絕緣子表面RTV憎水性與其放電的紫外成像結果關系研究

孟 巖，石海珍，楊繼紅，楊 樂，賈志東，王林軍，尚曉光（．國網新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； ．清華大學深圳研究生院，深圳 58055）

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絕緣子表面RTV憎水性與其放電的紫外成像結果關系研究

孟 巖1，石海珍1，楊繼紅1，楊 樂1，賈志東2，王林軍2，尚曉光2
（1．國網新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：室溫硫化硅橡膠（RTV）涂料在運行過程中會逐漸老化，可采用憎水性測量和理化手段分析其老化程度，但無法對運行中的絕緣子進行評估。通過涂污的方式模擬絕緣子表面RTV憎水性的減弱，對絕緣子串加壓并用紫外成像儀記錄放電過程，研究憎水性與紫外成像結果的關系。分析放電產生的紫外光子數和光斑面積發現，絕緣子串表面RTV憎水性越差，其發生顯著放電的電壓越低，相同電壓下放電程度越劇烈。研究成果為運行中絕緣子RTV憎水性能的評估提供了一種新思路。

關鍵詞：RTV憎水性；紫外檢測；紫外光子數；紫外光斑面積

引言

污閃問題是電網安全運行的重要威脅[2]，其發生的過程如下：瓷和玻璃絕緣子表面具有親水性，在積污受潮狀態下，水分完全浸濕絕緣子表面，污穢中電解質溶于水使電導率增加，絕緣子表面的泄漏電流顯著上升，電流的熱效應導致局部干區的形成，使電場發生畸變，局部干區兩端承受了較大的壓差，易引發電弧并進一步發展為閃絡[1,3]。RTV涂料能夠顯著提高絕緣子串的污閃電壓，減少污閃事故的發生，其防污閃的原理為：絕緣子表面噴涂RTV涂料后具有了憎水性，在受潮情況下水分是以孤立的水珠形態存在，阻礙了泄漏電流的上升和局部干區的形成，因此不會導致電場畸變，破壞了電弧產生的條件，降低了污閃的可能性[2-5]。

RTV在長期運行過程中會發生老化，主要表現為憎水性和憎水遷移性的降低，絕緣子表面憎水性能減弱到一定程度就需要更換或進行二次涂覆[3,4]，需要對RTV的老化狀態進行分析，以評估其是否能繼續運行。目前針對RTV涂料老化分析方法主要有：憎水性觀察，泄漏電流和污閃電壓測量，以及多種理化特性分析如紅外光譜分析（RTIR）和熱重分析（TGA）等[6]。文獻[7]中測量了不同地區和運行年限涂有RTV涂料的絕緣子的污閃電壓，發現RTV老化程度高的絕緣子其污閃電壓出現了明顯下降。文獻[8,9]中采用靜態接觸角測量法和噴水分級法分析RTV的憎水性能，取得了較好的效果。文獻[10-14]中采用了多種理化分析手段，包括RTIR、電子能譜分析、掃描電鏡分析（SEM）等方法，對RTV涂料老化前后的微觀結構、特征基團和元素含量進行了深入分析，較好的解釋了RTV老化的微觀機理。上述研究成果能較好的評估RTV的老化狀態，但需要將絕緣子退出運行并取樣至實驗室進行分析，無法在現場應用。本文旨在研究基于紫外成像技術的可對現場運行中的絕緣子表面RTV涂料老化程度進行評估的方法。文中利用DayCor SuperB型紫外成像儀，記錄了表面具有不同憎水性的絕緣子串在電壓不斷升高時的放電過程，分析紫外成像結果中的紫外光子數和紫外光斑面積變化發現，表面憎水性越差的絕緣子串，其發生顯著放電的起始電壓越低，同一電壓下的放電現象越劇烈，為實際現場利用紫外成像法評估運行中絕緣子串RTV涂料的老化程度提供了一種新方法。

1　試驗設計

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意圖如圖1所示，將表面涂有RTV涂料的40片絕緣子串懸掛在V型串右側，左側用復合絕緣子絕緣，V型串上端掛在接地橫梁上，下端接高壓線，整個裝置置于霧室當中。將紫外成像儀固定在距離絕緣子串30 m的位置，鏡頭對準瓷絕緣子串的高壓區域。

