運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子的憎水性及遷移特性研究

雷良勝(湖南省電網(wǎng)建設(shè)公司，湖南 衡陽 421000)

1 引言

自90年代以來，復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，成為輸電線路防止污閃事故的有效手段之一。目前，在全國電網(wǎng)上運(yùn)行的已有300多萬只，運(yùn)行時(shí)間最長的已近20年。使用地區(qū)涉及工業(yè)、沿海、高山等環(huán)境惡劣地區(qū)，絕緣子總體運(yùn)行情況較好，但隨著運(yùn)行時(shí)間增長，不同地區(qū)均出現(xiàn)了憎水性下降、憎水遷移特性發(fā)生變化等問題［1－4］。不同廠家、不同時(shí)期、不同工藝生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子，在不同環(huán)境中的運(yùn)行可靠性令人擔(dān)心。本文重點(diǎn)研究了復(fù)合絕緣子的憎水性，對(duì)清潔區(qū)、沿海地區(qū)、城市工業(yè)污穢區(qū)內(nèi)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子的憎水性進(jìn)行了測(cè)試研究，分析了憎水性、污穢度與運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行環(huán)境之間的關(guān)系［5］。在總結(jié)已有的一些檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，規(guī)避了現(xiàn)有的規(guī)程中的不必要的檢測(cè)程序，提出了更能靈敏反映復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能的檢測(cè)方法，為確定復(fù)合絕緣子的老化狀況并可靠預(yù)估其使用壽命提供參考［6－10］。硅橡膠材料除具有與瓷和玻璃介質(zhì)同樣優(yōu)異的絕緣性能外，還具有獨(dú)特的憎水性及憎水遷移性。所謂憎水性是指絕緣子表面不易受潮，吸附的水分以不連續(xù)的鼓勵(lì)小水珠的形式存在，不形成連續(xù)水膜，從而限制表面泄漏電流，提高閃絡(luò)電壓。而憎水遷移性是指硅橡膠表面被玷污后，硅橡膠本身的憎水性可以遷移到污穢層的表面，使污穢層表面也有了憎水性。因此，硅橡膠及其表面污穢層受潮后，其表面將不會(huì)形成水膜，水分以孤立，分散的水珠形式存在，這將顯著的提高外絕緣設(shè)備的防污閃能力。有了憎水性，污層電阻就比較高，從而抑制了泄漏電流，提高了污閃電壓。本文從HC法及測(cè)量硅橡膠材料的靜態(tài)接觸角［11－14］兩個(gè)方向研究廣西運(yùn)行復(fù)合絕緣子的憎水特性。

2 復(fù)合絕緣子憎水性評(píng)價(jià)

2.1 HC法

關(guān)于憎水性能分級(jí)方法的研究目前開展很多，本節(jié)采用目前應(yīng)用最廣泛的能較好反映復(fù)合絕緣子憎水性能的分級(jí)方法——由瑞典輸電研究所(STRI)推薦的《復(fù)合絕緣子憎水性分類準(zhǔn)則》，即HC法則。實(shí)驗(yàn)時(shí)被試品垂直懸掛，采用能產(chǎn)生微小霧粒的噴霧器在距離被試品表面25cm的位置上。大致每秒鐘壓2次對(duì)復(fù)合絕緣子表面就行噴淋，持續(xù)時(shí)間20～30s，在噴霧結(jié)束之后的10s內(nèi)完成水滴接觸角狀況的觀察、傘群表面憎水級(jí)別的判別。根據(jù)水珠在材料表面的聚集狀態(tài)，分為7個(gè)憎水等級(jí)，其中HC1級(jí)代表憎水性最強(qiáng)的表面，HC7級(jí)代表完全親水性的表面。一般認(rèn)為HC1、HC2級(jí)別的材料具有較好的憎水性;HC3級(jí)的材料表面出現(xiàn)老化;HC4、HC5的材料表面已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的老化;HC6、HC7級(jí)的材料表面完全老化。具體的描述見表1及圖1。

