盐碱沙尘区域的接触网绝缘子动态积污与预测研究

2020-09-07王思华田铭兴

铁道学报 2020年8期

王思华，王惠, 田铭兴

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070；2. 兰州交通大学甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室，甘肃兰州 730070)

雷害是导致电力系统事故的首要因素，而属次要因素的污闪事故所导致的损失却是雷害的近十倍[1-2]，且牵引供电接触网为露天供电设备，经常受到工业污染或自然盐碱、灰尘、鸟粪等污染，因此在高湿度环境下绝缘子的累积积污程度将直接影响到接触网的安全稳定运行。艾比湖区域高频次的盐碱沙尘更是加剧了受影响区域内接触网绝缘表面的积污程度，具有高含盐量的污秽层也使得绝缘子在湿润条件下更易发生污闪。

国内外学者对盐碱沙尘气象的形成与绝缘子的动态积进行了大量的研究工作：文献[3-4]从气象和地质两方面研究了干涸湖滨部分在风蚀作用下形成的盐碱沙尘对下风向各区域的影响，但是在电力方面的研究相对较少。文献[5]以温度、湿度、风速等特征参数作为神经网络输入值以预测其与等值附盐密度之间关系的模型，由于预测数据为月数据，故针对积污速率快的地区没有大的参考性。文献[6]将盐碱沙尘发源地的颗粒成分以固定的占比模型来模拟其在绝缘子表面的积污现象，但在大气污秽颗粒的构成方面，未考虑在污秽源区影响的基础上添加本区域污源的叠加作用。文献[7]研究了自然降雨特征参数、降雨冲刷作用影响因素等，建立了降雨冲刷物理模型，但雨滴粒径等数学参数受环境因素影响大，具有不确定性，不易获得。

本文在前人研究的基础上，结合艾比湖区域特有的盐碱沙尘天气，根据建立的绝缘子表面积污简化模型，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，得出绝缘表面在持续无降水天气下的累积积污，再通过分析降雨冲刷各因素对积污的影响，利用遗传神经网络对盐密、灰密值和降雨参数之间的关系进行非线性映射模型的建模。依据经纬度信息和气象信息来获取受影响地区每个支柱的动态污秽度，根据现场绝缘子的耐污水平，正确定位和筛选出可能污闪的绝缘子元件。

1 盐碱沙尘对接触网绝缘子的影响

1.1 新疆盐湖简介

新疆是我国面积最大的干旱-半干旱盐湖分布区，也是沙尘天气频发区域，以新疆第一大盐湖艾比湖为例来分析盐碱沙尘对接触网绝缘子动态积污的影响。艾比湖处于极端干旱的荒漠地带以及阿拉山口大风主通道下[8]，生态系统极其脆弱，人类的不合理活动更是加剧了湖面的干缩，初期湖面面积达到1 200 km2，如今湖面已经萎缩至500 km2左右，其中干涸区域表层的土壤含盐量高达40%[9]。水盐运动的加剧加快了湖滨地区荒漠化程度，含盐沙尘活动也越来越频繁，直接威胁到当地经济的可持续发展和新亚欧大陆桥的安全运行。

1.2 艾比湖对北疆铁路接触网绝缘子的影响

艾比湖干涸湖底的盐漠粉尘受阿拉山口大风作用，向东南快速扩展，途径温泉、博乐、精河、乌苏、奎屯等地，路径覆盖了阿拉山口至乌鲁木齐的北疆段铁路。大风、盐尘是对该区域牵引接触网危害最大的因素，列车曾多次受影响使得不能直接发车[8,10]。

