污秽环境下导线表面状态的变化机理与应用研究项目摘要

超、特高压交直流输电线路中，导线的表面状态对其电晕放电特性及由电晕放电引起的可听噪声、无线电干扰、地面合成电场、离子电流等参数具有重要影响。对于在污秽地区长期运行的输电线路，其导线选型、安装方式、运行寿命等因素也受到电磁环境参数的制约。目前，鲜见综合考虑污秽物、电压极性、电场强度、大气条件等因素对导线表面状态变化规律的影响研究。本课题计划设计大气条件，污秽物成分、浓度、颗粒度可控的人工气候实验室及放置在其中的小型电晕笼，灵活开展多种因素对导线表面状态的影响试验。本项目将通过试验和理论计算，研究污秽条件下，电场强度、电晕放电、大气条件等多因素对正直流、负直流、交流导线表面积污特性的影响机理，提出导线表面状态的科学表征及量化方法。基于多种因素对导线表面状态的影响机理，本项目将初步探索导线表面覆涂防污材料后的积污规律；进而提出污秽条件下，减少导线表面积污的有效措施。

超、特高压交直流输电线路中，导线的表面状态对电磁环境参数具有重要影响。本课题主要研究了如下内容： 1.设计了电场、污秽物成分、浓度、积污时间可控的人工加速积污系统，开展了多种因素对交、直流导线表面状态影响的实验。在标称电场作用下，通过分析颗粒物的极化特性以及多颗粒物之间的相互作用，建立了颗粒物在直流导线表面积聚的数学物理模型，揭示了颗粒物在导线表面呈现近似链式分布的特点以及众多颗粒物在导线表面单点上逐渐堆积成“锥形”的自然规律。在离子流场作用下，通过分析离子流场中颗粒物的荷电特性，建立了颗粒物的运动模型，获得了不同电晕放电强度下的直流导线表面积污形貌，揭示了电晕放电在一定程度上会抑制直流导线表面积污的自然规律。 2.通过交流电压作用下对导线积污的理论及实验研究，发下了导线表面颗粒之间的积聚与发热的现象；基于颗粒极化后产生的电场，进行两个颗粒相互之间偶极力的分析，揭示了颗粒间积聚现象产生的机理；基于颗粒极化发热的模型，揭示了堆积颗粒之间将产生热效应的自然规律。 3. 结合SEM与图像处理的灰度矩阵两种工具，建立了分析导线表面状态的定量化手段。提出了一种快速可控的导线表面积聚颗粒物的方法，通过控制带电细丝，对被积污导线周围电场强度进行控制，实现颗粒物快速积聚且均匀性可控的目标，并基于此方法进行了颗粒物积聚在导线表面后的电晕效应实验。 4. 研究了空中颗粒物在导线表面的积污特性，对比了不同条件下的积污形貌。对于不均匀涂污导线，电晕放电增强、起晕电压降低、合成电场强度增大、在空间中不对称；均匀的积污使空气电离层的起始从导线表面外扩到绝缘层外表面，导致导线表面标称场强降低，抑制了电晕放电。 5.采用涂料固载法在光滑导线表面制备相应的TiO2光自洁薄膜导线，开展了光自洁薄膜导线的积污实验。在紫外光照射下，导线表面TiO2光自洁薄膜在一定程度上改善了导线表面的亲水性，同时有利于分解有机物，提高导线的起晕电压。 2100433B

假想条件下的状态变化过程

空气与水直接接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主体空气之间通过分子扩散与紊流扩散，使边界层的饱和空气与主体空气不断混掺，从而使主体空气状态发生变化。因此，空气与水的热湿交换过程可以视为主体空气与边界层空气不断混合的过程。

为分析方便起见，假定与空气接触的水量无限大，接触时间无限长，即在所谓假想条件下，全部空气都能达到具有饱和水温的饱和状态点。在该假定条件下，随水温不同，可得到七种典型空气状态变化过程：

注：t_A,t_s,t_l为空气的干球温度、湿球温度和露点温度，t_w为水温。

理想条件下的状态变化过程

理想条件：空气与水的接触时间足够长，但水量有限。

状态变化过程：水温发生变化，全部空气都能达到饱和状态，且空气终温等于水终温。

实际条件下的状态变化过程

实际条件：空气与水接触时间有限，水量有限。

状态变化过程：既不是直线，也难于达到与水的终温（顺流）或初温（逆流）相等的饱和状态。

然而在工程中人们关心的只是空气处理的结果，而并不关心空气状态变化的轨迹，所以在已知空气终状态时仍可用连接空气初、终状态的直线来表示空气状态的变化过程。 2100433B

介质表面受潮后，污秽层中所含的可溶性盐类和酸、碱等溶解于水膜形成离子电导，表面电导骤增，污秽表面通过较大的泄漏电流。由于绝缘表面的形状、污秽层不均匀和受潮情况的差异等原因，电流密度较大或污秽层电阻大的地方（如盘形悬式绝缘子钢帽和钢脚附近或其他污秽层薄的地方）发热多、烘干得快，形成干燥带，成为失去离子电导的高电阻区。这个区域的电压降增大，泄漏电流也变小，发热少，干燥带又会逐渐受潮。重复上述过程，如干燥带上电压降超过某一临界值，则干燥带上空气击穿，电流突然增加，有可能引起热电离而发生局部电弧放电。局部电弧的高温迅速烘干邻近湿润表面,电弧通道向前伸展,弧压降增大。此时,如外施电压和电流不够高,不能维持电弧燃烧则电弧熄灭。邻近一个区域又会因条件合适发生局部电弧。局部电弧的熄灭和重燃不断交替，湿润污秽表面放电有脉冲泄漏电流的特征。在电力网络中运行的污秽绝缘子表面这样的局部电弧过程，可以持续几个小时。如电压较高，介质表面受潮程度渐趋严重，污秽层电阻降低，表面泄漏电流增大，局部电弧得以不断伸展，发展到接通两个电极,则形成污闪。污秽表面的沿面放电和闪络,不仅取决于形成干燥带和发生局部电弧，还取决于作用电压和流过表面的泄漏电流能否维持局部电弧继续燃烧和伸展，因此污秽层的电阻率高和极间沿面泄漏距离大都能提高污闪电压。