硅橡膠復合絕緣子的外絕緣污閃特性研究

鄧馥郁

(四川職業技術學院 創新創業學院，四川 遂寧 629000)

0 引言

具備優良的憎水性和憎水遷移性的硅橡膠(SIR)是使用得較多的復合絕緣材料，在各級輸電線路中展示了其優異的電氣性能和絕緣性能。然而，硅橡膠復合絕緣子在使用過程中也存在一些問題，主要集中在外力損壞、產品質量問題及閃絡三個方面。

硅橡膠復合絕緣子閃絡的發生源自鳥害、雷擊、污閃等未知原因。已查明閃絡總支數中，雷擊閃絡占到63%，主要發生在南部雷電多發省區的35～110 kV線路中[1,2]。目前尚存20%不明原因的閃絡，這些閃絡的試樣經過試驗證明并無質量問題。以往人們簡單套用傳統材質絕緣子的試驗方法來研究硅橡膠復合材料絕緣子的抗污性[3]，常常會使測量的試驗數據偏大。

因此，為找到戶外電力線路中硅橡膠復合絕緣子有效避免污閃事故發生的方法，本文針對硅橡膠復合絕緣子在濕潤污穢條件下的外絕緣特性，用實驗手法研究了高壓交、直流電場下，硅橡膠復合絕緣子表面單個水滴的形變隨水滴電導率的變化規律。

1 硅橡膠復合絕緣子的污閃過程

由于絕緣子在戶外不可避免地受到環境污染，表面容易沉積粉塵等污穢物。在空氣濕度較高時這些污穢物會被潤濕，致使絕緣子閃絡電壓顯著下降，由此引發大面積污閃。硅橡膠復合絕緣子雖然擁有優良的耐污閃性能，但如果在重污穢地區長期運行，受到潮濕環境影響，絕緣子表面的憎水性減弱甚至喪失，也會導致污閃事故的發生。污閃過程包括染污和受潮、干區出現、局部電弧出現和完全擊穿四個階段[4]，具體可以劃分為如下8個環節：第一，形成污層硅：橡膠復合絕緣子經過一段時間的戶外運行，污穢物在其表面累積，形成連續的層膜，稱為污層。第二，憎水性遷移：硅橡膠內具憎水性的部分低分子聚合物移動到表面，使得表面污層也具有一定憎水性。第三，污層被浸潤：雨、霧、露等水分子在被浸潤而具有憎水性的污層表面做離散水滴狀，中間存在高阻干區。水滴只能向污層略微擴散，擴散的程度由污層憎水性強弱決定。第四，污層流過微小漏流：由于存在高阻干區，污層中只有很小的漏流流過并在某微小值上達到平衡。這是由于漏流流過污層電阻所產生的熱量，讓污層變干燥導致阻值變大，然而電解液的負溫度系數又使得污層阻值減小。第五，電場導致水滴形變：長期的濕潤環境可使污層表面水滴之間干區減少，水滴與水滴之間的電場因此變強，當電場力足夠大時，水滴就會發生形變。而電場的分布方向與閃絡電弧的發展方向平行，電弧沿著電場線方向發展。因此，相鄰水滴將沿著電場方向連成細長刑水帶。第六，火花放電：火花放電是指當水帶進一步縮小了干區范圍，使相鄰水帶之間的電場繼續增強，在端部發生放電現象，此時由于污層阻值仍很大，限流作用使得放電以火花的形式呈現。第七，憎水性喪失：

局部火花放電的氧化作用，加深了水帶與污層之間溶解,促使水帶電導率變大，較短水帶之間凝結形成長水帶甚至是大面積濕區，污層表面水帶之間的干區憎水性部分喪失[5]。第八，閃絡：較長水帶和較大面積濕區形成后，當單位長度水帶的壓降Eribbon不小于單位長度電弧弧柱的壓降Eacr時，迅速躍起的高壓電極處的電弧跨過各水帶的表面，連接起各局部電弧，形成閃絡。如圖1所示，火花放電和閃絡示意圖。

