摘要：研究了硅橡胶平板模型在不同憎水性条件下的污闪特性。试品以定量涂刷的方式染污，通过控制迁移时间，使固体污层获取不同程度的憎水性能。以污层表面的液滴面积最大值来代表污层的憎水性强度，分析污层憎水性能对平板模型的污闪电压、污层电导以及电弧发展过程的影响。随着污层憎水性能的改善，试品污闪电压逐步上升。污闪电压与液滴面积最大值存在关联，但两者间的分散性随污层憎水性能的改善而增加。污层表面水珠形态对电弧发展过程有重要影响，当污层表面水珠能形成连续水膜时，电弧通道集中且污闪电压低；当污层表面水珠呈离散分布时，放电区域分散且污闪电压高。根据污闪试验结果以及不同憎水性强度污层表面的液滴形态，将亲水性表面HC7细分为HC7A、HC7B、HC7C和HC7D四种状态。HC7B状态下，污层憎水性能虽然很微弱，但相对污层完全没有憎水性的情形（HC7C和HC7D），试品的污闪电压有明显的上升。因此，依据HC7B状态下的污闪电压设计复合绝缘子结构，可以在保证绝缘子安全裕度的同时，优化绝缘子的结构高度。
关键词：硅橡胶绝缘子 憎水性 污闪 液滴面积 电弧
0 引言
硅橡胶材料复合绝缘子等效直径小、表面憎水性能强，污闪电压下降程度受污秽度、气压和温度的影响较瓷或玻璃绝缘子小[1-3]。此外，硅橡胶复合绝缘子还有质量轻、机械强度高、价格便宜和容易安装维护等优点，因而硅橡胶复合绝缘子得到了大力推广[4,5]。但是，硅橡胶材料作为一种有机材料，长期受大气环境、紫外辐射、温升以及电晕放电等因素的影响，容易发生老化。老化后的硅橡胶绝缘子，表层小分子含量降低、憎水性能变差，污闪性能也会恶化[6-8]。开展复合绝缘子污闪试验研究，对绝缘子选型设计非常重要[9]。合理选择硅橡胶绝缘子的结构高度和伞裙参数，可以保证硅橡胶绝缘子优异的污闪性能[10]，即便发生老化，仍能保证绝缘子有较高的污闪电压。常用的设计方法是将复合绝缘子均匀染污，在污层尚未获取憎水性能时，开展污闪试验研究[11]。受潮期间，由于污层表面形成连续的水膜，因而单位长度绝缘子的污闪电压较低，依此设计的绝缘子尺寸较长，且安全裕度偏大。文献[12]针对老化的硅橡胶绝缘子开展了自然污秽污闪试验和人工污秽污闪试验的对比研究，发现在盐密相同的条件下，自然污秽绝缘子的闪络电压要显著高于人工污秽绝缘子的闪络电压。主要原因是即便已经老化的自然污秽绝缘子，污层仍有一定的憎水性，而人工污秽绝缘子在污闪试验期间则是完全呈亲水性。文献[13]也指出，在亲水性条件下开展硅橡胶绝缘子的污闪特性研究，不能体现出硅橡胶材料的优点。由此说明，传统的选型设计方法过于保守，还需要改进。
硅橡胶复合绝缘子的污闪特性好，很大程度上源于硅橡胶材料特有的憎水迁移特性[14]，而该特性的存在，增加了硅橡胶材料染污放电的研究难度。当污层获取较好的憎水性能后，在绝缘子受潮期间，污层表面会形成离散的水珠，离散水珠畸变电场并导致水珠间放电[15]。受污层表面水珠形态的影响，硅橡胶绝缘子表面的电弧特性与瓷绝缘子表面的电弧特性存在显著的区别。有许多研究将Obenaus模型加以改进，以此来研究憎水性表面的染污放电过程[16,17]。但是，改进模型的有效性还有待进一步验证。硅橡胶绝缘子的污闪电压不仅受污秽度的影响，还受污层憎水性能的影响，从而增加了绝缘子污层状态评估和污闪电压预测难度。当前虽有不少文献提出了各种评估模型来预测硅橡胶绝缘子的污闪电压[18,19]，但这些模型的实用性还有待检验。综上所述，染污硅橡胶绝缘子在不同憎水性条件下的放电特性还有待深入研究，这对于深化染污放电理论、改进硅橡胶绝缘子的选型设计方法和建立有效的绝缘状态在线监测评估体系，均有重要意义。
本文研究了硅橡胶平板模型在不同憎水性条件下的污闪特性，分析了污层憎水性能对平板模型的污闪电压、污层电导以及电弧发展过程的影响。根据污闪试验结果以及不同憎水性强度污层表面的液滴形态，将亲水性表面HC7状态细分，并在HC7B状态下进行复合绝缘子选型设计试验，在保证绝缘子安全裕度的同时，优化了绝缘子的结构高度。
1 试验方法
试验在高温硫化硅橡胶（High Temperature Vulcanized silicone rubber, HTV）平板试品上进行，尺寸为337.5px×312.5px×12.5px，如图1所示。在试品两端安装金属电极后，爬电距离为287.5px。试品以定量涂刷的方式染污，选择高岭土和NaCl的混合物为人工污秽，污层盐密（Salt Deposit Density, SDD）为0.1mg/cm2、灰密（Non-Soluble Deposit Density, NSDD）为1.0mg/cm2。试验涉及的高岭土有三种类型，分别是分析纯高岭土、化学纯高岭土以及工业原料高岭土。三种高岭土与NaCl的混合物，分别记为分析纯污秽、化学纯污秽以及工业原料污秽。三种污秽染污的HTV试品，污层在获取憎水性能方面有很大的差异。分析纯污秽获取憎水性能的速度最快、最终的憎水性能最好，化学纯污秽次之，最差的是工业原料高岭土污秽。
