基于盐碱沙尘地区的接触网绝缘子污闪预警的研究

王 惠,王思华

(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730070)

电气化铁路接触网绝缘子是牵引供电系统的重要构成部分，其性能的优劣直接影响到整个牵引供电系统的安全可靠运行。对于暴露在户外的绝缘子来说，沙尘气候是极端恶劣的工作环境，严重影响了绝缘表面的积污浓度。随着中国北方地区咸盐水湖泊与盐沼陆续萎缩干涸，形成了一种局部地域盐碱沙尘天气发生系统[3]，使得沙尘天气对牵引接触供电网的影响不再仅仅是“物理威胁”，而是以其自身具有的化学性质来影响接触网的运营安全。

国内外专家对盐碱沙尘源区的形成及其影响作了大量研究。文献[4]研究归纳了盐碱尘暴的风蚀规律，得出了离干涸湖底距离越远，盐碱沙尘暴的发生率、强度、降尘量越低的规律；文献[5]对干涸湖底区域含盐粉尘的沉积通量和物质组成进行了详细研究，得出干盐湖下风向受影响区域的大气降尘量以及大气降尘中的含盐量。当前针对盐碱地的研究方向大致都从风蚀强度、风运堆积等方面着手，对接触网的影响仅提出绝缘子表面覆盐度较高，易污闪，并没有进行定性分析。还有学者以细沙量、硅藻土量、NaCl量比值为6∶6∶1的构成比例模拟了戈壁、盐碱地域内固体颗粒物在绝缘表面的积污规律[6]，但未能考虑盐碱沙尘源区对下风向区域影响的差异性。

本文在前人研究的基础上，根据盐碱地区沙尘天气下干涸湖底源区对下风向区域不同的影响，结合接触网绝缘子在沙尘天气下的积污特性，通过建立的绝缘表面积污简化模型，得出污秽颗粒的碰撞吸附判据。在污秽源区风运特性和受影响区域气象条件的双重影响下，分析含盐沙尘天气对接触网绝缘子绝缘性能的影响。依据绝缘子表面沉降污秽颗粒的累加性[7]，结合预报的恶劣天气来临时间，正确定位和筛选出可能污闪的绝缘子元件，在恶劣天气来临之前对绝缘子清扫除污，减少污闪事故的发生频次。

1 盐碱地区对接触网绝缘子的影响

1.1 盐碱地概述

盐碱地在我国分布广泛，占可利用土地面积的4.88%[7]，其中盐湖区域干涸表层的土壤含盐量高达40%，盐碱化尤为严重[8]。新疆是我国最大的盐湖成盐区，面积高达10 789 km2[8]。由于区域内气候干旱，多风沙，少降水，蒸发量为降水量的十到数百倍，因此盐湖多数处于干盐湖发展阶段，盐碱化现象严重，受风蚀作用影响形成含盐沙尘天气[9]。

1.2 干涸盐湖对兰新铁路接触网绝缘子的影响

乌鲁木齐至阿拉山口的北疆铁路段是兰新线的重要组成部分，沿线分布有多个盐湖(艾比湖、小盐湖、艾丁湖等[9])，其中有140 km铁路沿艾比湖西南边缘通过，80 km处于阿拉山口大风主通道。干涸的湖盆离铁路只有2 km左右，继而加剧了绝缘子的污秽程度，增加了绝缘子的污闪风险。小盐湖附近的盐湖站/盐湖西站地区也曾在2013年～2015年在春融季节前后均发生跳闸事故，严重时一晚上跳闸次数多达57次。

虽然复合绝缘子防污性能更佳，但是在紫外线很强的北疆地区极易老化，故该地区大多还是采用瓷绝缘子，绝缘表面经过不断地刮风积尘、受潮后，就会形成较厚的污秽层。在恶劣气象条件下(如大雾、毛毛雨、小雨、融雪)，污秽层中的电解质吸收空气中的水分溶解导电，极易造成污闪。若再遇到沙尘暴天气和沙尘暴过境之后常伴随的降水天气，那么在积污到污闪之间就几乎没有时间采取任何防污措施。

为了避免持续干旱期间积污量累积较多，遇恶劣天气便污闪的情况，建立接触网绝缘子表面积污简化模型，计算绝缘子表面累积积污量，分析污秽含盐量，由此推算出各站点的污闪预警时间来安排除污工作是很有必要的。

2 污秽颗粒积污模型

2.1 污秽颗粒与绝缘子表面碰撞前运动分析

大气污秽颗粒受气象因素等影响，主要经历自由沉降阶段、边界层沉降阶段和碰撞吸附阶段来附着在绝缘子表面。

在自由沉降阶段时，颗粒经过一定的时间在竖直方向上受力平衡，以终点速度开始作匀速运动。竖直方向的终点速度如式(1)所示

(1)

