0 引言
随着社会经济的发展，电网的输配电负荷也逐年增大，电网对输配电设备外绝缘的要求也不断提高。硅橡胶材料，因其优异的憎水性、憎水迁移性、耐污闪性和耐候性等特点，在电力绝缘子防污闪中得到广泛的应用[1-2]。硅橡胶材料的应用很大程度上降低了发生污闪事故的概率，但是随着环境污染不断加剧，雾霾和低温冻雨等恶劣气候出现的频率不断加大，导致硅橡胶材料表面容易粘附污秽，并且随着户外服役时间的增长，表面污秽量就越多，成分就越复杂。当表面积污严重时在环境湿度较大或者雾、霾、露、雨等特殊天气状态下就极易导致沿面放电，甚至发生污闪事故[3-4]。所以，减少输电外绝缘硅橡胶材料表面积污就显得很重要。然而，要想降低积污程度首先应了解实际带电工况下材料表面积污的过程和规律，才能从中找到解决积污的办法。实际有些输电绝缘子是在一定交直流高压电场作用下运行工作的，所以研究中要考虑高压电场的影响因素[5-7]。如果要研究带电工况下的复合绝缘子或 RTV涂层的积污规律，就必须考虑电场和污秽同时作用的情况[8-12]。
本文在搭建的一种小型雾霾模拟箱中，设置了交流、直流和空载 3种工况条件，可同时实现粉尘、空气湿度和高压电场等多个因素协同作用，结合一定的湿度和粉尘，考察了电场类型、电压等级和空气湿度等多因素对硅橡胶材料积污的影响过程。
1 试验方法和装置
实验装置主要分为4个部分：交直流高压发生装置、实验电极系统、粉尘发生装置、控制系统。另外，为了满足不同湿度条件下的积污性实验，通过一台超声波加湿器为实验环境提供湿度调节。实验平台结构框图如图1所示。
图1 整体实验工作示意图
Fig. 1 Overall schematic diagram of experimental work
实验过程如下：在模拟粉尘气溶胶实验箱内，控制一定湿度，将平整的3 mm厚的硅橡胶样片放置在施加高电压的平板电极上，3个电极分别施加交流、空载和直流静电场，一段时间后，称量积污前后样片增重，来考察电场对积污的影响。
表 1所示数据为验证性实验结果，电极间距58.6 mm，环境中粉尘平均含量0.142 mg/min。3组电极均不施加电压，主要观察3组电极在相同实验环境中存在的差异性，其中最大误差0.006 mg。实验结果显示，在相同实验环境中，分别放置在3组电极上的试品，其积污性存在的差异很小，而它们之间所出现的微小差异，多是实验过程(如称量等)所带来的误差。
表1 3组电极均不施加电压情况下试品积污性实验结果
Tab. 1 Contamination test results of three sets of electrodes in the case of no voltage being applied
2 实验结果与讨论
2.1 10 kV和20 kV下的积污实验及讨论
实验电极加压方式见图 2，即上电极接地，下电极分别施加交直流电压，电极间距为28 mm。试品积污性影响实验结果如表2所示，实验过程中环境湿度保持在70%。
图2 电压加载方式
Fig. 2 Voltage loading method
表2和图3分别是施加工频电压10 kV、20 kV电压条件下的实验数据。结果显示，交、直流电压对试品积污性的影响规律不同，从10 kV到20 kV，直流电场下的样品均比交流电场积污量多，并且增加电场强度后，直流样片的积污量增加，而交流样片的积污量下降。
表2 工频10 kV和20 kV电压下试品积污实验结果(湿度70%)
Tab. 2 Amount of accumulated contamination of samples at 10 kV and 20 kV respectively (70% RH)
图3 不同电压形式下的积污量
Fig. 3 Amount of accumulated contamination under different voltage forms
粉尘颗粒在实验环境中除了受重力作用产生沉降外，还将受到电场力的作用[12]，如图4所示。在交流电场作用下，极化随交流电场变化而变化，并且粉尘颗粒受到的电场力同样随交流电场的变化而发生改变，不能形成一个定向的作用力。而在直流电场作用下，粉尘颗粒的极化以及极化后受到定向的电场力，产生定向的运动。因此，在实验中可以看到，直流电场对试品积污性的影响明显高于交流电场。
图4 粉尘微粒在电场中的受力分析
Fig. 4 Force analysis of dust particles in the electric feild
2.2 高压电场对积污层吸湿影响实验
从图3中还发现，在10 kV时空载样片低于1，3号积污量，在试验电压升高到20 kV，其积污量明显增加，明显高于 1，3号试品，该结果可能与不同条件下样品对水分子的吸附能力有关。在较大环境湿度下，表面积污的粉尘比较容易吸附环境中的水分，粉尘吸附水分受潮而使自身重量增加。当工频交直流电压较高时，试品可能会产生介电加热，从而使施加交流电压的试品(即 1号试品)不宜吸附水分子。图5为表2中20 kV第3组实验过程中试品及粉尘受潮时的情况，从图中可以明显看出，2号试品吸附水份最为严重。
图5 试品吸湿受潮
Fig. 5 Moisture absorption test of samples
为了考察环境湿度对积污的影响，设定电压施加方式同图2，1、2、3号试品上预先放置2 g粉尘，在70%相对湿度下观察交流电场对试品吸水性的影响。实验结果如表 3所示，在交流电场作用下试品及粉尘的吸水性最小，无电场作用吸水性最大。
表3 不同电压及电场形式下试品吸湿量(湿度70%)
Tab. 3 Amount of moisture absorption in different voltages and voltage forms (70% RH)
3 结论
在实验中搭建了一种可以同时模拟带电状态和环境粉尘状态的试验箱，并利用试验箱进行模拟高压电场、粉尘和环境湿度等协同作用下的硅橡胶绝缘材料的积污实验，实验初步得到了以下结论。
1）相对比交流高压电场，直流高压电场下的硅橡胶材料表面更容易累积污秽。因为电场下的粉尘颗粒可以电极化，并在直流电场中可以受到定向作用力，而使得粉尘颗粒更容易加速累积。
2）高压电场产生的电加热效果可以减少污秽层吸收水分，所以在环境湿度较大时，没有高压交直流电场影响的硅橡胶材质的绝缘子表面会更容易吸附水分，加速积污。
