孟曉波 梅紅偉 陳昌龍 陳 燦 王黎明 關志成 周 軍

（1.清華大學深圳研究生院 深圳 518055 2.中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

RTV 涂層具有很好的憎水性，在污穢狀態(tài)下也能有很好的絕緣特性，因此，近年來RTV 涂料廣泛應用于輸電線路絕緣子上提高污穢狀態(tài)下絕緣子的外絕緣特性。在長期的運行中，RTV 涂層表面的局部放電會使其逐步喪失憎水性，污閃電壓也隨之下降[1]。所以有必要研究RTV 涂層表面局部放電特性，尋找抑制涂層表面局部放電的方法。

RTV 涂料的廣泛應用，關于RTV 涂料的研究也非常之多，為RTV 涂料的工程應用提供了很多理論依據[2-9]?？墒顷P于RTV 涂層表面局部放電特性的研究卻不多見。介質表面局部放電的過程包含電暈放電、流注放電和電弧放電。流注放電是局部放電中物理過程最為復雜的，流注放電在場強足夠高的情況下將發(fā)展為先導放電和沿面閃絡[10-16]。因此，局部電弧放電是由涂層表面電暈、流注放電造成的，研究RTV 涂層表面的流注發(fā)展過程有利于深入理解涂層局部放電的機理。同時，如果能將局部電弧放電抑制在流注發(fā)展階段，由于局部放電造成的涂層性能降低將得到改善，將大大提高RTV 涂層的外絕緣特性。

在“三電極”結構中，利用光電倍增管測量潔凈和涂抹RTV 涂料的絕緣介質流注傳播特性。著重研究了潔凈和涂抹RTV 涂料的絕緣介質流注傳播過程的差異，分析了RTV 涂層對表面流注傳播過程的影響。此外，對比了兩個廠家RTV 涂層表面流注發(fā)展特性，為評估RTV 涂料的絕緣性能提供了一種可行的方法。

2 試驗模型及測量系統(tǒng)

圖1是試驗模型和測量系統(tǒng)的示意圖。兩個平板電極和一個針電極組成三電極結構。平行極板的直徑250mm，上下極之間的距離為100mm。針電極位于下極板中心的圓孔（直徑10mm）處，針尖略高于下極板平面，并與下極板絕緣。絕緣片試品（長度100mm，寬度100mm，厚度5mm）垂直放置于兩平行極板之間。上極板施加負極性直流電壓，通過電阻分壓器分壓后經由同軸電纜接入電壓測量儀表，下極板接地。針電極處施加一個幅值脈寬可調（1～6kV，100～250ns）的方波脈沖電壓，觸發(fā)放電產生正極性流注。方波脈沖經由泰克的高壓探頭分壓后接入4 通道2GHz 的安捷倫示波器，并作為示波器的觸發(fā)信號。

圖1 試驗模型和測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of test model and measurement equipment

三個前面帶有寬度1mm 窄縫的光電倍增管分別對準針尖、平行板電極中間位置、上極板的表面。由于流注發(fā)展過程中頭部會向空間輻射光子，因此，光電倍增管可以監(jiān)測流注的發(fā)展過程。通過觀察3個光電倍增管的輸出信號，就可以判斷流注發(fā)展的長度，確定流注是否能發(fā)展到達上極板。

試驗時，室內溫度穩(wěn)定在25℃左右，相對濕度保持在65%左右，氣壓為標準大氣。試驗中用到了三種試品，分別是尼龍片、涂抹RTV-1 的尼龍片、涂抹RTV-2 的尼龍片。同時，空氣中的流注發(fā)展特性也進行了測量，用做絕緣介質表面流注發(fā)展特性的參照。

3 涂抹RTV 的絕緣介質表面流注發(fā)展特性試驗結果

3.1 光電倍增管測量系統(tǒng)典型波形圖

圖2 絕緣介質表面流注發(fā)展的典型波形圖(E=528kV/m)Fig.2 Typical photomultiplier signals of streamer propagation along insulation surface(E=528kV/m)

光電倍增管檢測尼龍片表面流注發(fā)展過程的典型輸出波形如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，絕緣介質表面流注發(fā)展到達間隙中部、陰極板時有兩個分量，如圖2 所示2 號、3 號光電倍增管捕捉到了兩個光脈沖信號，而空氣中流注發(fā)展過程中光電倍增管至始至終都只捕獲到一個光脈沖信號[16]。Allen 最先發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，并將絕緣介質表面流注的兩個分量中發(fā)展速度快定義為“沿面”分量，發(fā)展速度較慢的定義為“空氣”分量[12]。