式中，g为重力加速度，9.8 m/s2；dp为污秽颗粒的直径；ρp为污秽颗粒密度2.32×103kg/m3；μ为动力黏度，取1.8×10-5Pa·s。

在边界层沉降阶段时，各粒径颗粒在竖直方向的速度几乎没有变化，与其在自由沉降阶段的终点速度一致。

经上述分析，在碰撞吸附过程之前，颗粒竖直方向的末速度与污秽颗粒粒径的平方成正比，如图1所示。

图1 污秽颗粒竖直末速度随粒径变化

2.2 污秽颗粒在绝缘子表面的碰撞吸附过程

入射、碰撞、出射吸附是颗粒在绝缘表面碰撞的必经阶段。在第一阶段中，颗粒射向绝缘表面的速度为V0，竖直方向的速度Vy0与自由沉降阶段的终点速度相同，如图2所示；在第二阶段中，当颗粒在绝缘子表面形变量最大时，Vy1=0，然后颗粒在沿法向朝相反方向运动的同时恢复形变，如图3所示；第三阶段中，颗粒如果能克服水膜产生的吸附力，则完成出射，否则将吸附于绝缘表面，如图4所示。

颗粒运动过程中，在法向上的受力表达式如下

(2)

图2 颗粒入射壁面阶段

图3 颗粒碰撞壁面阶段

图4 颗粒出射吸附阶段

(3)

(4)

(5)

式中，FW为VanderWaals力；Fc为毛细力；R为颗粒半径；H为VanderWaals常数，在空气中的H为H1=10.38×10-20J，在水中的H为H2=1.90×10-20J；a为两物体表面间距，a=0.25 nm；γ为水的表面张力，γ=72.50×10-3N/m；h为水膜厚度；rk为Kelvin半径；Vm为室温下水的摩尔体积，Vm=1.080 4×10-5m3/mol；Kc为标准状态下的摩尔气体常数，Kc=8.31 J/(mol·K)；T为华氏温度；cRH为相对湿度；em为单层水分子在饱和条件下的等效厚度，em=0.14 nm；cB为BET系数，BET系数cB=5。

由式(2)～式(5)可得出，温、湿度都会影响毛细力和范德华力的大小。因此在考虑吸附条件的同时还需考虑温、湿度对其的作用。

2.3 污秽颗粒吸附判据

颗粒和绝缘表面接触过程中的能量损耗主要由碰撞损耗构成。颗粒竖直方向的速度关系见下式[10]

Vy2=eVy0

(6)

(7)

式中，e为恢复系数；σs为屈服极限，σs=200 N/mm2；m为颗粒的质量；V为正碰相对速度，V=Vy0；E=6.40×1011Pa。

若颗粒可以出射，则颗粒在水平方向的速度满足Vx3=Vx2，可得下式

果蔬运输系统网络结构主要由3部分构成，感知网络、通信网络(包括移动通信网络和互联网Internet)和网管中心，如图3所示。

(8)

Wa=Fw(amax-amin)+Fc(h-a0)

(9)

式中，Wa为颗粒克服壁面水膜的吸附力所做的功；amax为VanderWaals力的最大值，amax=0.4 nm；amin为VanderWaals力的最小值，amin=0.165 nm；a0为物体的接触距离，a0=0.1 nm。

由以上分析得出颗粒法向出射速度公式如下

(10)

若颗粒的动能大于克服吸附力所做的功，则颗粒不能出射，然后沿绝缘表面运动，运动距离相较于绝缘子表面盘径可忽略不计。

如图5所示，在条件1(湿度20%，温度0 ℃)和条件2(湿度70%，温度25 ℃)两种边界条件下画出了各粒径颗粒克服绝缘子表面吸附力做的功和颗粒动能的曲线关系。在温度为0～25 ℃、湿度为20%～70%的条件下，可吸附颗粒最大直径在32～42 μm变化。

图5 绝缘子表面污秽颗粒的粒径范围

2.4 绝缘子表面累积积污量以及灰盐比

2.4.1 累积积污量

污秽源区的下风向地区积污速率高，短时间内就可在绝缘表面积聚较厚的盐土层，遇恶劣天气污闪的可能性极高。由于资源限制，并不能对每个支柱的绝缘子都安装监测设备，且现在常用的由泄漏电流检测仪来预防污闪的方法在持续干旱地区并不能有效发挥其作用，因其受干扰较多，且在预警信号发出到现场发生污闪之间没有足够的时间对绝缘元件进行清扫。因此，可采用动态积污模型来获取累计积污浓度值。

式(11)便可积分获得在持续干旱期间绝缘表面的累积积污量。

(11)

式中，ρSAND为绝缘子在受含盐沙尘天气影响下的单位面积内的污秽沉积浓度；C(t，dp)为粒径为dp的颗粒在t时刻的污秽浓度，可由《沙尘暴天气监测规范标准》获得；Vy0(dp)为粒径为dp的颗粒竖直方向上的沉降速度。