圖1 憎水性硅橡膠表面火花放電及閃絡

2 硅橡膠絕緣子表面水滴形變的理論研究

2.1 硅橡膠絕緣子表面水滴形變數理模型

水滴形變是絕緣子發生污閃、特別是霧閃的一個主要階段，為了更好地理解和分析閃絡機理，本文對絕緣子表面水滴形變規律進行研究。

水滴的形變可用其彈性模型來進行分析。初始表面張力、電場力及靜電力以不同大小和方向復雜地施加于水滴各處。不過，水滴的整體形變規律仍能用其上某點出現的簡單周期性機械振動來代表[6]。

取水滴的頂點為代表點，通過力學模型對其進行分析，如圖2所示。該模型包含阻尼效應、彈力等因素。用M表示質量，x表示水滴代表點的位移，t表示時間，f表示外力，D表示阻尼系數，K表示彈簧系數，則其動力學方程表示如下：

圖2 水滴形變力學模型

(1)

水滴在不帶電荷時，所承受的外力主要是電場力。用E表示電場強度，ω表示外加電壓的角頻率，則水滴所受外力大小可作如下表述：

(2)

在式(2)所示條件下，式(1)的方程解為：

(3)

X∞(t)=c+CMcos(2ωt-ηM)

(4)

式中，c，CM，ηM均為常數。

含實電荷的水滴同時受到電場力與靜電力的作用。式中q表示電荷數，水滴所受外力大小可做如下表述：

f=qE′∝qEsinωt

(5)

在式(5)所示條件下，式(1)的方程解為：

(6)

X∞(t)=CCcos(ωt-ηC)

(7)

式中CC，ηC均為常數。

2.2 硅橡膠絕緣子表面水滴形變規律分析

散落在絕緣子表面的水滴承受來自垂直于絕緣子表面或其他方向的交、直流電場。如果電場方向平行于絕緣子表面，水滴就會沿絕緣子表面方向伸長，在水滴尖端出現電暈放電現象。此時電場力、靜電力和流體動力同時作用于固、液體之間的接觸面。基于水滴形變的數理模型，可得出如下推論：

直流電場作用下，絕緣子表面的水滴發生形變，伸長方向與電場方向一致，影響其電場分布，容易引發閃絡。在臨界電場下，接觸角下降到一定角度時，細長形水滴的尖端反復發生電暈放電現象。用硅橡膠作絕緣試樣時，隨著直流電場強度的增加，水滴逐步伸長形成細長水帶，反復引發水帶尖端或閃絡路徑中的放電現象。當外加交流電場，水滴形變會與時變場一致，不過只能在一定的區域中發生形變或振動，引起電場畸變，嚴重時導致閃絡。

3 硅橡膠復合絕緣子水滴形變的實驗研究

3.1 實驗內容

本實驗采用復合絕緣子中廣泛使用的室溫硫化橡膠材料做試樣，用不同電導率的NaCl溶液模擬污穢環境下的絕緣子表面水滴。主要實驗內容包括以下三個方面：第一，同一電源電壓下，水滴電導率的不同對硅橡膠表面水滴形變的影響；第二，同一電壓等級下，不同電源對硅橡膠表面水滴形變的影響(交流電源、正直流電源、負直流電源)；第三，時間對水滴形變的影響。

3.2 實驗方法

實驗裝置如圖3所示。將兩塊厚度為0.2mm的銅制平板電極平行放置，兩銅片間平行間距為14.72mm。一塊平板電極串聯一個5千歐的保護電阻后接到高壓電源上，另一塊電極接地。將尺寸為50.18mm × 20.8mm × 12.6mm的長方體室溫硫化橡膠試樣水平放置到極板中間并固定。

圖3 實驗裝置示意圖

分三組進行實驗，分別向實驗樣品施加交流電壓、正直流電壓和負直流電壓。將電導率分別為1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm，大小為2μL的氯化鈉水滴溶液分批次放置在長方體室溫硫化橡膠試樣中央，并記錄各個實驗過程中的水滴形變情況[7]。

3.3 實驗數據及分析

3.3.1正直流電源作用下

施加8千伏正直流電源電壓，錄制水滴形變視頻并截圖，選擇部分能明顯體現形變過程的截圖，對應時間水滴形變的時間節點，繪制正電壓作用下水滴開始形變時間與電導率的關系圖如下：

