1、用有效盐密作为表征污秽度的新方法 姜新建 董弘川 王黎明 梅红伟 曹彬 孟晓波 清华大学电机工程与应用电子技术系 清华大学深圳 研究生院 南方电网科学研究院 摘 要： 用有效盐密 (EESDD) 法表征输变电设备污秽程度能够弥补等值盐密 (ESDD) 法 与污闪电压相关性不大的缺陷, 对输变电设备进行更好的污秽评估。 为此介绍了 新的有效盐密的测量设备, 并通过一系列人工污秽试验研究了探头尺寸、 用水量 以及盐成分对有效盐密测量的影响, 最终选择外半径为5.13 mm, 内半径为1.00 mm的探头, 并选择 0.02 m L/cm 2 的用水量。最后将有效盐密的测量应用于实际 运行的输变电设
2、备中, 对不同地区运行绝缘子表面的等值盐密和有效盐密进行 了比较, 用等值盐密与有效盐密的比值探讨了不同地区的污秽特征, 为有效盐 密的进一步推广提供了依据。 结果表明, 有效盐密是一个很好的表征污秽度的参 数, 是等值盐密很好的补充。 关键词： 有效盐密; 等值盐密; 表面电导率; 可溶盐成分; 污闪电压; 人工涂污; 作者简介：姜新建 (通信作者) 1964, 男, 副教授主要从事电能质量、电力传 动以及风力发电等方向的研究电话: (0755) 26036693E-mail: 基金：国家重点基础研究发展计划 (973项目) (2011CB209406) New Method to Desc
3、ribe Contamination Degree of Insulators by Effective Equivalent Salt Deposit Density JIANG Xinjian DONG Hongchuan WANG Liming MEI Hongwei CAO Bin MENG Xiaobo Department of Electrical Engineering, Tsinghua University; Institute of Science and Technology of China Southern Power Grid; Abstract： The eff
4、ective equivalent salt deposit density (EESDD) can represent the contaminated degree of power transmission and transformation equipment and can make up for the defect that the equivalent salt deposit density (ESDD) method has little correlation with the pollution flashover voltage. We introduced new
5、 measurement equipment of EESDD and studied the influences of the probe size, water consumption, and salt composition on the measurement of the EESDD through a series of artificial contamination tests. A probe with the size of 5.13 mm and 1.00 mm and water consumption of 0.02 m L/cm 2was chosen. The
6、n, the concrete method of EESDD was presented. At last, the method of EESDD was applied in the actual operation of power transmission and transformation equipment to compare the ESDD and EESDD of the surface of the insulators in different areas. Moreover, the regional characteristics of contaminatio
