电气绝缘子污闪的大气物理化学因素作用机理.pdf

Vo I 33 3 J u n 2 O O 9 湖 北 电 力 筮 鲞 箜 翅 2 0 0 9 年6 月 电气绝缘子污闪的大气物理化学因素作用机理 刘绍银 湖北省电力试验研 究院 武汉4 3 0 o 7 7 摘要 根据大气物理化学的基本原理 论述 了绝缘子的积 污 雾的酸化 粉尘粒子及 电解质溶 液的导电性诸 因素的相互作用与绝缘子污闪之 间的关 系 并据此做 出了几项推断 通过此项研究 期望 揭示绝缘子污闪与大气关系的一般性规律 关键词 绝缘子 污闪 大气物理化学 中图分类号 T M 2 1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 3 9 8 6 2 0 0 9 0 3 4 3 0 0 7 0 3 Th e Af f e c t i ng M e c h a n i s m f r o m At m o s p he r i c Phy s i c o c he mi s t r y Fa c t o r t o t he Po l l u t i o n Fl a c ho v e r o f I n s u t a t o r LI U S h a o y i n H u b e i E l e c t r i c P o w e r T e s t i n g a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e Wu h a n 4 3 0 0 7 7 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e b a s i c p ri n c i p l e o f a t m o s p h e ri c p h y s i c o c h e m i s t r y t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o l i o t i o n fla s h o v e r o f i n s u l a t o r a n d t h e f a c t o r s b e i n g i n t e r a c t i r e s u c h a s t he d u s t s e t l l i n g o n i n s u l a t o r s u r f a c e a c i d i c f o g a n d t h e c o n d u c t i b i l i t y o f t h e d i e l e c t ric ma t e ri a l s we r e d i s s c u s s e d Ba s e d o n t h a t s e v e r a l d e d u c t i o n s w e r e ma d e Th e g e n e r a l r u l e s o f t h e i r r e l a t i o n s h i p wo u l d be e x p e c t e d t o r e v e a 1 K e y w o r d s i n s u l a t o r p o l l u t i o n fl a s h o v e r p h y s i c o c h e mi s t r y 1 污闪相关的大气物理化学 1 1 绝 缘子 积污过 程 1 1 1 大 气 中的颗 粒物 大气 中的颗粒物质不仅是由污染源直接排放的 颗粒物产生 而且也 由污染源排放 的某些气体经过 浓缩和化学反应产生 颗粒物的全 面描述 须通过 