HC法有利于對(duì)復(fù)合絕緣子憎水性能的快速有效地進(jìn)行評(píng)估，本文利用HC法對(duì)運(yùn)行在不同環(huán)境、不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子分別進(jìn)行含污層憎水性、不含污層憎水性測(cè)試，分別選擇高壓側(cè)、中部和低壓側(cè)各兩片以及傘裙上下表面進(jìn)行測(cè)量，表2和表3為憎水性測(cè)試結(jié)果。

表1 試品表面水滴狀態(tài)與憎水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 憎水性HC分級(jí)圖譜

表2 某電網(wǎng)部分復(fù)合絕緣子含污穢下憎水性測(cè)試

從表2及表3中的憎水性測(cè)試結(jié)果可以得出:對(duì)于不同運(yùn)行環(huán)境、不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子，含污穢狀態(tài)憎水性大部分在HC1～HC4級(jí)水平，極少數(shù)為HC5級(jí)，不含污穢時(shí)憎水性大部分在HC2～HC3級(jí)水平范圍，少數(shù)為HC4級(jí)，不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子憎水性有所下降，但一般保持著較好的憎水性，憎水性的下降程度與運(yùn)行環(huán)境污穢特性、材料自身都有一定的關(guān)聯(lián)，有些運(yùn)行年限短的絕緣子憎水性反而下降嚴(yán)重，有些運(yùn)行年限長的絕緣子仍然保持HC1～HC2級(jí)憎水性，運(yùn)行年限與絕緣子憎水性沒有必然的聯(lián)系，含污層狀態(tài)憎水性與不含污穢下憎水性基本一樣，這種相似性與表面污穢種類、污穢度大小都有一定的關(guān)系。

表3 某電網(wǎng)部分復(fù)合絕緣子不含污穢下憎水性測(cè)試結(jié)果

2.2 靜態(tài)接觸角

固體表面浸潤性通常用測(cè)靜態(tài)接觸角的方法來衡量，根據(jù)楊氏方程，接觸角是平滑表面三相接觸線上不同張力共同作用的結(jié)果。在這里，水滴被看作是一個(gè)表面和體相一致的數(shù)學(xué)實(shí)體。事實(shí)上，界面上和體相中水結(jié)構(gòu)及活性都是不同的，它們隨接觸面的變化而變化，材料表面的憎水性狀態(tài)是反映固體材料表面能的一種物理特性，當(dāng)水滴滴在固體表面后，通常會(huì)以兩種方式存在:一種是水滴會(huì)立即鋪開并覆蓋在固體的表面，即水滴能夠濕潤固體表面，稱為親水性表面;另一種是水滴在固體表面仍保持一定的水珠形態(tài)，即固體不被液體濕潤，稱為憎水性表面。本文使用影像分析系統(tǒng)結(jié)合軟件技術(shù)，采用θ/2法對(duì)硅橡膠靜態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量水滴大小為2μl，重力作用基本忽略，每次測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，取平均值得到θ值。分別選擇高壓端、中部、低壓端傘裙進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表4。

表4 取樣絕緣子靜態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果

靜態(tài)接觸角編號(hào) 序號(hào)123平均接觸角126.19 119.42 121.64 122.42中 107.58 132.91 118.75 119.75低 124.15 121.3 123.42 122.96 G7高 99.76 106.67 105.62 104.02中 90.72 85.49 89.78 88.66低 102.72 100.21 99.76 100.90 G8高 110.13 112.20 108.51 110.28中 117.02 125.48 116.06 119.52低 100.76 101.78 114.88 105.81 G10 高 97.46 99.17 86.66 94.43中 105.41 105.44 102.37 104.41低 114.65 104.74 107.16 108.85 G11 高 94.46 91.52 87.72 91.23中 105.19 111.85 104.94 107.33低 84.54 75.7 74.59 78.28 G12高 101.01 101.11 100.79 100.97中 85.87 96.73 89.61 90.74低 89.97 96.8 97.51 94.76 G13高 149.5 144.24 144.65 146.13中 146.83 149.4 145.36 147.20低 137.78 139.61 137.89 138.43 G14高 120.3 115.92 117.42 117.88中 139.98 139.62 140.02 139.87低 117.45 129.06 125.41 123.97 G15高 100.37 105.74 107.17 104.43中 108.05 105.02 107.26 106.78低 97.14 97.46 99.19 97.93 G17 高 93.12 98.44 96.76 96.11中 110.92 104.6 107.56 107.69低 111.28 125.23 117.65 118.05 G18高 135.47 136.66 139.16 137.10中 128.58 127.67 131.22 129.16低G6 高141.28 141.16 133.66 138.70

