运行后的线路复合绝缘子表面憎水性研究

刘志强，井 谦，张长征

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

运行后的线路复合绝缘子表面憎水性研究

刘志强，井 谦，张长征

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

以运行后的110 kV线路复合绝缘子为样本，采用喷雾法和接触角法，参照现行检验标准，对其表面进行憎水性研究，着重考察去离子水和无水乙醇清洗表面后在四个不同特性阶段下的憎水性状态。试验结果表明附着自然污秽的硅橡胶表面与无水乙醇清洗自然污秽后的硅橡胶表面表现出两种截然不同的憎水性能，HC分级值能比较准确反应有老化现象的硅橡胶表面憎水性能，而静态接触角值对其基本无参考意义。最后针对运行后的线路复合绝缘子憎水性测量，尝试给出一些建议。

线路复合绝缘子；憎水性；静态接触角；憎水性分级；自然污秽

0 引言

与传统瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有强度高、重量轻、湿污闪电压高、运行维护简便、不易破碎等优点，近年来得到了快速的应用和发展[1-4]。随着超、特高压线路的建设和运行[5]，越来越多的线路复合绝缘子入网运行，但随着现场运行时间的延长，复合绝缘子表面在运行过程中会受到电晕、紫外线、雾霾等的交叉作用而发生老化[6]，特别是最近几年雾霾严重，污染天气数占比增加，表面积污程度超过迁移性能所承受范围，可能会导致憎水性能下降，甚至完全失去憎水性能，无法保证电力系统的安全运行[7]。因此当入网后的复合绝缘子经过实际运行一段时间后，需要抽检考察绝缘子的机械和绝缘性能，看是否能继续满足运行需要。表面憎水性能是其中重要的一项参考指标[8]，因此运行后的复合绝缘子表面憎水性试验结果是否能准确反应表面真实状态尤为重要。

笔者从事的绝缘子检测工作多年，由于现行标准中没有专门针对运行过后的复合绝缘子憎水性试验的标准规定，所以在实际检验中也是经常依据现行标准规定而进行，但经过日常检测经验的积累，发现这并不能完全适应实际情况需要。本文以一个具有代表性的样品进行实列分析。

根据标准 GB/T 19519-2014[9]、GB/T 24622-2009[10]和DL/T 810-2012[11]，评估复合绝缘子表面憎水性能的主要方法有接触角法、表面张力法和喷雾法，考虑到表面张力法中使用的溶剂对人可能有伤害，目前国内试验室中应用最多的是喷雾法和接触角法。

笔者采用喷雾法和接触角法，参照现行检验标准，对运行后的复合绝缘子表面进行憎水性研究，着重考察使用去离子水和无水乙醇清洗表面后在四个不同特性阶段下的憎水性状态，针对运行后的线路复合绝缘子的憎水性测量，并给出一些建议。

1 憎水性测试方法

1.1 试验设备

接触角测量设备型号为JC2000D4，憎水性HC分级测量设备型号为Motic SMZ-168。

试验条件：环境温度：21.0℃～23.0℃；相对湿度：60%～70%；大气压力：97.6kPa～98.0kPa，使用的溶液为去离子水。

1.2 试验样品及测量方法

样品为某电力公司送检的在自然环境中运行5年的110 kV线路棒形悬式复合绝缘子，伞裙为高温硫化硅橡胶，从中任选一只绝缘子，参照国标GB/T 19519-2014、GB/T 24622-2009和电力行业标准DL/T 810-2012，割取10只硅橡胶样品，编号1～10，尺寸长宽高约为70 mm×60 mm×2.9～6.0 mm。

在实验室标准环境条件下（温度20℃～25℃，相对湿度40%～70%）将所有样品预处理，预处理的条件和时间依据国标GB/T 19519-2014进行，憎水性测试分为通常特性、减弱特性、恢复特性、迁移特性四个阶段。

1～10号样品先只用去离子水清洗表面附着的灰尘杂质，测量所有的试验数据，这里的迁移特性程序与通常特性程序相似，只是在不同的编号样品上进行。然后1～10号样品经无水乙醇清洗表面附着的自然污秽，再用去离子水清洗表面，然后再次进行所有试验项目测量。

该憎水性测量方法选用静态接触角法（CA法）和喷水分级法（HC法），两种方法各有优缺点，综合利用两者方法可以对样品的表面憎水性有更准确和精确的认知判断。每个样品的静态接触角值为测量5次的平均值。喷水分级法中要求喷嘴距样品25 cm，方向尽可能垂直于样品表面，样品与水平面呈20°～30°倾角，每秒喷水1次，共25次，喷水后表面有水分留下，分级HC值的读取判断应在喷水结束后的30 s以内完成，分级HC值的评定通过与国标GB/T 24622-2009中分级文字描述和标准图片对比而判据。

