硅橡膠復(fù)合絕緣子的外絕緣污閃特性研究

鄧馥郁

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

0 引言

具備優(yōu)良的憎水性和憎水遷移性的硅橡膠(SIR)是使用得較多的復(fù)合絕緣材料，在各級輸電線路中展示了其優(yōu)異的電氣性能和絕緣性能。然而，硅橡膠復(fù)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(chǎn)品質(zhì)量問題及閃絡(luò)三個(gè)方面。

硅橡膠復(fù)合絕緣子閃絡(luò)的發(fā)生源自鳥害、雷擊、污閃等未知原因。已查明閃絡(luò)總支數(shù)中，雷擊閃絡(luò)占到63%，主要發(fā)生在南部雷電多發(fā)省區(qū)的35～110 kV線路中[1,2]。目前尚存20%不明原因的閃絡(luò)，這些閃絡(luò)的試樣經(jīng)過試驗(yàn)證明并無質(zhì)量問題。以往人們簡單套用傳統(tǒng)材質(zhì)絕緣子的試驗(yàn)方法來研究硅橡膠復(fù)合材料絕緣子的抗污性[3]，常常會使測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。

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

1 硅橡膠復(fù)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(huán)境污染，表面容易沉積粉塵等污穢物。在空氣濕度較高時(shí)這些污穢物會被潤濕，致使絕緣子閃絡(luò)電壓顯著下降，由此引發(fā)大面積污閃。硅橡膠復(fù)合絕緣子雖然擁有優(yōu)良的耐污閃性能，但如果在重污穢地區(qū)長期運(yùn)行，受到潮濕環(huán)境影響，絕緣子表面的憎水性減弱甚至喪失，也會導(dǎo)致污閃事故的發(fā)生。污閃過程包括染污和受潮、干區(qū)出現(xiàn)、局部電弧出現(xiàn)和完全擊穿四個(gè)階段[4]，具體可以劃分為如下8個(gè)環(huán)節(jié)：第一，形成污層硅：橡膠復(fù)合絕緣子經(jīng)過一段時(shí)間的戶外運(yùn)行，污穢物在其表面累積，形成連續(xù)的層膜，稱為污層。第二，憎水性遷移：硅橡膠內(nèi)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(qū)。水滴只能向污層略微擴(kuò)散，擴(kuò)散的程度由污層憎水性強(qiáng)弱決定。第四，污層流過微小漏流：由于存在高阻干區(qū)，污層中只有很小的漏流流過并在某微小值上達(dá)到平衡。這是由于漏流流過污層電阻所產(chǎn)生的熱量，讓污層變干燥導(dǎo)致阻值變大，然而電解液的負(fù)溫度系數(shù)又使得污層阻值減小。第五，電場導(dǎo)致水滴形變：長期的濕潤環(huán)境可使污層表面水滴之間干區(qū)減少，水滴與水滴之間的電場因此變強(qiáng)，當(dāng)電場力足夠大時(shí)，水滴就會發(fā)生形變。而電場的分布方向與閃絡(luò)電弧的發(fā)展方向平行，電弧沿著電場線方向發(fā)展。因此，相鄰水滴將沿著電場方向連成細(xì)長刑水帶。第六，火花放電：火花放電是指當(dāng)水帶進(jìn)一步縮小了干區(qū)范圍，使相鄰水帶之間的電場繼續(xù)增強(qiáng)，在端部發(fā)生放電現(xiàn)象，此時(shí)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(xiàn)。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(dǎo)率變大，較短水帶之間凝結(jié)形成長水帶甚至是大面積濕區(qū)，污層表面水帶之間的干區(qū)憎水性部分喪失[5]。第八，閃絡(luò)：較長水帶和較大面積濕區(qū)形成后，當(dāng)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(shí)，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(luò)。如圖1所示，火花放電和閃絡(luò)示意圖。

圖1 憎水性硅橡膠表面火花放電及閃絡(luò)

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(shù)理模型

水滴形變是絕緣子發(fā)生污閃、特別是霧閃的一個(gè)主要階段，為了更好地理解和分析閃絡(luò)機(jī)理，本文對絕緣子表面水滴形變規(guī)律進(jìn)行研究。

水滴的形變可用其彈性模型來進(jìn)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(fù)雜地施加于水滴各處。不過，水滴的整體形變規(guī)律仍能用其上某點(diǎn)出現(xiàn)的簡單周期性機(jī)械振動來代表[6]。

取水滴的頂點(diǎn)為代表點(diǎn)，通過力學(xué)模型對其進(jìn)行分析，如圖2所示。該模型包含阻尼效應(yīng)、彈力等因素。用M表示質(zhì)量，x表示水滴代表點(diǎn)的位移，t表示時(shí)間，f表示外力，D表示阻尼系數(shù)，K表示彈簧系數(shù)，則其動力學(xué)方程表示如下：

圖2 水滴形變力學(xué)模型

(1)

水滴在不帶電荷時(shí)，所承受的外力主要是電場力。用E表示電場強(qiáng)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(shù)。

含實(shí)電荷的水滴同時(shí)受到電場力與靜電力的作用。式中q表示電荷數(shù)，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(shù)。

2.2 硅橡膠絕緣子表面水滴形變規(guī)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(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。此時(shí)電場力、靜電力和流體動力同時(shí)作用于固、液體之間的接觸面。基于水滴形變的數(shù)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(fā)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(fā)閃絡(luò)。在臨界電場下，接觸角下降到一定角度時(shí)，細(xì)長形水滴的尖端反復(fù)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象。用硅橡膠作絕緣試樣時(shí)，隨著直流電場強(qiáng)度的增加，水滴逐步伸長形成細(xì)長水帶，反復(fù)引發(fā)水帶尖端或閃絡(luò)路徑中的放電現(xiàn)象。當(dāng)外加交流電場，水滴形變會與時(shí)變場一致，不過只能在一定的區(qū)域中發(fā)生形變或振動，引起電場畸變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閃絡(luò)。

