硅橡胶复合绝缘子的外绝缘污闪特性研究

邓馥郁

(四川职业技术学院 创新创业学院，四川 遂宁 629000)

0 引言

具备优良的憎水性和憎水迁移性的硅橡胶(SIR)是使用得较多的复合绝缘材料，在各级输电线路中展示了其优异的电气性能和绝缘性能。然而，硅橡胶复合绝缘子在使用过程中也存在一些问题，主要集中在外力损坏、产品质量问题及闪络三个方面。

硅橡胶复合绝缘子闪络的发生源自鸟害、雷击、污闪等未知原因。已查明闪络总支数中，雷击闪络占到63%，主要发生在南部雷电多发省区的35～110 kV线路中[1,2]。目前尚存20%不明原因的闪络，这些闪络的试样经过试验证明并无质量问题。以往人们简单套用传统材质绝缘子的试验方法来研究硅橡胶复合材料绝缘子的抗污性[3]，常常会使测量的试验数据偏大。

因此，为找到户外电力线路中硅橡胶复合绝缘子有效避免污闪事故发生的方法，本文针对硅橡胶复合绝缘子在湿润污秽条件下的外绝缘特性，用实验手法研究了高压交、直流电场下，硅橡胶复合绝缘子表面单个水滴的形变随水滴电导率的变化规律。

1 硅橡胶复合绝缘子的污闪过程

由于绝缘子在户外不可避免地受到环境污染，表面容易沉积粉尘等污秽物。在空气湿度较高时这些污秽物会被润湿，致使绝缘子闪络电压显著下降，由此引发大面积污闪。硅橡胶复合绝缘子虽然拥有优良的耐污闪性能，但如果在重污秽地区长期运行，受到潮湿环境影响，绝缘子表面的憎水性减弱甚至丧失，也会导致污闪事故的发生。污闪过程包括染污和受潮、干区出现、局部电弧出现和完全击穿四个阶段[4]，具体可以划分为如下8个环节：第一，形成污层硅：橡胶复合绝缘子经过一段时间的户外运行，污秽物在其表面累积，形成连续的层膜，称为污层。第二，憎水性迁移：硅橡胶内具憎水性的部分低分子聚合物移动到表面，使得表面污层也具有一定憎水性。第三，污层被浸润：雨、雾、露等水分子在被浸润而具有憎水性的污层表面做离散水滴状，中间存在高阻干区。水滴只能向污层略微扩散，扩散的程度由污层憎水性强弱决定。第四，污层流过微小漏流：由于存在高阻干区，污层中只有很小的漏流流过并在某微小值上达到平衡。这是由于漏流流过污层电阻所产生的热量，让污层变干燥导致阻值变大，然而电解液的负温度系数又使得污层阻值减小。第五，电场导致水滴形变：长期的湿润环境可使污层表面水滴之间干区减少，水滴与水滴之间的电场因此变强，当电场力足够大时，水滴就会发生形变。而电场的分布方向与闪络电弧的发展方向平行，电弧沿着电场线方向发展。因此，相邻水滴将沿着电场方向连成细长刑水带。第六，火花放电：火花放电是指当水带进一步缩小了干区范围，使相邻水带之间的电场继续增强，在端部发生放电现象，此时由于污层阻值仍很大，限流作用使得放电以火花的形式呈现。第七，憎水性丧失：

局部火花放电的氧化作用，加深了水带与污层之间溶解,促使水带电导率变大，较短水带之间凝结形成长水带甚至是大面积湿区，污层表面水带之间的干区憎水性部分丧失[5]。第八，闪络：较长水带和较大面积湿区形成后，当单位长度水带的压降Eribbon不小于单位长度电弧弧柱的压降Eacr时，迅速跃起的高压电极处的电弧跨过各水带的表面，连接起各局部电弧，形成闪络。如图1所示，火花放电和闪络示意图。

