宋浩永，黄青丹，陈于晴，何彬彬，杨 辉，赵灵智

玻璃绝缘子积污微观特性研究

宋浩永1，黄青丹1，陈于晴1，何彬彬1，杨 辉2，赵灵智2

（1.广州供电局有限公司电力试验研究院，广州510410；2.广东省低碳与新能源材料工程技术研究中心，广州510631）

绝缘子表面的污秽物是导致闪络的重要因素之一。采用SEM结合EDS元素分析技术对于广州典型区域玻璃绝缘绝缘子的污秽沉积性质展开了测试研究，研究结果表明：玻璃绝缘子表面积污微观结构具有层次结构，积污量呈径向减小趋势，并呈现不规律性分布；污秽主要由难溶物组成，不同区域的难溶物组成基本接近，且在径向方向没有大幅度变化；污秽中钙元素的相对含量沿径向升高，钠元素相对含量在径向方向减小。

污秽物；微观结构；元素分析

0 引言

绝缘子表面积污状况一直是电力系统外绝缘基础研究重点内容之一，外绝缘器件在电力系统中有广泛的应用，长期暴露在空气中污秽物会附着在绝缘子表面，在一定的条件下会造成严重的污闪事故，因此研究绝缘子表面积污的微观特性及积污的分布和化学组成，可以为电力系统外绝缘设计、污闪防治和基础研究提供重要依据，对于电力系统的安全运行具有重要意义。

目前对于绝缘子积污规律的研究主要集中在绝缘子外部几何构造与积污规律的相关性研究[1-7]，对于华南地区，绝缘子表面积污的少量报道主要集中在绝缘子上下表面等值附盐密度（ESDD）和不可溶物密度（NSDD）的季节性、相关性等方面进行研究[8]，测定过程均采集绝缘子表面污秽物，测定过程并没有讨论绝缘子污秽物微观沉积结构和自然状态下积污化学组成，因此有必要对广州地区绝缘子污秽物进行更微观沉积特征研究，完善污秽物研究体系。本文以广州地区的盘式防污型钢化玻璃绝缘子表面污秽物为研究对象，在最大程度保护绝缘子表面污秽物形貌的基础上对绝缘子上表面的污秽微观沉积结构进行测定，并在此基础上对绝缘子表面污秽物绝缘子污秽元素组成进行分析。

1 研究方法

为研究广州地区线路盘式防污型绝缘子的自然积污规律，根据绝缘子所在区域属性选择农田/村庄区域、工业区区域、沿海区域等3个主要区域玻璃绝缘子污秽物为研究对象，为了研究绝缘子的污秽表面的污秽物沉积结构，如图1所示在绝缘子表面等间距划定宽度为1 cm的3个圆环，在互成90°角的4个方向上共取12个点，取样点取样采用的双面导电胶带黏贴0.5 cm×0.5 cm面积试样，对试样（绝缘子表面污秽物）的微观沉积结构进行扫描电镜的观测，同时对绝缘子污秽物进行原位元素分析，观测电压为20 KV，放大倍数为200倍，衬度成像信号源为背散射电子。每个区域采集至少3个绝缘子样品对表面污秽物进行污秽物取样，称取2～4g样品，加入质量比600:1的超纯水后，充分振荡后放入超声波清洗器中超声20 min。抽滤分离后，用移液管抽取约1.5 ml上层澄清液至洁净的样品瓶中备用；分别进行阴离子（F-、Cl-、SO42-、NO3-、PO43-、NO3-、甲酸根离子、草酸根离子；离子色谱仪配备高容量阴离子交换柱；配置电导检测器；以氢氧化钾溶液作为淋洗液）、碱金属及碱土金属阳离子（Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+；离子色谱仪配备阳离子交换柱；配置电导检测器；以20甲烷磺酸溶液作为淋洗液）测定。

图1 绝缘子表面取样示意图Fig.1 Diagram of insulator surface contamination sampling method

2 结果与讨论

从图2、图3、图4绝缘子污秽物扫描电镜图可知，不同区域绝缘子污秽物的沉积量存在较大差异，相同倍率下观测到绝缘子工业区和沿海区域的积污量较大，农田区域的积污量相对较小；同一个绝缘子表面积污量差异主要体现在第一圈与第二圈和第三圈积污量差异较大，而第二圈与第三圈积污秽量差异较小，在工业区域，主要是由于空气污秽量较大，污秽物碰撞粘连[9-10]概率较大，造成沉积量较大，而在沿海区，空气湿度较大，润湿后的污秽颗粒更容易碰撞后粘连，形成较大量的污秽沉积，同时第一圈积污受到自然清洗作用[11]影响较小，造成积污量大；第二圈和第三圈的沉积量较小并且没有明显的差异，主要由于在外圈受到雨水的清洗作用[12-13]较大，所以在所测试的绝缘子第二圈和第三圈积污量并不大，第二圈与第三圈积污量差异也较小。

