王 惠,王思華

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子是牽引供電系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。對(duì)于暴露在戶外的絕緣子來說，沙塵氣候是極端惡劣的工作環(huán)境，嚴(yán)重影響了絕緣表面的積污濃度。隨著中國北方地區(qū)咸鹽水湖泊與鹽沼陸續(xù)萎縮干涸，形成了一種局部地域鹽堿沙塵天氣發(fā)生系統(tǒng)[3]，使得沙塵天氣對(duì)牽引接觸供電網(wǎng)的影響不再僅僅是“物理威脅”，而是以其自身具有的化學(xué)性質(zhì)來影響接觸網(wǎng)的運(yùn)營安全。

國內(nèi)外專家對(duì)鹽堿沙塵源區(qū)的形成及其影響作了大量研究。文獻(xiàn)[4]研究歸納了鹽堿塵暴的風(fēng)蝕規(guī)律，得出了離干涸湖底距離越遠(yuǎn)，鹽堿沙塵暴的發(fā)生率、強(qiáng)度、降塵量越低的規(guī)律；文獻(xiàn)[5]對(duì)干涸湖底區(qū)域含鹽粉塵的沉積通量和物質(zhì)組成進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出干鹽湖下風(fēng)向受影響區(qū)域的大氣降塵量以及大氣降塵中的含鹽量。當(dāng)前針對(duì)鹽堿地的研究方向大致都從風(fēng)蝕強(qiáng)度、風(fēng)運(yùn)堆積等方面著手，對(duì)接觸網(wǎng)的影響僅提出絕緣子表面覆鹽度較高，易污閃，并沒有進(jìn)行定性分析。還有學(xué)者以細(xì)沙量、硅藻土量、NaCl量比值為6∶6∶1的構(gòu)成比例模擬了戈壁、鹽堿地域內(nèi)固體顆粒物在絕緣表面的積污規(guī)律[6]，但未能考慮鹽堿沙塵源區(qū)對(duì)下風(fēng)向區(qū)域影響的差異性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)鹽堿地區(qū)沙塵天氣下干涸湖底源區(qū)對(duì)下風(fēng)向區(qū)域不同的影響，結(jié)合接觸網(wǎng)絕緣子在沙塵天氣下的積污特性，通過建立的絕緣表面積污簡化模型，得出污穢顆粒的碰撞吸附判據(jù)。在污穢源區(qū)風(fēng)運(yùn)特性和受影響區(qū)域氣象條件的雙重影響下，分析含鹽沙塵天氣對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子絕緣性能的影響。依據(jù)絕緣子表面沉降污穢顆粒的累加性[7]，結(jié)合預(yù)報(bào)的惡劣天氣來臨時(shí)間，正確定位和篩選出可能污閃的絕緣子元件，在惡劣天氣來臨之前對(duì)絕緣子清掃除污，減少污閃事故的發(fā)生頻次。

1 鹽堿地區(qū)對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子的影響

1.1 鹽堿地概述

鹽堿地在我國分布廣泛，占可利用土地面積的4.88%[7]，其中鹽湖區(qū)域干涸表層的土壤含鹽量高達(dá)40%，鹽堿化尤為嚴(yán)重[8]。新疆是我國最大的鹽湖成鹽區(qū)，面積高達(dá)10 789 km2[8]。由于區(qū)域內(nèi)氣候干旱，多風(fēng)沙，少降水，蒸發(fā)量為降水量的十到數(shù)百倍，因此鹽湖多數(shù)處于干鹽湖發(fā)展階段，鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重，受風(fēng)蝕作用影響形成含鹽沙塵天氣[9]。

1.2 干涸鹽湖對(duì)蘭新鐵路接觸網(wǎng)絕緣子的影響

烏魯木齊至阿拉山口的北疆鐵路段是蘭新線的重要組成部分，沿線分布有多個(gè)鹽湖(艾比湖、小鹽湖、艾丁湖等[9])，其中有140 km鐵路沿艾比湖西南邊緣通過，80 km處于阿拉山口大風(fēng)主通道。干涸的湖盆離鐵路只有2 km左右，繼而加劇了絕緣子的污穢程度，增加了絕緣子的污閃風(fēng)險(xiǎn)。小鹽湖附近的鹽湖站/鹽湖西站地區(qū)也曾在2013年～2015年在春融季節(jié)前后均發(fā)生跳閘事故，嚴(yán)重時(shí)一晚上跳閘次數(shù)多達(dá)57次。

