不均勻憎水性對(duì)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(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300022； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

引言

以硅橡膠為主的復(fù)合絕緣材料廣泛應(yīng)用于高電壓外絕緣領(lǐng)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(yùn)行后硅橡膠會(huì)發(fā)生老化，表現(xiàn)出局部憎水性下降甚至喪失，因而憎水性也成為復(fù)合絕緣材料主要的運(yùn)行性能指標(biāo)。所以，為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)、更有效地指導(dǎo)防污閃工作，需要開展不均勻憎水性對(duì)絕緣子防污效果影響的研究。

目前針對(duì)硅橡膠材料憎水性的不均勻變化開展了大量研究。文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長串復(fù)合絕緣子在高壓端和低壓端更大的場強(qiáng)導(dǎo)致此處硅橡膠老化更為嚴(yán)重，長期運(yùn)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(huán)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(duì)較差[6-7]。上述文獻(xiàn)對(duì)絕緣子憎水性不均勻變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，但是，不均勻憎水性對(duì)絕緣子防污效果的影響還鮮有報(bào)道。

本文針對(duì)復(fù)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(diǎn)，應(yīng)用人工污閃試驗(yàn)和飽和受潮試驗(yàn)表現(xiàn)其防污性能，設(shè)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(yàn)結(jié)果為復(fù)合絕緣材料的防污效果判定和運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

1 憎水性沿串不均勻?qū)Ψ牢坌Ч挠绊?/h2>

1.1 試驗(yàn)方法

污閃試驗(yàn)是判斷絕緣子耐污性能最直接、有效的試驗(yàn)方法。本節(jié)的人工污閃試驗(yàn)所用的是FXBZ-±500/300-5910型直流復(fù)合絕緣子，其主要參數(shù)如表1所示。

相同遷移環(huán)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(duì)復(fù)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(duì)濕度16.1±1.9%的恒溫恒濕環(huán)境中遷移48h，形成不均勻憎水性分布。應(yīng)用噴水分級(jí)法進(jìn)行憎水性測試，高嶺土污穢的分級(jí)結(jié)果為HC5-6，硅藻土污穢的分級(jí)結(jié)果為HC3。涂污的配置方案如表2所示。

表1 復(fù)合絕緣子的主要參數(shù)

污閃試驗(yàn)在特高壓工程技術(shù)（昆明）國家工程實(shí)驗(yàn)室的污穢試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)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(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)；N為有效試驗(yàn)次數(shù)。為了避免重復(fù)試驗(yàn)對(duì)人工污層的破壞，每支涂有人工污穢的復(fù)合絕緣子只進(jìn)行一次污耐受試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)效果（耐受/閃絡(luò)），與前一次試驗(yàn)產(chǎn)生的效果不同的第一次試驗(yàn)作為第一個(gè)有效試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

恒壓升降法的試驗(yàn)結(jié)果見表3，表中的數(shù)據(jù)皆為有效試驗(yàn)的結(jié)果，其中O表示閃絡(luò)，X表示耐受。

從上面的試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)憎水性HC3，閃絡(luò)電壓下降69.9%。

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

表2 涂污配置方式

圖1 污穢試驗(yàn)系統(tǒng)

3）弱憎水性區(qū)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(luò)電壓下降9.0%。可以認(rèn)為，實(shí)際運(yùn)行中如果絕緣子高壓端出現(xiàn)憎水性減弱的情況，對(duì)其耐污閃性能有較大影響，需要密切關(guān)注。

2 上下表面憎水性差異對(duì)防污效果的影響

2.1 試驗(yàn)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(duì)象討論絕緣子上下表面憎水性不均勻?qū)ζ浞牢坌Ч挠绊憽?/p>

本次試驗(yàn)選用LXHY5-70玻璃絕緣子，其主要參數(shù)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(jīng)過一定遷移時(shí)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下遷移24h。

本節(jié)的試驗(yàn)在自制的小霧室中進(jìn)行，霧室形狀為圓柱筒形，高120cm，直徑85cm，由兩個(gè)超聲波加濕器起霧，污穢試驗(yàn)電源系統(tǒng)的變壓器容量為100kVA/50kV/2A。因?yàn)殡娫慈萘枯^小，應(yīng)用單片染污絕緣子進(jìn)行試驗(yàn)。樣品懸掛于霧室內(nèi)，起霧受潮，待絕緣子表面污穢完全飽和受潮后升壓閃絡(luò)，先后閃絡(luò)3次，每次閃絡(luò)之間間隔5min。取3次閃絡(luò)電壓的平均值為最終閃絡(luò)電壓。

表3 恒壓升降試驗(yàn)結(jié)果記錄

表4 玻璃絕緣子的主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用升壓閃絡(luò)法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