2.4.2 各地区灰盐比

常用沿海地区的盐密度较高，取灰盐比ke为2～3，内陆和高原地区灰盐比ke为4～10，但由于接触网绝缘子的安装高度较低，跨越距离大，沿线所经地区污染源种类多，因此，不能简单由一个固定的灰盐比来等值于整个受盐碱沙尘影响区域的接触网绝缘子表面污秽成分比例。可通过监测点获得的降尘量以及降尘含盐量百分比来插值获得各站点的灰盐比，由式(12)算得ρESDD和ρNSDD，使得对各站点的预警信息更为精确。

ρSAND=ρNSDD+ρESDD

(12)

3 污闪预警

绝缘子在遇恶劣天气时发生污闪的先决条件是绝缘表面累积了足够的污秽颗粒，IEC标准也划分了相应的污秽等级。由年度盐密测量平均值和运行经验便可获得污区分布图，但因兰新线受艾比湖下风向影响区域气候情况变化幅度大，在测量期间获得的数据并不能确切的反映每个时刻的积污变化，因此年度盐密均值难以反映实际污级，绝缘设备厂家、运行单位常用污区分布图来制定爬电比距，且现阶段对气象条件和地理因素的系统分析较少，因此在盐碱沙尘地区内仅通过污区分布图来确保接触网的安全稳定运行是远远不够的。

由于大多数污闪发生在旱期后出现的大雾、毛毛雨等恶劣天气下，且此种天气的来临时间均可准确预测。故可通过本文提出的持续干旱期间的污秽颗粒累积积污量和不同站点的降尘含盐量来计算出各时段的耐压值来进行预警。以XP-160为例，前人由大量的人工污秽实验得出此型号单片绝缘子污闪电压公式为[11]

(13)

由持续干旱期间内绝缘子表面的累积积污量以及各地区的灰盐比计算出当前时间绝缘子的耐压值，当计算值高于绝缘元件设计的耐压值的10%时，开始预警。预警发出之后，可关注气象预报信息，在恶劣天气预报时间到临之前，合理安排天窗时间，采取防污闪措施。

4 算例分析

以艾比湖为例，将其东南路经风向所影响的区域做为研究对象，分析盐碱沙尘天气下接触网绝缘子绝缘性能的受影响程度。

由沿途距被影响区域较近的9个气象台收集的气象信息，插值得到受盐碱沙尘天气影响的兰新线沿途铁路站点的气象条件。表1为具有代表性的几个时段数据，可看出天气现象并不与距污染源区的距离成正比，与气象信息和地表条件相关，具有随机性。

表1 各气象台发布的能见度信息 m

由小时温湿度以及能见度确定的最大可附着颗粒直径，以及《沙尘暴天气监测规范标准》中的对应关系，可获得污秽颗粒在空气中的浓度值，见表2。由于强沙尘暴和特强沙尘暴发生次数极少，且对接触网的影响以对输电线路的风力破坏为主，本文不做分析。

表3列出了艾比湖下风向4个不同监测点的粒径分布，由于各地含盐沙尘粒径分布含量相差不大，可取平均值。

表2 沙尘天气等级对应关系

表3 粒径分布百分数 %

由表3数据拟合出颗粒粒径分布函数，如图6所示，粒径小于10 μm的颗粒占38%，但其在竖直方向上的速率增幅却不大，保持在0.01 m/s以下(图1)，相较于竖直速度为0.1 m/s，直径为40 μm的颗粒而言，粒径小于10 μm的颗粒含量高，且在单位时间内的沉积通量小。若不区分各粒径污秽颗粒的含量，将各粒径的百分比均分，则得到的累积污秽量定会大幅度增加。

图6 污秽颗粒粒径累计分布

由式(11)算得精河站与博乐站从2011年2月28日到3月14日15天的累积污秽量，如图7所示。期间无降水，湿度保持在20%～70%，符合绝缘子表面累积积污但不发生污闪的条件。

图7 站点累积积污浓度

相较得出，虽精河站和博乐站在此期间各小时能见度与温湿度相差较大，但以日累积量来计，两站积污量浓度相差不大，精河伊里生站累积积污浓度却相差很大，可以解释为精河站虽然距污秽源区比博乐站远，但是其周围有露天盐场、次生盐碱地等附加供尘区，因此在总体积污量上高于距源区较近的博乐站。伊里生站离源区较远，且周边附加供尘区相对较少，所以与精河站累积积污量相差较大。

