燕寶峰，車傳強，趙建坤，高思明，曹 彬，趙晨龍，王黎明

(1.內(nèi)蒙古電力科學研究院, 呼和浩特 010020；2.清華大學深圳國際研究生院， 廣東 深圳 518055)

0 引言

電氣設(shè)備外絕緣性能的測評需要分析其外表面的可溶性鹽和不溶解物質(zhì)[1-3]。一般利用等值鹽密和等值灰密分別表征電氣設(shè)備外表面污穢程度。等值鹽密和等值灰密常用的測量方法為通過取樣布將電氣設(shè)備表面的污穢擦拭下來，溶解到定量的去離子水中，通過測量溶解后的電導率，通過換算得出最終的等值鹽密；等值灰密則是通過濾紙過濾溶解后的溶液，對比過濾前后的完全干燥的濾紙重量得出污穢中不可溶解物質(zhì)的質(zhì)量，求得等值灰密[4]。

絕緣子表面灰密測量結(jié)果的準確性受到多種因素影響，如擦洗的干凈程度、濾紙測量時的環(huán)境溫濕度、濾紙的烘干時間等。由于缺乏細致的測量規(guī)范，相同污穢度的絕緣子灰密不同操作人員測量出來的分散性很大。但是目前尚未有人對基于濾紙過濾稱量法的灰密測量方法進行系統(tǒng)研究[5-11]。

水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)領(lǐng)域的工作者曾研究過濾紙重量法的影響因素[12-15]。文獻[12]中認為酸堿度會影響濾紙重量法的測定結(jié)果。文獻[13]中提及到過濾物溶解，空氣濕度及放冷時間長短會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。文獻[14]中通過試驗，得出冷卻時間、可溶物性質(zhì)、烘干時間、酸堿度、取樣量及空氣濕度等對濾紙重量法準確度的影響。文獻[15]中提出樣品采集保存時間、取樣量及烘干時間對測定結(jié)果的影響。

濾紙重量法是測量電氣設(shè)備表面等值灰密的一個重要方法[16-20]。其準確度會影響到后續(xù)研究的可靠性和真實性，大部分地區(qū)，空氣濕度較低，濾紙吸水導致的濾紙質(zhì)量增加非常小，可以得出一個穩(wěn)定的測量數(shù)值。但是在相對濕度較高的環(huán)境中，灰密測量過程中，濾紙的吸濕性會對測量結(jié)果有較大影響，因此，有必要對其進行相關(guān)研究分析。然而目前在相關(guān)的外絕緣標準當中，沒有對濾紙重量法進行過詳細的描述，污穢度較低的絕緣子表面的等值灰密時，不同操作者測量結(jié)果分散性很大，難以得出可靠的測量結(jié)果,。

為了試驗研究灰密測量的影響因素，并供操作人員人進行等值灰密測量時參考。筆者將從濾紙烘干溫度、烘干時間、濾紙飽和重量(通過切割濾紙方式設(shè)置多個濾紙飽和重量，飽和重量指放置于大氣中足夠時間使其充分受潮后的重量)及冷卻時間(從干燥箱中取出時間)4個影響因素對濾紙質(zhì)量法中濾紙干燥程度的影響進行研究。

1 絕緣子灰密測量流程

等值灰密的測量使用的是濾紙稱重法，主要包括：表面污穢擦洗、濾紙干燥及質(zhì)量測量、污穢過濾、濾紙干燥、濾紙質(zhì)量測試等5個環(huán)節(jié)。測量流程見圖1。在進行等值灰密測量時，由于烘干時間，烘干溫度，取出時間等均會對濾紙稱重的質(zhì)量造成影響。為減少測量誤差，本研究對濾紙稱重法的影響因素進行了研究分析。

圖1 絕緣子等值灰密測量程序Fig.1 Measurement procedure of NSDD

濾紙稱重法需要使用高精度天平、真空泵以及高溫烘箱等設(shè)備，見圖2。電子天平用于稱量烘干后的濾紙，精度為1 mg。循環(huán)水式真空泵用于加快濾紙過濾速度。真空烘干箱用于烘干濾紙。

圖2 濾紙稱重法主要設(shè)備Fig.2 Main equipment of filter paper weighing method

為了減小試驗誤差，當制作n個完全相同的試驗樣品時，利用高精度天平稱量“n+1”份污穢，然后利用細毛刷將每份污層定量刷涂于在試片表面，為了減小毛刷上所沾污穢對試驗結(jié)果的影響，棄用第一個染污的試驗樣品，然后對剩余n個試驗樣品進行灰密測量試驗。