試驗用絕緣子型號為XSP-300，表面噴涂有RTV涂料，如圖2所示，絕緣子部分結構參數如表1所示。

1.2 試驗步驟

試驗共分3組進行，以RTV涂料的憎水性作為變量，通過改變絕緣子表面的污穢種類及遷移時間來控制憎水性的強弱。3組試驗中絕緣子串表面污穢種類及遷移時間如表2所示。

分別用噴水分級法檢測3組絕緣子表面的憎水性，測試圖如圖3所示，對照圖4中的憎水角分級狀態圖可得，3組絕緣子表面的憎水性分別為HC1、HC4和HC6級。

圖1　試驗裝置接線圖

圖2　試驗用絕緣子

表1　試驗用瓷絕緣子結構參數

表2　3組絕緣子串涂污種類及遷移時間

每組試驗中均為40片絕緣子，將絕緣子串按照圖1中接線圖進行懸掛，先加霧30 min使絕緣子串飽和受潮，然后抽去霧氣，用恒定速率給絕緣子串加壓，電壓升高速率約為3 kV/s，至電壓升高到500 kV結束（受加壓設備限制，電壓最高可升至500 kV）。將紫外成像儀固定在距離絕緣子串30 m的位置，增益設置為120，記錄下整個放電過程，之后分析不同憎水性下絕緣子串紫外成像結果的特征。

2　試驗結果分析

紫外成像結果中主要包括紫外光子數和紫外光斑面積，以下分別對比了不同憎水性狀態下上述兩種指標的差異。

2.1 紫外光子數

圖5為紫外放電圖像，圖片下方的計數率為紫外光子數，是儀器在某時刻統計到的方框中接收的光子數量，采樣間隔約為3.5 s。

統計每組試驗放電視頻中的光子數，畫出其隨電壓的變化曲線，如圖6所示。

圖3　絕緣子表面噴水分級法測量圖

圖4　憎水角分級狀態圖

圖5　紫外檢測圖像

圖6　紫外光子數-電壓曲線

分析圖像可得，3組試驗中絕緣子串放電產生的紫外光子數存在明顯差別，第1組絕緣子串的憎水性最好，達到HC1級，對應的紫外光子數在整個放電過程中不超過104數量級，且整個過程沒有發生明顯的肉眼可辨的電弧放電；第2組絕緣子串的憎水性為HC4級，紫外光子數在電壓低于400 kV時均小于104數量級，電壓高于400 kV之后紫外光子數迅速上升，達到105數量級，說明電壓在超過400 kV之后才產生了顯著放電；第3組絕緣子串的憎水性為HC6級，當電壓加到200 kV時紫外光子數即開始有明顯上升，達到300 kV后紫外光子數穩定在105數量級。

40片絕緣子對應的電壓等級為750 kV，其運行相電壓為433 kV，可觀察到在電壓加到433 kV時，第1組絕緣子串的紫外光子數為4 000～5 000，沒有發生電弧放電；第2組的紫外光子數為10 000～20 000，處于即將發生顯著放電的臨界狀態；第3組的紫外光子數穩定在105數量級，且有持續的電弧放電產生。

2.2 紫外光斑總面積

由于紫外光子數采樣頻率較低，且受計數框的限制，反應的信息有限，而紫外光斑面積每秒可獲取約30個數值，能更全面的記錄放電過程。從放電視頻中依次提取出每幀圖片，并轉化為灰度值圖，然后通過設定閾值再轉化為二值圖像。統計二值圖像中白色像素點的個數，即為光斑的面積（下文中提及的面積單位均為像素）。紫外圖像處理前后對比如圖7所示，左側為處理前的圖，右側為處理后的二值圖像。

絕緣子串放電微弱時，紫外光斑面積遠小于圖像中絕緣子串的面積，放電強烈時紫外光斑面積大于絕緣子串面積，如圖8中a)和b)所示，故以圖像中緣子串面積為閾值，來判斷放電是否嚴重，經測量此閾值約為70 000。

逐幀計算3組試驗放電視頻中的紫外光斑總面積，得到隨電壓的變化曲線，如圖9所示。

由圖像可得，3組試驗中絕緣子串放電產生的紫外光斑總面積存在明顯的差距。第1組中絕緣子憎水性為HC1級，紫外光斑總面積隨電壓升高而增大，但最大值小于4 000，比絕緣子串面積70 000小一個數量級，故可判斷試驗過程中沒有發生強烈放電。第2組中絕緣子憎水性為HC4級，紫外光斑總面積在電壓升高到400 kV后有了明顯增大，并出現幅值大于絕緣子串面積的脈沖，說明此時發生了強烈放電。第3組中絕緣子憎水性為HC6級，隨電壓升高，紫外光斑總面積脈沖的幅值不斷增加，在電壓超過250 kV時，此幅值大于了絕緣子串面積，發生了強烈放電。