图1 HTV试品尺寸
Fig.1 Size information of HTV sample
染污的HTV试品放在封闭的容器中进行憎水性迁移，容器内部的温度为25℃，湿度为75%。为研究HTV试品污层在不同憎水性状态下的污闪特性，每块试品的迁移时间不等。试品迁移一定时间后，会被移入到雾室中受潮。每块试品在移入雾室之前，记录污层的憎水性状态。当污层憎水性能很差时，污层表面液滴会铺展，液滴的形状不规则，如图2所示，为液滴的接触角测量造成诸多不便。本文采用测量10mL靛蓝溶液液滴面积的方法来描述污层的憎水性能。污层憎水性越好，液滴收缩程度越大，液滴面积则越小。具体测量方法如下：在试品的垂直上方架设一台USB摄像头，通过LabView程序控制摄像头采集液滴形态，采样周期为10s，持续时间为10min。所采集的图像，通过基于LabView的Vision模块开发而成的图像处理软件，提取液滴和参照物的图像信息，计算两者的像素数，如图3所示，液滴面积为
（1）
式中，S为液滴面积（mm2）；N、N0分别为液滴和参照物在图像中的像素数；S0是参照物的面积（mm2）。本文选用的参照物为直径75px的圆片。
图2 污层表面形状不规则液滴
Fig.2 Irregular shape of droplet on the pollution layer surface
完成液滴面积测量后，试品两端装上金属电极，移入小雾室中由清洁雾受潮，如图4所示。小雾室为圆柱状，直径2125px，高3000px，试验电源为100kV·A/50kV的单相变压器。受潮期间，雾流量为1.1kg/h，试品两端承受50V(rms)工频电压，用于测量污层受潮时的泄漏电流，依据泄漏电流求得污层电导率。受潮30min后，升高试品两端电压至闪络，记录闪络电压。闪络期间拍摄污层表面的电弧发展过程，用于分析憎水性能对电弧发展的影响。
（a）原始图片
（b）经处理包含像素数信息的图片
图3 利用图像处理技术提取液滴图像像素数
Fig.3 Getting the number of pixels of droplet image by image processing
图4 染污试品在小雾室中受潮
Fig.4 Polluted samples wetting in the mini fog chamber
2 试验结果
在描述试品污层憎水性能时，若污层憎水性能较差，液滴会发生铺展，液滴面积随着液滴的铺展而增大。图5是对迁移时间不同的试品，污层表面液滴面积的变化过程。
图5 迁移不同时间试品表面的液滴面积变化过程
（分析纯污秽染污）
Fig.5 Area change of droplets on the surface with different transfer time
(polluted by analytical reagent pollution)
图5中各条曲线显示，大部分液滴面积在10min左右趋于稳定，取各条曲线末端的值，记为液滴面积最大值Smax，以此反映污层的憎水性能。三类污秽染污的HTV试片在迁移不同时间后，污层表面液滴Smax变化如图6所示。图5和图6说明，试片憎水性能随迁移时间的增长而趋于良好。图6还说明，当污层憎水性能较好时，液滴在污层表面不再铺展，液滴形态呈半球状甚至椭球状，液滴面积趋于稳定，继续增长迁移时间，液滴面积不再有明显的变化。
图6 污层表面液滴面积最大值
Fig.6 Maximum area of droplet on the pollution layer surface
[19] Zhao S, Jiang X, Zhang Z, et al. Flashover voltage prediction of composite insulators based on the characteristics of leakage current[J]. IEEE Transa- ctions on Power Delivery, 2013, 28(3): 1699-1708.