其浓度 尺寸 化学组成 相态 形态来表述 通常情况 我们把粒径小于 2 5 m的颗粒物 称为 细 颗粒 而将粒径大于 2 5 m的颗粒物称 为 粗 颗粒 在大气中 各种粒径 的颗粒物悬浮其 中形成气溶胶 这些气溶胶按其不同来源分类 可 分为一次粒子和二次粒子 一次粒子指直接从排放 源排人大气中的颗粒物 二次粒子指排放 到大气中 的气态污染物 在大气 中进一步生成颗粒物质 一 次粒子的尺寸可能覆盖所有 的大气中的颗粒物 但 二次源产生的粒子主要为亚微细粒子 在大气 中 由于物理化学的作用 粒子的尺寸会发生不断的变 化 这种变化 的过程主要是由粒子之间凝 聚和进一 收稿日期 2 0 0 9 0 3 3 1 作者简介 刘绍银 1 9 6 1 一 男 河北魏县人 高级工程 师 博士 步以细粒子为核心 的结晶 在近地层 大气 中颗粒 物的 自然除去过程是由于颗粒撞击地面或撞击其他 物体的表面而被捕集 对于高度在 1 0 0 m高空以上 的颗粒物质 其主要的的去 除机制为湿沉降 在 大气 中 细粒子 由于其表面积大 因此 其特性表现 为更容易凝聚和表面附着 不同尺寸的颗粒物其化学组成有较大 的差异 细颗粒 中 占优 势地 位 的成分 主要 是 s O 一 N H 4 N O P b C 粗颗粒主要 由物理机械过程产生 其组 成主要 为人造或 自然 的粉尘颗 粒 其 化学组 成 以 F e C a s i N a C l A l 为主 1 1 2积 污的过程 颗粒物在绝缘子表面的积污过程从其机理上可 分为 3个步骤 第 一步是颗粒物通过表层 到表面临 近层 的传递 此层的传递控制 主要受紊 流扩 散控 制 常称为空气动力学步骤 第二步是颗粒通过临近 表面的层流层到绝缘子表面的扩散 该步骤可称为 表面层扩散步骤 最后一步是绝缘子表 面对颗粒物 的捕集和束缚 此步骤决定了颗粒物最终能否黏附 在绝缘子表面上 黏附在绝缘子上的颗粒物依靠颗 粒物与表面之间的作用力 这种力可能是重力 物理 吸附力或其他力 在上述三个步骤中 第二步的层 流层虽然仅有 0 1 0 O 1 c m厚 但通过该层 的扩散 7 箜 鲞笙 2 0 0 9年 6月 湖 北 电 力 V 0 I 3 3 3 J u n 2 o o 9 对于整个颗粒物的沉降速度起着至关重要的作用 对于绝缘子上表面和下表面 其表面特性和气 流的状态有很大不同 对于上表面 由于在颗粒物 最终沉淀的步骤中 重力的作用 常有粗颗粒物的沉 积 但也经常会受到风的影 响而使其 吹落 上表面 上沉积的颗粒物还常受到雨的冲刷作用 雨的冲刷 作用使大颗粒被冲掉 可溶解的盐分流失 因此雨后 的绝缘子表面残余的颗粒物多以难溶的细小颗粒为 主 对于小雨后水雾 的作用 多由于增加了绝缘子 表面与颗粒的结合力 从而使绝缘子更容易染污 对于绝缘子的下表面而言 由于其表面容易形 成涡流 利于粉尘粒子的滞留 但由于在最后一步的 重力因素丧失 因此在粉尘达到绝缘子表面时 只能 以物理吸附力与绝缘子表面结合 这对细颗粒粉尘 更有意义 所以在绝缘子的底部主要 以细颗粒粉尘 为主 此外 由于绝缘子底部受 风和雨的冲刷作用 相对较弱 因此大雨对此处并不能起到清洗的作用 对于直流绝缘子 由于直流 电晕而使周 围粉尘 荷电产生离子流 这种带电的粒子与绝缘子表面增 强了结合力 同时也使粒子在通 过绝缘子表面 的层 流层时速度加快 因此相较于交 流绝缘子积污量会 大些 2 j 但是 粉尘所带荷 电量由于绝缘子 的绝缘 特性不能被有效释放 当粉尘集聚到一定量后 由于 反电场的作用将阻止带 电粒子继续 向表面聚集 此 后 由于静电力的作用将会减弱 其他非带电粒子的 沉积依然存在 1 2 酸雾的形成过程 雾对于电气外绝缘特性的影响很大 常常导致 外绝缘失效 