雖然復(fù)合絕緣子防污性能更佳，但是在紫外線很強(qiáng)的北疆地區(qū)極易老化，故該地區(qū)大多還是采用瓷絕緣子，絕緣表面經(jīng)過不斷地刮風(fēng)積塵、受潮后，就會(huì)形成較厚的污穢層。在惡劣氣象條件下(如大霧、毛毛雨、小雨、融雪)，污穢層中的電解質(zhì)吸收空氣中的水分溶解導(dǎo)電，極易造成污閃。若再遇到沙塵暴天氣和沙塵暴過境之后常伴隨的降水天氣，那么在積污到污閃之間就幾乎沒有時(shí)間采取任何防污措施。

為了避免持續(xù)干旱期間積污量累積較多，遇惡劣天氣便污閃的情況，建立接觸網(wǎng)絕緣子表面積污簡化模型，計(jì)算絕緣子表面累積積污量，分析污穢含鹽量，由此推算出各站點(diǎn)的污閃預(yù)警時(shí)間來安排除污工作是很有必要的。

2 污穢顆粒積污模型

2.1 污穢顆粒與絕緣子表面碰撞前運(yùn)動(dòng)分析

大氣污穢顆粒受氣象因素等影響，主要經(jīng)歷自由沉降階段、邊界層沉降階段和碰撞吸附階段來附著在絕緣子表面。

在自由沉降階段時(shí)，顆粒經(jīng)過一定的時(shí)間在豎直方向上受力平衡，以終點(diǎn)速度開始作勻速運(yùn)動(dòng)。豎直方向的終點(diǎn)速度如式(1)所示

(1)

式中，g為重力加速度，9.8 m/s2；dp為污穢顆粒的直徑；ρp為污穢顆粒密度2.32×103kg/m3；μ為動(dòng)力黏度，取1.8×10-5Pa·s。

在邊界層沉降階段時(shí)，各粒徑顆粒在豎直方向的速度幾乎沒有變化，與其在自由沉降階段的終點(diǎn)速度一致。

經(jīng)上述分析，在碰撞吸附過程之前，顆粒豎直方向的末速度與污穢顆粒粒徑的平方成正比，如圖1所示。

圖1 污穢顆粒豎直末速度隨粒徑變化

2.2 污穢顆粒在絕緣子表面的碰撞吸附過程

入射、碰撞、出射吸附是顆粒在絕緣表面碰撞的必經(jīng)階段。在第一階段中，顆粒射向絕緣表面的速度為V0，豎直方向的速度Vy0與自由沉降階段的終點(diǎn)速度相同，如圖2所示；在第二階段中，當(dāng)顆粒在絕緣子表面形變量最大時(shí)，Vy1=0，然后顆粒在沿法向朝相反方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)恢復(fù)形變，如圖3所示；第三階段中，顆粒如果能克服水膜產(chǎn)生的吸附力，則完成出射，否則將吸附于絕緣表面，如圖4所示。

顆粒運(yùn)動(dòng)過程中，在法向上的受力表達(dá)式如下

(2)

圖2 顆粒入射壁面階段

圖3 顆粒碰撞壁面階段

圖4 顆粒出射吸附階段

(3)

(4)

(5)

式中，F(xiàn)W為VanderWaals力；Fc為毛細(xì)力；R為顆粒半徑；H為VanderWaals常數(shù)，在空氣中的H為H1=10.38×10-20J，在水中的H為H2=1.90×10-20J；a為兩物體表面間距，a=0.25 nm；γ為水的表面張力，γ=72.50×10-3N/m；h為水膜厚度；rk為Kelvin半徑；Vm為室溫下水的摩爾體積，Vm=1.080 4×10-5m3/mol；Kc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾氣體常數(shù)，Kc=8.31 J/(mol·K)；T為華氏溫度；cRH為相對(duì)濕度；em為單層水分子在飽和條件下的等效厚度，em=0.14 nm；cB為BET系數(shù)，BET系數(shù)cB=5。