图7 污闪电压与Smax
Fig.7 Flashover voltage and Smax
图8 污层电导与Smax
Fig.8 Pollution layer resistance and Smax
图7中的试验结果被分为三个区域：区域1所对应的试品污闪电压高，但是污闪电压与Smax的分散性最大；在区域2中，污闪电压随Smax的减小而增大，虽有一定分散性，但分散性较区域1小；区域3所对应的试品污闪电压较低，Smax变化范围较大，但污闪电压变化范围较小，污闪电压与Smax的关联较紧密。以下将结合试品受潮后的污层状态以及升压闪络期间的电弧发展过程，对上述三个区域的试验结果展开讨论。
区域1所对应的试片，污层表面液滴的Smax均小于20mm2，此时的液滴均已收缩呈球状，试品水平放置时，蒸馏水接触角均大于90°，如图9所示。污层受潮30min后，污层表面形成离散的水珠，如图10所示。针对污层表面水珠呈离散分布情形，利用Ansoft软件进行电场仿真，仿真模型及结果如图11所示。其中单个液滴的体积为10mL，接触角为90°，液滴间最小距离为1mm，电极两端所加电压为1kV(rms)。
图9 液滴静态接触角与Smax
Fig.9 Static contact angle of droplet and Smax
（a）整体图像
（b）放大20倍的局部图像
图10 受潮30min后污层表面水珠呈离散分布s
Fig.10 Scattered water drops on the polluted surface after wetting 30 minute
由图11c可知，液滴间的电场强度明显高于水珠表面电场。仿真模型中相邻液滴的间隔为1mm，由图10b所示的情形可知，真实情况下的相邻液滴的最小间隔普遍小于1mm，因此，在实际试品表面，离散分布水珠对电场的畸变作用更显著，局部放电首先应发生在水珠间。观察图7中区域1所对应试品的闪络过程，如图12所示，其典型特征是：污层表面放电分散，放电率先出现在多个水珠间；随着电压的升高，放电区域不断扩大，点状电弧向带状电弧发展，同时存在多个电弧分支；随着电压进一步升高，污层表面出现主电弧，当电弧长度接近临界弧长后突然闪络。
（a）仿真模型
（b）单个水滴附件电场分布云图
（c）沿水珠分布方向污层表面电场分布
图11 沿水珠方向电场仿真
Fig.11 Electric field simulation along water drops
（a）放电初期，点状放电 （b）点状放电区域扩大
（c）点状向带状电弧过渡 （d）带状电弧发展
（e）带状电弧趋近临界弧长 （f）突然闪络
图12 污层表面水珠离散分布时放电发展过程
Fig.12 Electric arc development on the surface with scattered drops
对于图7中区域3所对应的试品，污层表面单个液滴最大面积Smax均大于80mm2，试品受潮30min后，污层表面均形成连续的水膜。升压期间的电弧发展过程，与污层表面水珠呈离散分布时的差异很大，如图13所示。污层表面形成连续水膜时，典型的放电特征是：放电区域集中，电弧分支少，主电弧容易形成并向前发展至闪络。
（a）放电初期，点状放电 （b）点状放电区域扩大
（c）点状向带状电弧过渡 （d）带状电弧发展至闪络
图13 污层表面呈连续水膜时放电发展过程
Fig.13 Electric arc development on the surface with continuous water film