虽然导致 电气外绝缘失效 的因素很 多 但雾本身以及其与绝缘子污秽之间的化学作用 常成为至关重要的因素 由于大雾的特殊化学作用 机理 有时甚至单一的雾 的作用 有可能会导致外绝 缘的失效 因此 了解雾 的形成 研究其在大气 中的 物理化学变化过程 对于揭示外绝缘失效原 因有较 大帮助 1 2 1 雾的形成 如果地面附近的空气相当潮湿 当温度降低到 一 定程度时 空气中的部分水汽就会凝结 变成很多 小水滴 悬浮在靠近地面的空间里 如果靠近地面的 空气层里的小水滴 多了 能见度低 了 这 就形成 了 雾 秋冬的清晨气温最低 便是雾最浓的时刻 当 太阳升起后 由于温度的升高 小水滴或小冰晶又变 成水汽或降落到地面 雾又渐渐消散 雾 的持续时 间长短 主要和当地气候干湿有关 一般来说 干旱 8 地区多短雾 多在 1 h以内消散 潮湿地区则以长雾 最多见 可持续 6 h左右 1 2 2 雾的酸化过程 大气 中主要的酸性气体为 S O 和 N O 其主要 来源是 由燃用化石燃料产生的 在大气条件下 这 些酸性气体可 以转化为酸 在气相条件 这些酸性 气体与大气中的 O H 自由基作用通过如下反应生成 酸 SO2 OH H2 S O4 NO2 OH HNO3 因此气相条件下 S O 和 N O 的转化速率依赖 于大气 中 O H 自由基 的浓度 有研究指 出 通过上 述反应 S O 转化速率在每小时 0 7 夏季 条件 到 0 1 2 冬季条件 之间变化 N O 转化率在每小 时 6 2 夏季条件 到 1 1 冬季条件 之间变 化 由此可见 在气相条件下 N O 的转化速率远 远大于 S O 的转化速率 同时说明 S O 在大气条件 下扩散的更远 而 N O 引起 的酸沉降更接近于排放 源的附近 在液相条件下 S O 和 N O 通过如下反应生成 酸 SO2 H2 0 HS 03 H HS O3 02 H2 S O4 NO2 H2 0 HNO3 上述反应在液相中进行的速度很快 但是在排 放源排 出的污染物中 N O 的主要存在形态为 N O 而 N O 通常条件下只有大约 5 N O在没有光化 学作用 的条件下 N O转化为 N O 几乎无法完成 雾 的形成 首先吸收 了大气 中形成硫酸和硝酸 微粒 同时为上述反应提供 了液相条件 可以想象 在雾的酸化过程中 起初是由大气中酸粒子起作用 而后主要受到 S O 转化为酸的影响 雾 的酸化程度可通过雾的 p H值得到反映 研 究者 曾对美国加利福尼亚南部 的雾的 p H值进行 过研究 其 p H值在 2 3之间 有时在极端情况下 低至 1 7 有研究表明 雾的 p H值与雾的时间关系 密切 在雾的初期 各种酸性物质的含量很高 这可 能与雾 中水的含量不足所致 随着雾的发展 水含量 的提高 雾中化学组分存在一个被稀释的过程 进一 步的持续雾 当水分稳定时 由于 S O 的转化作用 雾的p H值有进一步降低的可能性 值得注意的 是 在雾开始消散时 空气被加热蒸发 雾中水分急 剧降低 雾的酸度进一步提高 p H进一步下降 这 种作用可能在绝缘失效方面的影响可能是非常重要 V 0 I 3 3 3 J u n 2 0 0 9 湖 北 电 力 箜 鲞 箜 塑 2 0 0 9 年6 月 的 1 2 3 绝缘子的雾附着 大气中雾发生在近地层 正好是各种 电气外绝 缘 的工作高程 雾在绝缘子上的附着力远远大于粉 尘 而且雾 的附着特性表现为全方位附着 且相对较 均匀 正 由于此 绝缘子 的形状 特征无法改变绝缘 子上雾的附着 防污绝缘子对雾 的附着也无 法起作 用 雾在绝缘子上附着对污闪的作用表现为 一是 对绝缘子污秽的湿润 二是与绝缘子上污秽发生化 学作用而改变其导电特性 这种对导 电特性改变可 