沙尘暴和浮尘、扬沙都属于沙尘天气，但是沙尘暴的持续时间较短(多为2～4 h)，发生次数也较少，较高的风速对电力线路产生的力学破坏是沙尘暴对接触网安全运营的首要威胁。而浮尘、扬沙气象发生时，较小的风速对线路的影响较小，较长的持续时间却是绝缘表面持续积污、受潮污闪的必要条件[11]。据统计，精河县20世纪90年代的浮尘天气较之20世纪60年代的天数增长了120多倍[5]。长时间的浮尘天气使得沉降在接触网绝缘子表面的污秽颗粒持续增多，在大气湿度较高的气象条件下(如大雾、毛毛雨、小雨、融雪)，可溶性颗粒吸收水分溶解，泄漏电流逐渐增强，电流热效应促使干带形成，进而出现桥接在干带两边的电弧，若没有达到污闪所需的污秽度，较小的电流便维持不了电弧的发展，沿面闪络现象将不会发生，绝缘表面将在遇到浮尘天气后继续积污；若达到了一定的污秽程度，电弧便会沿半导体的积污层加速发展直至闪络[12]。因此在浮尘天气频发的区域，实现实时监测绝缘表面的动态变化是很有必要的。

2 盐碱污秽颗粒动态积污总模型

根据动态积污原理的研究，污秽颗粒经沉降、冲刷、再沉降的过程沉积在绝缘表面，若将一段无降水时间内污秽颗粒的增长率设为定值，则颗粒在物体表面的动态积污量如图1所示。

总积污量可由盐密ρESDD和灰密ρNSDD分别计算，以各无降水时段内的累积增长值ρESDDi、ρNSDDi和降水冲刷的负增长值ΔCESDDi、ΔCNSDDi累加得出(i=1，2，…)。

ρESDD=ρESDD1+ΔCESDD1+ρESDD2+ΔCESDD2+…

( 1 )

ρNSDD=ρNSDD1+ΔCNSDD1+ρNSDD2+ΔCNSDD2+…

( 2 )

3 接触网绝缘子表面污秽颗粒沉降分析

3.1 盐碱沙尘颗粒沉降

污秽颗粒需要在被风扬起后经历一系列复杂的物理过程才可以沉降在绝缘表面，一般将此过程分为4个独立的阶段[15]。自由沉降阶段中，颗粒在竖直方向上保持平衡后的终点速度vy0做匀速运动，水平方向以等同于主流风速的大小运动；边界层阶段中，颗粒在竖直方向的速度变化很小，可忽略不计；碰撞吸附阶段时，颗粒入射绝缘表面的水膜层，经过入射、碰撞、出射吸附3个过程，如图2～图4所示。如果颗粒在出射时所具有的动能大于污秽层水膜对其的吸附力，则将出射成功，否则将作为污秽层的一部分吸附在绝缘表面。

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

颗粒竖直方向的速度关系为[6]

( 3 )

vy2=evy0

( 4 )

( 5 )

式中：g为重力加速度；dp为污秽颗粒的直径；ρp为污秽颗粒密度；μ为动力黏度；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。

污秽颗粒和绝缘子表面接触过程中的能量损耗主要由颗粒碰撞损耗构成。

( 6 )

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

( 7 )

式中：Wa为颗粒克服壁面水膜的吸附力所做的功；Fw为范德华力；Fc为毛细力；amax为使范德华力最大的距离，amax=0.4 nm；amin为使范德华力最小的距离，amin=0.165 nm；a0为物体的接触距离，a0=0.1 nm。出射时水平方向不受力的作用，vx3=vx2。

由以上分析得出颗粒法向出射速度为

( 8 )

如果污秽颗粒没有完成出射，则vy3将下降为0，且在绝缘表面以vx3为初始速度进行一段远小于绝缘表面长度的减速运动，因此可将vy3=0作为颗粒吸附的判据。

3.2 接触网绝缘子表面累积积污量

3.2.1 累积积污量

文献[8]中以式( 9 )来获得悬式绝缘子在一定时间的积污量，且通过风洞试验得出实验值与理论值误差为14.8%，验证了理论公式的可行性。

( 9 )

式中：SDD为实验时间内单位面积积污量；vpy(r)为粒径为r的污秽颗粒在竖直方向的沉降终点速度；C(t，r)为空气颗粒实时浓度，由空气总悬浮物(TSP)获得；P(r,U∞,RH)为颗粒沉积判据。