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

2）相比于只在下表面涂RTV，只涂上表面時(shí)閃絡(luò)電壓下降了20.6%?？梢哉J(rèn)為，實(shí)際運(yùn)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(guān)注。

3 懸垂絕緣子不同表面的受潮狀態(tài)分析

絕緣子表面因起霧而受潮時(shí)，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(dāng)其表面污穢遷移出憎水性后，受潮速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于玻璃表面污穢的受潮速度?；谝陨显?，將懸垂絕緣子的上、下表面的受潮狀態(tài)分別加以分析，整合其受潮規(guī)律，可以為上下表面憎水性差異對(duì)防污效果的影響給出解釋。

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

表5 RTV 涂層的配置方式

表6 升壓閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果記錄

3.1 懸垂絕緣子上表面的受潮狀態(tài)分析

對(duì)懸垂絕緣子上表面的受潮速度進(jìn)行分析時(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下遷移24h，然后進(jìn)行飽和受潮試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表7所示。

以110kV輸電線路8片絕緣子計(jì)算，對(duì)單片試驗(yàn)絕緣子施加電壓8kV，連續(xù)起霧耐受4小時(shí)，以泄漏電流變化曲線表征絕緣子上表面受潮過程，結(jié)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(shí)，其受潮速度很快，在20min時(shí)泄漏電流就達(dá)到了最大值，試驗(yàn)進(jìn)行了1.5h后，由于人工污穢的不斷流失，泄漏電流呈現(xiàn)明顯下降趨勢。當(dāng)絕緣子上表面涂有RTV涂層并表現(xiàn)出憎水性時(shí)，泄漏電流的增長速度受到了抑制，在大約1.5h才達(dá)到泄漏電流最大值，并較長時(shí)間保持相對(duì)穩(wěn)定，說明此時(shí)表面污穢流失較少。

表7 上表面受潮狀態(tài)分析的試驗(yàn)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(tài)分析

和3.1節(jié)上表面受潮狀態(tài)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(duì)下表面受潮過程進(jìn)行分析，配置方案見表8，受潮過程的泄漏電流結(jié)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(shí)，其受潮速度相對(duì)較快，在大約1h時(shí)泄漏電流達(dá)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(dāng)絕緣子下表面有RTV涂層，試驗(yàn)進(jìn)行約2.5h泄漏電流才達(dá)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(jié)合上文的分析，對(duì)應(yīng)第2點(diǎn)上下表面不同憎水性的配置方案，再次進(jìn)行飽和受潮試驗(yàn)，為污閃電壓結(jié)果給出解釋。保持3.1的基本試驗(yàn)方法，改變污穢和RTV涂層的配置，試驗(yàn)方案見表9，泄漏電流結(jié)果如圖4所示。

表8 下表面受潮狀態(tài)分析的試驗(yàn)方案

圖3 下表面受潮過程

當(dāng)懸垂絕緣子上表面沒有RTV涂層，下表面有RTV涂層時(shí)，由3.1節(jié)和3.2節(jié)可知：上表面的污穢只需要約20min就趨近飽和受潮狀態(tài)，下表面的污穢需要2.5h才達(dá)到飽和受潮點(diǎn)，而且此時(shí)上表面的污穢已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的流失現(xiàn)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(shí)間較長，而且最大泄漏電流只有2.073mA。

當(dāng)懸垂絕緣子上表面有RTV涂層，下表面沒有RTV涂層時(shí)，根據(jù)上文分析：上表面的污穢需要接近1.5h趨近飽和受潮狀態(tài)，下表面的污穢需要約1h趨近飽和受潮狀態(tài)，相對(duì)而言這兩個(gè)時(shí)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(dá)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?yàn)樯舷卤砻骘柡褪艹睍r(shí)間接近且污穢流失較少，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)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(jù)2.2節(jié)的污閃試驗(yàn)結(jié)果和本章的受潮狀態(tài)分析，可以認(rèn)為懸垂絕緣子下表面的憎水性狀態(tài)對(duì)整體防污效果更為重要，在運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)中應(yīng)該提高其價(jià)值權(quán)重。

表9 上下表面受潮狀態(tài)分析的試驗(yàn)方案

圖4 上下表面受潮過程

4 結(jié)論

1）弱憎水性區(qū)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(shí)際運(yùn)行中如果絕緣子高壓端出現(xiàn)憎水性減弱的情況，對(duì)其耐污閃性能有較大影響，需要密切關(guān)注。

2）對(duì)于懸垂絕緣子，上下表面污穢的飽和受潮時(shí)間以及污穢流失情況對(duì)整體的受潮狀態(tài)影響很大，飽和受潮時(shí)間接近且污穢流失較少時(shí)會(huì)導(dǎo)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(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)中應(yīng)該提高下表面憎水性的價(jià)值權(quán)重。

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