水带对憎水性表面交流闪络特性与电场分布的影响

刘士利 李卫东 李振新 潘璐瑶

水带对憎水性表面交流闪络特性与电场分布的影响

刘士利1李卫东1李振新2潘璐瑶1

（1. 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学） 吉林 132012 2. 国网吉林省电力有限公司吉林供电公司 吉林 132012）

复合绝缘子憎水性减弱时，在潮湿环境中其表面容易汇聚水珠形成水带，从而影响绝缘子表面电场分布和沿面闪络特性。该文采用聚四氟乙烯板模拟水带生成环境，试验研究了直线型和折线型水带形态对憎水性表面闪络过程的影响；基于有限元数值计算，分析了水带及周围电场分布，并结合试验结果探讨了水带影响电弧发展路径的机理。研究结果表明，水带张角越小，水带电场越小，而水带之间的干带电场强度越大；同时，水带横向间距越小，干带电场强度也越大。因此，当憎水性表面存在折线型水带时，电弧依和的不同而呈现三种不同的发展路径。

复合绝缘子 水带 憎水性 电弧发展 电场

0 引言

复合绝缘子具有优异的憎水性和憎水迁移性，较传统的玻璃和瓷绝缘子在耐污性能上表现更加突出，因此复合绝缘子在电力系统中得到广泛应用[1-3]。由于常年运行于复杂的外界环境中，受气候、污秽、放电等因素影响，复合绝缘子的憎水性或憎水迁移性会减弱甚至丧失，这将会导致复合绝缘子的抗污闪性能大大下降，影响其绝缘能力[4-6]。目前，国内外学者深入研究了绝缘子表面积污、覆冰及表面缺陷等工况对绝缘子沿面放电特性的影响[7-10]，对绝缘子的结构设计和改进做出了重要贡献。

对于憎水性表面的闪络特性，部分学者进行了仿真研究，主要分析了水珠介电常数、半径、形状、数量及静态接触角等参数对憎水性表面电场分布的影响[11-14]，并研究了水膜及降落水滴对憎水性表面电场的畸变程度[15]。还有学者对憎水性表面的闪络特性开展了试验研究，曹雯等研究了交流电场下憎水性表面水珠的动态分布规律和闪络过程，并分析了水珠分布对电场畸变和闪络电压的影响[16]；文献[17]讨论了直流电场下硅橡胶表面的水珠动态行为及水珠闪络特性；文献[18]提出了交流电场下水滴的四种主要振荡模式；文献[19]研究了硅橡胶表面分离水珠的局部放电对表面结构的影响；华北电力大学赵林杰的试验结果表明，憎水性材料表面水带、水珠结构与分布将可能对憎水性材料的耐污闪能力产生影响[20]。有研究表明即使在极其恶劣的运行环境下，复合绝缘子表面仍保留不同程度的憎水性，基本不会出现完全亲水的情况，此时若以亲水性表面设计绝缘，则存在绝缘裕度大、建设成本高的缺点[21-23]。

考虑到绝缘子表面憎水性减弱却很难达到完全亲水性的实际情况，弱憎水性表面在受潮后会更容易形成水珠，水珠在电场力的作用下则更容易形成形态不同的水带，此时憎水性表面的闪络机理将不同于完全亲水性表面。本文通过试验研究了水带长度及水带液面高度对憎水性材料试片闪络电压的影响，研究了水带张角和水带横向间距对憎水性表面电弧发展路径的影响，并结合憎水性表面水带及周围的电场分布，探讨了水带形状导致不同电弧发展路径的原因。

1 憎水性表面水带试验装置及试品布置

为研究含水带的憎水性表面闪络特性，本文首先通过试验探究不同水带形态下憎水性表面的电弧发展规律。试验采用YDTW—200kV/200kV·A型设备作为交流电源，利用数字化控制测量系统进行数据测量、采集与记录。试验系统的接线原理图如图1所示。

憎水性材料试片多次闪络可能导致其理化结构的损坏，从而影响其憎水性。为尽可能消除此种影响因素，本文基于耐电性能好的聚四氟乙烯板模拟水带生成环境，为精确控制水带形状，试验通过在聚四氟乙烯板上挖槽来实现不同水带的设置，水带试验模型如图2所示。水槽宽度为10mm，水槽长度随试验要求变化，试验中将导电溶液注入水槽中以模拟污秽水带；导电溶液由去离子水与纯氯化钠配制而成，其电导率为200μS/cm。另外，在高压电极与接地电极之间尚需设置干带区域，以等效模拟复合绝缘子表面电弧的发展路径。