3.2.2 艾比湖区域绝缘表面累积积污量

受艾比湖盐碱沙尘影响的区域绝缘子表面积污速率高，短时间内就能累积较厚的污秽层，遇到恶劣天气极易污闪，由式( 9 )可以计算出实时积污浓度的大小，以便于及时的做出预警。但作为数据主要参考的TSP，即总悬浮物颗粒，却不能有效呈现出艾比湖区域大气中盐碱沙尘颗粒的含量信息。TSP监测点大多分布于城市区域，受燃油、燃煤、工业生产等人为活动排放影响较大，而艾比湖下风向地区地形宽广，地处边远，受人为因素影响较小，监测点不仅不能覆盖所有范围，还会导致颗粒分布误差过大。为了更适用于艾比湖区域，以增加数据参考量，增强数据可靠性为前提，将各个县级气象局采集到的信息作为数据来源代替城区TSP数据的不足。可通过二维插分法将各县局的能见度、风速等信息赋值于各支柱所在的经纬度，判定各小时环境影响下可沉降颗粒的粒径大小，并结合各区域降尘监测点拟合出的颗粒累积分布函数得出各粒径颗粒在可沉降颗粒中的含量。修改后的公式为

(10)

式中：ρSAND为每小时绝缘表面单位面积上沉积的颗粒浓度；C(t,dp)为粒径为dp的颗粒在t时刻的污秽浓度；vy0(dp)为粒径为dp的颗粒竖直方向上的沉降速度;dpmax为该时段内沉积颗粒粒径最大值。

绝缘表面颗粒的沉降取决于该粒径颗粒所具有的动能和克服水膜吸附力做的功，克服吸附力做功取决于范德华力与毛细力的大小，而温、湿度是影响这两种力的主要因素。如图5所示，当设置一个温度在0～25 ℃变化，湿度在20%～70%变化的区间，绝缘表面可沉降最大颗粒的直径也将保持在32～42 μm区间内，各温湿度环境下得到的最大可沉降颗粒的粒径可以作为沉降判据。

图5 绝缘子表面污秽颗粒的粒径范围

根据GB/T 20479—2006《沙尘暴天气监测规范标准》中能见度与DM40的对应关系(表1)[16]，将实际的各小时能见度大小结合该时刻温、湿度环境下最大可沉降颗粒粒径的大小，得出可沉降颗粒的浓度值。表2为艾比湖下风向区域9个气象站几个时段能见度对应的DMpmax，将气象站距离源区由近及远排列为1号至9号，由表2可知，在各区域本地污秽源的叠加作用下，污秽颗粒浓度值并不与距艾比湖的距离成反比。

表1 沙尘天气等级对应关系

表2 2011年艾比湖东南风向沿途各点DMpmax浓度

C(t,dp)不仅取决于大气污秽浓度和最大可沉降颗粒粒径的大小，还需由污秽颗粒粒径分布函数来得出大气中各粒径颗粒的浓度值。由艾比湖下风向区域10个监测点降尘粒径分布得出各地的粒径分布相差不大，粒径小于63 μm的颗粒占比均在89%以上。图6 拟合了小于63 μm的颗粒的累积分布函数，拟合公式为

y=75.82e0.002 549x-75.67e-0.067 09x

(11)

图6 污秽颗粒粒径累计分布

3.3 盐碱沙尘颗粒含盐量分析

IEC 60815(新)在划分污秽等级时附加考虑了灰密的影响，不同的灰盐比不仅会影响污秽等级的划分、污闪电压的大小，也会影响降雨对绝缘表面积污的冲刷效果。

沿海区域海盐蒸发量大，导致沉降颗粒中盐含量相对较高，而内陆高原地区沉降物中不溶性颗粒含量较高，因此将灰盐比划分为沿海2～3，内陆高原4～10的区间范围值，大多数研究将灰盐比取为固定值。受艾比湖影响的下风向地域分布较广，且各小区域环境复杂，并不能完全由一个固定的灰盐比做分析。如图7 所示，受盐碱沙尘影响严重的精河县在2—5月由于艾比湖干涸、半干涸湖底的盐量加速析出，气候干燥、地面保湿性差、风蚀作用强烈，导致降尘含盐量明显高于其他月份。如图8所示，老盐场附近由于有露天废弃盐场的影响沉降含盐量较高，而相距不远的托里乡含盐量仅为5%，相差15%。可以看出各地沉降含盐量除了艾比湖源区的影响，还应考虑各小区域内环境的叠加影响。将监测点的降尘含盐量数据结合距离艾比湖源区由近及远的地理位置信息，可由二维插分法得出2008年各站点的降尘含盐量数据，如图9所示，可得出降尘含盐量并不与距污秽源区的距离成正比。综上所述，降尘含盐量是一个随时间和距离而变化的值，因此，本文将灰盐比作为动态变化量来分析是很有必要的。