圖2 取樣絕緣子靜態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果

從表4及圖2可以看出，各支絕緣子高壓端、中部以及低壓端傘裙的靜態(tài)接觸角都相差不大。

3 復(fù)合絕緣子憎水遷移特性研究

考慮到抽樣復(fù)合絕緣子所處地區(qū)的污穢水平，本實(shí)驗(yàn)研究三級(jí)污穢(鹽密0.15mg/cm2、灰密2mg/cm2)情況下，不同老化狀態(tài)的復(fù)合絕緣子的憎水遷移性的變化，鹽密灰密分別采用氯化鈉與硅藻土進(jìn)行涂污。接觸角值為測(cè)量5個(gè)點(diǎn)取平均，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。表5為試驗(yàn)結(jié)果。

表5 不同遷移時(shí)間各絕緣子的靜態(tài)接觸角

從表5及圖3中可以看出:

(1)對(duì)于同一支絕緣子，其高壓端、中部和低壓端傘裙材料的遷移規(guī)律基本一致，同一遷移時(shí)間下靜態(tài)接觸角的測(cè)量值也相差不大;

(2)取樣絕緣子傘裙材料靜態(tài)接觸角的測(cè)量值隨著遷移時(shí)間的增加而增大，且各絕緣子遷移規(guī)律基本一致，都是在涂污后40h內(nèi)遷移很快，在40～120h遷移速度相對(duì)平緩;

圖3 不同遷移時(shí)間各絕緣子的靜態(tài)接觸角

圖4 G6高壓端傘裙材料憎水遷移性

(3)取樣絕緣子傘裙材料在遷移4天后，均未能達(dá)到涂污前的靜態(tài)接觸角水平，而隨著遷移時(shí)間的進(jìn)一步增加，其靜態(tài)接觸角有可能會(huì)超過涂污前的值，說明不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子的憎水遷移能力均存在不同程度的下降;

(4)對(duì)于表面有燒蝕痕跡的絕緣子(如G12)，在試驗(yàn)期內(nèi)基本沒有遷移。

圖4所示為G6號(hào)絕緣子高壓端傘裙材料不同遷移時(shí)間下靜態(tài)接觸角的測(cè)量值。

4 結(jié)論

本文主要研究了某地區(qū)抽樣復(fù)合絕緣子的憎水性及其遷移特性。結(jié)果表明:

(1)不同運(yùn)行環(huán)境、不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子，憎水性有所下降，但都保持著較好的憎水性;

(2)運(yùn)行年限與復(fù)合絕緣子憎水性之間沒有必然的聯(lián)系;表明憎水性的強(qiáng)弱，主要與運(yùn)行環(huán)境有關(guān)，溫度、附灰密度、污穢性質(zhì)和電場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)其憎水性都有著不同程度的影響。處于清潔地區(qū)的絕緣子有著優(yōu)異的憎水性;沿海附近的復(fù)合絕緣子因鹽霧污染，憎水性較差;水泥廠、石灰廠、鋼鐵廠等建材行業(yè)附近的復(fù)合絕緣子，其表面易被粉塵覆蓋，直接影響憎水性遷移。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)沿海地區(qū)、城市重工業(yè)污穢區(qū)附近復(fù)合絕緣子的憎水性監(jiān)測(cè)與評(píng)估;

(3)抽樣絕緣子傘裙材料靜態(tài)接觸角的測(cè)量值隨著遷移時(shí)間的增加而增大，且各絕緣子遷移規(guī)律基本一致;

(4)抽樣絕緣子傘裙材料在遷移4天后，均未能達(dá)到涂污前的靜態(tài)接觸角水平，不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子的憎水遷移能力均存在不同程度的下降;

(5)對(duì)于表面有燒蝕痕跡的絕緣子，其憎水性及憎水遷移性都下降的很快，必須加強(qiáng)對(duì)該類絕緣子加強(qiáng)監(jiān)管。

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