室溫硫化硅橡膠表面污穢水珠放電特性

姚 剛，文習山，藍 磊

(武漢大學電氣工程學院，武漢市，430072)

0 引言

室溫硫化硅橡膠（RTV）具有獨特的憎水性和憎水遷移性，現已被用作新型高壓絕緣防污閃材料[1-7]，發生在RTV憎水性表面水珠處的電暈放電通常是引起絕緣老化和憎水性下降的主要原因，本文將從仿真和試驗角度來分析憎水性表面分離水珠的放電特點，同時對親水性表面存在水珠時的污穢放電的典型過程進行了捕捉。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗過程中用高速攝影儀（10 000 fps）來捕捉放電現象。所用變壓器容量為25 kVA，最高輸出電壓為5 kV，試驗中將其串聯使用。調壓器容量為30 kVA，工頻高電壓試驗控制臺保護電流整定為1 A，低壓端測量裝置滿足相關國標對測量精度的要求。采用針–板可調電極模擬極不均勻電場，板電極直徑為400 mm，厚5 mm，針電極直徑為10 mm，長200 mm。將載玻片（50 mm×10 mm）緩慢浸入RTV，待RTV硫化直至性能穩定，RTV涂層厚度為1 mm。

1.2 試驗方法

用微量進樣器控制水珠大小，采用電導率為0.056 μS/cm的去離子水和純NaCl配置的溶液模擬不同的污穢度，采用高速攝影儀對水珠存在時的RTV和玻璃表面放電過程進行捕捉。試樣制備后，在加壓前2 min，沿試樣軸線一字形進行人工布液，液滴間距和大小由人工控制。布液結束后，將試樣固定于棒–板電極之間，并緩慢加壓，其中針電極為高壓端，板電極接地。

2 試驗結果分析

2.1 憎水性表面電場計算

利用有限元法計算沿面電位及電場強度時，水珠的靜態接觸角取90°，水滴呈半球狀均勻分布在RTV表面，針電極加載10 kV電壓，邊界條件為空氣邊界。玻璃、空氣、RTV相對介電常數分別為8、1、3，其電阻率分別取為1 013、1 014、1 018 Ω·cm。RTV表面存在8個水滴情況下，其表面電場強度和電位分布如圖1所示。

圖1 RTV表面干燥和存在8個水珠時的電場、電勢分布特性曲線Fig.1 RTV electric field and potential distribution character curve

由圖1可知，無水珠時，電場強度在針極附近陡增，繼而達到最大值，臨近針極附近電場強度為奇異值，水珠、RTV、空氣3重介質連接點處電場水珠的存在使臨近針極的電場強度畸變效果更顯著；多個分離水珠存在時，電場強度不均勻度增加，每個水珠兩側3重介質連接處電場強度均發生畸變，水珠自身為等勢體，其內部電場最弱，僅為0.1 kV/mm。不同個數的12.5 μL、25 μL水滴對臨近針極附近的3重連接點處電場強度影響如圖2所示。

圖2 水珠個數對電場強度的影響Fig.2 Impact of droplet number on electric field strength

有分離水珠時，水珠兩側3重介質連接點處電場強度均發生畸變。當8個體積為25 μL的水珠存在RTV表面時，靠近針極處水珠附近電場強度畸變為0.295 kV/mm，有水珠時最大電場強度為無水珠時最大電場強度的1.51～2.01倍。

2.2 電場極性對分離水珠放電特性的影響

分離水珠的閃絡電壓受到多種因素的影響，包括電場類型、介質表面性質、水珠體積、水珠數量以及水珠溶液的鹽度。假設氣壓、溫度恒定，分別對RTV表面和玻璃表面的閃絡電壓進行分析。圖3中條件1、2為正極性電場，水滴體積分別為12.5、25 μL；條件3、4為負極性電場，水滴體積分別為12.5、25 μL；條件5、6為交流電場，水滴體積分別為12.5、25 μL。

由圖3可知，隨著水珠數目的增多，閃絡電壓呈下降趨勢，因為在電場力作用下水珠較多時極易連成一片，從而使閃絡電壓大大降低。因此，存在25 μL水珠的介質表面的閃絡電壓比存在12.5 μL水珠介質表面的閃絡電壓下降得快。由于RTV涂料的憎水性使水珠難以形成連續通道，阻礙了電弧的進一步發展，因此，在相同電場、相同水珠體積下RTV表面閃絡電壓要高于玻璃表面閃絡電壓[8-10]。

在正極性電場和交流電場作用下，隨著水珠數量和體積的增加，沿水珠路徑間的相對絕緣干帶會縮短，并且在強電場作用下更易貫穿兩極進行放電，因此，閃絡電壓隨水珠體積和數量的增加而下降，試驗現象與仿真計算結果較為吻合。水珠較少時，電場畸變并不嚴重；隨著水珠數量的增多，電場極性效應基本消失。負極性電場閃絡電壓最高，交流電場閃絡電壓最低。RTV表面存在單個水珠時，負極性、正極性、交流電場對應的平均擊穿電場強度分別為8.2、5.6、4.3 kV/mm。

圖3 不同介質表面的閃絡電壓與水珠個數的關系Fig.3 Relation of flash voltage to droplet number for different medium surface

2.3 RTV表面和玻璃表面典型放電

通過高速攝影儀對RTV憎水性表面和玻璃表面的放電過程進行全程捕捉，典型放電過程如圖4所示。

閃絡前RTV表面、水珠、空氣3者交接處產生局部放電，由于尖極附近電場極不均勻，靠近尖極處水珠最先起暈，尖極附近的電暈也較其他地方更加顯著和明亮。放電初期水珠附近產生星星點點的電暈，電弧從針電極處電弧點向上移動，水珠在電場力的作用下發生變形；電壓達到臨界值時，電弧脫離試樣表面從兩端向中間發展，貫穿兩極完成閃絡。玻璃表面起弧時水珠全部變形并形成一整體通道分布在試樣表面，電弧緊貼試樣表面燃燒直至轉為表面空氣閃絡。

3 結論

閃絡電壓隨水珠數目的增多而下降，RTV的憎水性能阻礙電弧的發展。不同電場作用下，負極性電場閃絡電壓最高，正極性電場次之，交流電場最低，隨著水珠數量的增多，電場畸變更嚴重，極性效應基本消失。

圖4 RTV表面和玻璃表面放電和閃絡典型圖片Fig.4 RTV and glass surface discharge and flashover typical photo

在靠近針電極的RTV表面、水珠和空氣3者交界處局部電暈更明顯，電弧由兩端向中間脫離表面發展，沿水珠頂部完成整個沿面閃絡。親水性表面電弧緊貼試樣表面直接燃燒直至貫通兩極。

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