北京地区外绝缘表面雾霾积污特征及其影响研究

张睿哲，周 恺 ，叶 宽，蔡瀛淼 ，杨 亮，刘 勇

（1.国网北京电科院，北京 100075；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072）

近年来，由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，持续性雾霾天气频繁覆盖北京地区，成为影响北京电网大气环境的灾害性气象之一。与传统污染物相比，雾霾是由大气中悬浮微细颗粒随空气湿度变化而形成的，是环境污染在一定气象条件下的体现[1-2]。当绝缘子长时间在雾霾环境下运行时，悬浮在大气中的微细颗粒在绝缘子周围形成带有一定电荷的气态溶胶，通过吸附黏结在绝缘子表面形成积污，并且随着大气中硫化物、氮氧化物、温度、湿度的变化而吸附有害气体，使其对绝缘子表面具有更强附着性，导致表面呈现一定电导率，加剧电场畸变，造成输变电设备外绝缘表面发生严重放电乃至闪络跳闸事故[3-4]。持续雾霾天气对北京电网在新形势下的安全可靠运行提出了污染新问题与安全新挑战。

文献[5-8]研究雾霾环境下绝缘子的积污特性，与常规自然积污相比，雾霾天气下绝缘子积污明显增快。文献[9-11]研究了雾霾环境对绝缘子绝缘子性能的影响，随着雾霾持续时间和雾霾电导率相关参数的增长，绝缘子的闪络电压有明显的下降。当前雾霾环境对输变电设备外绝缘影响的研究尚处于起步阶段。

本文对北京地区110 kV及以上输变电设备展开污秽专项测试，并进行污秽化学成分分析、污秽颗粒度分析和微观形貌特征分析，并就绝缘子表面污秽颗粒物来源进行分析，以掌握北京地区绝缘子表面吸附的雾霾颗粒物的理化性质特点，为电力线路防污工作提供理论基础。

1 北京地区积污特点及测试点布置

1.1 北京地区积污特点

北京地区冬季气象主要受冷高压控制，近地面层温度较低，有利于低层空气中水汽凝结形成大雾。同时受地形因素影响，冬季季风在北部山脉受到拦截，不利于污染物扩散。因此，北京地区冬季雾天较多，维持时间也较长。如图1所示，近年来华北地区雾霾天气较2011年明显增多。2015年以前，年雾霾日数持续增加，到2015年后，随着北京政府着手大力整治雾霾，年雾霾日数开始降低，但其仍然维持在一个较高的水平。据文献[12]，朝阳区年平均雾霾浓度为80.6 μg/m3，为二级年均浓度限值的两倍之多。可见北京地区的雾霾状况依旧不容乐观，易引发绝缘子表面快速积污。绝缘子表面在雾霾等天气积累的污层会在大雨等天气后被冲刷掉一部分，因此降水的减少对绝缘子的绝缘性能也是一大威胁。

图1 北京地区近几年雾霾日数Fig.1 Number of smog days in Beijing in recent years

北京地区年平均降水量为600 mm左右，近年来降水量总体呈下降趋势，如图2所示，北京地区降水主要集中在6月—9月，11月至次年3月降水量不足全年降水量的10%，而这个时段正是雾霾天气容易发生的时段，容易出现绝缘子表面污层过度积累，导致绝缘子发生污秽放电。

图2 北京降水量时间分布特征Fig.2 Temporal distribution characteristics of precipitation in Beijing

1.2 测试点布置及测试项目

为测试雾霾天气对北京地区绝缘子污秽程度的影响，本文于2018年开展北京地区现场污秽度专项测试，在10条架空输电线路上，选取10个雾霾日数大于120天具有代表性的污秽度监测点，其均为模拟监测点，统一使用型号为XP型或XWP型的非带电模拟绝缘子串，每串4片绝缘子，将其悬挂至与实际运行绝缘子相同高度。积污结束后仅测量上、中、下（中间随机抽取）3片的污秽度并取平均值，检验雾霾天气对实际运行绝缘子污秽程度的影响。北京地区污秽专项测试选取10个监测点的基本信息如表1所示。