3.2 流注傳播電場強度

Allen 定義了流注傳播到陰極板的概率為97.5%的外加電場為流注“穩(wěn)定”傳播電場Est[12]，本文采用此定義。簡要敘述流注穩(wěn)定傳播電場的測量方法：保持針電極上脈沖電壓幅值為Upulse，逐漸升高平板間所施加的直流電壓Uapp。在每個電壓值下，施加20次脈沖，每次脈沖間隔為20s，以保證前一次的流注放電殘留的離子充分擴散假設對準負極板的3 號光電倍增管接收到n次脈沖信號，則該電壓值所對應的流注在平行極板間傳播到負極板的概率為n/20。隨著兩平行板間電壓逐漸升高，流注的傳播概率從0%逐漸增大到100%。流注傳播概率和外加電場強度（Uapp/L）滿足高斯分布函數，因此，可以利用高斯函數進行曲線擬合，繼而就可以求出流注穩(wěn)定傳播電場，具體內容可參見文獻[16]。

三種試片表面流注傳播概率隨外加均勻電場的變化曲線如圖3 所示。利用高斯分布公式1 進行擬合得到流注傳播概率隨電場強度變化的統(tǒng)計分布曲線。

式中，Ec是電場強度的平均值；w是方差。

圖3 三種絕緣介質表面流注傳播概率隨電場強度的變化Fig.3 Probability of streamer propagation as a function of guiding field along three different insulation surfaces

利用已知參數的高斯分布式（1）計算流注的穩(wěn)定傳播場強，結果如圖4 所示?？梢钥闯?，尼龍片和涂抹RTV 的尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播電場都和脈沖幅值成線性關系，隨著脈沖幅值的增大，流注穩(wěn)定傳播電場減小。原因如下：外加脈沖電源幅值越大，流注初始獲得的能量越大，后續(xù)的流注傳播更容易，因此，流注傳播所需的穩(wěn)定傳播場強小。此外，也可以看出涂抹RTV 涂料的尼龍片表面流注的穩(wěn)定傳播場強大于潔凈尼龍片的流注穩(wěn)定傳播場強，而且不同的RTV 涂層表面流注的穩(wěn)定傳播場強存在較大差異。

圖4 三種絕緣介質表面流注穩(wěn)定傳播電場隨脈沖幅值的變化Fig.4 Stability fields for streamer propagation as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

在圖4 中給出了擬合曲線和公式，所用的擬合公式為

式中，Est為流注穩(wěn)定傳播電場；E0為脈沖幅值為0時流注的穩(wěn)定傳播電場；u為脈沖幅值。

3.3 流注傳播速度

流注穩(wěn)定電場強度下，流注傳播速度定義為流注穩(wěn)定傳播速度vst[12]。圖5 給出尼龍片和涂抹RTV的尼龍片表面流注在穩(wěn)定傳播速度隨外加脈沖電源幅值的影響。流注的傳播速度是利用三個光電倍增管之間的垂直距離和其產生的脈沖信號的上升沿起始點的時間差ΔT 的比值得到。可以發(fā)現(xiàn)，尼龍片和涂抹RTV 的尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播速度都和脈沖幅值成線性關系，隨著脈沖幅值的增大，流注穩(wěn)定傳播速度增大。因為脈沖幅值為流注的產生和傳播提供能量，脈沖幅值越大，流注初始時從脈沖電源獲得的能量越大，因此流注初始速度會越大。

在圖5 中給出了擬合曲線和公式，所用的擬合公式為

式中，vst為流注穩(wěn)定傳播電場Est下的傳播速度；v0為脈沖幅值為0 時流注的穩(wěn)定傳播速度；u為脈沖幅值。

圖5 三種絕緣介質表面流注穩(wěn)定傳播速度隨脈沖幅值的變化Fig.5 Streamer stability propagation velocity as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