分析絕緣子串在運行電壓433 kV處的紫外光斑總面積曲線特征，第1組中的面積約為1 000，表明放電比較微弱；第2組中的面積脈沖幅值恰好達到與絕緣子串面積相當，處于產生強烈放電的臨界狀態；第3組中的面積脈沖幅值達到2×105，超過絕緣子串面積的2倍，且頻率較高，說明頻繁的發生電弧放電。

圖7　紫外圖像處理前后對比

圖8　紫外光子數-電壓曲線

圖9　紫外光子數-電壓曲線

3　結論

可根據絕緣子串放電產生的紫外光子數和紫外光斑總面積評估其憎水性強弱，在運行電壓下，當紫外光子

數達到105數量級，紫外光斑面積脈沖幅值超過絕緣子串面積，表明絕緣子串發生了顯著放電，其憎水性降到了HC4級以下。

參考文獻:

[1]關志成,劉瑛巖,周遠翔,等．絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京：清華大學出版社, 2006：163-175,185-190.

[2]堯華,鐘慶東,施利毅,等．室溫硫化硅橡膠在防污閃涂料中的研究進展[J]．電磁避雷器, 2005(3)：12-16．

[3]孫健,施利毅,鐘慶東,等．高壓絕緣防污閃涂層的研究進展[J]．高電壓技術, 2007, 33(11)：80-83.

[4]白歡,陳洪波,李亞偉,等．RTV硅橡膠防污閃涂層運行情況分析[J]．有機硅材料, 2015, 29(2)：116-120.

[5]楊金鑫,文秀芳,皮丕輝,等．室溫硫化硅橡膠的研究及其在防污閃涂料中的應用[J]．涂料工業, 2000, 39(4)：67-72.

[6]王天,盧明,景冬冬,等．RTV防污閃涂層老化分析方法[J]．絕緣材料, 2014, 7(1)：26-30.

[7]關志成,薛家麒,陳鳳吉,等．RTV防污閃長效涂料的運行經驗和壽命判斷[J]．中國電力, 1993(12)：20-23,68.

[8]袁明仁,唐政,李自勇．鹽密、灰密對防污閃涂料憎水遷移性的影響[J]．水電能源科學, 2010, 28(9)：148-150.

[9]姚剛,文習山,藍磊．室溫硫化硅橡膠絕緣納米復合材料憎水特性分析[J]．高電壓技術, 2010, 36(8)：1928-1935.

[10]高海峰,賈志東,關志成．運行多年RTV涂料絕緣子表面涂層老化分析研究[J]．中國電機工程學報, 2005, 25(9)：158-163.

[11]賈志東,李桐,陳燦,等．廣東地區室溫硫化硅橡膠防污閃涂料的運行特性[J]．高電壓技術, 2014, 40(7)：1963-1969.

[12]賈志東,關志成．室溫硫化硅橡膠涂料的老化性能及壽命分析[J]．高電壓技術, 1997, 23(3)：56-58.

[13]耿瑞香．RTV涂料的憎水遷移特性與老化特性分析[J]．絕緣材料通訊, 1999(3)：16-19.

[14]周棟,曾祥耀．運行后RTV防污涂料性能分析[J]．湖北電力, 2006, 30：102-104.

孟巖(1966-)，男，高級工程師，研究方向為電氣絕緣。

Study on the Relationship Between the Hydrophobicity of RTV on Insulator Surface and the UV Imaging Results of the Discharge

MENG Yan1, SHI Hai-zhen1, YANG Ji-hong1, YANG Le1, JIA Zhi-dong2, WANG Lin-jun2, SHANG Xiao-guang2
（1. State Grid Xinjiang Electric Power Company Maintenance Company, Urumqi 830000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055）

Abstract：Room temperature vulcanized (RTV) silicone rubber coatings will be of aging gradually in the running process. And the aging degree can be analyzed by hydrophobicity measurement and physical and chemical method, but the above methods can’t evaluate the insulator in operation. In the paper, we simulated hydrophobicity decreasing of RTV on the insulator surface by smearing contamination, then applied voltage on insulator string and recorded its discharge process by UV imaging instrument, in order to study on the relationship between hydrophobicity and UV imaging results. Finally, in the analysis of the UV photon number and spot area of discharge, we found that the worse the hydrophobicity of RTV on the insulator surface, the lower the significant discharge voltage, the severer the discharge phenomenon under the same voltage. The research conclusion of this paper provides a new method for evaluating the RTV hydrophobic property of running insulator string.

Key words：RTV hydrophobicity; UV detection; UV photon number; UV spot area

作者簡介:

中圖分類號：TM215.92

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）01-0005-05