图7 精河县降尘量中可溶性盐含量的月变化动态(1998年)

图8 艾比湖下风向降尘可溶盐含量

图9 各站点降尘可溶盐含量

4 考虑绝缘子表面冲刷特征的污秽度预测建模

绝缘表面的污秽颗粒受风力冲刷和降雨冲刷两种冲刷方式的影响。由于边界层的作用，风对颗粒产生的拖曳力远小于绝缘表面对颗粒的摩擦力，因此颗粒在风力的作用下无法有效被冲刷，因此本文仅考虑降雨对污秽颗粒的冲刷。

4.1 降雨冲刷要素分析

降雨对颗粒的冲刷效果取决于雨滴粒径、终点速度、动能、降雨量、强度、冲刷角度、持续时间等多个方面。而雨滴粒径出现的比例受降雨强度的影响最大。降雨的雨滴直径一般在0.1～6.5 mm之间，过大的气动阻力会使雨滴变得扁平，增大了受力面积，在降落之前就破裂为小雨滴。雨滴动能正比于粒径的三次方及终点速度的平方。降雨强度为单位时间内的降雨量，在降雨强度一定的情况下，绝缘表面污秽颗粒被冲刷的速率会随时间的增长而变缓，降雨初始阶段，冲刷效果较好，经过较短的时间后冲刷效果变弱，盐密、灰密值变化趋于平缓。雨滴受风力的作用，在竖直方向上会偏移一定的角度，随着角度的增大，绝缘子悬垂串各片之间的遮挡作用将会减弱，造成绝缘表面被直接冲刷面积的增大，使得冲刷效果增强。

综合上述分析，雨滴动能可以综合反映雨滴粒径与终点速度；时间段确定的情况下，降雨强度便可反映降雨量的大小，降雨量是雨滴体积和速度的体现，因此在考虑降雨对污秽颗粒的冲刷效果时，只需考虑降雨强度、降雨持续时间和风速的大小即可。

4.2 遗传神经网络建模

文献[17]研究表明,中雨、大雨、暴雨(小时降雨量大于2.5 mm)可以有效对绝缘表面进行冲刷，小雨、毛毛雨仅能湿润绝缘表面的污秽层，造成易于污闪的环境，并不能有效冲刷。但是小雨与中雨并不能以数据的界定完全分割开来，两者的界点是个过度量，雨滴是吸附大气中的污秽颗粒进行湿沉降还是对绝缘表面的污秽颗粒进行冲刷都与诸多因素存在非线性关系，无法表示为单一的线性函数，因此本文使用神经网络来映射输入、输出量之间的映射关系。图10为人工神经网络模型，模型采用三层网络结构，包括输入层、隐含层、输出层。将影响降雨冲刷效果的参数作为输入节点，通过对样本数据的学习训练，得到相关的映射模型。

为了增强神经网络的收敛能力和学习能力，本文利用遗传算法特有的全局搜索能力优化BP神经网络的结构和参数，对BP网络中的权值、阈值以及学习速率进行优化，解决随机分配的弊端。

图10 人工神经网络模型结构

4.3 输入量选取

降雨对绝缘表面污秽量的冲刷作用可由风速、降雨强度和降雨持续时间3个特征值考量。自然降雨对污秽颗粒中的惰性成分和盐碱成分有不同的冲刷效果：惰性颗粒仅受雨滴降落在绝缘表面产生的冲击力作用；而未被雨滴冲击力冲刷的盐碱颗粒，还可继续受到绝缘表面污秽层水膜的影响，当水膜量超过保有值便以溶解滴落的方式脱离绝缘表面。由此可得，在相同污秽沉积量，且受到相同的降雨冲刷条件下，惰性颗粒含量较高的污秽层在受冲刷作用后剩余的污秽颗粒较多，因此，需将盐密、灰密分开考虑以提高预测精度。根据上月监测到的绝缘表面盐密、灰密值叠加由式(10)计算出的本月在无降雨天气下的累积积污量的大小，对比本月实际监测到的盐密、灰密值的大小即可反映降雨对污秽层的冲刷效果。输入层各参数可选为：上月ρESDD监测值、上月ρNSDD监测值、月均降雨强度、降水次数、降水时间均值、月均风速、月均相对湿度以及当前月累积的ρESDD、ρNSDD值共9个参数，输出层参数为当前月绝缘表面实测的ρESDD、ρNSDD值。

