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摘要：变电站绝缘子结垢已成為影响安全运行的重要隐患，特别在深圳，由于湿度大，地处沿海盐度高，结垢问题更为严重。本文通过对深圳市的两个220kV变电站套管污垢样品的采集与分析，对其中的主要成分及含量进行了研究。结果表明1号变电站站的污垢主元素为Si、Al、Ca、Fe、S、K等，2号变电站的污垢主元素为Si、Al、Fe、K、Ca、Ti等，污垢类型主要为硅酸盐型，其中SiO2超过55%。同时，有机碳成分占主要比例，1号变电站与2号变电站中有机碳分别占总碳的90.4%和94.4%。因此，对于去除而言，由于去除硅垢的试剂如HF具有较强的腐蚀作用，采用安全、易挥发的有机溶剂对污垢中的有机物进行溶解去除，从而破坏污垢连接介质具有较好的应用前景。
关键词：深圳，变电站，绝缘子，表面结垢，成分分析
1. 背景
污垢一般被定义为在表面上形成的“不需要的沉积物”，对设备的正常运行会产生不利的影响[1]。因此，对设备结垢状态进行监测、成分进行分析，进而研究去污方法，对保障设备正常运行具有重要意义。
结垢的类型按照其成分，主要可分为碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙等。由于水一般被用作传热过程中的冷却介质，而水也可溶解大部分含有Ca2+和Mg2+或地球上其他矿物质的溶剂，因此，当这种含矿物质的水受到不同的物理作用（如热传递，摩擦和压力变化）影响时，会导致表面沉积物的形成并引起结垢[2]。正因如此，目前对结垢的研究主要集中在以水作为传热介质的换热器表面，如国建宝等研究了高压直流换流阀冷却系统均压电极结垢机理，分析了结垢的过程、影响因素、形成规律，总结结垢的根本原因[3];李煜和徐志明等[4]计算了水质、几何结构和运行实况等因素对结垢的影响权重;金文倩[5]等采用全浸均匀腐蚀实验和电化学实验的方法模拟了镀镍磷钢、304不锈钢和20号碳钢三种管材在地热水环境中的腐蚀结垢性能。崔涛[6]研究了不同浓度下不锈钢316L管材上的CaCO3污垢的生长机理以及形貌特征，并数值模拟了管内的流场和温度场。李素芳[7]研究了不同雷诺数下的CaCO3污垢的生长机理，并总结了污垢热阻的变化规律。
尽管目前对换热器表面结垢进行了大量研究，并在：（1）搭建实验台或以实际生产运行的换热设备为平台配合数值模拟的手段，对污垢的沉积、生长过程进行探究和模拟;（2）对污垢的监测技术进行开发和研究;（3）对污垢进行对策研究等三方面取得了系统性的成果，但对非换热表面的污垢形成原理、特征等研究较少。
深圳地处沿海，空气中颗粒物盐度较大，因此易于在表面结垢，特别是对于变电站而言，在特殊的电场作用环境下，更易在光滑陶瓷的绝缘子表面沉积，形成严重的结垢现象，从而对输变电设备的安全、稳定运行造成不利影响。但目前对这方面的研究还较少，也未形成针对性的分析测试、污垢去除等研究成果。本文以深圳两座典型的变电站为例，采集绝缘子表面污垢并进行成分分析，以期探究污垢特征，从而为分析污垢来源、形成机理，并进一步制定去污措施提供依据。
2. 材料与方法
2.1 变电站的选取
经调研，选取1号变电站与2号变电站作为研究对象。这两个变电站分别位于深圳市宝安区沿海附近，常年所处气候为亚热带季风性气候，夏季高温多热，冬季温和少雨。变电站绝缘子表面结垢问题较严重，需要定期进行清除（图1），不仅给工作人员带来了较大的负担，同时也给变电站的安全运行带来了隐患。
2.2 结垢的取样与成分分析