图2 农田/村庄区域绝缘子表面污秽物SEM图Fig.2 SEM photos of contamination on insulator surface in farmland/village area

图3 工业区区域绝缘子表面污秽物SEM图Fig.3 SEM photos of contamination on insulator surface in industrial area

图4 沿海区域绝缘子表面污秽物SEM图Fig.4 SEM photos of contamination on insulator surface in coastal area

从图3和图4上可明显看出，污秽微观沉积物分布并不均匀，主要表现为绝缘子表面不均匀覆盖；工业区和沿海区域（污秽沉积量较大的区域）污秽物在第一圈位置积污表层呈现松散的微米级松散颗粒堆积，沿着径向方向的第二圈和第三圈污秽物沉积量明显减小，污秽物表层的堆积结构也由松散颗粒物变为颗粒较大更致密的块状结构，而图2农田区域（绝缘子表面积污量较小的区域）绝缘子污秽物量也从第一圈向外圈呈现减小趋势，相邻的两圈位置的污秽沉积量之间的减小的幅度相比工业区和沿海区域的减小幅度更小，而且一圈位置的沉积结构也不同于工业区和沿海区域，积污结构更紧密，第二圈和三圈的沉积结构与第一圈一致。出现这样不同积污结构的主要原因可能是由于广州地区绝缘子降雨可以产生更有效的清洗，所以松散的颗粒物在绝缘子外圈难以附着形成，这种清洗作用对于内圈（第一圈）的影响并不如外圈大，只形成底层的致密结合层，而在工业区和沿海区域第一圈积污结构会有松散的表层。根据取样的特点，可以看出，绝缘子污秽物的微观堆积结构从表面到与玻璃接触的污物的沉积结构越来越规整，结构更致密，底层污秽物与绝缘子表面的结合力也较强[14]，在雨水的清洗作用下，不至于完全脱落。

绝缘子污秽物的化学组成：在上述微观电镜测试的基础上，采用EDS对所有取样点进行绝缘子污秽物进行原位元素分析，元素分析结果见图5至图7。从测试结果可看出：所有取样点污秽物碳元素和氧元素的含量分别在12%～32%和33%～45%，碳元素主要以碳素、有机化合物和碳酸盐形式存在[15]，氧元素主要以氧化物和含氧酸根形式存在，其次以Al、Si、Fe、Ca、S为主，所有绝缘子污秽物的这些元素相对含量具有一致性，表明绝缘子中的大量污秽物为相同或相似化合物，研究表明，广州地区绝缘子污秽物主要为 C、SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaSO4、MgSO4、Pb等[16-18]，对污秽的贡献率可以达到90%以上，与测试主要元素基本保持一致。

图5 农田/村庄绝缘子污秽取样点EDS元素分析结果Fig.5 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of farmland/village area

图6 工业区绝缘子污秽取样点EDS元素分析结果Fig.6 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of industrial area

从图5、图6、图7可以看出：不同区域绝缘子污秽物主要化合物在径向方向组成及含量并没有大幅变化，表明污秽物化学组成并没有变化，一个重要的原因由于积污分布不均匀，造成元素相对含量分布出现细微浮动。判断绝缘子积污主要为难溶化合物，根据SEM测试绝缘子污秽物沉积结构可知主要难溶污秽物在表面横向和纵向的组成一致。在农田区域绝缘子污秽物出现了相对含量较高的铁元素和锌元素，这可能来自于该区域特殊的污染源。

显然难溶物并不是造成污闪事故的主要原因，可溶解离子对于污闪具有重要的影响，见图8。3个区域离子色谱测试结果品均测试结果表明：这3个区域绝缘子污秽物中的大量可溶阴离子主要有硫酸根、硝酸根、氯离子，其中以硫酸根含量高达28%～44%，可溶阳离子主要有钙离子和钠离子，其中钙离子的含量高达18%～25%。见表1。

图7 沿海区域缘子污秽取样点EDS元素分析结果Fig.7 EDS elements Analysis results of contamination sampling points of coastal area

图8 各个区域绝缘子污秽物可溶离子含量Fig 8 The concentration of soluble ion in various regions

表1 各个区域主要离子之间的相关系数表Table 1 Correlation coefficient between major ions in various regions