2 试验结果与分析

2.1 去离子水与无水乙醇清洗表面后的HC分级对比分析

图1为去离子水与无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的HC分级值，从图中可以看出在通常特性阶段下，采用去离子水清洗样品表面后，通过喷水分级法判断，除了3号样品为HC3级外，其余样品均为HC2级，说明该线路棒形悬式复合绝缘子经过实际运行后的自然污秽憎水迁移性能较好，但并不是完全均质化。而采用无水乙醇清洗样品表面后，该5个样品分级值均为HC3级。清洗掉硅橡胶表面自然污秽后，憎水性分级状态一致，只是在HC3级状态内液滴的离散状态、不规则形状有少许不同，表明虽然这5片硅橡胶样品分布在不同的位置，但在同样的环境条件、运行时间下，硅橡胶材料表面的憎水性能基本接近。

在减弱特性阶段下，去离子水清洗样品表面后的憎水性分级为HC3级或HC4级，而无水乙醇清洗样品表面后的憎水性分级除4号样品为HC4级外，其余均为HC5级，表明在去离子水中浸泡96 h后，表面憎水性能下降明显。在恢复特性阶段下，从憎水性HC分级值上可以得出，去离子水清洗样品表面后的憎水性恢复性能要明显高于无水乙醇清洗后的憎水性恢复性能。在迁移特性阶段下，附着自然污秽的表面所表现出来的憎水性迁移性能要明显优于人工污秽的憎水性迁移性。

图2为去离子水清洗表面后不同特性阶段的典型HC分级图。从图中可以看出，去离子水清洗硅橡胶表面的灰尘杂质后，表面只附着运行过程中日积月累的自然污秽，但自然污秽分布并不完全均匀，目测看分布有多有少，有厚有薄，这也导致了样品表面的液滴呈现出不同的离散状态，以致憎水性分级值也不尽相同。

图3为无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的典型HC分级图，从图中可以看出，当用无水乙醇全部清洗样品表面附着的自然污秽后，除了个别局部点外，硅橡胶表面显现出本身应有的色泽，反应出硅橡胶材料本身所应有的性能，虽然这些伞裙样品分布在复合绝缘子不同的位置上，但运行环境相同，且经长时间运行后，硅橡胶材料本身的性能衰减程度相当，表面憎水性分级表现较为一致。图中硅橡胶材料本身老化程度严重，所表现出的憎水性能较差，尤其是减弱特性和人工污秽迁移性能。

图1 去离子水与无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的HC分级值Fig.1 The HC of different stages cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute

图2 去离子水清洗表面后不同特性阶段的典型HC分级图Fig.2 The typical HC images of different stages cleaned by deionized water

图3 无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的典型HC分级图Fig.3 The typical HC image sof different stages cleaned by ethyl alcohol absolute

2.2 去离子水与无水乙醇清洗表面后的静态接触角对比分析

图4为去离子水与无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的静态接触角，从图中可以看出，两者清洗样品表面后，样品表面在不同特性阶段的静态接触角都较高，在前三个特性阶段，总体上附着自然污秽的硅橡胶表面的静态接触角值要稍高于硅橡胶本身呈现的静态接触角。值得注意的是，两者清洗样品表面后的静态接触角值在减弱特性和恢复特性阶段虽有降低，但并没有表现出像HC分级性能那样下降明显，这表明在对已经发生老化硅橡胶材料来说，依据静态接触角这一技术参数，不能很准确地表征硅橡胶材料的憎水性能。在迁移特性阶段，两者处理后的静态接触角相差不大，比较相近。

从不同特性阶段下的曲线波动大小还可以看出，去离子水清洗表面后的静态接触角值波动范围较大，特别是在减弱特性阶段，最大值与最小值差达约11°，而无水乙醇清洗后的表面静态接触角在相同的特性阶段虽然也不完全一致，但相对而言，其波动就比较小。

图4 无水乙醇与去离子水清洗表面后不同特性阶段的静态接触角Fig.4 The static contact angle images of different stages cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute

图5为去离子水清洗表面后不同特性阶段的典型静态接触角图。由于硅橡胶表面附着自然污秽分布不均匀，经过一定时间的去离子水浸泡预处理后，自然污秽与硅橡胶表面的结合强度会出现不同程度的减弱，造成整体上迁移能力降低，且降低程度有高有低。此外，静态接触角本身反应的是表面某一点或局部的表面憎水性能，受测量局部的表面粗糙度和几何结构影响较大，具有较高的波动性，在这两种影响因素作用下，更会导致自然污秽迁移后的硅橡胶表面的静态接触值不均匀，波动较大。