表1 北京地区污秽专项测试监测点Tab.1 Special contamination monitoring points in Beijing

污秽测试点涵盖了海淀、朝阳、丰台、昌平、大兴、怀柔、门头沟等7个区域，测试点所在环境覆盖雾霾严重的城区和郊区两种典型环境，取样方式采用停电取样。10个测点所处环境为公路、高速路、农田，污染来源主要为汽车尾气、粉尘、土壤扬尘、农药喷洒物等。

对绝缘子表面为期一年的污秽，通过发射光谱仪、能谱仪、扫面电子显微镜、激光粒径分析仪进行阴阳离子浓度分析、元素组成、微观形貌和粒径分布进行分析，探究绝缘子表面雾霾颗粒物理化特性，并分析其来源。

2 检测结果分析

2.1 污秽度检测情况

对积污的绝缘子进行取样分析，测试绝缘子表面污秽度。通过检测其等值盐密和等值灰密的数值，绘制污区图，确定是否超出所在区域的污区分布等级，校核绝缘水平，并将本次等值盐密数据与2017年的等值盐密数据进行对比，分析绝缘子表面污秽程度变化情况。抽测结果如表2所示。

表2 污秽度抽测结果Tab.2 Contamination level sampling result

从表2可以看出，2018年10处测试点的盐密范围为 0.025～0.245 mg/cm2，灰密范围为 0.097～1.023 mg/cm2，均未超出所在区域的污区等级，其中，君文一3号测试结果接近所处污区图等级上限，这是因为君文一3号杆塔在五环边，靠近高铁，线下为绿地，考虑尾气污染和农药污染是导致其污秽值较高的原因。雾霾日数超过120天的重度污秽测试点污秽水平并未显著增加。

如图3所示，本次专项测试10个测试点中有8个点的饱和盐密值较2017年减小，2个点的饱和盐密值较2017年增大。分析主要原因在于2018年积污季期间北京地区出现多次强雨雪天气，对绝缘子表面污秽有一定的清洁作用，而2017年积污季期间，北京地区仅出现零星雨夹雪，且主要集中在北部山区，对此次雾霾监测点来说，清洁作用有限。而且相比于2017年，2018年雾霾日数减少，这也是可能原因之一。

图3 2017与2018年雾霾专项测试结果对比Fig.3 Comparison between special smog test results in 2017 and 2018

2.2 雾霾可溶盐阴、阳离子浓度分析

对绝缘子表面污秽物进行可溶性盐的阴、阳离子浓度分析，以探究雾霾颗粒物中可溶性成分的离子构成并分析其可能来源。

图4 北京地区可溶物盐成分阳离子浓度Fig.4 Cationic concentration of soluble salt components in Beijing

图5 北京地区的可溶物盐成分阴离子浓度Fig.5 Anionic concentration of soluble salt components in Beijing

表3 北京地区的可溶物盐成分阳离子浓度Tab.3 Cationic concentration of soluble salt components in Beijing

表4 北京地区的可溶物盐成分阴离子浓度Tab.4 Anionic concentration of soluble salt components in Beijing

阳离子中Ca2+含量较高，来源于建材工业大量使用的砂石、石灰等产生的工业废气。Zn2+含量较多，推测其来源为土壤扬尘、化石燃料燃烧以及汽车轮胎摩擦和橡胶生产等人类活动。Fe2+较多，推测是钢铁工业废气对该地雾霾期间大气污染物成分产生了较大影响。Mg2+为地壳元素，推测主要来源为沙尘暴和扬尘。

2.3 雾霾颗粒物元素分析

为确定雾霾对绝缘子表面污秽颗粒物中不溶性成分的元素组成，对污秽颗粒无机元素特征测试。对外绝缘表面积污后污秽样品的元素分离与检测，对所含无机元素进行定性、定量分析。测试结果如表5和图6所示。

图6 北京污秽样本元素质量分数Fig.6 Mass fraction of elements in contamination samples in Beijing