图1 憎水性硅橡胶表面火花放电及闪络

2 硅橡胶绝缘子表面水滴形变的理论研究

2.1 硅橡胶绝缘子表面水滴形变数理模型

水滴形变是绝缘子发生污闪、特别是雾闪的一个主要阶段，为了更好地理解和分析闪络机理，本文对绝缘子表面水滴形变规律进行研究。

水滴的形变可用其弹性模型来进行分析。初始表面张力、电场力及静电力以不同大小和方向复杂地施加于水滴各处。不过，水滴的整体形变规律仍能用其上某点出现的简单周期性机械振动来代表[6]。

取水滴的顶点为代表点，通过力学模型对其进行分析，如图2所示。该模型包含阻尼效应、弹力等因素。用M表示质量，x表示水滴代表点的位移，t表示时间，f表示外力，D表示阻尼系数，K表示弹簧系数，则其动力学方程表示如下：

图2 水滴形变力学模型

(1)

水滴在不带电荷时，所承受的外力主要是电场力。用E表示电场强度，ω表示外加电压的角频率，则水滴所受外力大小可作如下表述：

(2)

在式(2)所示条件下，式(1)的方程解为：

(3)

X∞(t)=c+CMcos(2ωt-ηM)

(4)

式中，c，CM，ηM均为常数。

含实电荷的水滴同时受到电场力与静电力的作用。式中q表示电荷数，水滴所受外力大小可做如下表述：

f=qE′∝qEsinωt

(5)

在式(5)所示条件下，式(1)的方程解为：

(6)

X∞(t)=CCcos(ωt-ηC)

(7)

式中CC，ηC均为常数。

2.2 硅橡胶绝缘子表面水滴形变规律分析

散落在绝缘子表面的水滴承受来自垂直于绝缘子表面或其他方向的交、直流电场。如果电场方向平行于绝缘子表面，水滴就会沿绝缘子表面方向伸长，在水滴尖端出现电晕放电现象。此时电场力、静电力和流体动力同时作用于固、液体之间的接触面。基于水滴形变的数理模型，可得出如下推论：

直流电场作用下，绝缘子表面的水滴发生形变，伸长方向与电场方向一致，影响其电场分布，容易引发闪络。在临界电场下，接触角下降到一定角度时，细长形水滴的尖端反复发生电晕放电现象。用硅橡胶作绝缘试样时，随着直流电场强度的增加，水滴逐步伸长形成细长水带，反复引发水带尖端或闪络路径中的放电现象。当外加交流电场，水滴形变会与时变场一致，不过只能在一定的区域中发生形变或振动，引起电场畸变，严重时导致闪络。

3 硅橡胶复合绝缘子水滴形变的实验研究

3.1 实验内容

本实验采用复合绝缘子中广泛使用的室温硫化橡胶材料做试样，用不同电导率的NaCl溶液模拟污秽环境下的绝缘子表面水滴。主要实验内容包括以下三个方面：第一，同一电源电压下，水滴电导率的不同对硅橡胶表面水滴形变的影响；第二，同一电压等级下，不同电源对硅橡胶表面水滴形变的影响(交流电源、正直流电源、负直流电源)；第三，时间对水滴形变的影响。

3.2 实验方法

实验装置如图3所示。将两块厚度为0.2mm的铜制平板电极平行放置，两铜片间平行间距为14.72mm。一块平板电极串联一个5千欧的保护电阻后接到高压电源上，另一块电极接地。将尺寸为50.18mm × 20.8mm × 12.6mm的长方体室温硫化橡胶试样水平放置到极板中间并固定。

图3 实验装置示意图

分三组进行实验，分别向实验样品施加交流电压、正直流电压和负直流电压。将电导率分别为1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm，大小为2μL的氯化钠水滴溶液分批次放置在长方体室温硫化橡胶试样中央，并记录各个实验过程中的水滴形变情况[7]。

3.3 实验数据及分析

3.3.1正直流电源作用下

施加8千伏正直流电源电压，录制水滴形变视频并截图，选择部分能明显体现形变过程的截图，对应时间水滴形变的时间节点，绘制正电压作用下水滴开始形变时间与电导率的关系图如下：