从表1可以明显看出：3个区域绝缘子污秽物中钙离子与硫酸根离子、钠离子与氯离子和硝酸根质量具有良好相关性，依据阴阳离子之间质量相关性可知，在广州3个主要区域绝缘子污秽物可溶（微溶）盐的化合物形式主要以CaSO4、NaCl形式存在，个别区域由于离子含量差异不同，会出现NaNO3或Ca（NO3）2，以上测试结果为各个区域绝缘污秽物中可溶（微溶）盐的整体采样测试结果。不同区域钠元素相对含量径向变化情况见图9。

图9 不同区域钠元素相对含量径向变化情况Fig.9 radial Relative content of sodium changes in different areas

有研究表明，上述两种盐是绝缘子污秽中可溶物的主要成分，对污闪有贡献，其中一价离子可以显著降低污闪电压[19-20]，为了反应自然状态下绝缘子表面污秽物中可能提高污闪可能性的钠盐和钙盐的分布状况，主要研究钠盐和钙盐的分布状况，在原位EDS测试结果中都有对应的钙元素和钠元素检出，离子色谱分析表明，对于绝缘子污秽中含量较高的两种盐CaSO4和NaCl。如图10所示元素分析测试结果中钠元素几乎在每个取样点均被检测到，含量都在3%以下，并且所有的被测绝缘子污秽中钠元素在径向方含量呈现逐渐减小的趋势。分析主要是钠元素在污秽中多以可溶盐形式存在，遇水可以电离，受到雨水的溶解冲刷作用之后，会出现钠离子流失，钠离子流动性较强，与难溶物结合较弱，呈现出逐渐减小的趋势。

图10 不同区域钙元素相对含量径向变化情况Fig.10 radial Relative content of Calcium changes in different areas

除了钠元素外，钙元素主要以微溶钙盐形式存在，也在所有取样点被检测出，在径向方向出现了不同于钠元素分布的规律分布，在三圈取样点中，钙离子第三圈中的浓度较高，第二圈浓度较小，主要是由于钙元素以微溶硫酸钙形式存在，溶解冲刷迁移的作用影响较小，而主要受到机械冲刷作用，同时硫酸钙结合力较强，所以出现在绝缘子外圈富集，而冲刷作用对于第一圈的影响较小，所以机械冲刷对一圈的影响较小。

实验室模拟绝缘子污秽沉积，并研究污闪与绝缘子污秽物的相关性并没有关注绝缘子自然污秽物的微观沉积结构与模拟实验中污秽物的结构差异，以及部分对污闪有贡献的元素对的规律性分布，因此造成污闪研究缺陷。上述积污规律对于实验室模拟自然污秽沉积过程进行污闪研究具有重要的指导和实践价值。

3 结论

1）微观结构的分析表明，污秽物沉积量较大时，表层的污秽物呈现微米级的松散堆积颗粒，逐渐向下，污秽的沉积颗粒变大进一步致密化，呈现紧密的块状沉积结构，有良好的结合力；绝缘子表面积污量沿着径向呈递减趋势。

2）从EDS元素测试结果可以判断，广州地区绝缘子表面积污主要为难溶污秽物，由于玻璃表面性质不均匀和自然力的作用，污秽物组成元素含量在绝缘子表面呈现无规变化，污秽物组成元素含量有小幅变化，但是偏离程度并不大，可判断取样区域的绝缘子污秽物化学组成一致，工业区和沿海区域绝缘子积污量较大，农田/村庄积污量较小。

3）上述4支绝缘子难溶污秽物在组成上没有呈现横线或纵向组成变化。

4）绝缘子污秽物中的可溶性钠离子相对含量在径向出现递减的现象，微溶的钙离子在绝缘子污秽物中呈现增加的趋势，在最外圈富集。

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Study on the Microstructure Characteristics of Natural Contamination Deposit on Glass Insulator Surface

SONG Haoyong1，HUANG Qingdan1，CHEN Yuqing1，HE Binbin1，YANG Hui2，ZHAO Lingzhi2
（1.Tests and Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau Co.，Ltd，.Guangzhou 510410，China；2.Guangdong Engineering Technology Research Center of Low Carbon and Advanced Energy Materials，Guangzhou 510631，China）

Contamination of insulator surface is one of the important factors causing flashover acci⁃dents.So this article focus on microstructure characteristics of insulator natural contamination in Guang⁃zhou based on the experimental data of SEM and EDS element analysis.Test results indicate that the mi⁃crostructure of deposition has a hierarchical structure and radial decreasing trend，irregular distribution;contamination is mainly composed of insoluble material which did not change significantly in the radial di⁃rection，the insulator insoluble contamination of different areas appears nearly uniform composition.Meanwhile the relative content of calcium is increased along the radial direction and the relative content of sodium decreased in the radial direction.

contamination；microstructure；element analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.041

2016-09-08

宋浩永（1985—），男，工程师，从事电力外绝缘技术研究。