由式(2)～式(5)可得出，溫、濕度都會(huì)影響毛細(xì)力和范德華力的大小。因此在考慮吸附條件的同時(shí)還需考慮溫、濕度對(duì)其的作用。

2.3 污穢顆粒吸附判據(jù)

顆粒和絕緣表面接觸過程中的能量損耗主要由碰撞損耗構(gòu)成。顆粒豎直方向的速度關(guān)系見下式[10]

Vy2=eVy0

(6)

(7)

式中，e為恢復(fù)系數(shù)；σs為屈服極限，σs=200 N/mm2；m為顆粒的質(zhì)量；V為正碰相對(duì)速度，V=Vy0；E=6.40×1011Pa。

若顆?？梢猿錾?，則顆粒在水平方向的速度滿足Vx3=Vx2，可得下式

(8)

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

(9)

式中，Wa為顆?？朔诿嫠さ奈搅λ龅墓?；amax為VanderWaals力的最大值，amax=0.4 nm；amin為VanderWaals力的最小值，amin=0.165 nm；a0為物體的接觸距離，a0=0.1 nm。

由以上分析得出顆粒法向出射速度公式如下

(10)

若顆粒的動(dòng)能大于克服吸附力所做的功，則顆粒不能出射，然后沿絕緣表面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離相較于絕緣子表面盤徑可忽略不計(jì)。

如圖5所示，在條件1(濕度20%，溫度0 ℃)和條件2(濕度70%，溫度25 ℃)兩種邊界條件下畫出了各粒徑顆?？朔^緣子表面吸附力做的功和顆粒動(dòng)能的曲線關(guān)系。在溫度為0～25 ℃、濕度為20%～70%的條件下，可吸附顆粒最大直徑在32～42 μm變化。

圖5 絕緣子表面污穢顆粒的粒徑范圍

2.4 絕緣子表面累積積污量以及灰鹽比

2.4.1 累積積污量

污穢源區(qū)的下風(fēng)向地區(qū)積污速率高，短時(shí)間內(nèi)就可在絕緣表面積聚較厚的鹽土層，遇惡劣天氣污閃的可能性極高。由于資源限制，并不能對(duì)每個(gè)支柱的絕緣子都安裝監(jiān)測設(shè)備，且現(xiàn)在常用的由泄漏電流檢測儀來預(yù)防污閃的方法在持續(xù)干旱地區(qū)并不能有效發(fā)揮其作用，因其受干擾較多，且在預(yù)警信號(hào)發(fā)出到現(xiàn)場發(fā)生污閃之間沒有足夠的時(shí)間對(duì)絕緣元件進(jìn)行清掃。因此，可采用動(dòng)態(tài)積污模型來獲取累計(jì)積污濃度值。

式(11)便可積分獲得在持續(xù)干旱期間絕緣表面的累積積污量。

(11)

式中，ρSAND為絕緣子在受含鹽沙塵天氣影響下的單位面積內(nèi)的污穢沉積濃度；C(t，dp)為粒徑為dp的顆粒在t時(shí)刻的污穢濃度，可由《沙塵暴天氣監(jiān)測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》獲得；Vy0(dp)為粒徑為dp的顆粒豎直方向上的沉降速度。

2.4.2 各地區(qū)灰鹽比

常用沿海地區(qū)的鹽密度較高，取灰鹽比ke為2～3，內(nèi)陸和高原地區(qū)灰鹽比ke為4～10，但由于接觸網(wǎng)絕緣子的安裝高度較低，跨越距離大，沿線所經(jīng)地區(qū)污染源種類多，因此，不能簡單由一個(gè)固定的灰鹽比來等值于整個(gè)受鹽堿沙塵影響區(qū)域的接觸網(wǎng)絕緣子表面污穢成分比例?？赏ㄟ^監(jiān)測點(diǎn)獲得的降塵量以及降塵含鹽量百分比來插值獲得各站點(diǎn)的灰鹽比，由式(12)算得ρESDD和ρNSDD，使得對(duì)各站點(diǎn)的預(yù)警信息更為精確。

ρSAND=ρNSDD+ρESDD

(12)