对于陶瓷绝缘子上的污垢，为防止取样过程中的污染，所有取样过程全部使用削尖的木刀进行。将小心刮取下的样品装粉末入聚四氟乙烯瓶中，然后带入实验室进行成分分析。
样品的成分分析方法为：全成分扫描采用X射线荧光光谱仪（XRF）进行，进行成分组成及对应含量分析;有机质采用TOC仪分析，得到有机碳（C有机）与无机碳（C无机）含量。
3. 结果与讨论
3.1 结垢成分组成与含量
1号变电站与2号变电站绝缘子表面结垢成分分析分别如下表1和表2所示。
根据表1、表2的分析结果可知，XRF对元素的识别能力较强，能检测到微量的元素，而随着气溶胶漂浮传播的元素多种多样，因此在样品中呈现出复杂的组成。但实际上，一般只需关注含量在1%以上的主元素，其他元素可忽略不计。对于1号变电站而言，主元素为Si、Al、Ca、Fe、S、K等，而对于2号变电站，主元素为Si、Al、Fe、K、Ca、Ti等。两者共同的组分为Si、Al、Ca、Fe、K，而差异元素为S与Ti，S主要与空气污染状况有关，是形成雾霾的主要成分，而Ti可能与绝缘子的材料组成有关。从共同主要成分来看，污垢的类型主要为硅酸钙型，其次为碳酸钙型，与“水泥”成分相似;从来源来看，合理的推测可能是当空气中颗粒物随雨水下落或附着到绝缘子表面后，由于深圳湿度较大，近海盐度较高，发生类似“水泥水化”过程的化学反应，从而牢固附着在表面形成污垢并难以去除。
在进行元素组成与含量分析的基础上，进一步研究了样品中的有机碳含量，如下表3所示。
由上表可知，1号变电站的有机碳含量高于2号变电站，这主要与污垢形成的颗粒物来源有关。虽然含量上有差异，但在两个站中，有机碳均占了较大的比重，分别占总碳的90.4%和94.4%。有机物具有架桥粘结的作用，对于污垢的形成与增长、污垢的附着等均具有重要作用，因此，也是去除过程中需要重点关注的方面。
从污垢的成分来看，要达到破坏污垢结构并去除的目的，尽管最理想的方式应为去除硅酸盐，但硅酸盐去除难度较大，仅溶于HF，而HF对绝缘子有较大的腐蚀作用，因此无法使用。另一种方式为使用安全、易挥发的有机溶剂对污垢中的有机物进行溶解去除，从而破坏污垢连接的介质，达到去除的目的。
4. 结论
（1）1号变电站的污垢主元素为Si、Al、Ca、Fe、S、K等， 2号变电站的污垢主元素为Si、Al、Fe、K、Ca、Ti等，污垢类型主要为硅酸盐型。
（2）污垢中有机碳成分占主要比例，1号变电站与2号变电站中有机碳分别占总碳的90.4%和94.4%。
（3）由于HF对绝缘子本身的腐蚀作用较强，因此无法用于除垢，采用安全、易挥发的有机溶剂对污垢中的有机物进行溶解去除，从而破坏污垢连接介质具有较好的应用前景。
5. 参考文献
[1] Steinhagen R，Steinhagen H M，Maani K. Problems and Costs due to Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industrise[J]. Heat Transger Engineering， 1993， 14（1）： 19-30.
[2] 潘逸琼， 梁磊， 刘世宏等.管材种类和污垢对凝汽器传热性能的影响[J]. 汽轮机技术， 2014， 56（4）： 311-314.
[3] 国建宝， 崔鹏飞， 关胜利等. 高压直流换流阀均压电极的结垢机理研究[J]. 表面技术， 2019， 48（10）： 285-291.
[4] 李煜，徐志明，陈健美. 板式换热器冷却水污垢影响因素权重及结垢机理[J]. 邵阳学院学报， 2016.