3 硅橡膠復(fù)合絕緣子水滴形變的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)采用復(fù)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(dǎo)率的NaCl溶液模擬污穢環(huán)境下的絕緣子表面水滴。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：第一，同一電源電壓下，水滴電導(dǎo)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(fù)直流電源)；第三，時(shí)間對水滴形變的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(lián)一個(gè)5千歐的保護(hù)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖

分三組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別向?qū)嶒?yàn)樣品施加交流電壓、正直流電壓和負(fù)直流電壓。將電導(dǎo)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的水滴形變情況[7]。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)形變過程的截圖，對應(yīng)時(shí)間水滴形變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，繪制正電壓作用下水滴開始形變時(shí)間與電導(dǎo)率的關(guān)系圖如下：

如圖4所示：正電壓作用下，形變主要發(fā)生在接地端，這是由于高壓端接正電壓相當(dāng)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(xù)拉長的，而是期間有一個(gè)縮短再拉長、拉長再縮短的過程。在時(shí)間-水滴長度曲線中呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒形狀。得出結(jié)論如下：由于暴露在空氣中，水滴有一個(gè)同步蒸發(fā)的現(xiàn)象，拉長的部分是薄薄一層，很容易被蒸發(fā)掉，所以出現(xiàn)了收縮的時(shí)刻，但是由于電壓作用，水滴又很快被拉長，這個(gè)過程不斷重復(fù)。但總的趨勢是水滴在高電壓的作用下拉長。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率越大，水滴形變所需時(shí)間越少。

圖4 正直流電源作用下，電導(dǎo)率的時(shí)間-水滴長度曲線

3.3.2負(fù)直流電源作用下

施加-13千伏負(fù)直流電源電壓，負(fù)電壓作用下水滴開始形變時(shí)間與電導(dǎo)率的關(guān)系，如圖5所示。

總結(jié)分析可知：負(fù)電壓作用下，水滴形變主要發(fā)生在高壓端，與正電壓作用觀察到的現(xiàn)象相反。這是由于高壓端接負(fù)電壓，即注入電子，電子的移動速度大于正離子；隨著電導(dǎo)率的增大，水滴形變所需時(shí)間呈減少趨勢；跟正電壓作用一樣，水滴有一個(gè)反復(fù)伸縮的過程，在時(shí)間-水滴長度曲線中呈現(xiàn)不規(guī)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(dǎo)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?yàn)樨?fù)電壓對電導(dǎo)率小的水滴形變的影響比較微弱，水滴自身的蒸發(fā)作用大于了電壓對水滴的拉長作用，因此水滴的表現(xiàn)是縮小。在電導(dǎo)率大于等于2.0mS/cm之后，電壓的拉長作用與水滴自身蒸發(fā)作用基本持平，所以可以看出曲線最終趨于一個(gè)定值。

圖5 負(fù)直流電源作用下，不同電導(dǎo)率的時(shí)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(shí)間與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖6所示。為看清不同電導(dǎo)率下長度變化的區(qū)別，特意將前100秒做了局部放大，其表現(xiàn)出：第一，交流電壓作用下，水滴形變方向有一定的隨機(jī)現(xiàn)象，但是仍主要發(fā)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(nèi)部極化作用導(dǎo)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(fù)電壓作用更容易導(dǎo)致極化，也就更能影響水滴形變。第二，隨著電導(dǎo)率的增大，水滴形變所需時(shí)間呈減少趨勢。第三，跟直流電壓作用一樣，水滴有一個(gè)反復(fù)伸縮的過程，在時(shí)間-水滴長度曲線中呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒形狀。這是由于暴露在空氣中，水滴有一個(gè)同步蒸發(fā)的現(xiàn)象，同時(shí)也因?yàn)榻涣麟妷合拢蝺?nèi)部極化混亂導(dǎo)致水滴振蕩，這個(gè)過程不斷重復(fù)。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(dǎo)率的時(shí)間-水滴長度曲線(局部放大)

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可得如下結(jié)論：第一，水滴長度隨電壓和時(shí)間的變化規(guī)律，① 外部未施加電壓時(shí)，水滴呈較為完美的半球狀。外部施加電壓后，水滴發(fā)生不同程度的形變；②同一電壓等級作用下，電導(dǎo)率越大，水滴發(fā)生形變越快；③形變開始后，水滴長度隨著時(shí)間增加而增大，拉長到一定程度后趨于一個(gè)定值。第二，其他結(jié)論，水滴在靠近高壓端的形變最為明顯。負(fù)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(jī)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文給出了硅橡膠表面水滴形變數(shù)學(xué)模型，并制定了在污穢條件下，外加交、直流高壓作用時(shí)，硅橡膠絕緣子表面水滴形狀的變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究方法。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，外施電壓和電導(dǎo)率直接影響了水滴在絕緣子表面的形態(tài)，其變化規(guī)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(shù)理模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)論可用于對污穢地區(qū)硅橡膠絕緣子的外絕緣性能的分析和閃絡(luò)機(jī)理的深度研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦可用做檢測濕潤條件下復(fù)合絕緣子電氣性能和絕緣水平的指標(biāo)，對高壓輸電線路上硅橡膠絕緣子的改進(jìn)和應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。