能对绝缘子污闪起着决定性作用 2 污秽导 电特性 2 1 粉尘的导电性 粉尘层的导电性取决于表面和容积两方面的因 素 表面导电的电荷是 由吸附在尘粒表面上的水分 和化学膜传递的 这些膜 由于吸附现象 常与尘粒 内部的物理化学性质不同 容积导电是指通过尘粒 内部的电荷运动 它取决于尘粒 的成分和温度 很 显然 容积导电还与一些辅助因素有关 如尘层 的紧 密程度 尘粒的大小和形状及表面性质等 在 自然界 中 绝缘子表面上 的粉尘总是要吸附 空气中的水分的 因此正常情况下的绝缘子漏电现 象主要是 由表面导电引起 这一现象已被广泛进行 过研究 粉尘的容积导 电有离子导电和电子导电 主要 与粉尘的组成相关 研究结果表明 J 在温度较高 时 粉尘的容积导电是由其 内部电子激发而引起 的 此时的容积导电随温度的升高而急剧增加 对于绝 缘子表面 当产生局部过热 时 闪络的过程 中 此项 导电作用 占主导地位 2 2 离子的导电性 绝缘子表面集 聚的粉尘在雾或小雨天气条件 下 由于粉尘湿润后其 中的可溶盐呈离子状态存在 于绝缘子表面的水膜 中 更有甚者 酸雾 可能导致 粉尘中不溶于水物质的溶解 从而使溶液 中离子的 成分更加复杂 导 电性进一步增强 已如前述 雾的 湿润和雨不同 其表现为全面湿润 当绝缘子的湿 润过程完成后 表 面水膜就成 了电解质溶液 这一 溶液的导电性在雾 的酸化过程中不断发生变化 在 电解质溶液中 导电是 由离子的迁移完成的 溶液的组成不同其导电特性有很大不同 溶液中各 种离子的导 电性能有很大差异 通常情况下 纯水 的导电性很差 几乎可以认为是很好 的绝缘体 描 述溶液中离子的导电性通常是用离子的摩尔电导来 表述 其单位为 c m n m o l 表 1中列出了几种常 见离子的摩尔电导值 表 1 几种常见离子的摩尔电导 c m Q m o l 由表 1可见 各 种离子 的导 电性 不 同 但除去 H 和 O H一 之外 其他离子导 电性差异较小 H 的 摩尔 电导是其他离子的7 8倍 已如前述 当绝缘 子附着酸雾时 p H可能很低 即 H 的浓度可能达 到很大 加之其摩尔电导如此之大 足见其在电气外 绝缘失效 中作用 前 已述及 在绝缘子上下表面的积污不 同 下表 面常以细粒子为主 而细粒子通 常比粗粒子的可溶 盐成份高 因此 在雾湿时 其提供的导电能力更强 此项推理已有现场实际监测数据所证明 3 几种 推断 3 1 防污绝缘子不能有效防止雾引起的闪络 防污绝缘子通过改变其形状特征 提高其防污 能力 根据前述的理论推测 此种绝缘子在粉尘染 污上能够起到一定作用 但在雾引起 的闪络 中无法 起到作用 有时甚至可能更糟 3 2 绝缘子清扫对雾引起的闪络可能失效 在长时间浓雾 且伴有环境污染的地区 由于雾 的酸化大大提高了附着在绝缘子表面上的水分的导 电性 可能无需任何其他污秽 的存在便可导致绝缘 子闪络 引起绝缘 的失效 这种情况对我 国北方地 区具有更大的可能性 因此 在此情况成为可能时 绝缘子清扫将无济于事 3 3 农村 清洁 地区的污闪 在看似 清洁 的农村地 区 由于大气气态污染 物的远距离输送 大气 中生成的二次粒子的存在对 绝缘子产生污染 这种污物的特征从表面上看并不 很严重 但正如前面所言 细粒子在湿润状态下 可 溶成分较多 加之 清洁地区 防污闪的等级较低 下转第 1 2页 9 箜 鲞笠 2 0 0 9年 6月 湖 北 电 力 V 0 1 3 3 3 J u n 2 0 0 9 表 2 1 9 9 8 2 0 0 7湖北 电网各地区落雷数据一览表 线路绕击2 o 0 7 雷害雷害密度 次数比率 个 2 2 0 2 2 0 k m k V k V a 黄石 4 1 1 8 1 9 5 3 0 1 7 0 1 7 1 