试验设置了角度为、长度为的各形态水带试验模型，具体布置方式如图3所示。其中对于折线型水带，为水带横向间距，为水带纵向间距，为水带张角，水带形态可以通过调整和来进行控制。

图3 不同形态的水带试验模型

2 憎水性表面水带闪络试验结果

2.1 直线型水带闪络试验

针对直线型水带，本节研究水带长度及高度对憎水性表面闪络特性的影响。试验过程中干带长度设定为10mm，水带长度分别取5cm、10cm，水带液面高度分别取1mm、1.5mm、2mm。不同水带长度与高度共组合成6种情况，每种情况下做10次放电试验。其中，当水带长度=5cm、高度=1mm时，电弧发展过程如图4所示，此时闪络电压为12.4kV（10次试验电压有效值的均值）；不同水带长度及液面高度下闪络电压如图5所示。

图4 L=5cm、N=1mm时电弧发展过程

图5 不同水带形态下的闪络电压

由图4可以看出，电弧的发展分为三个阶段：首先是1ms左右电极周围发生局部放电；随后电弧沿干带发展至气、液、固三者交界处击穿干带，这使得加在水带两端的电压瞬间上升，同时局部放电引起的温升使水带电导率在一定程度上增大；最后随着电荷的持续积累，在3～5ms内水带电场达到临界击穿场强，电弧沿直线型水带快速发展，水带和干带上呈现出明亮的电弧放电通道。

由图5可以看出，当水带液面高度相同时，闪络电压随水带长度的增加而增大，此时闪络电压增大的主要原因是水带长度增加，导致高压电极与接地电极之间的闪络距离对应增大，水带及干带沿面闪络时的电场需要更高的电压来维持。

当水带长度相同时，水带液面越高，闪络电压越低，这是由于水带的稳定性影响了周围电场分布。液面越高，水带随着交流电场发生周期性波动和振动的幅度越明显，导致水带周围电场的畸变程度越严重，从而使闪络电压降低。另外，随着液面高度的增加，5cm水带的闪络电压衰减较快，即较短的水带随液面高度的增加其闪络电压降低越明显，这主要因为水带越短，稳定性越差，对电场的畸变越严重。

综上可知，沿憎水性表面直线型水带，电弧发展明显受水带长度和液面高度的影响，水带越短、液面越高，越有利于电弧的发展，对应的闪络电压越低。

2.2 折线型水带闪络试验

本节研究角度不同时电弧沿折线型水带的发展规律，试验过程中分别设定为150°、120°、90°、60°和30°，水带液面高度为2mm。

试验结果显示，折线型水带放电初始发展阶段和直线型水带相似，均是电极周围先发生局部放电，然后是干带击穿，但此后的电弧发展路径会因的不同而呈现不同的形式，电弧发展路径示意图如图6所示。当=120°＞90°时，电弧的发展路径如图7所示（详见图6中的沿水带型电弧路径），此时电弧始终沿水带发展，而与横向间距无关；当≤90°时，电弧的发展路径呈现两种形式，即折线型和直线型。为60°和30°时的电弧发展路径分别如图8和图9所示（详见图6中的折线型和直线型电弧路径），此时电弧发展路径取决于横向间距的大小。由图8和图9可知，对于不同的，存在着对应的临界横向间距0，当＞0时，电弧沿水带发展一段距离后会折向水带之间的干带，然后沿干带水平发展至贯穿两极，闪络路径整体呈折线型；当＜0时，电弧直接穿过水带及水带之间的干带而贯穿两极。

图6 电弧发展路径示意图

图7 θ=120°时沿水带电弧发展路径

图8 θ=60°时的电弧发展路径

图9 θ=30°时的电弧发展路径

由此可知，对于憎水性表面的折线型水带，当水带张角＞90°时，电弧能否贯通两极主要受水带长度影响；当≤90°时，受水带横向间距的影响，电弧路径可分为直线型和折线型，直线型电弧主要受水带间干带的影响，而折线型电弧与水带长度及水带间干带均有关。

2.3 组合水带闪络试验

前述对直线型和折线型水带闪络过程的研究是分别进行的，本节将综合研究上述两种水带的放电过程。组合水带闪络试验模型如图10所示，在聚四氟乙烯板上同时设置直线型和折线型水带，设置干带=10mm，直线型水带长度=5.5cm，折线型水带间距=5.5cm，水带液面高度为2mm，试验结果如图11所示。