圖6 和圖7 分別給出了尼龍片和涂抹RTV 的尼龍片表面流注“沿面”分量和“空氣”分量速度隨外加電場強度變化的曲線?？梢钥闯鼋^緣介質表面流注“沿面”分量的速度大于空氣中流注傳播速度，而“空氣”分量的速度小于空氣中流注傳播速度。同時，“沿面”分量和“空氣”分量的速度隨著外加電場的變化不同，“沿面”分量速度受電場影響很大，隨著電場增大，“沿面”分量速度顯著增大；而“空氣”分量受電場很小，隨著電場增大，“空氣”分量速度增長緩慢。此外，可以看出，尼龍表面涂抹RTV涂料之后表面流注的“沿面”傳播速度減慢了，而且不同RTV 涂層的流注“沿面”傳播速度也存在差別。三種絕緣介質表面流注的“空氣”傳播速度差異較小，大小基本相同。

圖6 三種絕緣介質表面流注“沿面”分量傳播速度隨外加電場的變化Fig.6 Streamer propagation velocity(‘surface’ component)as a function of the electric field along three different insulation surface

圖7 三種絕緣介質表面流注“空氣”分量傳播速度隨外加電場的變化Fig.7 Streamer propagation velocity(‘air’ component)as a function of the electric field along three different insulation surfaces

圖6 和圖7 中的流注的速度曲線通過式4 進行擬合的。

式中，vs為電場強度E 下流注傳播速度；n為級數，各個系數的取值如表1 所示。

表1 流注穩(wěn)定傳播電場、速度以及公式4 中的相關系數Tab.1 Streamer stability propagation field and associated velocities,together with coefficients for Equation 4

3.4 流注發(fā)光強度

流注的產生和發(fā)展過程中光電離起著至關重要的作用。流注頭部的光電離產生的二次電子崩為流注補充正、負電荷，流注通道才得以向前發(fā)展。流注放電過程中產生的光子，一部分在放電區(qū)域內形成新的電子崩，一部分則散逸到放電區(qū)域以外。在一定的電場強度和空氣密度條件下，散逸到放電區(qū)域以外的光子數量能在一定程度上反映總的光子數量，兩者存在一定的比例關系。在本試驗中，光電倍增管接收的光子就是散逸到放電區(qū)域外的那部分光子。同時，根據光電倍增管的工作原理其輸出光脈沖的幅值和接收到的光子數目成正比例關系。因此，可以認為光電倍增管輸出光脈沖的幅值反映了流注頭部輻射光子的數目，從而可以反映流注放電過程中產生光子的量和后續(xù)的空間光電離的強弱。

圖8 給出了在流注穩(wěn)定傳播電場作用下3 號光電倍增管（上極板處）輸出光脈沖幅值隨脈沖幅值的變化?？梢钥闯觯猃埰屯磕≧TV 的尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播中發(fā)光強度都與脈沖幅值成線性關系，有些成正比例關系，而有些成反比例關系。當所加脈沖幅值較大時，流注穩(wěn)定傳播場強較小，即外加場強較小。因脈沖幅值的增加而多注入的能量，不能彌補由于外加電場減小而造成的流注能量損失時，就造成了某些介質表面流注傳播過程中發(fā)光強度隨著脈沖幅值的增加而減小。

圖8 三種絕緣介質表面流注穩(wěn)定傳播過程中發(fā)光強度隨脈沖幅值的變化Fig.8 Light intensity of streamer stability propagation as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

圖9 三種絕緣介質表面流注穩(wěn)定傳播過程中“沿面”分量發(fā)光強度隨外加電場的變化Fig.9 Light intensity of streamer stability propagation(‘surface’ component)as a function of the electric field along three different insulation surface

圖10 三種絕緣介質表面流注穩(wěn)定傳播過程中“空氣”分量發(fā)光強度隨外加電場的變化Fig.10 Light intensity of streamer stability propagation(‘air’ component)as a function of the electric field along three different insulation surfaces

圖9 和圖10 分別給出了絕緣介質表面流注“沿面”分量和“空氣”分量發(fā)光強度隨外加電場變化的規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)“沿面”分量發(fā)光強度受電場強度影響很大；而“空氣”分量受電場強度影響很小。三種試片“沿面”分量發(fā)光強度存在很大差別，而“空氣”分量發(fā)光強度卻差別較小。此外，可以看出，尼龍表面涂抹RTV 涂料之后表面流注的“沿面”發(fā)光強度減弱了，而且不同RTV 涂層的流注“沿面”發(fā)光強度也存在差別。對比圖6 可以看出絕緣介質表面流注發(fā)光強度強的，其流注傳播速度也大。因為流注發(fā)光強度與后續(xù)光電離有著密切的關系，流注發(fā)光強度越強，后續(xù)光電離就會越劇烈，促進了后續(xù)流注的發(fā)展，傳播速度也會越大。