[5] 金文倩，马春红，莫东平等. 金属管材在模拟地热水中的腐蚀结垢性能[J]. 腐蚀与防护 2016， 37（9）： 707-714.
[6] 崔涛. 圆管内CaCO3污垢生长特性的实验与数值研究[D]. 兰州： 兰州交通大学， 2015.
[7] 李素芳. 光管内 CaCO3结垢特性及其与雷诺数的关系[D]. 兰州： 兰州交通大学， 2015.
关键词：深圳，变电站，绝缘子，表面结垢，成分分析
1. 背景
污垢一般被定义为在表面上形成的“不需要的沉积物”，对设备的正常运行会产生不利的影响[1]。因此，对设备结垢状态进行监测、成分进行分析，进而研究去污方法，对保障设备正常运行具有重要意义。
结垢的类型按照其成分，主要可分为碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙等。由于水一般被用作传热过程中的冷却介质，而水也可溶解大部分含有Ca2+和Mg2+或地球上其他矿物质的溶剂，因此，当这种含矿物质的水受到不同的物理作用（如热传递，摩擦和压力变化）影响时，会导致表面沉积物的形成并引起结垢[2]。正因如此，目前对结垢的研究主要集中在以水作为传热介质的换热器表面，如国建宝等研究了高压直流换流阀冷却系统均压电极结垢机理，分析了结垢的过程、影响因素、形成规律，总结结垢的根本原因[3];李煜和徐志明等[4]计算了水质、几何结构和运行实况等因素对结垢的影响权重;金文倩[5]等采用全浸均匀腐蚀实验和电化学实验的方法模拟了镀镍磷钢、304不锈钢和20号碳钢三种管材在地热水环境中的腐蚀结垢性能。崔涛[6]研究了不同浓度下不锈钢316L管材上的CaCO3污垢的生长机理以及形貌特征，并数值模拟了管内的流场和温度场。李素芳[7]研究了不同雷诺数下的CaCO3污垢的生长机理，并总结了污垢热阻的变化规律。
尽管目前对换热器表面结垢进行了大量研究，并在：（1）搭建实验台或以实际生产运行的换热设备为平台配合数值模拟的手段，对污垢的沉积、生长过程进行探究和模拟;（2）对污垢的监测技术进行开发和研究;（3）对污垢进行对策研究等三方面取得了系统性的成果，但对非换热表面的污垢形成原理、特征等研究较少。
深圳地处沿海，空气中颗粒物盐度较大，因此易于在表面结垢，特别是对于变电站而言，在特殊的电场作用环境下，更易在光滑陶瓷的绝缘子表面沉积，形成严重的结垢现象，从而对输变电设备的安全、稳定运行造成不利影响。但目前对这方面的研究还较少，也未形成针对性的分析测试、污垢去除等研究成果。本文以深圳两座典型的变电站为例，采集绝缘子表面污垢并进行成分分析，以期探究污垢特征，从而为分析污垢来源、形成机理，并进一步制定去污措施提供依据。
2. 材料与方法
2.1 变电站的选取
经调研，选取1号变电站与2号变电站作为研究对象。这两个变电站分别位于深圳市宝安区沿海附近，常年所处气候为亚热带季风性气候，夏季高温多热，冬季温和少雨。变电站绝缘子表面结垢问题较严重，需要定期进行清除（图1），不仅给工作人员带来了较大的负担，同时也给变电站的安全运行带来了隐患。
2.2 结垢的取样与成分分析
对于陶瓷绝缘子上的污垢，为防止取样过程中的污染，所有取样过程全部使用削尖的木刀进行。将小心刮取下的样品装粉末入聚四氟乙烯瓶中，然后带入实验室进行成分分析。
样品的成分分析方法为：全成分扫描采用X射线荧光光谱仪（XRF）进行，进行成分组成及对应含量分析;有机质采用TOC仪分析，得到有机碳（C有机）与无机碳（C无机）含量。
3. 结果与讨论
3.1 结垢成分组成与含量