图10 组合水带闪络试验模型

图11 组合水带的电弧路径

图11a显示，当直线型水带和折线型水带横向间距相同时，在相同电压下，直线型水带更容易发展电弧。图11b中的直线水槽未注入导电溶液，此时相当于憎水性表面同时存在2条折线型水带。试验显示，在相同电压下，=120°的水带总是首先发生闪络，即水带角度越大，电弧越容易发展至贯穿两极。这是因为当水带横向间距相同时，水带张角越小，水带长度越长，越不利于电弧的发展。因此对于＞90°的水带，闪络电压由较短的水带决定。

3 憎水性表面水带及周围电场分布

由第2节试验可知，憎水性材料表面形成水带时，电弧的发展路径明显受角度的影响，特别当≤90°时，电弧的发展过程最为复杂。为进一步研究憎水性表面电场对电弧发展的影响，本节计算不同角度下水带及其周围的电场分布，分析电场分布与多种电弧发展路径的关系。

对试验中的干带-水带模型进行同比例建模，计算干带击穿后水带周围的电场分布。当激励电压=15kV、横向间距=10cm时，不同角度下水带及周围的电场分布如图12所示，其中，沿水带沿线（图3中）的电场分布如图13所示。可以看出，水带电场强度随水带张角的减小而减小，在水带的中间弯折处附近，电场强度有不同程度的降落：当水带张角≤90°时，水带中间弯折处电场强度降落最大可达约30kV/m；而当＞90°时，水带中间弯折处电场强度降落则较小。水带张角之间憎水性表面的电场强度变化则相反，其表面电场强度随水带张角的减小而增大（如图12）。正是以上两种结果的叠加，导致当水带张角＞90°时，水带电场强度较高，水带间憎水性表面电场强度较低，电弧沿水带发展；当水带张角≤90°时，水带电场强度很低，水带间憎水性表面电场强度很高，可能导致电弧沿水带发展一段距离后折向憎水性表面继续发展从而贯穿两极。

图12 不同水带张角时电场分布

图13 不同水带张角下沿水带电场分布

保持水带张角=30°不变，取不同数值时，水带周围及水带沿线电场分布如图14和图15所示，图15中路径取方向沿线。可以看出，同一角度下，随的增大，水带间憎水性表面电场强度降低，这就导致在＜0时，憎水性表面电场强度远大于水带电场强度，电弧发展沿水带憎水性表面呈直线击穿；＞0时，憎水性表面电场强度仍大于水带电场强度，但是由于憎水性表面电场强度相对下降，以及增大，不足以击穿长度的憎水性材料表面，电弧需要沿水带发展一段距离后再折向憎水性材料表面，从而使整体闪络路径呈折线型。

图14 θ=30°时不同横向距离d对应的水带周围电场分布

图15 θ=30°时不同横向距离d下m沿线电场分布

图15中，当=1cm、=2cm时，二者电场分布规律基本相同，此时电弧路径为直线型；与之对应，当=3cm、=4.5cm时，电场分布呈现出不同的趋势，对应的电弧路径则为折线型。

4 结论

本文通过试验和仿真研究了水带分布对憎水性表面放电过程的影响，得到如下结论：

1）直线型水带的闪络电压随水带长度的增加而增大；随液面高度的增加而减小，且水带越短，闪络电压减小越快，这和水带的稳定性有关。

2）当憎水性表面存在折线型水带时，电弧依水带张角不同而呈现3种不同发展路径。当＞90°时，电弧沿水带发展；当≤90°时，存在临界横向间距0，此时，当＞0时，电弧沿水带发展一段距离后会折向水带之间的干带，闪络路径整体呈折线型；而当＜0时，电弧直接贯穿水带之间的干带而呈直线型发展。

3）水带张角越小，水带电场强度越小，而水带之间的干带电场强度越大；同时，水带横向间距越小，干带电场强度也越大，因此当＜0时，电场足以直接击穿长度的干带，形成直线型电弧；而当＞0时，电场不足以维持电弧直线发展，导致闪络路径呈折线型。

[1] 梁曦东, 高岩峰, 王家福, 等. 中国硅橡胶复合绝缘子快速发展历程[J]. 高电压技术, 2016, 42(9): 2888-2896.

Liang Xidong, Gao Yanfeng, Wang Jiafu, et al. Rapid development of silicone rubber composite insulator in China[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(9): 2888-2896.