4.4 预测结果分析

本文共收集了84组XP-160型悬式瓷绝缘子表面的污秽积污浓度值以及绝缘子所在地的相关气象参数，将60组数据作为学习样本，训练预测模型，再由24组数据作为检测样本，输入到模型中比对预测结果与实际结果，验证本文所提方法的正确性。

表3列出了部分检测样本与学习模型的预测数值。用上月监测出的盐密、灰密值分别叠加当月对应的累积沉降量与当月实际污秽监测值进行比对，可以看出在月均降雨强度较小的前三组样本中，降雨对绝缘表面的累积污秽并没有明显的冲刷效果，样本2、样本3中更是出现了叠加值小于实际污秽监测值的现象，可解释为，小强度的降雨对表面的冲刷作用有限，且经降雨后污秽层湿度增加，颗粒间黏聚力增强，同时吸附空气中的湿润污秽颗粒增加绝缘表面的污秽累加值，导致污秽层颗粒在降雨后不降反增的现象。样本4、样本5中，当月实际监测值明显小于污秽沉积累加值，取决于较大的降雨强度对污秽层的机械以及溶解冲刷作用。经比对，本文提出预测模型的输出值与实际监测值的误差为9%，在误差范围之内，说明本文提出的方法可行。

表3 遗传神经网络计算绝缘子表面降雨冲刷后的污秽沉积量预测值与实测值对比

5 实例分析

选取受艾比湖盐碱沙尘影响严重且在2011年3月14日发生污闪事故的精河站作为实例分析对象，并增加博乐站与伊里生站与精河站做对比分析。根据建立的绝缘表面积污总模型，对绝缘表面累积积污量进行计算，并累加降雨对积污的负增长作用，可得出三站点的累积盐密、灰密值，如图11、图12所示。博乐站和精河站累积污秽层颗粒总量相差不大，灰密值几乎持平，盐密值却差异较大，可解释为精河站绝缘表面的污秽层在干涸盐湖的作用下叠加了周围易被吹蚀的盐渍化土地与废弃露天盐场的作用，使得该站降尘量并不随着距离的增加而减弱，伊里生站附近无露天污染源叠加沉降累积值，且距离艾比湖污源较远，盐密、灰密值均较小。

图11 各站点累积积污浓度(盐密)

图12 各站点累积积污浓度(灰密)

经大量的人工污秽实验，得出XP-160型单片绝缘子污闪电压为[1]

(12)

根据式(12)计算出的污闪电压对比绝缘子的耐受电压，便可对易污闪地区做出预警。本文中实例分析的3个站点在污秽等级地域分布上均处于e级，根据IEC 60815标准所列统一爬电比距区间值结合当地运行经验，将统一爬电比距均置为60 mm/kV。XP-160型悬式绝缘子的爬电距离为305 mm，故在此种气象环境下该绝缘子的单片耐压值为5.1 kV，将预警值在耐压值的基础上提高10%，即在某时刻所得的盐密、灰密值对应的污闪电压为5.61 kV时预警。图13为每日各站点绝缘表面的污秽度由式(12)计算得到的耐压值，虽然精河、博乐两站总沉降量相差不大，但含量较少的盐密值差异却影响了耐受电压的大小。可看出精河站在第11天便达到了预警值，第13天达到了耐压临界值，在无任何处理情况下，遇第15天的降雨天气发生污闪。博乐站第16天遇小强度降雨，但耐压值经计算为5.73 kV，还未达到预警值，并未发生污闪，且如图11、图12所示，经小强度降雨后，由于湿沉降作用，盐密、灰密均有小幅增长。