1号变电站与2号变电站绝缘子表面结垢成分分析分别如下表1和表2所示。
根据表1、表2的分析结果可知，XRF对元素的识别能力较强，能检测到微量的元素，而随着气溶胶漂浮传播的元素多种多样，因此在样品中呈现出复杂的组成。但实际上，一般只需关注含量在1%以上的主元素，其他元素可忽略不计。对于1号变电站而言，主元素为Si、Al、Ca、Fe、S、K等，而对于2号变电站，主元素为Si、Al、Fe、K、Ca、Ti等。两者共同的组分为Si、Al、Ca、Fe、K，而差异元素为S与Ti，S主要与空气污染状况有关，是形成雾霾的主要成分，而Ti可能与绝缘子的材料组成有关。从共同主要成分来看，污垢的类型主要为硅酸钙型，其次为碳酸钙型，与“水泥”成分相似;从来源来看，合理的推测可能是当空气中颗粒物随雨水下落或附着到绝缘子表面后，由于深圳湿度较大，近海盐度较高，发生类似“水泥水化”过程的化学反应，从而牢固附着在表面形成污垢并难以去除。
在进行元素组成与含量分析的基础上，进一步研究了样品中的有机碳含量，如下表3所示。
由上表可知，1号变电站的有机碳含量高于2号变电站，这主要与污垢形成的颗粒物来源有关。虽然含量上有差异，但在两个站中，有机碳均占了较大的比重，分别占总碳的90.4%和94.4%。有机物具有架桥粘结的作用，对于污垢的形成与增长、污垢的附着等均具有重要作用，因此，也是去除过程中需要重点关注的方面。
从污垢的成分来看，要达到破坏污垢结构并去除的目的，尽管最理想的方式应为去除硅酸盐，但硅酸盐去除难度较大，仅溶于HF，而HF对绝缘子有较大的腐蚀作用，因此无法使用。另一种方式为使用安全、易挥发的有机溶剂对污垢中的有机物进行溶解去除，从而破坏污垢连接的介质，达到去除的目的。
4. 结论
（1）1号变电站的污垢主元素为Si、Al、Ca、Fe、S、K等， 2号变电站的污垢主元素为Si、Al、Fe、K、Ca、Ti等，污垢类型主要为硅酸盐型。
（2）污垢中有机碳成分占主要比例，1号变电站与2号变电站中有机碳分别占总碳的90.4%和94.4%。
（3）由于HF对绝缘子本身的腐蚀作用较强，因此无法用于除垢，采用安全、易挥发的有机溶剂对污垢中的有机物进行溶解去除，从而破坏污垢连接介质具有较好的应用前景。
5. 参考文献
[1] Steinhagen R，Steinhagen H M，Maani K. Problems and Costs due to Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industrise[J]. Heat Transger Engineering， 1993， 14（1）： 19-30.
[2] 潘逸琼， 梁磊， 刘世宏等.管材种类和污垢对凝汽器传热性能的影响[J]. 汽轮机技术， 2014， 56（4）： 311-314.
[3] 国建宝， 崔鹏飞， 关胜利等. 高压直流换流阀均压电极的结垢机理研究[J]. 表面技术， 2019， 48（10）： 285-291.
[4] 李煜，徐志明，陈健美. 板式换热器冷却水污垢影响因素权重及结垢机理[J]. 邵阳学院学报， 2016.
[5] 金文倩，马春红，莫东平等. 金属管材在模拟地热水中的腐蚀结垢性能[J]. 腐蚀与防护 2016， 37（9）： 707-714.
[6] 崔涛. 圆管内CaCO3污垢生长特性的实验与数值研究[D]. 兰州： 兰州交通大学， 2015.
[7] 李素芳. 光管内 CaCO3结垢特性及其与雷诺数的关系[D]. 兰州： 兰州交通大学， 2015.