绝缘子表面灰密的测量影响因素分析

燕宝峰，车传强，赵建坤，高思明，曹 彬，赵晨龙，王黎明

(1.内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020；2.清华大学深圳国际研究生院， 广东 深圳 518055)

0 引言

电气设备外绝缘性能的测评需要分析其外表面的可溶性盐和不溶解物质[1-3]。一般利用等值盐密和等值灰密分别表征电气设备外表面污秽程度。等值盐密和等值灰密常用的测量方法为通过取样布将电气设备表面的污秽擦拭下来，溶解到定量的去离子水中，通过测量溶解后的电导率，通过换算得出最终的等值盐密；等值灰密则是通过滤纸过滤溶解后的溶液，对比过滤前后的完全干燥的滤纸重量得出污秽中不可溶解物质的质量，求得等值灰密[4]。

绝缘子表面灰密测量结果的准确性受到多种因素影响，如擦洗的干净程度、滤纸测量时的环境温湿度、滤纸的烘干时间等。由于缺乏细致的测量规范，相同污秽度的绝缘子灰密不同操作人员测量出来的分散性很大。但是目前尚未有人对基于滤纸过滤称量法的灰密测量方法进行系统研究[5-11]。

水质监测相关领域的工作者曾研究过滤纸重量法的影响因素[12-15]。文献[12]中认为酸碱度会影响滤纸重量法的测定结果。文献[13]中提及到过滤物溶解，空气湿度及放冷时间长短会对测量结果产生影响。文献[14]中通过试验，得出冷却时间、可溶物性质、烘干时间、酸碱度、取样量及空气湿度等对滤纸重量法准确度的影响。文献[15]中提出样品采集保存时间、取样量及烘干时间对测定结果的影响。

滤纸重量法是测量电气设备表面等值灰密的一个重要方法[16-20]。其准确度会影响到后续研究的可靠性和真实性，大部分地区，空气湿度较低，滤纸吸水导致的滤纸质量增加非常小，可以得出一个稳定的测量数值。但是在相对湿度较高的环境中，灰密测量过程中，滤纸的吸湿性会对测量结果有较大影响，因此，有必要对其进行相关研究分析。然而目前在相关的外绝缘标准当中，没有对滤纸重量法进行过详细的描述，污秽度较低的绝缘子表面的等值灰密时，不同操作者测量结果分散性很大，难以得出可靠的测量结果,。

为了试验研究灰密测量的影响因素，并供操作人员人进行等值灰密测量时参考。笔者将从滤纸烘干温度、烘干时间、滤纸饱和重量(通过切割滤纸方式设置多个滤纸饱和重量，饱和重量指放置于大气中足够时间使其充分受潮后的重量)及冷却时间(从干燥箱中取出时间)4个影响因素对滤纸质量法中滤纸干燥程度的影响进行研究。

1 绝缘子灰密测量流程

等值灰密的测量使用的是滤纸称重法，主要包括：表面污秽擦洗、滤纸干燥及质量测量、污秽过滤、滤纸干燥、滤纸质量测试等5个环节。测量流程见图1。在进行等值灰密测量时，由于烘干时间，烘干温度，取出时间等均会对滤纸称重的质量造成影响。为减少测量误差，本研究对滤纸称重法的影响因素进行了研究分析。

图1 绝缘子等值灰密测量程序Fig.1 Measurement procedure of NSDD

滤纸称重法需要使用高精度天平、真空泵以及高温烘箱等设备，见图2。电子天平用于称量烘干后的滤纸，精度为1 mg。循环水式真空泵用于加快滤纸过滤速度。真空烘干箱用于烘干滤纸。

图2 滤纸称重法主要设备Fig.2 Main equipment of filter paper weighing method

为了减小试验误差，当制作n个完全相同的试验样品时，利用高精度天平称量“n+1”份污秽，然后利用细毛刷将每份污层定量刷涂于在试片表面，为了减小毛刷上所沾污秽对试验结果的影响，弃用第一个染污的试验样品，然后对剩余n个试验样品进行灰密测量试验。