3 污閃預(yù)警

絕緣子在遇惡劣天氣時(shí)發(fā)生污閃的先決條件是絕緣表面累積了足夠的污穢顆粒，IEC標(biāo)準(zhǔn)也劃分了相應(yīng)的污穢等級(jí)。由年度鹽密測量平均值和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)便可獲得污區(qū)分布圖，但因蘭新線受艾比湖下風(fēng)向影響區(qū)域氣候情況變化幅度大，在測量期間獲得的數(shù)據(jù)并不能確切的反映每個(gè)時(shí)刻的積污變化，因此年度鹽密均值難以反映實(shí)際污級(jí)，絕緣設(shè)備廠家、運(yùn)行單位常用污區(qū)分布圖來制定爬電比距，且現(xiàn)階段對(duì)氣象條件和地理因素的系統(tǒng)分析較少，因此在鹽堿沙塵地區(qū)內(nèi)僅通過污區(qū)分布圖來確保接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

由于大多數(shù)污閃發(fā)生在旱期后出現(xiàn)的大霧、毛毛雨等惡劣天氣下，且此種天氣的來臨時(shí)間均可準(zhǔn)確預(yù)測。故可通過本文提出的持續(xù)干旱期間的污穢顆粒累積積污量和不同站點(diǎn)的降塵含鹽量來計(jì)算出各時(shí)段的耐壓值來進(jìn)行預(yù)警。以XP-160為例，前人由大量的人工污穢實(shí)驗(yàn)得出此型號(hào)單片絕緣子污閃電壓公式為[11]

(13)

由持續(xù)干旱期間內(nèi)絕緣子表面的累積積污量以及各地區(qū)的灰鹽比計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間絕緣子的耐壓值，當(dāng)計(jì)算值高于絕緣元件設(shè)計(jì)的耐壓值的10%時(shí)，開始預(yù)警。預(yù)警發(fā)出之后，可關(guān)注氣象預(yù)報(bào)信息，在惡劣天氣預(yù)報(bào)時(shí)間到臨之前，合理安排天窗時(shí)間，采取防污閃措施。

4 算例分析

以艾比湖為例，將其東南路經(jīng)風(fēng)向所影響的區(qū)域做為研究對(duì)象，分析鹽堿沙塵天氣下接觸網(wǎng)絕緣子絕緣性能的受影響程度。

由沿途距被影響區(qū)域較近的9個(gè)氣象臺(tái)收集的氣象信息，插值得到受鹽堿沙塵天氣影響的蘭新線沿途鐵路站點(diǎn)的氣象條件。表1為具有代表性的幾個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)，可看出天氣現(xiàn)象并不與距污染源區(qū)的距離成正比，與氣象信息和地表?xiàng)l件相關(guān)，具有隨機(jī)性。

表1 各氣象臺(tái)發(fā)布的能見度信息 m

由小時(shí)溫濕度以及能見度確定的最大可附著顆粒直徑，以及《沙塵暴天氣監(jiān)測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可獲得污穢顆粒在空氣中的濃度值，見表2。由于強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴發(fā)生次數(shù)極少，且對(duì)接觸網(wǎng)的影響以對(duì)輸電線路的風(fēng)力破壞為主，本文不做分析。

表3列出了艾比湖下風(fēng)向4個(gè)不同監(jiān)測點(diǎn)的粒徑分布，由于各地含鹽沙塵粒徑分布含量相差不大，可取平均值。

表2 沙塵天氣等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 粒徑分布百分?jǐn)?shù) %

由表3數(shù)據(jù)擬合出顆粒粒徑分布函數(shù)，如圖6所示，粒徑小于10 μm的顆粒占38%，但其在豎直方向上的速率增幅卻不大，保持在0.01 m/s以下(圖1)，相較于豎直速度為0.1 m/s，直徑為40 μm的顆粒而言，粒徑小于10 μm的顆粒含量高，且在單位時(shí)間內(nèi)的沉積通量小。若不區(qū)分各粒徑污穢顆粒的含量，將各粒徑的百分比均分，則得到的累積污穢量定會(huì)大幅度增加。

圖6 污穢顆粒粒徑累計(jì)分布

由式(11)算得精河站與博樂站從2011年2月28日到3月14日15天的累積污穢量，如圖7所示。期間無降水，濕度保持在20%～70%，符合絕緣子表面累積積污但不發(fā)生污閃的條件。