7、n were discussed to provide a basis for the further promotion of the EESDD. A conclusion can be drawn that EESDD is a good characterization of the parameters of the contamination degree and a quite good supplement for ESDD. Keyword： effective equivalent salt deposit density; ESDD; surface conductivi
8、ty; salt composition; flashover voltage; artificial contamination; 0 引言 输变电设备污秽程度的检测和评估是避免污闪事故发生的一个重要环节, 我国 在防污闪方面做了很多实际工作, 取得了长足的进步, 并且制定了一套适用于 我国实际情况的污秽表征和测量标准1-4。目前我国常用的表示绝缘子污秽程 度的参数主要有等值盐密、表面电导率以及泄漏电流等方法5-7。 等值盐密法在我国应用最广, 此方法简单且便于现场测量, 经过多年的实际应 用, 累积了大量的测量经验和数据, 已经是污区划分时重要的参考条件之一。 等 值盐密的不足之处是人工污
9、秽与自然污秽的等效性差, 与污闪电压的相关性不 好。 电导率法能反映绝缘子积污和受潮 2种因素共同作用的效果, 是直接的电的联 系, 与污闪电压相关性比较好, 但是其测量时需要的测量设备复杂, 不便于现 场测量。 20世纪清华大学电机系提出了局部表面电导率的概念并研制出了相应的测量设 备8-11。从本质上说局部表面电导率与整体表面电导率法是同一个物理概念, 但它克服了整体表面电导率测量复杂、分散性大的缺点。它能可靠地反应绝缘子 的真实脏污程度, 且测量过程不破坏污层, 可以在同1片绝缘子上不同的时间 内连续测量, 而且还可以测出污秽在绝缘子各部分表面的分布情况。 局部表面电 导率的测量条件与绝
10、缘子的运行条件一致, 能可靠地反映绝缘子的真实脏污程 度, 与污闪电压的相关性好, 且其测量过程不破坏污层, 能方便地测出积污在 绝缘子表面的分布规律。 局部表面电导率法需要的测量电压低, 设备简单且便于携带, 适合现场测量。 清 华大学曾经开发出 1套局部表面电导率仪专用测量设备, 并使用这套局部表面 电导率仪对绝缘子的积污特性进行了相关研究12-13。在局部表面电导率的基 础上, 本文提出了一个新的参数有效盐密14-16, 该参数从以电导率的测 量为基础, 与污闪电压相关性很好, 同时结合现在广泛应用的等值盐密法, 充 分利用我国经验丰富的等值盐密数据库。 经过对测量设备的不断完善以及大量
11、的 试验研究, 该方法已经能够成功应用在实验室和现场, 显示出了很多的优点。 文中主要介绍了有效盐密以及有效盐密的相关试验, 通过试验可以发现, 有效 盐密可以作为修正现有污秽分区划分标准的一个新的重要参考。 1 有效盐密简介 1.1 有效盐密测量设备简介 稳定可靠的试验设备是进行科学试验的首要前提。 之前清华大学的局部表面电导 率测量设备在当时虽然获得了比较好的测量效果, 但并没有大规模的运用于现 场绝缘子的污秽测量中, 目前也没有一套完好的设备。 文中在前人的基础上开发 了一套电压输出稳定、 测量精度高的测量设备, 不仅能够保证在实验室的研究工 作顺利进行, 同时也足够便携、能够完成现场的
12、测量工作。 RC正弦波振荡电路, 理论上振荡频率f=1/ (2RC) , 电阻R=16 k , 电容 C=0.1F, 则震荡频率 f=100 Hz。电路中加入滑动变阻器和反接的二极管, 用 于调节正弦波形以及起振;此外还加入了由单运放构成的射极跟随器, 加强电源 的带负载能力。实测电阻 R=15 k, 电容C=0.1F 时, 正弦波频率为 94.3 Hz, 使用9 V 干电池供电, 电压有效值为55.6 V。 常用的探头为双电极型探头和同轴圆柱型电极, 双电极型探头虽制作简单但无 法保证测量电流只在 2个电极之间流过, 会有比较大的误差;同轴电极则能够弥 补该缺点, 因此应用较多。 本文在前人
