特殊工业粉尘地区复合绝缘子自然积污特性研究

邵仕超， 毕晓甜， 李明哲 ， 陈杰， 吴笑寒， 陶风波

(1. 清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518000；2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

0 引言

电力系统运行发展过程中，输电线路一直受到外绝缘闪络的影响。污秽闪络是电力系统外绝缘的主要威胁之一，其显著特点是同时多点跳闸几率高。绝缘等级越低，跳闸几率越高，且重合闸成功率小[1—3]。输电线路外绝缘的积污水平显著影响线路的绝缘水平，在特殊工业粉尘地区，大气污秽问题越发严重，且由于污秽成分的特殊性，使得该区域外绝缘闪络风险显著增加[4—7]。

现有输电线路绝缘子积污特性分析大多通过现场测量污秽的盐密和灰密(non soluble deposit density，NSDD)，按照气候和环境条件模拟计算污秽水平[8—15]。但此类方法未考虑特殊地区污秽的特殊性，忽略了污秽中特殊成分对输电线路绝缘水平的影响[16—22]。在某些特殊重工业区、化工区，工业粉尘成分复杂，其中含有较大比例的铁粉及铜粉等金属微粒、碳粉等导电性微粒、糖分等吸水性物质、硫化物等酸性腐蚀性成分，该类工业粉尘对电力设备污闪性能影响较大。运行于该种特殊粉尘污秽条件下的复合绝缘子，表面更容易染污、吸水，进而在极端运行条件下产生局部爬电，对硅橡胶形成烧蚀或酸、碱性腐蚀，极大影响绝缘子的电气性能。

文中对特殊工业粉尘地区运行的复合绝缘子自然积污特性进行研究，通过离子色谱(ion chromatography，IC)、电感耦合等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma emission spectrometer，ICP)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)分析等手段分析绝缘子表面污秽可溶盐成分、惰性污秽颗粒成分。基于分析结果，结合地区特性，对特殊工业粉尘地区复合绝缘子的积污特性进行评估，为线路外绝缘防污的工作奠定理论基础。

1 污秽特性分析

为分析特殊工业粉尘地区输电线路复合绝缘子积污特性，选取江苏某特殊工业园区运行复合绝缘子进行采样与测试。选取具有典型特点的4支复合绝缘子进行检测，绝缘子样品型号均为FXBW-220/120，运行年限为5 a，运行地点周围有严重的化工污染，绝缘子表面存在明显可见的自然污秽。

通过洗刷法对绝缘子表面的污秽进行取样，并对污秽成分进行检测，污秽成分分析方法见图1。

图1 绝缘子污秽成分分析方法Fig.1 Analysis method of insulator dust ingredients

分析内容为复合绝缘子表面污秽盐灰密测试、污秽可溶盐成分分析、污秽不溶物成分分析。绝缘子污秽度检测参照GB/T 26218.1—2010进行，计算等值盐密(equivalent salt deposit density，ESDD)、NSDD分别表征污秽中可溶盐和难溶灰分含量。使用ICP和IC等工具，分析污秽可溶盐成分中的阴、阳离子组成及浓度。使用XPS分析惰性不溶物成分。基于上述检测方法得到该地区复合绝缘子污秽的主要成分，进而对特殊工业粉尘地区复合绝缘子自然积污特性进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 ESDD和NSDD

参照标准GB/T 26218.1—2010，使用去离子水擦洗绝缘子表面污秽，对所得污液进行ESDD和NSDD测算，评估其表面污秽度，检测结果见表1。

表1 ESDD和NSDD检测结果Table 1 Test results of ESDD and NSDD mg·cm-2

由表1可知，所述4支典型绝缘子中，ESDD平均为0.1～0.2 mg/cm2，盐灰比为1∶2～1∶1，说明该特殊工业粉尘污秽地区，污秽中的含盐量较高，相对含灰量较低。分布在绝缘子表面的污秽，肉眼可见的主要成分为灰分及其他不溶成分。因此，在该批绝缘子中，直接观测污秽度不明显的样品，其表面ESDD仍可能处于较高水平，在潮湿情况下将会较大程度削弱绝缘子表面的绝缘性能。

