

根據(jù)對(duì)絕緣子污穢成份檢測(cè)分析結(jié)果與擬合曲線對(duì)比可見(jiàn)，部分采樣點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果偏離擬合曲線較多。這說(shuō)明還有鹽霧以外的其他影響因素對(duì)絕緣子表面積污成分有影響。分析可見(jiàn)，這些所謂的部分采樣點(diǎn)，其周邊污源是絕緣子表面積污成分變化的主要原因。

2號(hào)樣本的檢測(cè)結(jié)果表明，其主要成分是Ca2+離子、SO42-離子。對(duì)其周邊污染源進(jìn)行調(diào)查后不難發(fā)現(xiàn)，附近存在相應(yīng)的工業(yè)污染源，硫酸鈣的污染嚴(yán)重。見(jiàn)圖7。分析檢測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，SO42-離子也出現(xiàn)在4號(hào)樣本以及9號(hào)樣本中，但這兩個(gè)樣本不含有陽(yáng)離子Ca2+離子。調(diào)查可見(jiàn)，其周邊為以農(nóng)田為主的地貌環(huán)境，見(jiàn)圖8、9所示。這說(shuō)明在周邊環(huán)境沒(méi)有工業(yè)區(qū)的地區(qū)，燒荒形成的硫化物也會(huì)殘留在絕緣子表面，導(dǎo)致表面污穢成分含有SO42-。最后，2號(hào)、5號(hào)與7號(hào)樣本成分中還存在硝酸根與亞硝酸根離子，對(duì)其調(diào)查分析表明，林區(qū)苔蘚植物附著會(huì)導(dǎo)致表面污穢成分中出現(xiàn)硝化物。

圖7 2號(hào)取樣點(diǎn)周邊環(huán)境Fig.7 No.2 sampling point surrounding environment

圖8 4號(hào)取樣點(diǎn)周邊環(huán)境Fig.8 No.4 sampling point surrounding environment

圖9 9號(hào)取樣點(diǎn)周邊環(huán)境Fig.9 No.9 sampling point surrounding environment

3 結(jié)論

檢測(cè)結(jié)果與分析表明，絕緣子污穢成分與海洋鹽霧及周邊污染源具有密切關(guān)系。

南方電網(wǎng)沿海地區(qū)絕緣子的污穢成分與海洋鹽霧的空間分布具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。海洋鹽霧以一價(jià)離子為主要成分，其含鹽量與到海岸距離的關(guān)系具有指數(shù)形式衰減特點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的，絕緣子污穢的一價(jià)離子的摩爾分?jǐn)?shù)隨離海岸距離的增加呈指數(shù)形式下降；當(dāng)距離海岸10公里時(shí)，絕緣子污穢的一價(jià)離子的摩爾分?jǐn)?shù)下降到50%左右。

絕緣子周邊污染源與絕緣子污穢成分具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。檢測(cè)與分析結(jié)果表明，工業(yè)污染源造成絕緣子污穢成分中鈣離子顯著增加，而農(nóng)田耕作區(qū)則造成絕緣子污穢成分中硫化物顯著增加。