如图4所示：正电压作用下，形变主要发生在接地端，这是由于高压端接正电压相当于接地端注入电子，电子的移动速度大于正离子。水滴并不是连续拉长的，而是期间有一个缩短再拉长、拉长再缩短的过程。在时间-水滴长度曲线中呈现不规则锯齿形状。得出结论如下：由于暴露在空气中，水滴有一个同步蒸发的现象，拉长的部分是薄薄一层，很容易被蒸发掉，所以出现了收缩的时刻，但是由于电压作用，水滴又很快被拉长，这个过程不断重复。但总的趋势是水滴在高电压的作用下拉长。同时可发现，电导率越大，水滴形变所需时间越少。

图4 正直流电源作用下，电导率的时间-水滴长度曲线

3.3.2负直流电源作用下

施加-13千伏负直流电源电压，负电压作用下水滴开始形变时间与电导率的关系，如图5所示。

总结分析可知：负电压作用下，水滴形变主要发生在高压端，与正电压作用观察到的现象相反。这是由于高压端接负电压，即注入电子，电子的移动速度大于正离子；随着电导率的增大，水滴形变所需时间呈减少趋势；跟正电压作用一样，水滴有一个反复伸缩的过程，在时间-水滴长度曲线中呈现不规则锯齿形状，总的趋势是水滴在高电压的作用下拉长。

从图5可以看到，电导率为1.0mS/cm的污秽水滴的长度变化略有不同，长度在形变开始之后不断减小甚至小于原始长度。这是因为负电压对电导率小的水滴形变的影响比较微弱，水滴自身的蒸发作用大于了电压对水滴的拉长作用，因此水滴的表现是缩小。在电导率大于等于2.0mS/cm之后，电压的拉长作用与水滴自身蒸发作用基本持平，所以可以看出曲线最终趋于一个定值。

图5 负直流电源作用下，不同电导率的时间-水滴长度曲线(局部放大)

3.3.3交流电源作用下

施加有效值为8千伏的交流电源电压，水滴开始形变时间与电导率的关系如图6所示。为看清不同电导率下长度变化的区别，特意将前100秒做了局部放大，其表现出：第一，交流电压作用下，水滴形变方向有一定的随机现象，但是仍主要发生在偏向高压端，与直流正电压作用基本一致，这是由于水滴拉长主要是水滴内部极化作用导致的离子定向移动。同一电压大小下，直流正电压作用比直流负电压作用更容易导致极化，也就更能影响水滴形变。第二，随着电导率的增大，水滴形变所需时间呈减少趋势。第三，跟直流电压作用一样，水滴有一个反复伸缩的过程，在时间-水滴长度曲线中呈现不规则锯齿形状。这是由于暴露在空气中，水滴有一个同步蒸发的现象，同时也因为交流电压下，水滴内部极化混乱导致水滴振荡，这个过程不断重复。但是能看到总的趋势是水滴在高电压的作用下拉长。

图6 交流电源作用下，不同电导率的时间-水滴长度曲线(局部放大)

3.4 实验结论

对实验数据进行综合分析，可得如下结论：第一，水滴长度随电压和时间的变化规律，① 外部未施加电压时，水滴呈较为完美的半球状。外部施加电压后，水滴发生不同程度的形变；②同一电压等级作用下，电导率越大，水滴发生形变越快；③形变开始后，水滴长度随着时间增加而增大，拉长到一定程度后趋于一个定值。第二，其他结论，水滴在靠近高压端的形变最为明显。负直流电压作用下形变方向与正直流电压作用下相反，交流电源电压作用下水滴形变方向大体与正直流电源作用下一致,不过仍然能观察到随机现象。

4 结语

本文给出了硅橡胶表面水滴形变数学模型，并制定了在污秽条件下，外加交、直流高压作用时，硅橡胶绝缘子表面水滴形状的变化规律的实验研究方法。由实验结果可知，外施电压和电导率直接影响了水滴在绝缘子表面的形态，其变化规律与理论分析所得推论是一致的，由此论证了所提出模型的正确性。该数理模型和实验结论可用于对污秽地区硅橡胶绝缘子的外绝缘性能的分析和闪络机理的深度研究，实验结果亦可用做检测湿润条件下复合绝缘子电气性能和绝缘水平的指标，对高压输电线路上硅橡胶绝缘子的改进和应用有一定的参考价值。