雾霾环境下自然积污绝缘子污秽颗粒特性研究

李婧+毛东+唐秋明

摘 要：雾霾环境下，绝缘子表面易于形成污秽层，使得高压输电线路发生污闪事故的风险增加。在我国雾霾天气频发的当下，研究自然积污绝缘子表面污秽颗粒的特性，为“十三五规划”中的超、特高压输电的顺利发展及国家电网系统的安全运行提供保障，具有重要意义。

关键词：雾霾；绝缘子；电子显微镜；粒径；自然积污

中图分类号：TM21 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0021-03

引言

近年来，随着我国工业化进程的快速推进，高压电网的安全运行成为了国民经济平稳发展不可或缺的基础保障[1，2]。因沙尘天气及雾霾天气频发，直接暴露于空气中的绝缘子表面易于形成污穢层，使得绝缘子发生污闪事故的风险增加，威胁了高压电网安全稳定地运行。为了进一步研究雾霾环境下自然积污绝缘子表面污秽颗粒物的特性，本文开展自然积污试验，揭示雾霾颗粒物对绝缘子积污的影响，为雾霾环境下绝缘子防污及清污提供参考，为绝缘子积污仿真实验提供依据。

1 雾霾环境下自然积污试验

1.1 试验观测点

本文在位于苏州市姑苏区的苏州大学机物楼楼顶建立了一个单片绝缘子自然积污观测试验点，主要污染源为学生食堂锅炉房排出的烟尘及主干道汽车尾气排放。为了还原正常输电塔高度和避免校园内树木及建筑物对自然风的遮挡，本文将积污试验点建在13m高的机物楼楼顶，积污试验架1.2m高，绝缘子离地面总距离为14.2m，本文自然积污试验点如1所示。对自然风无遮挡，很好的还原了绝缘子在输电塔架的环境。

试验初将清洗干净的XP13-160绝缘子妥善置于观测点处，试验期间仅选择无雨天气将绝缘子置于观测点处，雨天则将绝缘子收回室内，置于干燥无尘的干燥皿内，天晴之后继续放置回观测点处，以避免雨水对绝缘子表面污秽层的冲刷。整个试验为期1个月，试验期间下雨天数共计12天。试验中绝缘子样品为苏州电瓷厂生产的XP13-160绝缘子，其具体参数如表1所示。

1.2 雾霾颗粒物浓度

相关研究表明，随着监测点附近污染源的数量越多，绝缘子表面污秽的沉积量也越严重[3]。因此其监测公布的雾霾颗粒物浓度数据与本文所设观测点处的雾霾颗粒物浓度存在一定差异。因而本文用PMS7003数字式通用颗粒物浓度传感器自主搭建大气雾霾颗粒物浓度监测装置，并对本文绝缘子自然积污观测点附近空间的颗粒物浓度进行了监测。自制的大气颗粒物浓度检测装置如图2所示，该装置由Arduino单片机、PMS7003传感器和电源组成。积污期间观测点附近的PM2.5和PM10的质量浓度部分数据如表2所示。

2 试验结果

2.1 污秽颗粒SEM图

绝缘子表面污秽颗粒物多为雾霾等微小颗粒物，因而本文采用电子显微镜（SEM）进行绝缘子表面污秽颗粒的观察。首先，在绝缘子表面选好污秽颗粒取样区域，在用导电胶带粘取试样颗粒时，以避免用力过大在粘取过程中损害导电胶内部的导电结构，同时也避免试样颗粒被挤压破坏失去原有形状。其次，将粘有试样颗粒的导电胶带做必要处理。最后，将处理好的试样放入电子显微镜观察区域，并截取需要的试样图片。本文采用的电子显微镜为日立热场发射扫描电镜SU5000（见图3），选择绝缘子表面合适的取样区域，制取观测样品，得到扫描颗粒图像如图4所示。

2.2 污秽颗粒物粒径统计

从图4 的电镜扫描图像可知雾霾天气下绝缘子表面污秽颗粒物的微观形貌。在污秽颗粒粒径统计时，虽然扫描电镜可以对污秽颗粒物的某一尺寸进行标注（如图4（a）和（b）），但试验中选取的试样颗粒较多，将显示的颗粒进行标注并进行数学统计，这是一项极其繁琐的工作；由于本试验采用扫描电镜图像来测量污秽颗粒的粒径，所以污秽颗粒物的等效直径采用等效投影面积直径。为了避免繁琐的标记与统计工作，本文采用图像处理方法来进行颗粒物粒径的统计工作。

（a）污秽颗粒电镜扫描图像原图

通过编写的图像处理程序对污秽颗粒电镜扫描图像进行处理，基于大津法（OTSU算法）对图像进行二值化处理，处理前后的图像如图5所示。将处理后的图片再用程序统计污秽颗粒的粒径分布，统计后的数据经过分析，得到污秽颗粒物的粒径分布情况如图6所示。可以得出，雾霾天气下自然积污绝缘子表面90%的污秽颗粒粒径小于11μm，污秽颗粒的平均粒径为3.4μm，污秽颗粒的最大粒径为41μm。由于本文观测点设置在实验楼顶，距离地面有一定的高度，属于半高空，粒径较大且较重的颗粒多处在近地面，自然风不大的情况下很难出现在半高空中。

对污秽颗粒物粒径分布进行概率统计分析，发现雾霾天气下自然积污绝缘子表面污秽颗粒的概率分布的总趋势近似于对数正态概率分布，如图6（a）所示。为了验证这一猜想，对污秽颗粒粒径数据做进一步的统计分析，如图7所示。可以发现颗粒物粒径的对数正态概率百分数与参考线相近，因此猜想正确，污秽颗粒物粒径的总分布趋势近似满足对数正态分布。

3 结束语

本文在苏州大学机物楼楼顶以 XP13-160绝缘子为研究对象进行了为期1个月的自然积污试验。通过自主搭建的大气雾霾颗粒物浓度监测装置，对试验观测点附近空间的雾霾颗粒物浓度进行了监测。利用日立热场发射扫描电镜SU5000采集了污秽颗粒的电镜扫描图像，然后用图像处理方法对污秽颗粒的电镜扫描图像进行二值化处理，接着利用程序统计处理后图像上污秽颗粒的粒径数据，最后分析得到的污秽颗粒物总粒径数据。分析结果如下：

（1）在雾霾天气下自然积污绝缘子表面污秽颗粒物的粒径分布总体趋势近似满足于对数正态分布。

（2）由于观测点位置处在半高空，且在考虑雾霾天气条件下，本观测点处的绝缘子表面90%的污秽颗粒粒径小于11μm，污秽颗粒的平均粒径为3.4μm，污秽颗粒的最大粒径为41μm。

参考文献：

[1]关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006：1-5.

[2]梁曦东，周远翔，曾嵘.高电压工程[M].北京：清华大学出版社，2010：9-12.

[3]杨灏.输电线路绝缘子防污技术研究探讨[J].科技创新与应用，2013（02）：113.endprint