污层表面憎水性能影响污层受潮后的状态，进而影响电弧发展过程和污闪电压。图7中区域1所对应的试品，污闪电压之所以高，是因为多点放电分散了能量，分散的电弧不易连通，抑制了沿爬电距离方向的主电弧形成和发展，因而需要更高的电压才能使电弧向前发展至闪络。图7区域2所对应的试品，受潮后的污层状态介于离散水珠与连续水膜之间，既有局部区域的连续水膜，也有区域性的离散水珠。区域2试品闪络期间，表面带状电弧与点状电弧共存，如图14所示，因此，区域2试品的污闪电压较区域3试品高，较区域1试品低。
图14 带状电弧与点状电弧同时存在
Fig.14 Ribbon-like and dot-like electric arc coexist on the surface
试品污闪电压随污层憎水性能改善而升高的同时，污闪电压与液滴Smax间的分散性也在逐步增加。文中针对此类现象作如下解释。对于图7区域3中的试品，污层受潮后均能形成连续的水膜，液滴面积与污闪电压对应关系良好。亲水性表面放电现象可以用Obenaus放电模型解释。在Obenaus放电模型中，污闪电压与电弧电流的关系描述为[20]
（2）
式中，X为电弧长度；I为电弧电流，也等于流过污层表面的电流；R(X)为剩余污层电阻；A、n为电弧参数；U为维持长度为X的电弧所需的电压。假设污层表面电阻呈均匀分布，则式（2）可以改写为
（3）
式中，G为污层整体电导；L-X为剩余污层长度。
将所有染污试品污层表面液滴的Smax与试品的污闪电压绘制于图7中，建立污层憎水性能与污闪特性的联系。由图7可知，试品的污闪电压随着污层憎水性能的改善而逐步上升；污闪电压与Smax的关联性随着Smax的减小而变差。污闪电压之所以能与Smax建立联系，是因为Smax代表了污层憎水性能强度，进而反映了污层的受潮状态。将受潮30min后的污层电导与污层表面液滴的Smax绘制于图8中，由此可以发现，污层表面电导随着污层憎水性能的改善而下降。虽然每块试品表面的污秽度相同，但是，污层憎水性不同时，可溶性盐对污闪过程的贡献率不一致。
（4）
（5）
（6）
（7）
假设电弧特性参数A、n为常数，而爬电距离L为定值，令
（8）
则
（9）
大量文献指出，绝缘子污闪电压Uf与SDD间存在关系[21-23]
（10）
式中，k为与绝缘子形状系数有关的常数；a为与绝缘子材料及结构有关的常数。式（9）与式（10）有非常类似的结构，在污层表面形成连续水膜时，污层电导与SDD间存在正比例关系[17,24,25]，即
（11）
式（10）是在绝缘子表面呈亲水性时得到的，从式（2）～式（9）的推导过程，强调污层表面的电阻呈均匀分布。可以认为，式（9）与式（10）有着相同的本质。对于图7区域3中的试品，污层表面呈连续水膜，而试品表面污层分布均匀，因此，污层受潮后的状态较好地满足式（9）成立的假设前提。依据图8所示的试验结果可知，污层电导与液滴Smax呈正比，因此，图7区域3中试品的污闪电压Uf与液滴面积存在较好的函数关系，且应满足
（12）
式中，C1、b均为常数。
当污层憎水性能较好时，试品受潮期间，在污层表面形成离散的水珠，导致污层沿面电阻分布不再均匀[26]，放电形式也产生显著的变化，不再满足式（9）成立的假设前提，Smax与Uf也不再满足式（12）所描述的函数关系。可认为式（9）成立的假设条件被满足的程度，决定了Smax与Uf间的关联性。图7中三个区域的试验结果，可作为本结论的佐证，区域1中的试验结果分散性最大，区域2次之，区域3分散性最小。
试品的污闪电压随污层憎水性能的改善而逐步提高，有以下三方面原因：①憎水性表面放电区域分散，多条电弧通道共存分散了能量；②电弧特性参数A、n随污层憎水性能的变化而变化[25]；③由图8所示的试验结果可知，污层整体电导随污层憎水性能的改善而下降。所有试品在染污时的SDD均为0.1mg/cm2，而受憎水性能的影响，可溶性盐对污闪过程的贡献程度却有较大差异。因此，对于复合绝缘子而言，若染污试品的憎水性能不一致，式（10）所描述的函数关系将不再成立。在不同强度的憎水性条件下，哪种参量能够与污闪电压建立良好的联系，还需要进一步研究。