13、的基础上对同轴电极型探头进行了全新的设计, 采用可伸缩内电极设计 (见图1) , 在测量时能够保证探头内外电极与被 测表面的充分接触。 该套设备可用于能形成连续水膜表面的试品的有效盐密测量, 利用该套设备, 可以在实验室通过在亲水性玻璃表面涂污进行人工污秽试验, 探索和验证有效 盐密的可行性。 1.2 有效盐密相关计算 在污秽可溶盐为纯 Na Cl时, 局部表面电导率 (P, 单位s) 与等值盐密 (ESDD, 单位mg/cm) 有一定的比例关系 定义有效盐密EESDD为 由有效盐密的定义可以看出, 有效盐密是由局部表面电导率等效而来, 表示的 是可以在单位表面产生相同局部表面电导率的等效 N
14、a Cl附盐密度。在污秽可溶 盐为Na Cl时, 有效盐密与等值盐密有等效性, 而当可溶盐中成分复杂, 特别是 有难溶盐存在时, 等值盐密与有效盐密之间不再等效, 定义 图1 内电极可伸缩同轴圆柱电极结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of scalable interior electrode 下载原图 此比值可以反映等值盐密的有效性, 比值越大, 表示污秽中难溶盐比例越高, 等值盐密的有效性越低。 2 有效盐密的实验室试验 自然污秽绝缘子污层中可溶盐成分十分复杂, 既有易溶于水的盐类, 也有难溶 于水的盐类, 不同地区的污秽中可溶盐成分也会有所不同, 比如沿海地区和
15、内 陆地区污秽中可溶盐的差别就很大, 沿海地区以易溶于水的一价盐 (Na Cl、Na NO3和KNO3) 为主, 内陆地区则以难溶于水的二价盐 (Ca SO4和Ca CO3) 为主。 本文的人工污秽试验中17-18, 用Na Cl和 Ca SO4分别代表自然污秽可溶盐中 的易溶盐和难溶盐, 用高岭土代表自然污秽中的灰。使用 10 cm10 cm 的玻璃平板作为亲水性表面, 改变Na Cl和Ca SO4的份量, 将盐和灰均匀涂覆在玻璃 表面, 测量其表面的有效盐密, 通过与玻璃平板表面的等值盐密进行对比来探 究有效盐密的可行性。 2.1 探头尺寸对有效盐密的影响 同轴电极型结构能保证电流只在两极
16、间流过, 同时可伸缩结构保证了内外电极 与待测表面的良好接触, 提高了测量的稳定性与精度。同轴电极的电极常数为 根据同轴电极的性质可以知道, 电极常数与有效盐密成正比关系, 最终的测量 结果都需要将电极常数考虑进去, 那么不同的同轴电极特别是尺寸不一致时对 有效盐密的测量会不会有影响。 为探究这种影响, 设计了4种不同的探头 (见表 1) , 分别探究了在尺寸改变但电极常数不变以及尺寸改变且电极常数改变 2种 情况下, 探头尺寸对有效盐密的影响。在污秽盐成分为 Na Cl的情况下, 选择等 值盐密为0.025、0.05、0.10、以及0.20 mg/cm4 种不同的情况在亲水性玻璃表 面进行人
17、工涂污, 分别用不同的探头测量其有效盐密, 结果如表2所示。可知, 在污秽可溶盐为纯Na Cl情况下, 探头尺寸改变对有效盐密的测量结果基本不会 有影响, 4个探头的测量结果间基本没有差异, 与其对应的等值盐密一致, 这与 之前的推导是一致的。 这说明在测量有效盐密的时候, 只要将电极常数考虑进去, 则可认为探头尺寸对有效盐密的测量结果没有影响。 表1 不同电极尺寸及相应的电极常数 Table 1 Different electrode size and corresponding electrode constant 下载原表 表2 不同尺寸探头对有效盐密的影响 Table 2 Effect
18、 of different size probe on EESDD 下载原表 实际的绝缘子表面则不像玻璃面板那样是一个平面, 会有一定的弧度, 因此, 建议尽可能选择尺寸小一点的探头进行测量, 能够尽量保证探头的内外电极与 绝缘子表面的充分接触。 在之后的试验中, 选用 1号探头, 即外半径为 5.13 mm、 内半径为1.00 mm的探头进行有效盐密的测量。 2.2 用水量对有效盐密的影响 有效盐密的测量过程中需要一定的去离子水使被测表面保持水膜覆盖的状态, 不同的用水量对最终的测量结果也会有一定的影响。 本节主要通过一系列试验来 探究用水量对有效盐密的影响。 通过简单的试验可以发现, 在2