此外，为保证试品取样的准确性，每次试验时利用3块10 cm×10 cm的采样巾擦洗试品表面污秽。试验时，戴上手套，首先利用第一块采样巾反复擦洗绝缘子表面的污秽，将肉眼可见的污秽全部擦洗下来，然后在利用第2块采样巾，将绝缘表面污秽认真擦洗一遍，最后利用第3块采样巾擦洗试片，最后将污秽全部转移至采样巾上，进行后续分析。

2 正交试验

滤纸重量法的影响因素很多，由于在电气设备外表面污秽测量中分为等值盐密和等值灰密，在测量时需要保证溶解充分，因此可以不考虑污秽对测量的影响，可以忽略酸碱度、可溶物、污秽量的影响。为了能够细化对滤纸重量法的研究，本研究主要对滤纸重量法使用过程中滤纸重量变化影响因素进行考量，即研究滤纸重量法测量时哪些因素将会导致滤纸自身重量变化。此处将会忽略污秽物对滤纸的影响和污秽物受到环境影响所造成的重量测量误差。

滤纸重量法中，滤纸首先进行干燥，测量滤纸重量，过滤，最后进行二次干燥后测量过滤后滤纸重量。此过程中，滤纸将会经历一个润湿然后干燥最后测重的过程。这个过程中，干燥箱的温度，干燥时间会影响到滤纸的干燥程度，进而影响到滤纸的重量。在测量过程中，由于空气中存在水分子，其拿出后的冷却时间会由于干燥后滤纸存在吸水效应，重量会上升，导致测量结果偏大。而滤纸本身的重量必然影响到最终的测量结果。

为此，从干燥箱烘干温度、烘干时间、滤纸饱和重量(通过切割滤纸方式设置多个滤纸饱和重量，饱和重量指放置于大气中足够时间使其充分受潮后的重量)及冷却时间(从干燥箱中取出时间)4个影响因素分析滤纸质量法中滤纸干燥程度的影响。下文将会选取滤纸重量占比(即测量时滤纸重量与滤纸饱和重量的比值)作为试验指标，选取上述4个因素各3个水平，构成4因素3水平共计9组试验的正交表，见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal experiment table comprising four-factor three-level

在此基础上，通过相应的试验，重点分析了上述4因素对滤纸重量占比的影响。首先，测量滤纸在80%湿度下的饱和吸水总重量，然后，将滤纸润湿，放置于干燥箱中，在规定的水平时间取出，放置规定的冷却时间后测量其重量；进一步通过计算得出不同因素和不同水平下滤纸的重量占比。

在整个试验过程中，为了保证试验结果的重复性，需要注意以下3方面内容：

1)为保证试验初始条件一致，需要使滤纸完全浸润，因此将滤纸放入装满去离子水的烧杯当中浸泡10分钟后取出置于干燥箱中。

2)由于干燥箱温度调节需要一定时间才能升高或降低，因此在放入及取出滤纸时注意快速操作。

3)取出时，以打开干燥箱的阀门为冷却时间开始计时，由于时间15 s较短，需要注意保证每一片滤纸取出操作相同，确保测量结果的准确性。

3 试验结果分析

3.1 试验数据统计性分析

根据表1中正交试验因素水平表进行试验9组试验，9组试验所采用的正交试验方案试验结果见表2。试验指标选取烘干后的滤纸质量占比，烘干后滤纸质量占比的高低代表了在灰密测量过程中，滤纸吸水对测量结果的影响，为了保证测量结果的准确性，烘干程度越高，滤纸吸水对污层测量结果的影响越小，因此选择滤纸质量占比最高值所对应的水平作为最佳方案。

