不均勻憎水性對線路絕緣子防污效果的影響

吳明雷，鄒 淮，王永福，郗曉光，楊朝翔，王希林，賈志東，陳 燦

（1. 國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300022； 2．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

引言

以硅橡膠為主的復合絕緣材料廣泛應用于高電壓外絕緣領域，在輸電線路的防污閃工作中取得了良好的效果[1-3]。硅橡膠材料因其憎水性和憎水遷移性能夠有效地提高絕緣子的污閃電壓[4]，然而，長期運行后硅橡膠會發生老化，表現出局部憎水性下降甚至喪失，因而憎水性也成為復合絕緣材料主要的運行性能指標。所以，為了更準確地評價絕緣子的運行狀態、更有效地指導防污閃工作，需要開展不均勻憎水性對絕緣子防污效果影響的研究。

目前針對硅橡膠材料憎水性的不均勻變化開展了大量研究。文獻[5]的試驗結果發現，長串復合絕緣子在高壓端和低壓端更大的場強導致此處硅橡膠老化更為嚴重，長期運行后顯示出憎水性倒U形的沿串分布。另外，RTV涂料絕緣子上表面直接暴露于光照、雨水等環境中，上表面的RTV涂料老化速度快于下表面，其憎水性也相對較差[6-7]。上述文獻對絕緣子憎水性不均勻變化規律進行了深入研究，但是，不均勻憎水性對絕緣子防污效果的影響還鮮有報道。

本文針對復合絕緣子沿串憎水性以及RTV涂料絕緣子上、下表面憎水性的不均勻分布特點，應用人工污閃試驗和飽和受潮試驗表現其防污性能，設置了多種憎水性分布并比較了各種情況下的耐污水平，所得試驗結果為復合絕緣材料的防污效果判定和運行狀態評價提供了依據。

1 憎水性沿串不均勻對防污效果的影響

1.1 試驗方法

污閃試驗是判斷絕緣子耐污性能最直接、有效的試驗方法。本節的人工污閃試驗所用的是FXBZ-±500/300-5910型直流復合絕緣子，其主要參數如表1所示。

相同遷移環境、相同污穢度下，硅藻土的憎水遷移速度比高嶺土更快[8]。對復合絕緣子涂覆相同鹽灰密（鹽密0.4mg/cm2、灰密2.0mg/cm2）的高嶺土、硅藻土，在溫度24.7±1.4℃、相對濕度16.1±1.9%的恒溫恒濕環境中遷移48h，形成不均勻憎水性分布。應用噴水分級法進行憎水性測試，高嶺土污穢的分級結果為HC5-6，硅藻土污穢的分級結果為HC3。涂污的配置方案如表2所示。

表1 復合絕緣子的主要參數

污閃試驗在特高壓工程技術（昆明）國家工程實驗室的污穢試驗大廳內進行，試驗系統如圖1所示。試驗采用恒壓升降法，最終的50%污閃電壓為：

式中Ui 為某一施加的電壓水平；ni 為在相同施加電壓水平Ui 下進行的試驗次數；N為有效試驗次數。為了避免重復試驗對人工污層的破壞，每支涂有人工污穢的復合絕緣子只進行一次污耐受試驗，記錄相應的試驗電壓和試驗效果（耐受/閃絡），與前一次試驗產生的效果不同的第一次試驗作為第一個有效試驗。

1.2 試驗結果

恒壓升降法的試驗結果見表3，表中的數據皆為有效試驗的結果，其中O表示閃絡，X表示耐受。

從上面的試驗結果可以看出：

1）相同污穢度的情況下，弱憎水性HC5-6相比較強憎水性HC3，閃絡電壓下降69.9%。

2）低壓端弱憎水性區間比例約10%的情況下，閃絡電壓下降11.2%。高壓端弱憎水性區間比例約10%，閃絡電壓下降19.2%。

表2 涂污配置方式

圖1 污穢試驗系統

3）弱憎水性區間比例相同的情況下，高壓端弱憎水性相比低壓端弱憎水性閃絡電壓下降9.0%。可以認為，實際運行中如果絕緣子高壓端出現憎水性減弱的情況，對其耐污閃性能有較大影響，需要密切關注。