19、0 cm10 cm 玻璃平板表面, 当涂覆一定的高岭 土时, 最少使用 4 m L 的去离子水可使得玻璃面板整个表面处于连续水膜覆盖状 态, 逐渐增加注水量, 当水量达到24m L时玻璃面板表面的水已经达到饱和, 处 于快要溢出的状态。因此, 需要研究的是单位面积用水量为 0.020.12 m L/cm 之间有效盐密的变化情况。 首先, 选择纯 Na Cl 作为盐成分, 分别在玻璃面板上涂覆等值盐密为 0.025, 0.05, 0.10以及0.20 mg/cm 4 种不同盐、灰密均为 1.00 mg/cm。在玻璃面板上 喷上4 m L水形成连续水膜, 测量其有效盐密, 然后每次增加2 m L
20、水, 测量其 有效盐密, 直至水量达到 24 m L。测量结果如图 2所示。 从图2可知, 在可溶盐为Na Cl时, 用水量的多少对有效盐密的影响基本可忽略 不计, 这与公式推导也是一致的。在用水量为 4 m L时, 污秽中的Na Cl 已经全 部溶解于水中, 用水量的多少不会影响单位面积上的离子量, 因此其表面的等 效盐密不会变化。 而实际运行中的绝缘子表面污秽组成十分复杂, 需要继续研究 在盐成分复杂的情况下用水量对有效盐密的影响。 选择Na Cl 和Ca SO4作为盐, 高岭土作为灰进行人工污秽涂污试验, Na Cl 和 Ca SO4分别代表可溶盐中的易溶盐和难溶盐, 选取Na Cl和C
21、a SO4的摩尔比r (按 照完全溶解于水中提供的离子个数比例) 为1:1和1:2两种不同的盐成分, 分别 按照0.025、0.05、0.10以及0.20 mg/cm4 种不同的等值盐密及1 mg/cm 的灰密 进行涂污。然后按照之前的实验步骤, 由4 m L 去离子水开始慢慢增加用水量, 直至玻璃面板达到饱和状态, 记录每次测量的有效盐密见图 3 (a) 、 (b) 。从 图3可知, 当可溶盐成分比较复杂时, 用水量对有效盐密的测量结果有比较大 的影响, 随着用水量的增加, 有效盐密均会相应增大。在 Na Cl和 Ca SO4的摩 尔比r较高的时候 (1:1) , 随着用水量的增加, 有效盐
22、密的增加趋势较缓;而在 Na Cl和 Ca SO4的摩尔比 r较低的时候 (1:2) , 随着用水量的增加, 有效盐密 的增加趋势相对来说更快。 Ca SO4的溶解度虽然很低, 但是经计算发现, 在等值盐密较低的时候, 试验中的 用水量理论上已经完全能够使得 Ca SO4完全溶解于水中, 可是试验中都没有得 到玻璃面板表面有效盐密与等值盐密相同的结果。这说明即使用水量足够, Ca SO4也只是部分溶解于水中, 无法完全溶解。这一方面是因为易溶盐在水中产生 的离子会阻碍Ca SO4的溶解, 另一方面是因为难溶盐在水中的溶解速度很慢, 短时间内无法充分溶解。 从上面数据可知, 在用水量最少 (4
23、m L) 和最多 (24 m L) 2种情况下, 有效 盐密之间会有接近 50%的差距。实际绝缘子表面往往有一定的弧度, 过多的水不 仅无法溶解绝缘子表面的污秽, 反而会对绝缘子表面污秽起到冲刷作用。 将绝缘 子放入浸入水中完全浸湿, 可认为此时附着在绝缘子表面的水为绝缘子发生污 闪时饱和受潮表面的水量 (由此得出的结果不适用于染污绝缘子测试) 。 将浸湿的绝缘子放入冰箱中将表面水分冻成冰后取出, 对比前后质量差可得, 绝缘子 表面的水量其实很少, 平均100 cm面积上面的水量接近 2 m L, 因此选择用水 量最少的情况进行有效盐密的测量, 此时被测平板单位面积上的水量为 0.02 m L
24、/cm。 图2 可溶盐为 Na Cl 时用水量对有效盐密的影响 Fig.2 Influence of water consumption on EESDD when the salt is Na Cl 下载原图 图3 可溶盐为 Na Cl 与Ca SO4 混合盐时用水量对有效盐密的影响 Fig.3 Influence of water consumption on EESDD when the salt is Na Cl and Ca SO4 下载原图 从图3可知, 在用水量为4 m L时, K在不同可溶盐比例的情况下差别比较大, 而 在相同的可溶盐比例下, 其等值盐密对K的影响不大, 这说明