从表2可看出，9组试验中的滤纸占比在92.19%～95.77%之间，其中滤纸重量占比最低的为第9组，而滤纸重量占比最高的为第3组试验，二者之间相差超过3%。考虑到滤纸质量占比越高，对绝缘子表面灰密的测量结果影响越小，因此，最佳方案为烘干温度110 ℃，烘干时间为45 min，滤纸质量选择2.294 g(饱和重量)，冷却时间为15 s。

对9组正交试验方案试验结果进行进一步分析，计算参数A(烘干温度)、B(烘干时间)、C(滤纸质量)、D(冷却时间)分别在表1所示的1，2，3三个水平下所对应的正交试验指标K1，K2，K3和极差R，见表3。然后对表3所获得的结果进行方差统计，并利用极差分析后因素影响最小的误差值作为随机因素，进一步分析烘干温度、烘干时间、滤纸质量和冷却时间对正交试验的试验指标的影响，结果见表4。

表3 L9(34)正交试验方案及结果分析Table 3 L9(34) orthogonal test scheme and result analysis

表4 方差分析表Table 4 L9(34) table of variance analysis

根由表4可知，烘干温度和冷却时间显著影响试验指标，而烘干时间在15 min以上时，滤纸重量以及烘干时间对试验指标的影响很小。

据上述结论，为了进一步研究上述影响因素的作用，下面将对烘干温度和冷却时间两个显著影响因素进行单独分析。

3.2 烘干温度

为了研究烘干温度对滤纸质量占比的影响，笔者将质量相近的滤纸放置于干燥箱内，通过控制变量法，分别测量烘干时间为15 min、30 min以及45 min后，冷却时间为15 s的滤纸质量，再计算出最后的滤纸质量占比，结果见图3。

图3 不同烘干温度下的滤纸质量占比图Fig.3 Proportion of filter paper quality at different drying temperatures

不同烘干温度下的滤纸质量占比结果与正交试验得到的结果相符。值得关注的是烘干时间在温度较低时对滤纸质量占比的影响较大，随着温度升高其响应大大减小，当温度达到110 ℃时，烘干15 min和烘干45 min，滤纸质量占比结果已经没有太大区别，且大于110 ℃后烘干温度提高烘干程度提高有限。

3.3 冷却时间

为了研究冷却时间对滤纸质量占比的影响，将1/4滤纸，1/2滤纸及全滤纸放置于干燥箱内，通过控制变量法，测量测烘干温度分别为90℃，烘干时间为45 min后不同冷却时间下的滤纸质量，再计算出最后的滤纸质量占比，其结果见图4。

图4 不同冷却时间下的滤纸质量占比图Fig.4 Proportion of filter paper quality at different cooling time

通过控制变量法得到的结果(图4)，与正交试验得到的结果相符，随着冷却时间的增加，滤纸质量占比增加，且上升速度逐渐减缓，说明测量时间越慢所测得的结果差别越大，因此应该在取出滤纸后尽快进行滤纸重量测量。

4 结论

本研究对滤纸称重法中滤纸质量受空气中湿度影响进行了正交试验，并通过试验结果分析得出以下结论：

1)滤纸质量对试验指标影响很小，也说明了增加滤纸质量会提高吸水量，但不会影响滤纸的吸水性能。

2)烘干温度对试验指标影响显著，说明随着温度提升，滤纸将能够得到进一步干燥。

3)冷却时间的结果与实际相符，放置于大气中时间越长，滤纸质量将会逐渐增大。

4)烘干时间对滤纸的烘干程度影响不大，而通过控制变量法说明了烘干时间在温度较低时影响较大，说明在所选取的3个水平的条件下，烘干时间的影响远小于烘干温度的影响。

为了能在试验中正确测得滤纸的重量，结合上述的分析结果，在等值灰密测量试验中采用温度为110 ℃，烘干时间15 min的标准进行试验，在保证烘干程度下减少试验时间。同时，对每次的滤纸重量测量，均进行3次测量，然后取测量所得的最小重量，以此减少由于操作导致冷却时间区别所造成的测量误差。