由下风向监测点的大气降尘含盐量插值得出所需站点的含盐百分比。由图8可看出，此方法可以精确到每个支柱所对应的含盐量信息，可更为精确地定位预警元件。

图8 各经纬度降尘含盐量

插值得出各铁路站台地区的降尘含盐量，见图9，含盐量相差较大，与艾比湖干涸盐漠相关，也取决于站台周边的附加供尘区，还取决于气象条件，本文降尘含盐量以月降尘量来等值日值数据。

图9 由监测点数据插值得到各站点含盐量

本文以XP-160为例，由各站台的降尘含盐量将ρSAND分为ρESDD和ρNSDD，由式(13)计算得出单片绝缘子的污闪电压，见表4。3个站台都处于e级污秽等级，则由IEC60815的标准可得此时的USCD值需在55以上，按60计算，XP-160的单片耐压值为5.1 kV。设高于耐压值10%为预警值，将在预测值为5.61 kV时预警。精河站累积积污导致耐受电压达到5.61 kV的时刻为3月11日23时，而博乐站在受盐碱沙尘气候影响且持续无降水的15 d内，虽然单位面积的降尘量与精河站相近，却因灰盐比的差异没有达到污闪的预警值，与3月14日有降水导致精河站在凌晨4时发生污闪而博乐站没有发生污闪的事故相吻合[12]。

表4 污闪电压预测值

由以上分析可知，本文的方法是有效可行的。既可以利用易获得的气象站数据来建立污闪预警系统，减少资源输出，又可以充分考虑气候的大幅度变化和地域环境的差异对绝缘表面积污的影响，能更加适用于盐碱沙尘地区的污闪预警系统。

5 结论

(1)在含盐沙尘天气频发的地区，积污速率高，可根据实时气象信息和各地区的降尘含盐量，通过绝缘表面污秽沉降简化模型来获取各站点的动态积污数值，解决了干旱地区测量设备误差大且耗费高的缺点。

(2)依据各站点的动态积污数值，可通过各型号绝缘子污秽实验得出的污闪电压公式，来获得在各时刻积污条件下是否能达到绝缘子的耐压值，发出预警信息，同时对绝缘元件的调爬提供了计算依据。

(3)预警发出之后，可关注气象预报信息，合理安排天窗时间，采取防污闪措施。利用现有资源，实现从计划除污到状态除污的转化，减少人力物力的输出。

[1] 蒋兴良，舒立春.电力系统污秽与覆冰绝缘[M].北京：中国电力出版社，2009：6-25.

[2] 关志成，刘瑛岩.绝缘子及输变电设备外缘[M].北京：清华大学出版社，2006：43-67.

[3] 杨劲松.中国盐渍土研究的发展历程与展望[J].土壤学报，2008(5)：837-845.

[4] 李耀中，董新胜.新疆疆南电网大面积污闪事故原因分析及防污措施探讨[J].新疆电力技术，2011(3)：6-8.

[5] 刘东伟，吉力力·阿不都外力，周刚，等.新疆艾比湖地区盐尘的沉积通量及其物质组成[J].冰川冻土，2014，36(2)：352-359.

[6] 贺博，陈邦发，高乃奎，等.沙尘微粒在硅橡胶绝缘材料表面的沉降模型[J].西安交通大学学报，2009，43(12)：86-90.

[7] 刘东伟，伊塔娜，王立新，等.干旱地区盐碱尘暴的形成、输送及其环境效应[J].气象与环境学报，2015，31(3)：104-108.

[8] 贾春光.艾比湖湖面变化对沿湖铁路线的影响趋势研究[D].乌鲁木齐：新疆师范大学，2006.

[9] 张永记.不同盐/灰密下普通绝缘子串交流闪络特性的研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[10] 李恒真.高压输电线路外绝缘动态积污机理及在线研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[11] Gillette D， Ono D， Richmond K. A combined modeling and measurement technique for estimating windblown dust emissions at Owens (dry) Lake ， California[J]. Journal of Geophysical Research Earth Surface， 2004，109:231-254.

[12] 靳志超.盐碱区接触网瓷质绝缘子污闪原因浅析及防治措施探讨[J].中国科技博览，2013(3)：132.

[13] 任学哲.沙尘环境下线路污闪跳闸概率及电网群发性故障研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[14] 蒋兴良，舒立春，张永记，等.人工污秽下盐/灰密对普通悬式绝缘子串交流闪络特性的影响[J].中国电机工程学报，2006，26(15)：24-28.

[15] 万本太，康晓风，张建辉，等.基于颗粒物浓度的沙尘天气分级标准研究[J].中国环境监测，2004，20(3)：8-11.

[16] Wardman， Johnny Wilson. Influence of volcanic ash contamination on the flashover voltage of HVAC outdoor suspension insulators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2014，21(11):1189-1197.

[17] 国家气象局.GB/T 20479—2006 沙尘暴天气监测规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[18] 帅海燕.输电线路运行风险评估及相关技术研究[D].武汉：武汉大学，2010：13-21.