室温硫化硅橡胶表面污秽水珠放电特性

姚 刚，文习山，蓝 磊

(武汉大学电气工程学院，武汉市，430072)

0 引言

室温硫化硅橡胶（RTV）具有独特的憎水性和憎水迁移性，现已被用作新型高压绝缘防污闪材料[1-7]，发生在RTV憎水性表面水珠处的电晕放电通常是引起绝缘老化和憎水性下降的主要原因，本文将从仿真和试验角度来分析憎水性表面分离水珠的放电特点，同时对亲水性表面存在水珠时的污秽放电的典型过程进行了捕捉。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验过程中用高速摄影仪（10 000 fps）来捕捉放电现象。所用变压器容量为25 kVA，最高输出电压为5 kV，试验中将其串联使用。调压器容量为30 kVA，工频高电压试验控制台保护电流整定为1 A，低压端测量装置满足相关国标对测量精度的要求。采用针–板可调电极模拟极不均匀电场，板电极直径为400 mm，厚5 mm，针电极直径为10 mm，长200 mm。将载玻片（50 mm×10 mm）缓慢浸入RTV，待RTV硫化直至性能稳定，RTV涂层厚度为1 mm。

1.2 试验方法

用微量进样器控制水珠大小，采用电导率为0.056 μS/cm的去离子水和纯NaCl配置的溶液模拟不同的污秽度，采用高速摄影仪对水珠存在时的RTV和玻璃表面放电过程进行捕捉。试样制备后，在加压前2 min，沿试样轴线一字形进行人工布液，液滴间距和大小由人工控制。布液结束后，将试样固定于棒–板电极之间，并缓慢加压，其中针电极为高压端，板电极接地。

2 试验结果分析

2.1 憎水性表面电场计算

利用有限元法计算沿面电位及电场强度时，水珠的静态接触角取90°，水滴呈半球状均匀分布在RTV表面，针电极加载10 kV电压，边界条件为空气边界。玻璃、空气、RTV相对介电常数分别为8、1、3，其电阻率分别取为1 013、1 014、1 018 Ω·cm。RTV表面存在8个水滴情况下，其表面电场强度和电位分布如图1所示。

图1 RTV表面干燥和存在8个水珠时的电场、电势分布特性曲线Fig.1 RTV electric field and potential distribution character curve

由图1可知，无水珠时，电场强度在针极附近陡增，继而达到最大值，临近针极附近电场强度为奇异值，水珠、RTV、空气3重介质连接点处电场水珠的存在使临近针极的电场强度畸变效果更显著；多个分离水珠存在时，电场强度不均匀度增加，每个水珠两侧3重介质连接处电场强度均发生畸变，水珠自身为等势体，其内部电场最弱，仅为0.1 kV/mm。不同个数的12.5 μL、25 μL水滴对临近针极附近的3重连接点处电场强度影响如图2所示。

图2 水珠个数对电场强度的影响Fig.2 Impact of droplet number on electric field strength

有分离水珠时，水珠两侧3重介质连接点处电场强度均发生畸变。当8个体积为25 μL的水珠存在RTV表面时，靠近针极处水珠附近电场强度畸变为0.295 kV/mm，有水珠时最大电场强度为无水珠时最大电场强度的1.51～2.01倍。

2.2 电场极性对分离水珠放电特性的影响

分离水珠的闪络电压受到多种因素的影响，包括电场类型、介质表面性质、水珠体积、水珠数量以及水珠溶液的盐度。假设气压、温度恒定，分别对RTV表面和玻璃表面的闪络电压进行分析。图3中条件1、2为正极性电场，水滴体积分别为12.5、25 μL；条件3、4为负极性电场，水滴体积分别为12.5、25 μL；条件5、6为交流电场，水滴体积分别为12.5、25 μL。

由图3可知，随着水珠数目的增多，闪络电压呈下降趋势，因为在电场力作用下水珠较多时极易连成一片，从而使闪络电压大大降低。因此，存在25 μL水珠的介质表面的闪络电压比存在12.5 μL水珠介质表面的闪络电压下降得快。由于RTV涂料的憎水性使水珠难以形成连续通道，阻碍了电弧的进一步发展，因此，在相同电场、相同水珠体积下RTV表面闪络电压要高于玻璃表面闪络电压[8-10]。

在正极性电场和交流电场作用下，随着水珠数量和体积的增加，沿水珠路径间的相对绝缘干带会缩短，并且在强电场作用下更易贯穿两极进行放电，因此，闪络电压随水珠体积和数量的增加而下降，试验现象与仿真计算结果较为吻合。水珠较少时，电场畸变并不严重；随着水珠数量的增多，电场极性效应基本消失。负极性电场闪络电压最高，交流电场闪络电压最低。RTV表面存在单个水珠时，负极性、正极性、交流电场对应的平均击穿电场强度分别为8.2、5.6、4.3 kV/mm。

图3 不同介质表面的闪络电压与水珠个数的关系Fig.3 Relation of flash voltage to droplet number for different medium surface

2.3 RTV表面和玻璃表面典型放电

通过高速摄影仪对RTV憎水性表面和玻璃表面的放电过程进行全程捕捉，典型放电过程如图4所示。

闪络前RTV表面、水珠、空气3者交接处产生局部放电，由于尖极附近电场极不均匀，靠近尖极处水珠最先起晕，尖极附近的电晕也较其他地方更加显著和明亮。放电初期水珠附近产生星星点点的电晕，电弧从针电极处电弧点向上移动，水珠在电场力的作用下发生变形；电压达到临界值时，电弧脱离试样表面从两端向中间发展，贯穿两极完成闪络。玻璃表面起弧时水珠全部变形并形成一整体通道分布在试样表面，电弧紧贴试样表面燃烧直至转为表面空气闪络。

3 结论

闪络电压随水珠数目的增多而下降，RTV的憎水性能阻碍电弧的发展。不同电场作用下，负极性电场闪络电压最高，正极性电场次之，交流电场最低，随着水珠数量的增多，电场畸变更严重，极性效应基本消失。

图4 RTV表面和玻璃表面放电和闪络典型图片Fig.4 RTV and glass surface discharge and flashover typical photo

在靠近针电极的RTV表面、水珠和空气3者交界处局部电晕更明显，电弧由两端向中间脱离表面发展，沿水珠顶部完成整个沿面闪络。亲水性表面电弧紧贴试样表面直接燃烧直至贯通两极。

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