不均匀憎水性对线路绝缘子防污效果的影响

吴明雷，邹 淮，王永福，郗晓光，杨朝翔，王希林，贾志东，陈 灿

（1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300022； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

引言

以硅橡胶为主的复合绝缘材料广泛应用于高电压外绝缘领域，在输电线路的防污闪工作中取得了良好的效果[1-3]。硅橡胶材料因其憎水性和憎水迁移性能够有效地提高绝缘子的污闪电压[4]，然而，长期运行后硅橡胶会发生老化，表现出局部憎水性下降甚至丧失，因而憎水性也成为复合绝缘材料主要的运行性能指标。所以，为了更准确地评价绝缘子的运行状态、更有效地指导防污闪工作，需要开展不均匀憎水性对绝缘子防污效果影响的研究。

目前针对硅橡胶材料憎水性的不均匀变化开展了大量研究。文献[5]的试验结果发现，长串复合绝缘子在高压端和低压端更大的场强导致此处硅橡胶老化更为严重，长期运行后显示出憎水性倒U形的沿串分布。另外，RTV涂料绝缘子上表面直接暴露于光照、雨水等环境中，上表面的RTV涂料老化速度快于下表面，其憎水性也相对较差[6-7]。上述文献对绝缘子憎水性不均匀变化规律进行了深入研究，但是，不均匀憎水性对绝缘子防污效果的影响还鲜有报道。

本文针对复合绝缘子沿串憎水性以及RTV涂料绝缘子上、下表面憎水性的不均匀分布特点，应用人工污闪试验和饱和受潮试验表现其防污性能，设置了多种憎水性分布并比较了各种情况下的耐污水平，所得试验结果为复合绝缘材料的防污效果判定和运行状态评价提供了依据。

1 憎水性沿串不均匀对防污效果的影响

1.1 试验方法

污闪试验是判断绝缘子耐污性能最直接、有效的试验方法。本节的人工污闪试验所用的是FXBZ-±500/300-5910型直流复合绝缘子，其主要参数如表1所示。

相同迁移环境、相同污秽度下，硅藻土的憎水迁移速度比高岭土更快[8]。对复合绝缘子涂覆相同盐灰密（盐密0.4mg/cm2、灰密2.0mg/cm2）的高岭土、硅藻土，在温度24.7±1.4℃、相对湿度16.1±1.9%的恒温恒湿环境中迁移48h，形成不均匀憎水性分布。应用喷水分级法进行憎水性测试，高岭土污秽的分级结果为HC5-6，硅藻土污秽的分级结果为HC3。涂污的配置方案如表2所示。

表1 复合绝缘子的主要参数

污闪试验在特高压工程技术（昆明）国家工程实验室的污秽试验大厅内进行，试验系统如图1所示。试验采用恒压升降法，最终的50%污闪电压为：

式中Ui 为某一施加的电压水平；ni 为在相同施加电压水平Ui 下进行的试验次数；N为有效试验次数。为了避免重复试验对人工污层的破坏，每支涂有人工污秽的复合绝缘子只进行一次污耐受试验，记录相应的试验电压和试验效果（耐受/闪络），与前一次试验产生的效果不同的第一次试验作为第一个有效试验。

1.2 试验结果

恒压升降法的试验结果见表3，表中的数据皆为有效试验的结果，其中O表示闪络，X表示耐受。

从上面的试验结果可以看出：

1）相同污秽度的情况下，弱憎水性HC5-6相比较强憎水性HC3，闪络电压下降69.9%。

2）低压端弱憎水性区间比例约10%的情况下，闪络电压下降11.2%。高压端弱憎水性区间比例约10%，闪络电压下降19.2%。

表2 涂污配置方式

图1 污秽试验系统

3）弱憎水性区间比例相同的情况下，高压端弱憎水性相比低压端弱憎水性闪络电压下降9.0%。可以认为，实际运行中如果绝缘子高压端出现憎水性减弱的情况，对其耐污闪性能有较大影响，需要密切关注。