2 上下表面憎水性差異對防污效果的影響

2.1 試驗方法

在玻璃絕緣子表面涂覆一層RTV防污閃涂料可以使絕緣子獲得憎水性。本章以RTV涂料絕緣子為研究對象討論絕緣子上下表面憎水性不均勻對其防污效果的影響。

本次試驗選用LXHY5-70玻璃絕緣子，其主要參數如表4所示。

玻璃是親水性表面，而涂有人工污穢的RTV表面在經過一定遷移時間后能夠獲得憎水性，通過RTV涂層不同的配置方式可以得到絕緣子上下表面的不均勻憎水性，具體方案見表5。人工污穢選擇NaCl和硅藻土，鹽密和灰密分別為0.1mg/cm2和1.0mg/cm2，涂污后在實驗室環境下遷移24h。

本節的試驗在自制的小霧室中進行，霧室形狀為圓柱筒形，高120cm，直徑85cm，由兩個超聲波加濕器起霧，污穢試驗電源系統的變壓器容量為100kVA/50kV/2A。因為電源容量較小，應用單片染污絕緣子進行試驗。樣品懸掛于霧室內，起霧受潮，待絕緣子表面污穢完全飽和受潮后升壓閃絡，先后閃絡3次，每次閃絡之間間隔5min。取3次閃絡電壓的平均值為最終閃絡電壓。

表3 恒壓升降試驗結果記錄

表4 玻璃絕緣子的主要參數

2.2 試驗結果

采用升壓閃絡法進行試驗，結果如表6所示。

從上面的試驗結果可以看出：

1）絕緣子部分涂覆RTV涂料比全涂RTV涂料閃絡電壓均有所下降：只涂下表面，閃絡電壓下降4.9%；只涂上表面，閃絡電壓下降24.5%。

2）相比于只在下表面涂RTV，只涂上表面時閃絡電壓下降了20.6%。可以認為，實際運行中如果懸垂串絕緣子下表面的憎水性明顯下降，其防污效果將大打折扣，需要密切關注。

3 懸垂絕緣子不同表面的受潮狀態分析

絕緣子表面因起霧而受潮時，由于重力作用，懸垂串絕緣子上表面和下表面的受潮速度不同。RTV涂層擁有良好的憎水性和憎水遷移性，當其表面污穢遷移出憎水性后，受潮速度遠遠慢于玻璃表面污穢的受潮速度。基于以上原理，將懸垂絕緣子的上、下表面的受潮狀態分別加以分析，整合其受潮規律，可以為上下表面憎水性差異對防污效果的影響給出解釋。

飽和受潮試驗選用LXHY5-70玻璃絕緣子，在人工小霧室中進行，所用的泄漏電流測量系統由清華大學開發，測量范圍可從5A到μA級，測量誤差不大于3%。

表5 RTV 涂層的配置方式

表6 升壓閃絡試驗結果記錄

3.1 懸垂絕緣子上表面的受潮狀態分析

對懸垂絕緣子上表面的受潮速度進行分析時，為排除下表面的干擾，保持絕緣子下表面潔凈且沒有RTV涂層，僅對絕緣子上表面涂刷人工污穢，污穢選擇0.1mg/cm2的NaCl和1.0mg/cm2的硅藻土。在實驗室環境下遷移24h，然后進行飽和受潮試驗。試驗方案如表7所示。