[2] 宿志一, 范建斌. 复合绝缘子用于高压及特高压直流输电线路的可靠性研究[J]. 电网技术, 2006, 30(12): 16-23.

Su Zhiyi, Fan Jianbin. Research on reliability of composite insulators used in EHV and UHV DC transmission lines[J]. Power System Technology, 2006, 30(12): 16-23.

[3] 巢亚锋, 王成, 黄福勇, 等. 中国输电线路复合绝缘子运行状况分析[J]. 高压电器, 2015, 51(8): 119-124.

Chao Yafeng, Wang Cheng, Huang Fuyong, et al. Assessment on operation state of composite insulators used on Chinese transmission lines[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(8): 119-124.

[4] 孙文健, 李亚伟, 刘轩东, 等. 高海拔地区紫外线辐射对复合绝缘子表面憎水性的影响机制[J]. 电网技术, 2018, 42(3): 996-1000.

Sun Wenjian, Li Yawei, Liu Xuandong, et al. Influence mechanism of UV on surface hydrophobicity of composite insulators in high altitude areas[J]. Power System Technology, 2018, 42(3): 996-1000.

[5] 戴罕奇, 孙月, 王黎明. 基于特征参量Kh10的复合绝缘子污闪试验[J]. 电工技术学报, 2020, 35(24): 5207-5217.

Dai Hanqi, Sun Yue, Wang Liming. Pollution flashover for composite insulators based on characteristic parameter Kh10[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(24): 5207-5217.

[6] Rowland S M, Xiong Y, Robertson J, et al. Aging of silicone rubber composite insulators on 400kV transmission lines[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2007, 14(1): 130-136.

[7] 吕玉坤, 宋庆壮, 王召鹏, 等. 低风速环境下XSP-160型瓷三伞绝缘子积污特性数值模拟[J]. 电工技术学报, 2020, 35(10): 2257-2265.

Lü Yukun, Song Qingzhuang, Wang Zhaopeng, et al. Simulation of fouling characteristics of XSP-160 porcelain three umbrella insulators under low wind speed[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2257-2265.

[8] 张崇兴, 任明, 周洁睿, 等. 振荡操作冲击电压下绝缘子气隙缺陷局部放电特性研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(14): 3074-3083.

Zhang Chongxing, Ren Ming, Zhou Jierui, et al. Analysis for partial discharges behavior in SF6gas filled void in gas insulated switchgear under oscillating switching impulses[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 3074-3083.

[9] 韩兴波, 蒋兴良, 黄亚飞, 等. 复合绝缘子直流电场下的水滴运动及覆冰特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(9): 2042-2050.

Han Xingbo, Jiang Xingliang, Huang Yafei, et al. Icing properties of composite insulator and droplet movement under DC electric field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2042-2050.

[10] 李剑, 王湘雯, 黄正勇, 等. 超疏水绝缘涂层制备与防冰、防污研究现状[J]. 电工技术学报, 2017, 32(16): 61-75.

Li Jian, Wang Xiangwen, Huang Zhengyong, et al. Research of preparation, anti-icing and anti-pollution of super hydrophobic insulation coatings[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(16): 61-75.

[11] 吕玉坤, 王佳文, 宋庆壮, 等. 水珠对复合绝缘子表面电场畸变特性的影响[J]. 电网技术, 2021, 45(3): 1201-1207.

Lü Yukun, Wang Jiawen, Song Qingzhuang, et al. Effect of water drop on electric field distortion of composite insulator[J]. Power System Technology, 2021, 45(3): 1201-1207.

[12] 曹保江, 罗蜀彩, 杨坤松, 等. 分离水珠对车顶绝缘子沿面电场影响及相应优化改进措施[J]. 高电压技术, 2015, 41(5): 1651-1658.

Cao Baojiang, Luo Shucai, Yang Kunsong, et al. Influence of separated droplets on roof insulator surface electric field distribution and improving measures[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(5): 1651-1658.

[13] 徐志钮, 律方成, 李和明. 分离水珠对支柱绝缘子电场分布的影响[J]. 高电压技术, 2010, 36(9): 2278-2284.

Xu Zhiniu, Lü Fangcheng, Li Heming. Influence of separated globules on post insulator electric field distribution[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(9): 2278-2284.

[14] 姚刚, 文习山, 蓝磊. 湿润污秽绝缘表面电场及针板电极下的沿面放电[J]. 高电压技术, 2010, 36(6): 1407-1414.