2 上下表面憎水性差异对防污效果的影响

2.1 试验方法

在玻璃绝缘子表面涂覆一层RTV防污闪涂料可以使绝缘子获得憎水性。本章以RTV涂料绝缘子为研究对象讨论绝缘子上下表面憎水性不均匀对其防污效果的影响。

本次试验选用LXHY5-70玻璃绝缘子，其主要参数如表4所示。

玻璃是亲水性表面，而涂有人工污秽的RTV表面在经过一定迁移时间后能够获得憎水性，通过RTV涂层不同的配置方式可以得到绝缘子上下表面的不均匀憎水性，具体方案见表5。人工污秽选择NaCl和硅藻土，盐密和灰密分别为0.1mg/cm2和1.0mg/cm2，涂污后在实验室环境下迁移24h。

本节的试验在自制的小雾室中进行，雾室形状为圆柱筒形，高120cm，直径85cm，由两个超声波加湿器起雾，污秽试验电源系统的变压器容量为100kVA/50kV/2A。因为电源容量较小，应用单片染污绝缘子进行试验。样品悬挂于雾室内，起雾受潮，待绝缘子表面污秽完全饱和受潮后升压闪络，先后闪络3次，每次闪络之间间隔5min。取3次闪络电压的平均值为最终闪络电压。

表3 恒压升降试验结果记录

表4 玻璃绝缘子的主要参数

2.2 试验结果

采用升压闪络法进行试验，结果如表6所示。

从上面的试验结果可以看出：

1）绝缘子部分涂覆RTV涂料比全涂RTV涂料闪络电压均有所下降：只涂下表面，闪络电压下降4.9%；只涂上表面，闪络电压下降24.5%。

2）相比于只在下表面涂RTV，只涂上表面时闪络电压下降了20.6%。可以认为，实际运行中如果悬垂串绝缘子下表面的憎水性明显下降，其防污效果将大打折扣，需要密切关注。

3 悬垂绝缘子不同表面的受潮状态分析

绝缘子表面因起雾而受潮时，由于重力作用，悬垂串绝缘子上表面和下表面的受潮速度不同。RTV涂层拥有良好的憎水性和憎水迁移性，当其表面污秽迁移出憎水性后，受潮速度远远慢于玻璃表面污秽的受潮速度。基于以上原理，将悬垂绝缘子的上、下表面的受潮状态分别加以分析，整合其受潮规律，可以为上下表面憎水性差异对防污效果的影响给出解释。

饱和受潮试验选用LXHY5-70玻璃绝缘子，在人工小雾室中进行，所用的泄漏电流测量系统由清华大学开发，测量范围可从5A到μA级，测量误差不大于3%。

表5 RTV 涂层的配置方式

表6 升压闪络试验结果记录

3.1 悬垂绝缘子上表面的受潮状态分析

对悬垂绝缘子上表面的受潮速度进行分析时，为排除下表面的干扰，保持绝缘子下表面洁净且没有RTV涂层，仅对绝缘子上表面涂刷人工污秽，污秽选择0.1mg/cm2的NaCl和1.0mg/cm2的硅藻土。在实验室环境下迁移24h，然后进行饱和受潮试验。试验方案如表7所示。

以110kV输电线路8片绝缘子计算，对单片试验绝缘子施加电压8kV，连续起雾耐受4小时，以泄漏电流变化曲线表征绝缘子上表面受潮过程，结果如图2所示。

从图2可以看出，玻璃绝缘子上表面无RTV涂层，即上表面为完全亲水性时，其受潮速度很快，在20min时泄漏电流就达到了最大值，试验进行了1.5h后，由于人工污秽的不断流失，泄漏电流呈现明显下降趋势。当绝缘子上表面涂有RTV涂层并表现出憎水性时，泄漏电流的增长速度受到了抑制，在大约1.5h才达到泄漏电流最大值，并较长时间保持相对稳定，说明此时表面污秽流失较少。

表7 上表面受潮状态分析的试验方案

图2 上表面受潮过程

3.2 悬垂绝缘子下表面的受潮状态分析

和3.1节上表面受潮状态分析的方法相似，只是改变悬垂绝缘子RTV涂层和污秽的配置，对下表面受潮过程进行分析，配置方案见表8，受潮过程的泄漏电流结果如图3所示。

从图3可以看出，玻璃绝缘子下表面无RTV涂层时，其受潮速度相对较快，在大约1h时泄漏电流达到最大值，由于人工污秽少量流失，泄漏电流随后略有下降。当绝缘子下表面有RTV涂层，试验进行约2.5h泄漏电流才达到最大值，受潮速度十分缓慢。