此外，為保證試品取樣的準確性，每次試驗時利用3塊10 cm×10 cm的采樣巾擦洗試品表面污穢。試驗時，戴上手套，首先利用第一塊采樣巾反復擦洗絕緣子表面的污穢，將肉眼可見的污穢全部擦洗下來，然后在利用第2塊采樣巾，將絕緣表面污穢認真擦洗一遍，最后利用第3塊采樣巾擦洗試片，最后將污穢全部轉(zhuǎn)移至采樣巾上，進行后續(xù)分析。

2 正交試驗

濾紙重量法的影響因素很多，由于在電氣設(shè)備外表面污穢測量中分為等值鹽密和等值灰密，在測量時需要保證溶解充分，因此可以不考慮污穢對測量的影響，可以忽略酸堿度、可溶物、污穢量的影響。為了能夠細化對濾紙重量法的研究，本研究主要對濾紙重量法使用過程中濾紙重量變化影響因素進行考量，即研究濾紙重量法測量時哪些因素將會導致濾紙自身重量變化。此處將會忽略污穢物對濾紙的影響和污穢物受到環(huán)境影響所造成的重量測量誤差。

濾紙重量法中，濾紙首先進行干燥，測量濾紙重量，過濾，最后進行二次干燥后測量過濾后濾紙重量。此過程中，濾紙將會經(jīng)歷一個潤濕然后干燥最后測重的過程。這個過程中，干燥箱的溫度，干燥時間會影響到濾紙的干燥程度，進而影響到濾紙的重量。在測量過程中，由于空氣中存在水分子，其拿出后的冷卻時間會由于干燥后濾紙存在吸水效應，重量會上升，導致測量結(jié)果偏大。而濾紙本身的重量必然影響到最終的測量結(jié)果。

為此，從干燥箱烘干溫度、烘干時間、濾紙飽和重量(通過切割濾紙方式設(shè)置多個濾紙飽和重量，飽和重量指放置于大氣中足夠時間使其充分受潮后的重量)及冷卻時間(從干燥箱中取出時間)4個影響因素分析濾紙質(zhì)量法中濾紙干燥程度的影響。下文將會選取濾紙重量占比(即測量時濾紙重量與濾紙飽和重量的比值)作為試驗指標，選取上述4個因素各3個水平，構(gòu)成4因素3水平共計9組試驗的正交表，見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal experiment table comprising four-factor three-level

在此基礎(chǔ)上，通過相應的試驗，重點分析了上述4因素對濾紙重量占比的影響。首先，測量濾紙在80%濕度下的飽和吸水總重量，然后，將濾紙潤濕，放置于干燥箱中，在規(guī)定的水平時間取出，放置規(guī)定的冷卻時間后測量其重量；進一步通過計算得出不同因素和不同水平下濾紙的重量占比。

在整個試驗過程中，為了保證試驗結(jié)果的重復性，需要注意以下3方面內(nèi)容：

1)為保證試驗初始條件一致，需要使濾紙完全浸潤，因此將濾紙放入裝滿去離子水的燒杯當中浸泡10分鐘后取出置于干燥箱中。

2)由于干燥箱溫度調(diào)節(jié)需要一定時間才能升高或降低，因此在放入及取出濾紙時注意快速操作。

3)取出時，以打開干燥箱的閥門為冷卻時間開始計時，由于時間15 s較短，需要注意保證每一片濾紙取出操作相同，確保測量結(jié)果的準確性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計性分析

根據(jù)表1中正交試驗因素水平表進行試驗9組試驗，9組試驗所采用的正交試驗方案試驗結(jié)果見表2。試驗指標選取烘干后的濾紙質(zhì)量占比，烘干后濾紙質(zhì)量占比的高低代表了在灰密測量過程中，濾紙吸水對測量結(jié)果的影響，為了保證測量結(jié)果的準確性，烘干程度越高，濾紙吸水對污層測量結(jié)果的影響越小，因此選擇濾紙質(zhì)量占比最高值所對應的水平作為最佳方案。