图5 去离子水清洗表面后不同特性阶段的典型静态接触角图Fig.5 The typical static contact angle images of different stages cleaned by deionized water

图6为无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的典型静态接触角图分级图。利用无水乙醇清洗硅橡胶表面的自然污秽后，其呈现出本身应有的材料性能。由于样品运行的环境条件状况基本一致，样品表面老化程度接近，表面粗糙度大小相当，造成了其表面静态接触角虽有些许上下波动，但从整体上看并波动不大。

图6 无水乙醇清洗表面后不同特性阶段的典型静态接触角图分级图Fig.6 The typical static contact angle images of different stages cleaned by ethyl alcohol absolute

2.3 实际运行后的复合绝缘子表面憎水性的分析讨论

试验中，两种清洗方法得到两种截然不同的憎水性能，自然污秽在硅橡胶材料表面经过迁移后，憎水性能往往优于其发生老化后本身的憎水性。依据现有标准规定进行试验，得出的试验结果是硅橡胶本身的憎水性能，以此结果来衡量硅橡胶表面的憎水性能，确定复合绝缘子是否能继续运行，容易导致错误的判断。然而在实际检验中还曾遇见过其它状况，由于复合绝缘子运行的环境条件状况、时间长短、污秽化学成分等不同，附着自然污秽的硅橡胶表面的憎水性表现不如其本身的憎水性能，或者两者表现的憎水性接近，因此很难用统一的技术规定指导憎水性试验预处理方法，这就需要根据实际情况而决定。

通过前两小节的讨论分析可知，接触角的大小可以表明硅橡胶表面憎水性状态在一定程度上的优劣，但却不能准确判断其处于何种憎水性等级水平[12]。项目组研究认为在其他测试条件固定时，硅橡胶表面的粗糙度是影响固体表面接触角的主要因素，其对静态接触角的影响机理，目前国内外文献对此还没有统一的定论，但是当测量表面呈现出憎水性倾向时，利用Wenzel模型可以解释硅橡胶发生老化后，表面粗糙度增加，会使静态接触角值增大[13]。一般来说，经过运行过后的复合绝缘子，其硅橡胶表面都会发生不同程度的老化，在这种情况下进行憎水性试验时，静态接触角不能真实反映表面憎水性状态，其值大小反应不了憎水性能水平高低，基本无参考意义。因此针对运行过后复合绝缘子的憎水性检验，结合日常经验，笔者有三点建议：

1）与送检客户充分沟通，了解客户委托复合绝缘子憎水性试验的目的，是考察硅橡胶材料本身的憎水性能或老化程度，还是检测复合绝缘子在实际运行过程中的憎水性表现，根据不同的需求，选择不同的预处理方法，以期达到不同的试验目的；

2）当对附着自然污秽的硅橡胶表面进行憎水性测量时，应当采用一些必要的措施，在前期初步预判，判断清洗自然污秽前后的憎水性能优劣程度，在实际试验过程中建议以憎水性能表现差的为测量条件；

3）HC分级值是能比较准确反应老化硅橡胶表面的憎水性能，在试验过程中应以测量HC分级为主，静态接触角为辅。

3 结论

笔者以运行后的110 kV线路复合绝缘子为样本，采用喷雾法和接触角法，参照现行检验标准，对运行后的复合绝缘子表面进行憎水性研究，着重考察去离子水和无水乙醇清洗表面后在四个不同特性阶段下的憎水性状态，结论如下：

1）附着自然污秽的硅橡胶表面与无水乙醇清洗自然污秽后的硅橡胶表面表现出两种截然不同的憎水性能，以文中选取的样品为例，自然污秽在硅橡胶材料表面经过迁移后，憎水性能优于其本身的憎水性；

2）对运行过后的复合绝缘子进行憎水性试验时，静态接触角不能真实反映表面憎水性状态，其值大小基本无法反应憎水性能水平高低。HC分级值是能比较准确反应老化硅橡胶表面的憎水性能，在试验过程中应以测量HC分级为主，静态接触角为辅；

3）对运行过后的复合绝缘子进行憎水性试验时，不适宜用现行标准作统一规定，需区别对待。

[1]关志成.绝缘子及输电设备外绝缘[M].北京:清华大学出版社，2006.