2.2 可溶盐成分

绝缘子表面污秽可溶盐成分检测结果如表2、表3所示。对离子的摩尔分数进行计算，用对应离子浓度求出样品中含该离子的物质的量，再根据不同离子在总样品离子中物质的量的占比，分别求出阴、阳离子的摩尔分数x。

表2 阳离子摩尔分数Table 2 Mole fraction of cation %

表3 阴离子摩尔分数Table 3 Mole fraction of anion %

2.3 XPS结果分析

对污秽过滤后的不溶物进行采样，并进行XPS分析，得到复合绝缘子样品表面污秽的元素组成和含量。由于该种惰性物质的主要成分尚不明确，因此先对污秽成分进行整体全谱分析。在确认相应的污秽大致元素后，对所测得的结果进一步分析对应侧谱，测试相应元素的价态情况及化合物存在形态。XPS分析的各元素成分对应的结合能及其相对强度如图2所示。

图2 XPS谱图Fig.2 XPS spectrogram

由图2可知，污秽的主要成分为碳(C)、氧(O)、硅(Si)3种元素。根据Si原子核外电子的排布特性可知，离原子核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大。同一层中，各亚层的能量按s，p，d，f的次序增强，电子在原子核外排布时遵守1s，2s，2p排列。因此Si原子在XPS谱图中表现出Si2s、Si2p 2种化学态，分别表征Si原子2种不同的最外层电子排布情况。在考虑污秽中Si元素成分时，2种化学态均应纳入考虑。分别对4个样品的XPS谱图进行分析，得到不溶物的主要元素及其占比，如表4所示。

表4 污秽不溶物的主要元素及其相对含量Table 4 The main elements and their relative contents of dust insoluble matter %

由表4可知，污秽不溶物主要元素为10%左右的Si，40%左右的O，50%左右的C。其中1，2号样品中C元素含量较高、O元素含量较低，4份样品中的Si元素成分都较为相近。可以推测污秽中的不溶物成分包含二氧化硅(SiO2)、碳粉等成分。

3 分析与讨论

在特殊工业粉尘地区，污秽会快速从空气中沉降并附着到绝缘子表面，经过一个积污期，绝大部分样品的 ESDD 都超过 0.1 mg/cm2，污秽度较高。而测量结果表明，样品表面盐灰量较低，因此样品表面可视污秽程度不高。

污秽的不溶惰性成分中，主要元素含量为C，Si，O，说明污秽中的灰分主要包含SiO2、碳粉等物质，以及包含部分可溶、微溶于水的氧化物如氧化钙(CaO)等，同时存在一定量的糖类，如(CH2O)n等物质。

4 结论

以特殊工业粉尘地区运行的复合绝缘子为研究对象，研究典型工业粉尘环境中复合绝缘子的积污特性，得出的结论为：

(1) 采用ESDD、NSDD测量判断绝缘子表面染污程度，进一步使用微观分析对特殊污秽可溶物、不溶物成分进行分析，可定性得到特殊工业粉尘地区的复合绝缘子积污特性，且效果较佳。

(2) 特殊工业粉尘环境中污秽自由沉降作用明显，绝缘子表面污秽度普遍较重，污秽的ESDD数值偏高，盐灰比数值较低。污秽中含有数量较大的盐分，而灰分较低，绝缘子表面直观污秽并不明显。

(3) 特殊工业粉尘环境中，绝缘子污秽可溶盐成分主要为微溶的二价盐 CaSO4，复合绝缘子污秽中Na2SO4，K2SO4，MgSO4比例较为明显。自然污秽的不溶物灰分主要元素为C，O，Si，含碳粉、二氧化硅(SiO2)、氧化钙、糖类等物质。

(4) 特殊工业粉尘地区污秽中的不溶物影响复合绝缘子表面的导电性及吸水性，从而影响绝复合绝缘子的绝缘性能。该部分不溶物是特殊工业粉尘地区的绝缘子在使用传统污秽度评价方法时，与其他地区结果存在差异的主要原因。