圖9 和圖10 中的光強度曲線可以通過式（5）進行擬合

式中，Ls為電場強度E 下流注傳播過程中的發(fā)光強度；Lst為流注穩(wěn)定傳播電場強度Est下的發(fā)光強度；n為級數，各個系數的取值見表2。

表2 流注穩(wěn)定傳播電場、發(fā)光強度以及式（5）中相關系數Tab.2 Streamer stability propagation field and associated light intensity,together with coefficients for Equation 5

4 討論

試驗結果顯示：尼龍片表面涂抹RTV 涂料之后表面流注穩(wěn)定傳播電場大于潔凈尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播電場，流注傳播速度規(guī)律相反。此外，不同RTV 涂層表面流注穩(wěn)定傳播電場和傳播速度也存在差異。下面將具體分析原因：

影響沿面流注傳播特性的影響因素主要是介電常數和表面狀況（電荷積累和附著、光致電子發(fā)射的能力）[12-15]。首先分析尼龍片涂抹RTV 后，介電常數變化帶來的影響。尼龍片的介電常數是 5，RTV-1 的是3.6，RTV-2 的是3.8。圖11是尼龍片和涂抹RTV 的尼龍片表面針電極前方1mm 以內電場變化情況，RTV 涂層考慮為0.5mm。可以發(fā)現(xiàn)涂抹RTV 的尼龍片針電極處電場被略微加強，大概到針電極前方1cm 處時，電場基本相同，由于針板間電勢差相同，此時，涂抹RTV 的尼龍片處的電場反而會小一些，流注的發(fā)展肯定受到減弱的電場的作用而發(fā)展減緩?？墒墙殡姵祹淼碾妶鲎兓呛芪⑷醯模猃埰屯磕≧TV 后的尼龍片表面流注特性應該不會有第二節(jié)試驗結果那么大的差異，那么肯定是表面狀況帶來的變化產生的影響。

圖11 針電極前方距離1mm 以內的軸向電場變化Fig.11 Electric field variation at axial distances up to 1 mm from the tip of the needle electrode

當尼龍片表面涂抹RTV 后，表面狀況將發(fā)生很大的變化。如圖12是三種材料表面在400 倍顯微鏡下的照片?？梢园l(fā)現(xiàn)RTV-2 涂層表面的粗糙度最大，RTV-1 涂層次之，尼龍片的最小。介質表面粗糙度越大，表面電荷積累越嚴重[17]。因此，從粗糙度角度來說的話，RTV-2 涂層表面最容易積累電荷，RTV-1次之，尼龍片最不容易積累電荷。

圖12 三種絕緣介質表面狀況顯微圖（400 倍）Fig.12 Micrograph of insulation surface(400 times)

介電常數（容性）對介質表面的電荷積累也有一定的影響，介電常數（容性）大的絕緣介質表面積累電荷越多[18,19]。RTV 涂層介電常數比尼龍介質小，但是尼龍片涂抹RTV 后體積變大了，整體的容性增加，表面電荷積累也會增多。因此，從介電常數角度來說，RTV-2 涂層表面最容易積累電荷，RTV-1次之，尼龍片最不容易積累電荷。

絕緣介質表面不可避免的要存在“缺陷”，即陷阱。絕緣介質表面陷阱能捕獲電荷，陷阱越多，捕獲的電荷越多，絕緣介質表面也越容易積累電荷[20]。根據硅橡膠和尼龍的TSC 試驗結果（見表1），尼龍表面的陷阱數量大于硅橡膠的陷阱數量。因此，從表面的陷阱角度來看，尼龍介質表面的電荷積累比RTV 涂層要多。

表3 三種絕緣介質的TSC 特性Tab.3 TSC parameters of three kinds of insulation

綜合考慮粗造度、介電常數（容性）、陷阱的影響，不好確定各種介質表面積累電荷的大小。根據文獻[20]的試驗結果，陷阱對表面積累電荷的影響程度不是太大，陷阱數量差距很大時，表面積累的電荷差距較小，因此，不考慮陷阱對絕緣介質表面電荷積累的影響。單從粗造度、介電常數（容性）角度考慮的話，RTV-2 涂層表面最容易積累電荷，RTV-1次之，尼龍片最不容易積累電荷。圖13所示為絕緣介質表面存在負電荷時表面切向電場變化，三種絕緣介質表面電荷密度為按照大小規(guī)律假設值。