[2]祝贺，赵浩然.复合绝缘子伞裙破损状态下的电位电场仿真研究[J].电瓷避雷器，2016（5）:1-6.ZHU He，ZHAO Haoran.Potential and electric field sim⁃ulation study of composite insulatorswith sheddamage con⁃ditions[J].Insulators and Surge Arresters，2016（5）:1-6.

[3]任贵清，李晓明，郭振芳，等.硅橡胶复合绝缘子耐低温性能研究[J].电瓷避雷器，2012（5）:1-4.REN Guiqing，LI Xiaoming，GUO Zhenfang，et al.Re⁃search on low temperature resistance of silicone rubber composite insulators[J].Insulators and Surge Arresters，2012（5）:1-4.

[4]黄成才，李永刚.基于复合绝缘子污闪模型的闪络特性分析[J].电瓷避雷器，2014（4）:31-36.HUANG Chengcai，LI Yonggang.Analysis on flashover characteristics based on pollution flashover model of com⁃posite insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）:31-36.

[5]赵华忠，袁超，颜才升，等.±800kV特高压直流耐张串复合绝缘子运行性能研究[J].电瓷避雷器，2013（6）:15-19.ZHAOHua-zhong，YUANChao，YANCai-sheng，et al.Analysis of operating performance of composite insulators in 800kV UHVDC tension strings[J].Insulators and Surge Arresters，2013（6）:15-19.

[6]矫立新，郭洁，何天宇，等.动车受电弓用绝缘子紫外线老化特性研究[J].电瓷避雷器，2015（1）:33-36.JIAOLi-xin，GUOJie，HETian-yu，et al.Studyonthe ultra⁃violet aging characteristic of train-set pantograph insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2015（1）:33-36.

[7]杜思思，张雪峰，杨军.复合绝缘子不同憎水性下的电场分布研究[J].电瓷避雷器，2014（5）:11-16.DU Sisi，ZHANGXuefeng，YANGJun.Study on electric field distribution of composite insulator under different hy⁃drophobicity[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）:11-16.

[8]张浩，朱弘钊，岳灵平，等.复合绝缘子憎水性带电检测系统研究[J].电瓷避雷器，2013（5）:36-39.ZHANG Hao，ZHUHongzhao，YUELingping，et al.Re⁃search of on-line survey system for the hydrophobicity of composite insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2013（5）:36-39.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.GB/T 19519-2014架空线路绝缘子-标称电压高于1000V交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子定义、试验方法及接收准则[S].北京:中国标准出版社，2010.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.GB/T 24622-2009（IEC/TS 62073:2003，IDT）《绝缘子表面湿润性测量导则》[S].北京:中国标准出版社，2010.

[11]中华人民共和国国家能源局.DL/T 810-2012《±500kV及以上电压等级直流棒形悬式复合绝缘子技术条件》[S].北京:中国电力出版社，2012.

[12]井谦，彭静，刘于新，等.复合绝缘子用硅橡胶材料表面动态接触角的研究[J].电瓷避雷器，2015（3）:43-47.JING Qian，PENG Jing，LIU Yuxin，et al.Study on sur⁃face dynamic contact angle of silicone rubber materials for composite insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2015（3）:43-47.

[13]胡文歧，井谦，彭静.接触角法表征复合绝缘子用硅橡胶材料表面憎水性的研究[J].电瓷避雷器，2013（2）:5-10.HU Wenqi，JING Qian，PENG Jing.Study on surface hy⁃drophobicity of silicone rubber materials for composite in⁃sulator characterized by contact angle[J].Insulators and Surge Arresters，2013（2）:5-10.

The Study on the Hydrophobicity of Post-Service Line Composite Insulator

LIU Zhiqiang,JING Qian,ZHANG Changzheng
（Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Xi′an 710077,China）

The surface hydrophobicity is one of the important parameters of safety for line composite insulator.Based on the sample of post-service 110 kV line composite insulator,with reference to the cur⁃rent test standard,this article adopts the spray method and contact angle method to study the hydrophobic⁃ity of line composite insulator,focusing on the hydrophobic state of the four different stages of the surface cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute.The result indicates that the silicone rubber sur⁃face cleaned by ethyl alcohol absolute and the one covered by natural dirt shows distinct hydrophobicity.The hydrophobicity class(HC)could reflect the hydrophobicity of the aging silicone rubber surface,on the contrary,the value of the static contact angle indicated no positive significance.The last part of the article tries to put forward some suggestions for the post service of measurement of the hydrophobicity of line composite insulator.

line composite insulator；hydrophobicity；static contact angle,HC；natural dirt

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.032

2017-02-23

刘志强（1979—），男，工程师，从事高压电器和绝缘子试验。