表5 固体颗粒物元素质量分数Tab.5 Mass fraction of elements in solid particles %

雾霾条件下积污的绝缘子表面的固体颗粒物中不溶物的主要元素有O、Ca、Zn、S、Al、Fe、Si、Mg，不同地区绝缘子试样上采集到的颗粒物的元素组成略有不同，其中O、Ca、Fe、Al存在范围较广且质量分数较高，Si、Mg、Zn、S只在部分地区存在且质量分数较低。

雾霾颗粒物元素组成当中Si、Al元素未在可溶盐阴阳离子中出现，推测存在二氧化硅、氧化铝等不溶物。整体来说，北京地区雾霾天气下绝缘子表面污秽不溶物成分主要为金属氧化物，具体氧化物构成不同地区受当地污染源影响有一定差异，主要有Ca、Al、Fe的金属氧化物含量较多。

2.4 污秽微观形貌分析

图7为扫描电镜观测到的绝缘子表面污秽物样品的形貌特征。可以看出，绝缘子表面污秽中固体颗粒物的微观样貌多样，主要为形状各异的不规则块状颗粒物和长条状颗粒物。颗粒物粒径一般小于100 μm，其中，粒径小于30 μm的颗粒物分布较多。不规则块状颗粒物的表面粗糙，吸附有粒径小于5 μm的细微颗粒物。由于采用的是积污一年的绝缘子，其积污程度较为严重，导致绝缘子表面污层当中小颗粒物聚集、吸附在一起导致颗粒物表面粗糙。

图7 颗粒物微观形貌Fig.7 Microscopic morphology of particles

2.5 污秽颗粒度分析

雾霾粒子的分布比较均匀，从0.001 μm到10 μm，平均直径大约在 1～2 μm，雾霾天气下的PM2.5与PM10的比例均高于非雾霾日。雾霾对绝缘子表面污秽颗粒物粒径的影响还有待研究，本次污秽专项测试对10个点进行了粒径分析，测试结果如表6和图8所示。

表6 污秽粒径分布Tab.6 Distribution of contamination particle sizes

图8 不同累计概率粒径值Fig.8 Particle size at different accumulative probability

根据污秽颗粒物粒径测试，D10和D50结果现象对稳定。D10平均值为5.718 μm，说明90%的颗粒物粒径大于5.718 μm。累计概率50%的微粒粒径为8.17～15.28 μm，平均值11.45 μm。此平均粒径符合空气中可吸入颗粒物PM10的粒径范围，说明绝缘子表面污秽物主要是能长期悬浮在空气中的飘尘黏附形成的，此粒径段也是雾霾粒径的范围，说明雾霾对绝缘子表面污秽有一定的影响。检测到绝缘子表面粒径小于5 μm较少，推测是由于绝缘子表面小粒径污秽物容易吸附到粒径较大污秽物之上。

D90波动较大，不同地区差异较大，总体上＜76 μm。由于粒径大于75 μm主要是建筑施工产生的尘粒，在空气中存在时间短，可见建筑施工对绝缘子表面积污影响很小。绝缘子表面大粒径颗粒物主要是受工业生产、扬尘等活动影响。

3 结论

经过为期一年的对北京地区雾霾天气下绝缘子表面积污程度和理化特性进行检测，结论如下。

（1）本次专项测试共选取10个测试点，雾霾期间均未超过污区分布图污秽等级。其中，君文一3号测试结果接近所处污区图等级上限。君文一3号杆塔在五环边，靠近高铁，线下为绿地，考虑尾气污染和农药污染是导致其污秽值较高的原因。根据污秽测试结果，校核了现有绝缘水平，各测试点外绝缘配置均符合要求。

（3）根据污秽颗粒物粒径测试，累计概率为50%的微粒粒径为 8.17～15.28 μm，平均值 11.45 μm，D90波动加大，为13.28～75.45 μm。绝缘子表面小粒径污秽物在一定程度上受到雾霾的影响。大粒径污秽物主要污秽来源为工业、扬尘等污染；形状各异的不规则块状颗粒物和长条状颗粒物，并吸附有粒径小于5 μm的细微颗粒物。