Yao Gang, Wen Xishan, Lan Lei. Electric field of wet contamination on dielectric surface and creeping discharge in needle-board electrodes[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(6): 1407-1414.

[15] 吴广宁, 邵梦春, 彭松, 等. 车顶绝缘子表面水珠及降落水滴电场分布及其对闪络特性的影响[J]. 高电压技术, 2017, 43(2): 557-566.

Wu Guangning, Shao Mengchun, Peng Song, et al. Distribution of surface electric field of water and water droplets landing and its influence on the insulator flashover characteristics[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(2): 557-566.

[16] 曹雯, 栾明杰, 申巍, 等. 交流复合绝缘子表面水珠动态行为及对闪络的影响[J]. 电机与控制学报, 2020, 24(2): 151-158.

Cao Wen, Luan Mingjie, Shen Wei, et al. Dynamic behavior of water droplets on AC composite insulator surface and its influence on flashover[J]. Electric Machines and Control, 2020, 24(2): 151-158.

[17] Li Yufeng, Jin Haiyun, Nie Shichao, et al. Dynamic behavior of water droplets and flashover characteristics on a superhydrophobic silicone rubber surface[J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(20): 201602(1-4).

[18] Nazemi M H, Hinrichsen V. Experimental investigations on water droplet oscillation and partial discharge inception voltage on polymeric insulating surfaces under the influence of AC electric field stress[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(2): 443-453.

[19] 司马文霞, 刘贞瑶, 蒋兴良, 等. 硅橡胶表面分离水珠的局部放电对表面特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(6): 113-118.

Sima Wenxia, Liu Zhenyao, Jiang Xingliang, et al. Effects on surface performance of partial discharges due to discrete water droplets on the silicone rubber[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(6): 113-118.

[20] 赵林杰. 硅橡胶复合绝缘子憎水性与污闪特性研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2008.

[21] 吴浩哲, 高克利, 周军, 等. 复合绝缘子污层弱憎水性条件下的表面水滴形态[J]. 高电压技术, 2019, 45(2): 478-483.

Wu Haozhe, Gao Keli, Zhou Jun, et al. Water droplet shape on surfaces of composite insulators with contamination under unobvious hydrophobic state[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(2): 478-483.

[22] 戴罕奇, 梅红伟, 王黎明, 等. 复合绝缘子弱憎水性状态描述方法Ⅰ: 静态接触角法的适用性[J]. 电工技术学报, 2013, 28(8): 34-47.

Dai Hanqi, Mei Hongwei, Wang Liming, et al. Description method Ⅰfor unobvious hydrophobic state of composite insulators—usability of contact angle method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(8): 34-47.

[23] 戴罕奇, 梅红伟, 王黎明, 等. 复合绝缘子弱憎水性状态描述方法Ⅱ: 喷水分级法的不确定性[J]. 电工技术学报, 2015, 30(3): 240-249.

Dai Hanqi, Mei Hongwei, Wang Liming, et al. Description method Ⅱ for unobvious hydrophobic state of composite insulators—uncertainty of hydrophobic degree by spray grading method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(3): 240-249.

Influence of Water Band on AC Flashover Characteristics and Electric Field Distribution of Hydrophobic Surface

Liu Shili1Li Weidong1Li Zhenxin2Pan Luyao1

（1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China 2. Jilin Power Supply Company State Grid Jilinsheng Electric power Supply Company Jilin 132012 China）

When the hydrophobicity of the composite insulator is weakened, the surface of the composite insulator is easy to gather water droplets to form a water band in the wet environment, which affects the surface electric field distribution and surface flashover characteristics of the insulator. In this paper, a PTFE board is used to simulate the formation environment of the water band, and the influence of the shape of the linear and broken water band on the flashover process of the hydrophobic surface is experimentally studied. Based on the finite element numerical calculation, the electric field distribution of the water band and its surroundings is analyzed, and combined with the test results, the mechanism of influence of the water band on the arc development path is discussed. The results show that the smaller the opening angleof the water band is, the smaller the water band electric field becomes, and the larger the dry band electric field between the water bands will be. At the same time, the smaller the water band spacingis, the larger the dry band electric field will be. When there is a broken-line water band on the water surface, the arc shows three different development paths according to the difference ofand.

Composite insulator, water band, hydrophobic, arc development, electric field

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211181

TM85

2021-08-02

2021-12-24

刘士利 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为高电压与绝缘技术、电磁场分析。E-mail：13844209336@163.com（通信作者）

李卫东 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：lwdzhjq@163.com

（编辑 李冰）