3.3 上下表面不均匀憎水性防污效果差异的解释

结合上文的分析，对应第2点上下表面不同憎水性的配置方案，再次进行饱和受潮试验，为污闪电压结果给出解释。保持3.1的基本试验方法，改变污秽和RTV涂层的配置，试验方案见表9，泄漏电流结果如图4所示。

表8 下表面受潮状态分析的试验方案

图3 下表面受潮过程

当悬垂绝缘子上表面没有RTV涂层，下表面有RTV涂层时，由3.1节和3.2节可知：上表面的污秽只需要约20min就趋近饱和受潮状态，下表面的污秽需要2.5h才达到饱和受潮点，而且此时上表面的污秽已经出现了明显的流失现象，因此泄漏电流增长的幅度有限。如图4(a)所示，此种配置饱和受潮时间较长，而且最大泄漏电流只有2.073mA。

当悬垂绝缘子上表面有RTV涂层，下表面没有RTV涂层时，根据上文分析：上表面的污秽需要接近1.5h趋近饱和受潮状态，下表面的污秽需要约1h趋近饱和受潮状态，相对而言这两个时刻比较接近，而且受潮较快的下表面污秽流失较少，所以在1h后泄漏电流达到最大值6.871mA，如图4(b)所示。

综上所述，上表面有憎水性而下表面无憎水性的情况下，因为上下表面饱和受潮时间接近且污秽流失较少，在较短时间内达到了整体饱和受潮，而且泄漏电流是另一情况的3倍多，造成这种配置下污闪电压明显更低。根据2.2节的污闪试验结果和本章的受潮状态分析，可以认为悬垂绝缘子下表面的憎水性状态对整体防污效果更为重要，在运行状态评价中应该提高其价值权重。

表9 上下表面受潮状态分析的试验方案

图4 上下表面受潮过程

4 结论

1）弱憎水性区间比例相同的情况下，高压端弱憎水性相比低压端弱憎水性污闪电压更低。实际运行中如果绝缘子高压端出现憎水性减弱的情况，对其耐污闪性能有较大影响，需要密切关注。

2）对于悬垂绝缘子，上下表面污秽的饱和受潮时间以及污秽流失情况对整体的受潮状态影响很大，饱和受潮时间接近且污秽流失较少时会导致更大的泄漏电流峰值。

3）如果悬垂绝缘子下表面的憎水性明显下降，其防污效果将大打折扣，在线路绝缘子运行状态评价中应该提高下表面憎水性的价值权重。

[1]关志成，彭功茂，王黎明，等．复合绝缘子的应用及关键技术研究[J]．高电压技术，2011，37(3)：513-519．

[2]Liang X, Wang S, Fan J, et al. Development of composite insulators in China[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(5): 586-594.

[3]Jia Zhidong, Fang Su, Gao Haifeng, et al. Development of RTV Silicone Coatings in China: Overview and Bibliography[J].Electrical Insulation Magazine, IEEE, 2008, 24(2): 28-41.

[4]高海峰，王永福，朱可能，等．憎水性对线路绝缘子耐污闪特性影响的试验分析[J]．高电压技术，2011，37(2)：284-289．

[5]杨朝翔，吴明雷，何 菊，等．运行直流复合绝缘子的憎水性分布规律[J]．电网技术，2014，38(6)：1650-1656．

[6]高海峰，贾志东，关志成．运行多年RTV 涂料绝缘子表面涂层老化分析研究[J]．中国电机工程学报．2005，25(9)：158-163．

[7]贾志东，李 桐，陈 灿，等．广东地区室温硫化硅橡胶防污闪涂料的运行特性[J]．高电压技术，2014，40(7)：1963-1969．

[8]关志成，牛 康，王黎明，等．环境湿度对硅橡胶材料憎水迁移性的影响[J]．高电压技术，2012，38(8)：2030-2036．