從表2可看出，9組試驗中的濾紙占比在92.19%～95.77%之間，其中濾紙重量占比最低的為第9組，而濾紙重量占比最高的為第3組試驗，二者之間相差超過3%。考慮到濾紙質(zhì)量占比越高，對絕緣子表面灰密的測量結(jié)果影響越小，因此，最佳方案為烘干溫度110 ℃，烘干時間為45 min，濾紙質(zhì)量選擇2.294 g(飽和重量)，冷卻時間為15 s。

對9組正交試驗方案試驗結(jié)果進行進一步分析，計算參數(shù)A(烘干溫度)、B(烘干時間)、C(濾紙質(zhì)量)、D(冷卻時間)分別在表1所示的1，2，3三個水平下所對應的正交試驗指標K1，K2，K3和極差R，見表3。然后對表3所獲得的結(jié)果進行方差統(tǒng)計，并利用極差分析后因素影響最小的誤差值作為隨機因素，進一步分析烘干溫度、烘干時間、濾紙質(zhì)量和冷卻時間對正交試驗的試驗指標的影響，結(jié)果見表4。

表3 L9(34)正交試驗方案及結(jié)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，烘干溫度和冷卻時間顯著影響試驗指標，而烘干時間在15 min以上時，濾紙重量以及烘干時間對試驗指標的影響很小。

據(jù)上述結(jié)論，為了進一步研究上述影響因素的作用，下面將對烘干溫度和冷卻時間兩個顯著影響因素進行單獨分析。

3.2 烘干溫度

為了研究烘干溫度對濾紙質(zhì)量占比的影響，筆者將質(zhì)量相近的濾紙放置于干燥箱內(nèi)，通過控制變量法，分別測量烘干時間為15 min、30 min以及45 min后，冷卻時間為15 s的濾紙質(zhì)量，再計算出最后的濾紙質(zhì)量占比，結(jié)果見圖3。

圖3 不同烘干溫度下的濾紙質(zhì)量占比圖Fig.3 Proportion of filter paper quality at different drying temperatures

不同烘干溫度下的濾紙質(zhì)量占比結(jié)果與正交試驗得到的結(jié)果相符。值得關(guān)注的是烘干時間在溫度較低時對濾紙質(zhì)量占比的影響較大，隨著溫度升高其響應大大減小，當溫度達到110 ℃時，烘干15 min和烘干45 min，濾紙質(zhì)量占比結(jié)果已經(jīng)沒有太大區(qū)別，且大于110 ℃后烘干溫度提高烘干程度提高有限。

3.3 冷卻時間

為了研究冷卻時間對濾紙質(zhì)量占比的影響，將1/4濾紙，1/2濾紙及全濾紙放置于干燥箱內(nèi)，通過控制變量法，測量測烘干溫度分別為90℃，烘干時間為45 min后不同冷卻時間下的濾紙質(zhì)量，再計算出最后的濾紙質(zhì)量占比，其結(jié)果見圖4。

圖4 不同冷卻時間下的濾紙質(zhì)量占比圖Fig.4 Proportion of filter paper quality at different cooling time

通過控制變量法得到的結(jié)果(圖4)，與正交試驗得到的結(jié)果相符，隨著冷卻時間的增加，濾紙質(zhì)量占比增加，且上升速度逐漸減緩，說明測量時間越慢所測得的結(jié)果差別越大，因此應該在取出濾紙后盡快進行濾紙重量測量。

4 結(jié)論

本研究對濾紙稱重法中濾紙質(zhì)量受空氣中濕度影響進行了正交試驗，并通過試驗結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)濾紙質(zhì)量對試驗指標影響很小，也說明了增加濾紙質(zhì)量會提高吸水量，但不會影響濾紙的吸水性能。

2)烘干溫度對試驗指標影響顯著，說明隨著溫度提升，濾紙將能夠得到進一步干燥。

3)冷卻時間的結(jié)果與實際相符，放置于大氣中時間越長，濾紙質(zhì)量將會逐漸增大。

4)烘干時間對濾紙的烘干程度影響不大，而通過控制變量法說明了烘干時間在溫度較低時影響較大，說明在所選取的3個水平的條件下，烘干時間的影響遠小于烘干溫度的影響。

為了能在試驗中正確測得濾紙的重量，結(jié)合上述的分析結(jié)果，在等值灰密測量試驗中采用溫度為110 ℃，烘干時間15 min的標準進行試驗，在保證烘干程度下減少試驗時間。同時，對每次的濾紙重量測量，均進行3次測量，然后取測量所得的最小重量，以此減少由于操作導致冷卻時間區(qū)別所造成的測量誤差。