以110kV輸電線路8片絕緣子計算，對單片試驗絕緣子施加電壓8kV，連續起霧耐受4小時，以泄漏電流變化曲線表征絕緣子上表面受潮過程，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，玻璃絕緣子上表面無RTV涂層，即上表面為完全親水性時，其受潮速度很快，在20min時泄漏電流就達到了最大值，試驗進行了1.5h后，由于人工污穢的不斷流失，泄漏電流呈現明顯下降趨勢。當絕緣子上表面涂有RTV涂層并表現出憎水性時，泄漏電流的增長速度受到了抑制，在大約1.5h才達到泄漏電流最大值，并較長時間保持相對穩定，說明此時表面污穢流失較少。

表7 上表面受潮狀態分析的試驗方案

圖2 上表面受潮過程

3.2 懸垂絕緣子下表面的受潮狀態分析

和3.1節上表面受潮狀態分析的方法相似，只是改變懸垂絕緣子RTV涂層和污穢的配置，對下表面受潮過程進行分析，配置方案見表8，受潮過程的泄漏電流結果如圖3所示。

從圖3可以看出，玻璃絕緣子下表面無RTV涂層時，其受潮速度相對較快，在大約1h時泄漏電流達到最大值，由于人工污穢少量流失，泄漏電流隨后略有下降。當絕緣子下表面有RTV涂層，試驗進行約2.5h泄漏電流才達到最大值，受潮速度十分緩慢。

3.3 上下表面不均勻憎水性防污效果差異的解釋

結合上文的分析，對應第2點上下表面不同憎水性的配置方案，再次進行飽和受潮試驗，為污閃電壓結果給出解釋。保持3.1的基本試驗方法，改變污穢和RTV涂層的配置，試驗方案見表9，泄漏電流結果如圖4所示。

表8 下表面受潮狀態分析的試驗方案

圖3 下表面受潮過程

當懸垂絕緣子上表面沒有RTV涂層，下表面有RTV涂層時，由3.1節和3.2節可知：上表面的污穢只需要約20min就趨近飽和受潮狀態，下表面的污穢需要2.5h才達到飽和受潮點，而且此時上表面的污穢已經出現了明顯的流失現象，因此泄漏電流增長的幅度有限。如圖4(a)所示，此種配置飽和受潮時間較長，而且最大泄漏電流只有2.073mA。

當懸垂絕緣子上表面有RTV涂層，下表面沒有RTV涂層時，根據上文分析：上表面的污穢需要接近1.5h趨近飽和受潮狀態，下表面的污穢需要約1h趨近飽和受潮狀態，相對而言這兩個時刻比較接近，而且受潮較快的下表面污穢流失較少，所以在1h后泄漏電流達到最大值6.871mA，如圖4(b)所示。

綜上所述，上表面有憎水性而下表面無憎水性的情況下，因為上下表面飽和受潮時間接近且污穢流失較少，在較短時間內達到了整體飽和受潮，而且泄漏電流是另一情況的3倍多，造成這種配置下污閃電壓明顯更低。根據2.2節的污閃試驗結果和本章的受潮狀態分析，可以認為懸垂絕緣子下表面的憎水性狀態對整體防污效果更為重要，在運行狀態評價中應該提高其價值權重。

表9 上下表面受潮狀態分析的試驗方案

圖4 上下表面受潮過程

4 結論

1）弱憎水性區間比例相同的情況下，高壓端弱憎水性相比低壓端弱憎水性污閃電壓更低。實際運行中如果絕緣子高壓端出現憎水性減弱的情況，對其耐污閃性能有較大影響，需要密切關注。

2）對于懸垂絕緣子，上下表面污穢的飽和受潮時間以及污穢流失情況對整體的受潮狀態影響很大，飽和受潮時間接近且污穢流失較少時會導致更大的泄漏電流峰值。

3）如果懸垂絕緣子下表面的憎水性明顯下降，其防污效果將大打折扣，在線路絕緣子運行狀態評價中應該提高下表面憎水性的價值權重。

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[8]關志成，牛 康，王黎明，等．環境濕度對硅橡膠材料憎水遷移性的影響[J]．高電壓技術，2012，38(8)：2030-2036．