2 6 4 4 6 8 3 2 6 4 2 O 咸宁 3 7 2 0 3 7 7 1 8 3 2 1 8 6 2 4 5 6 5 6 4 4 2 6 4 1 0 宜 昌 3 6 3 0 7 7 6 2 2 5 2 7 6 2 3 5 9 3 6 5 2 6 1 8 7 3 4 随州 3 0 4 3 3 0 0 9 5 2 5 5 3 4 1 8 2 0 4 5 7 8 2 3 8 4 荆 门 2 9 04 3 6 2 4 l 2 9 2 1 0 2 0 8 5 8 5 6 6 2 2 9 5 襄樊 2 8 5 1 5 7 3 1 8 4 9 2 4 0 3 5 8 7 3 5 9 2 2 4 7 1 9 鄂州 2 6 8 l 4 5 3 9 4 1 7 0 3 2 6 2 6 5 2 2 8 8 1 孝感 2 4 8 3 2 2 6 0 2 1 8 5 9 6 1 3 1 2 8 5 8 5 2 3 2 2 黄 冈 2 4 1 2 4 3 1 9 6 3 7 0 8 1 2 6 9 0 0 6 1 7 2 4 7 1 1 武汉 2 3 5 7 2 0 9 7 7 1 7 9 6 8 1 3 3 3 0 6 1 1 2 5 2 2 1 荆州 2 2 7 4 4 9 3 4 4 3 9 0 8 5 2 9 3 3 1 6 1 5 2 4 0 1 2 十堰 1 2 2 2 2 9 4 3 3 2 3 5 1 4 1 6 l 1 7 5 7 0 2 1 8 6 全省 2 3 4 7 4 3 5 8 0 3 3 7 6 3 4 5 2 6 8 9 3 7 5 9 0 2 2 6 1 4 5 5 5 0 1 O 0 o 9 O O 9 0 3 0 5 4 5 3 4 6 5 6 6 7 4 2 8 8 5 7 1 5 3 2 7 5 5 O 4 1 6 8 0 o o 7 7 2 3 0 O 0 4 5 8 9 6 3 6 6 2 8 5 5 2 6 4 7 7l 9 O 9 4 4 4 3 4 0 0 1 5l O 5 9 3 4 23 1 注 回 击 数 1 0 6 湖北 电网防雷等级划分 近年来 许多地 区已开展利用雷电定位系统的 数据 绘制电网防雷分级 图工作 将雷害分为少雷 中雷 多雷 强雷 4个等级 湖北电网防雷等级划分 推荐标准见表 3 其中落雷密度 1 0和 6 0个 k m a 分别对应于 l 5和7 2个雷电 日 考虑到湖北省 不存在超过 9 0个雷 电 日的县级区域 以及 2 0 0 7年 4个地区的落雷密度超过 6 0个 k m a的现实 建 议将 6 0 i k m a定为划分强雷 区的判据 以期 提高湖北电网地域抵御强雷电灾害的能力 依据雷 电定位系统的一般精度在 1 0 k m 将线路走廊宽度 定为 2 k m 变电站周边区域半径也定为 2 k m 绘图 单位面积可定为 4 k m 绘制 出湖北 电网雷害分级 区域分布图 表 3 湖北 电网防雷 4级划分 个 k m a 目前 湖北电网的电力设备防雷能力一般都满 足中雷区的要求 因而 下一步主要是从 级起开始 分级分段加强防雷措施 将线路走廊 内和变电站周 边区域内有落雷密度 6 0个 k m a分别定为强 雷害易发线路和强雷害易发站 从设计到运行都相 应提高防雷标准 对线路提高防雷标准应针对不同 区段 的防雷等级 区别对待 优化资金投入量 7 结论 1 9 9 8 2 0 0 7年间湖北电网雷 电定位系统 的数 据表明 全省年最大落雷密度为 4 2 3 1个 k m a 年均落雷密度为 2 3 4 7个 k m a 湖北 地 区年 均落 雷 密度 最 大 的地 区是 黄 石 4 1 1 8 k m a 最小 的地 区是十堰 落雷密度超 过 3 0爪 k