通过对大量染污HTV试品（约500块）进行试验研究发现，随着污层的憎水性能变化，污层表面液滴形态会经历四个阶段。10mL靛蓝溶液液滴在污层表面停留6～10min后，不同阶段所对应的典型形态如图15所示。就10mL靛蓝液滴而言，图15a所示情形，液滴面积约为15mm2，接触角普遍大于 80°，与图7的区域1相对应；图15b所示情形，液滴Smax通常处于15～100mm2间，液滴接触角随着Smax的减小而增大，但通常小于80°，与图7区域2中的试品污层状态对应；图15c和图15d所示的情形，液滴Smax普遍大于80mm2，液滴接触角趋近0°，准确值难以测量，与图7中区域3的试品污层状态相对应。10mL靛蓝液滴的Smax与接触角的对应关系如图16所示。
图15 不同憎水性强度污层表面的液滴形态
Fig.15 Morphology of droplets on the surface with different hydrophobicity state
图16 液滴接触角与Smax的对应关系
Fig.16 Correspondence between contact angle and Smax
若对人工染污的HTV试品进行喷水分级试验，当污层的憎水性与图15b～图15d所示的任何一种情形类似时，在喷水分级后，污层表面均会形成连续的水膜，憎水等级为七级；但是，若污层憎水性与图15a所示的状态类似，喷水分级结果可能是七级，也可能不是。因此，依据图15所示的四种憎水性状态，可以将HC7细分为四个阶段，即HC7A、HC7B、HC7C和HC7D。这样划分的意义在于当前复合绝缘子的选型设计均是在亲水性条件下进行的，HC7B～HC7D所对应的污层状态均满足这种要求。HC7B状态下，污层的憎水性能虽然十分微弱，但是，由图7所示的试验结果可知，HC7B试品的污闪电压明显高于HC7C和HC7D试品。文献[13]研究了染污硅橡胶绝缘子在憎水性部分恢复时的污闪电压，发现较亲水性条件下的污闪电压有明显上升。而本文中的HC7B阶段，对应于污层憎水性能从无到有的过渡阶段，类似于憎水性部分恢复情形。在相同伞形条件下，相比HC7C、HC7D而言，依据HC7B阶段试验结果设计的复合绝缘子，结构高度会有明显优化。这种结构高度的缩短，所带来的经济效益，在低电压等级输电线路中可能不显著，但是，对于特高压输电线路而言，绝缘子结构高度每下降1m，每条线路的工程造价将节约数亿元[27]。因此，在复合绝缘子的污闪特性研究中，有必要对HC7B憎水性状态加以关注，为优化复合绝缘子的选型设计积累相关经验。
3 结论
本文以污层表面的液滴面积描述污层憎水性能，在此基础上，针对不同憎水性强度的染污HTV试品，开展了污闪特性研究，得出如下结论：
1）污层表面的液滴面积和污层受潮期间的整体电导随污层憎水性能的改善而减小，而试品的污闪电压则因此而升高。
2）不同憎水性强度试品，受潮后的污层状态有显著的差异。憎水性好的试品在受潮后液滴呈离散分布，闪络过程中放电分散、电弧分支多，污闪电压高；憎水性差的试品表面水膜连续，放电区域集中、电弧分支少，污闪电压低。
3）污闪电压与液滴面积的关联性，随着污层憎水性能的改善而逐步变差，原因在于污层憎水性能好时，污层沿面电阻分布以及闪络期间的电弧特性均显著区别于亲水性情形，试品在不同憎水性条件下的污闪电压，无法与液滴面积建立统一的联系。
4）在不同憎水性强度污层表面，液滴有四种典型形态，HC7因此被细分为四个阶段，其中HC7B状态值得关注，对于特高压输电线路绝缘子的选型设计具有重要意义。