25、指定用水量对于 衡量等值盐密与有效盐密是很有意义的。只要规定了测量有效盐密时的用水量, 那么之后不同的测量表面的等值盐密和有效盐密就能联系在一起横向比较。 2.3 可溶盐成分对有效盐密的影响 从图3 可知, 可溶盐比例不同时, K值也会不同。在 Na Cl和Ca SO4的摩尔比为 1:1的情况下, K约为 1.67;而在Na Cl和Ca SO4的摩尔比为1:2的情况下, K 约为2。需要研究可溶盐成分对有效盐密的影响, 从而进一步对有效盐密与等值 盐密的关系进行探究。 用Na Cl 和Ca SO4分别代表可溶盐中的易溶盐和难溶盐, 选取4种不同的等值 盐密 (0.025、0.05、0.10以及
26、0.20 mg/cm) , 分别进行人工污秽的涂污试验。 其中, 在相同的等值盐密条件下改变 Na Cl 和Ca SO4的摩尔比, 使 Na Cl的占 比从10%每次增加10%直到100%。这样在相同的等值盐密下需要进行 10次不同 盐成分摩尔比的试验, 也就可以匹配自然污秽条件下复杂的污秽成分。 用有效盐 密测量仪器对涂覆好人工污秽的被测表面进行测量, 结果见图4。通过计算等值 盐密与有效盐密的比值, 发现其也会随可溶盐摩尔比变化, 见图5。 从图4 可知, 在相同的等值盐密下, 易溶盐与难溶盐摩尔比的改变会直接影响 有效盐密, 且Na Cl 占比越高, 有效盐密也就越大, 则定义的K值就会
27、降低。同 时从4 条曲线之间的间距随着可溶盐摩尔比不同呈现出逐渐增大的趋势, 说明 对有效盐密影响最大的仍然是Na Cl。 实际上由于Ca SO4的溶解度远远低于Na Cl, 在测量有效盐密时, 是Na Cl在起主要作用, 而随着Ca SO4占比的减少, Na Cl 对有效盐密的影响更为明显, 表现在相同的盐成分摩尔比下, 测量出来的有效 盐密增加的趋势会大于等值盐密增加的趋势。 从图5中可知, 在相同的盐成分组成下, 等值盐密对K值有一定的影响, 等值盐 密越大, K 值越小, 这是因为等值盐密越大, 在测量时溶解在水中的 Ca SO4相应 地也越多, 则等值盐密与有效盐密的比值就会相应减少
28、。 而随着可溶盐成分中易 溶盐占比的增加, 相应的溶解于水中的离子更多, 会使得K值减小, 则有效盐 密不断向等值盐密趋近。 从图4 和图 5可知, K 值能在一定程度上反映污秽中的盐成分, 在等值盐密比较 接近的情况下, K值越小说明污秽中易溶于水的盐成分占比越高。在对一个地区 的有效盐密和等值盐密进行测量后, 就可以大致了解该地区的盐成分情况。 图4 可溶盐成分对有效盐密的影响 Fig.4 Influence of salt composition on the EESDD 下载原图 图5 可溶盐成分对等值盐密与有效盐密比值的影响 Fig.5 Influence of salt compo
29、sition on the ratio of ESDD and EESDD 下载原图 选取海口福山变电站和昆明特高压试验基地的绝缘子进行验证, 所选的绝缘子 积污时间相差不大, 均为1 a左右。海口为沿海地区, 而昆明为高海拔地区, 2 个地区的污秽成分有很大的差别。通过对 2 个地区的多个不同带电情况 (直流、 交流以及不带电) 和不同材质 (复合、 瓷以及玻璃) 绝缘子进行有效盐密以及等 值盐密的测量发现, 昆明地区和海口地区的 K值也有一定差异, 昆明地区的 K 为2.95 左右, 而海口地区的 K 仅为1.6左右。可以知道, 昆明地区易溶盐占比 约为0.25 左右, 而海口地区的易溶盐
30、占比约为 0.5左右, 这在一定程度上能够 反映出2个地区的可溶盐成分差异。 选取等值盐密测量中过滤后的溶液进行污秽中盐成分的分析。 分别用光谱法和离 子色谱法对过滤后的溶液金属阳离子和阴离子进行测量。 发现对于同一地区的污 秽, 其水溶液中的离子组成很一致, 而不同地区的差别很大, 如表 3所示。 海口属于沿海地区, 经常会有盐雾, 空气中 Na Cl含量较高;而昆明属于高原地 区, 该地区的主要污秽为周边尘土, 两个地区的污染源差别很大, 自然污秽的 组成成分也差异很大。 这个测量出来的离子成分与对比 K值所得到的也能基本对 应上。 3 多地区实测有效盐密 在之前的输变电设备的积污污秽测量