圖13 絕緣介質表面存在負電荷時表面切向電場變化Fig.13 Variation of tangential electric field along insulation surfaces with negative charge

從圖13 可以發(fā)現(xiàn)，由于負電荷的影響，涂抹RTV 的尼龍片針電極處電場增大很多，甚至，經過幾厘米后，負電荷對電場的增強作用還很明顯。與此同時，負電荷對絕緣材料后半段電場的影響也是很大的，絕緣介質后半段（靠近上級板）電場急劇減少，甚至出現(xiàn)負值。因此，電荷積累嚴重的絕緣介質表面的流注發(fā)展到后半段時由于表面電荷造成的電場削弱更嚴重，發(fā)展受到抑制，需要更大的外加均勻電場使流注能順利發(fā)展到陰極板，而流注發(fā)展速度和頭部發(fā)光強度也會減緩。此外，在流注沿介質表面發(fā)展時，表面容易積累電荷的絕緣介質，也更容易造成流注頭部電荷的附著，造成流注頭部電荷減少，不利于流注頭部的電離作用，因此，流注的傳播速度和頭部發(fā)光強度會較小，同時流注的發(fā)展也需要更大的電場強度。因此，利用表面電荷造成的電場畸變和流注頭部電荷附著效應對沿面流注傳播的影響，可以很好的解釋第二節(jié)中的試驗結果：RTV-2 涂層表面的流注穩(wěn)定傳播電場最大，而傳播速度和發(fā)光強度最小；RTV-1 涂層次之；尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播電場最小，而傳播速度和頭部發(fā)光強度最大。

此外，絕緣介質表面光致電子發(fā)射也會影響流注的傳播過程，表面光致電子發(fā)射越強，越有利流注的傳播。根據TSC 試驗結果（見表1），尼龍介質表面陷阱雖然很多，不過大都是淺陷阱，很容易在高場強作用下或光子、高能電子碰撞下釋放電子，參與碰撞電離形成二次電子崩，促進流注的發(fā)展，而RTV 涂層表面陷阱很少，而且深度很深，需要更高的電場或更高能量的光子、電子撞擊才會釋放二次電子。在相同的條件下，RTV 涂層表面光致電子發(fā)射效應遠小于尼龍介質。因此，從絕緣介質表面光致電子發(fā)射角度看的話，也可以很好的解釋為什么RTV 涂層比尼龍不利于沿面流注的傳播。

尼龍片涂抹RTV 涂料后，流注穩(wěn)定傳播電場增加，傳播速度及頭部發(fā)光強度減小，說明RTV 涂層不利于流注的發(fā)展。因此，RTV 涂層可以有效的改善介質表面的絕緣性能，避免沿面放電的出現(xiàn)。與此同時，不同廠家的RTV 涂料在流注傳播特性上存在差異，特別是流注穩(wěn)定傳播電場存在不小的差距，這可能將造成在實際應用中RTV 涂層表面發(fā)生局部放電的情況存在不同。下一步進行深入研究和調研各種RTV 涂層現(xiàn)場局部放電的情況，結合流注試驗數據，找出流注傳播特性和現(xiàn)場局部放電嚴重程度的關系，應該可以提出一種基于沿面流注放電特性試驗檢驗和評估RTV 涂料絕緣性能的試驗方案。

5 結論

（1）尼龍片表面涂抹RTV 涂料之后表面流注穩(wěn)定傳播電場大于潔凈尼龍片表面流注穩(wěn)定傳播電場，流注傳播速度和頭部發(fā)光強度的規(guī)律相反。

（2）不同RTV 涂層表面流注穩(wěn)定傳播電場、傳播速度和頭部發(fā)光強度存在差異，主要是不同廠家的RTV 涂料在性能上存在差異造成的。

（3）表面陷阱多、粗造度大、介電常數（容性）大的絕緣介質，其沿面流注穩(wěn)定傳播電場越大，相同的電場強度下的流注傳播速度和頭部發(fā)光強度越小。

（4）可以利用RTV 涂層表面流注傳播特性試驗檢驗和評估RTV 涂層絕緣性能。

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