圖7 站點(diǎn)累積積污濃度

相較得出，雖精河站和博樂站在此期間各小時(shí)能見度與溫濕度相差較大，但以日累積量來計(jì)，兩站積污量濃度相差不大，精河伊里生站累積積污濃度卻相差很大，可以解釋為精河站雖然距污穢源區(qū)比博樂站遠(yuǎn)，但是其周圍有露天鹽場、次生鹽堿地等附加供塵區(qū)，因此在總體積污量上高于距源區(qū)較近的博樂站。伊里生站離源區(qū)較遠(yuǎn)，且周邊附加供塵區(qū)相對(duì)較少，所以與精河站累積積污量相差較大。

由下風(fēng)向監(jiān)測點(diǎn)的大氣降塵含鹽量插值得出所需站點(diǎn)的含鹽百分比。由圖8可看出，此方法可以精確到每個(gè)支柱所對(duì)應(yīng)的含鹽量信息，可更為精確地定位預(yù)警元件。

圖8 各經(jīng)緯度降塵含鹽量

插值得出各鐵路站臺(tái)地區(qū)的降塵含鹽量，見圖9，含鹽量相差較大，與艾比湖干涸鹽漠相關(guān)，也取決于站臺(tái)周邊的附加供塵區(qū)，還取決于氣象條件，本文降塵含鹽量以月降塵量來等值日值數(shù)據(jù)。

圖9 由監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到各站點(diǎn)含鹽量

本文以XP-160為例，由各站臺(tái)的降塵含鹽量將ρSAND分為ρESDD和ρNSDD，由式(13)計(jì)算得出單片絕緣子的污閃電壓，見表4。3個(gè)站臺(tái)都處于e級(jí)污穢等級(jí)，則由IEC60815的標(biāo)準(zhǔn)可得此時(shí)的USCD值需在55以上，按60計(jì)算，XP-160的單片耐壓值為5.1 kV。設(shè)高于耐壓值10%為預(yù)警值，將在預(yù)測值為5.61 kV時(shí)預(yù)警。精河站累積積污導(dǎo)致耐受電壓達(dá)到5.61 kV的時(shí)刻為3月11日23時(shí)，而博樂站在受鹽堿沙塵氣候影響且持續(xù)無降水的15 d內(nèi)，雖然單位面積的降塵量與精河站相近，卻因灰鹽比的差異沒有達(dá)到污閃的預(yù)警值，與3月14日有降水導(dǎo)致精河站在凌晨4時(shí)發(fā)生污閃而博樂站沒有發(fā)生污閃的事故相吻合[12]。

表4 污閃電壓預(yù)測值

由以上分析可知，本文的方法是有效可行的。既可以利用易獲得的氣象站數(shù)據(jù)來建立污閃預(yù)警系統(tǒng)，減少資源輸出，又可以充分考慮氣候的大幅度變化和地域環(huán)境的差異對(duì)絕緣表面積污的影響，能更加適用于鹽堿沙塵地區(qū)的污閃預(yù)警系統(tǒng)。

5 結(jié)論

(1)在含鹽沙塵天氣頻發(fā)的地區(qū)，積污速率高，可根據(jù)實(shí)時(shí)氣象信息和各地區(qū)的降塵含鹽量，通過絕緣表面污穢沉降簡化模型來獲取各站點(diǎn)的動(dòng)態(tài)積污數(shù)值，解決了干旱地區(qū)測量設(shè)備誤差大且耗費(fèi)高的缺點(diǎn)。

(2)依據(jù)各站點(diǎn)的動(dòng)態(tài)積污數(shù)值，可通過各型號(hào)絕緣子污穢實(shí)驗(yàn)得出的污閃電壓公式，來獲得在各時(shí)刻積污條件下是否能達(dá)到絕緣子的耐壓值，發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)對(duì)絕緣元件的調(diào)爬提供了計(jì)算依據(jù)。

(3)預(yù)警發(fā)出之后，可關(guān)注氣象預(yù)報(bào)信息，合理安排天窗時(shí)間，采取防污閃措施。利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃除污到狀態(tài)除污的轉(zhuǎn)化，減少人力物力的輸出。

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