31、中积累了很多的等值盐密的数据, 现在对 该地区的有效盐密进行测量, 可知道一个地区不同等值盐密下的 K值情况。 没有必要根据K值去反推各个地区的盐成分情况, 一方面, 有效盐密能够直接反映 出不同地区的污秽情况, 另一方面, 可根据 K值对现有的等值盐密进行修正, 能够更好地反映出不同地区的污秽情况。 先在昆明及海口 2个自然污秽试验站进 行了瓷绝缘子和玻璃绝缘子的有效盐密和等值盐密, 并求出其K值, 如表4、5 所示。 从表4 和表 5可知, 相同地区的瓷绝缘子和玻璃绝缘子污秽度相差不大, 其K 值之间也没有明显的差距。 对比昆明与海口地区之间的差异, 可知在污秽度差异 不大的情况下2个地区
32、的K值有比较大的不同, 这是由2个地区的污秽成分差异 造成的。 接下来对河南省多个地区的绝缘子进行了等值盐密和有效盐密的测量, 并求出 其K值。通过横向和纵向之间的对比来探究不同地区的污秽特征。 从表6、7、8的数据中可知, 河南省不同地区都属于内陆地区, 污秽中的盐成分 大致相同, 但是不同地区间的污秽差异也会通过其K值反应出来。 4 讨论 从上面的试验可知, 测量过程中用水量的不同是导致有效盐密与等值盐密之间 差别的原因。 测量等值盐密时, 将绝缘子表面所有的可溶盐溶解于大量的去离子 水中, 不管是易溶盐还是难溶盐, 基本上都可以全部溶解于水中;而在有效盐密 的测量过程中, 被测表面只是出
33、于连续水膜覆盖的状态, 其表面污秽中的易溶 盐基本上都能够溶解在水中, 但是难溶盐则只有少量的能够溶解。 等值盐密法中 测量的是污秽中所有的可溶盐, 而有效盐密法中测量的为绝缘子表面饱和受潮 状态下溶解于水中的盐成分。 在测量有效盐密时绝缘子表面状态与实际发生污闪 时的状态最接近是值得进一步推广应用的。 表3 海口和昆明地区污秽中常见离子摩尔比 Table 3 Common ion ratios of contamination in Haikou and Kunming 下载原表 表4 昆明地区的有效盐密与等值盐密及其关系 Table 4 ESDD and EESDD and their r
34、elationship in Kunming 下载原表 表5 海口地区有效盐密与等值盐密及其关系 Table 5 ESDD and EESDD and their relationship in Haikou 下载原表 表6 河南南阳地区有效盐密与等值盐密及其关系 Table 6 ESDD and EESDD and their relationship in Nanyang, Henan 下载原表 表7 河南中州有效盐密与等值盐密及其关系 Table 7 ESDD and EESDD and their relationship in Zhongzhou, Henan 下载原表 表8 河南三
35、门峡有效盐密与等值盐密及其关系 Table 8 ESDD and EESDD and their relationship in Sanmenxia, Henan 下载原表 5 结论 1) 在可溶盐为纯Na Cl时, 用水量对有效盐密没有影响, 当可溶盐成分复杂时, 有效盐密会随着用水量的增加而稍微增大, 在测量有效盐密时需要规定用水量, 尽量与实验室保持一致 (0.02 m L/cm) 。 2) 在等值盐密一定时, 可溶盐成分对有效盐密的影响很大。可溶盐成分对 K值 起主要影响, K会随着可溶盐中难溶盐的摩尔比增大而增大。 3) 不同地区的 K值会有一定差异, 也主要是可溶盐成分的影响, 了
36、解这种差异 可以更好地掌握该地区的积污规律。 参考文献 1污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定:GB/T26218.12010S, 2010.Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions:GB/T 26218.12010S, 2010. 2广东电网公司企业标准.绝缘子污秽测量作业指导 书:Q/GD11157.902009S, 2009.Company Standard of Guangdong Power Grid.Work instruction
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