如圖4所示：正電壓作用下，形變主要發生在接地端，這是由于高壓端接正電壓相當于接地端注入電子，電子的移動速度大于正離子。水滴并不是連續拉長的，而是期間有一個縮短再拉長、拉長再縮短的過程。在時間-水滴長度曲線中呈現不規則鋸齒形狀。得出結論如下：由于暴露在空氣中，水滴有一個同步蒸發的現象，拉長的部分是薄薄一層，很容易被蒸發掉，所以出現了收縮的時刻，但是由于電壓作用，水滴又很快被拉長，這個過程不斷重復。但總的趨勢是水滴在高電壓的作用下拉長。同時可發現，電導率越大，水滴形變所需時間越少。

圖4 正直流電源作用下，電導率的時間-水滴長度曲線

3.3.2負直流電源作用下

施加-13千伏負直流電源電壓，負電壓作用下水滴開始形變時間與電導率的關系，如圖5所示。

總結分析可知：負電壓作用下，水滴形變主要發生在高壓端，與正電壓作用觀察到的現象相反。這是由于高壓端接負電壓，即注入電子，電子的移動速度大于正離子；隨著電導率的增大，水滴形變所需時間呈減少趨勢；跟正電壓作用一樣，水滴有一個反復伸縮的過程，在時間-水滴長度曲線中呈現不規則鋸齒形狀，總的趨勢是水滴在高電壓的作用下拉長。

從圖5可以看到，電導率為1.0mS/cm的污穢水滴的長度變化略有不同，長度在形變開始之后不斷減小甚至小于原始長度。這是因為負電壓對電導率小的水滴形變的影響比較微弱，水滴自身的蒸發作用大于了電壓對水滴的拉長作用，因此水滴的表現是縮小。在電導率大于等于2.0mS/cm之后，電壓的拉長作用與水滴自身蒸發作用基本持平，所以可以看出曲線最終趨于一個定值。

圖5 負直流電源作用下，不同電導率的時間-水滴長度曲線(局部放大)

3.3.3交流電源作用下

施加有效值為8千伏的交流電源電壓，水滴開始形變時間與電導率的關系如圖6所示。為看清不同電導率下長度變化的區別，特意將前100秒做了局部放大，其表現出：第一，交流電壓作用下，水滴形變方向有一定的隨機現象，但是仍主要發生在偏向高壓端，與直流正電壓作用基本一致，這是由于水滴拉長主要是水滴內部極化作用導致的離子定向移動。同一電壓大小下，直流正電壓作用比直流負電壓作用更容易導致極化，也就更能影響水滴形變。第二，隨著電導率的增大，水滴形變所需時間呈減少趨勢。第三，跟直流電壓作用一樣，水滴有一個反復伸縮的過程，在時間-水滴長度曲線中呈現不規則鋸齒形狀。這是由于暴露在空氣中，水滴有一個同步蒸發的現象，同時也因為交流電壓下，水滴內部極化混亂導致水滴振蕩，這個過程不斷重復。但是能看到總的趨勢是水滴在高電壓的作用下拉長。

圖6 交流電源作用下，不同電導率的時間-水滴長度曲線(局部放大)

3.4 實驗結論

對實驗數據進行綜合分析，可得如下結論：第一，水滴長度隨電壓和時間的變化規律，① 外部未施加電壓時，水滴呈較為完美的半球狀。外部施加電壓后，水滴發生不同程度的形變；②同一電壓等級作用下，電導率越大，水滴發生形變越快；③形變開始后，水滴長度隨著時間增加而增大，拉長到一定程度后趨于一個定值。第二，其他結論，水滴在靠近高壓端的形變最為明顯。負直流電壓作用下形變方向與正直流電壓作用下相反，交流電源電壓作用下水滴形變方向大體與正直流電源作用下一致,不過仍然能觀察到隨機現象。

4 結語

本文給出了硅橡膠表面水滴形變數學模型，并制定了在污穢條件下，外加交、直流高壓作用時，硅橡膠絕緣子表面水滴形狀的變化規律的實驗研究方法。由實驗結果可知，外施電壓和電導率直接影響了水滴在絕緣子表面的形態，其變化規律與理論分析所得推論是一致的，由此論證了所提出模型的正確性。該數理模型和實驗結論可用于對污穢地區硅橡膠絕緣子的外絕緣性能的分析和閃絡機理的深度研究，實驗結果亦可用做檢測濕潤條件下復合絕緣子電氣性能和絕緣水平的指標，對高壓輸電線路上硅橡膠絕緣子的改進和應用有一定的參考價值。