劉士利 李衛(wèi)東 李振新 潘璐瑤

水帶對憎水性表面交流閃絡(luò)特性與電場分布的影響

劉士利1李衛(wèi)東1李振新2潘璐瑤1

（1. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)） 吉林 132012 2. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司 吉林 132012）

復(fù)合絕緣子憎水性減弱時(shí)，在潮濕環(huán)境中其表面容易匯聚水珠形成水帶，從而影響絕緣子表面電場分布和沿面閃絡(luò)特性。該文采用聚四氟乙烯板模擬水帶生成環(huán)境，試驗(yàn)研究了直線型和折線型水帶形態(tài)對憎水性表面閃絡(luò)過程的影響；基于有限元數(shù)值計(jì)算，分析了水帶及周圍電場分布，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探討了水帶影響電弧發(fā)展路徑的機(jī)理。研究結(jié)果表明，水帶張角越小，水帶電場越小，而水帶之間的干帶電場強(qiáng)度越大；同時(shí)，水帶橫向間距越小，干帶電場強(qiáng)度也越大。因此，當(dāng)憎水性表面存在折線型水帶時(shí)，電弧依和的不同而呈現(xiàn)三種不同的發(fā)展路徑。

復(fù)合絕緣子 水帶 憎水性 電弧發(fā)展 電場

0 引言

復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性，較傳統(tǒng)的玻璃和瓷絕緣子在耐污性能上表現(xiàn)更加突出，因此復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。由于常年運(yùn)行于復(fù)雜的外界環(huán)境中，受氣候、污穢、放電等因素影響，復(fù)合絕緣子的憎水性或憎水遷移性會減弱甚至喪失，這將會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的抗污閃性能大大下降，影響其絕緣能力[4-6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者深入研究了絕緣子表面積污、覆冰及表面缺陷等工況對絕緣子沿面放電特性的影響[7-10]，對絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)做出了重要貢獻(xiàn)。

對于憎水性表面的閃絡(luò)特性，部分學(xué)者進(jìn)行了仿真研究，主要分析了水珠介電常數(shù)、半徑、形狀、數(shù)量及靜態(tài)接觸角等參數(shù)對憎水性表面電場分布的影響[11-14]，并研究了水膜及降落水滴對憎水性表面電場的畸變程度[15]。還有學(xué)者對憎水性表面的閃絡(luò)特性開展了試驗(yàn)研究，曹雯等研究了交流電場下憎水性表面水珠的動態(tài)分布規(guī)律和閃絡(luò)過程，并分析了水珠分布對電場畸變和閃絡(luò)電壓的影響[16]；文獻(xiàn)[17]討論了直流電場下硅橡膠表面的水珠動態(tài)行為及水珠閃絡(luò)特性；文獻(xiàn)[18]提出了交流電場下水滴的四種主要振蕩模式；文獻(xiàn)[19]研究了硅橡膠表面分離水珠的局部放電對表面結(jié)構(gòu)的影響；華北電力大學(xué)趙林杰的試驗(yàn)結(jié)果表明，憎水性材料表面水帶、水珠結(jié)構(gòu)與分布將可能對憎水性材料的耐污閃能力產(chǎn)生影響[20]。有研究表明即使在極其惡劣的運(yùn)行環(huán)境下，復(fù)合絕緣子表面仍保留不同程度的憎水性，基本不會出現(xiàn)完全親水的情況，此時(shí)若以親水性表面設(shè)計(jì)絕緣，則存在絕緣裕度大、建設(shè)成本高的缺點(diǎn)[21-23]。

考慮到絕緣子表面憎水性減弱卻很難達(dá)到完全親水性的實(shí)際情況，弱憎水性表面在受潮后會更容易形成水珠，水珠在電場力的作用下則更容易形成形態(tài)不同的水帶，此時(shí)憎水性表面的閃絡(luò)機(jī)理將不同于完全親水性表面。本文通過試驗(yàn)研究了水帶長度及水帶液面高度對憎水性材料試片閃絡(luò)電壓的影響，研究了水帶張角和水帶橫向間距對憎水性表面電弧發(fā)展路徑的影響，并結(jié)合憎水性表面水帶及周圍的電場分布，探討了水帶形狀導(dǎo)致不同電弧發(fā)展路徑的原因。

1 憎水性表面水帶試驗(yàn)裝置及試品布置

為研究含水帶的憎水性表面閃絡(luò)特性，本文首先通過試驗(yàn)探究不同水帶形態(tài)下憎水性表面的電弧發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)采用YDTW—200kV/200kV·A型設(shè)備作為交流電源，利用數(shù)字化控制測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量、采集與記錄。試驗(yàn)系統(tǒng)的接線原理圖如圖1所示。

憎水性材料試片多次閃絡(luò)可能導(dǎo)致其理化結(jié)構(gòu)的損壞，從而影響其憎水性。為盡可能消除此種影響因素，本文基于耐電性能好的聚四氟乙烯板模擬水帶生成環(huán)境，為精確控制水帶形狀，試驗(yàn)通過在聚四氟乙烯板上挖槽來實(shí)現(xiàn)不同水帶的設(shè)置，水帶試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。水槽寬度為10mm，水槽長度隨試驗(yàn)要求變化，試驗(yàn)中將導(dǎo)電溶液注入水槽中以模擬污穢水帶；導(dǎo)電溶液由去離子水與純氯化鈉配制而成，其電導(dǎo)率為200μS/cm。另外，在高壓電極與接地電極之間尚需設(shè)置干帶區(qū)域，以等效模擬復(fù)合絕緣子表面電弧的發(fā)展路徑。

試驗(yàn)設(shè)置了角度為、長度為的各形態(tài)水帶試驗(yàn)?zāi)Ｐ停唧w布置方式如圖3所示。其中對于折線型水帶，為水帶橫向間距，為水帶縱向間距，為水帶張角，水帶形態(tài)可以通過調(diào)整和來進(jìn)行控制。

圖3 不同形態(tài)的水帶試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 憎水性表面水帶閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 直線型水帶閃絡(luò)試驗(yàn)

針對直線型水帶，本節(jié)研究水帶長度及高度對憎水性表面閃絡(luò)特性的影響。試驗(yàn)過程中干帶長度設(shè)定為10mm，水帶長度分別取5cm、10cm，水帶液面高度分別取1mm、1.5mm、2mm。不同水帶長度與高度共組合成6種情況，每種情況下做10次放電試驗(yàn)。其中，當(dāng)水帶長度=5cm、高度=1mm時(shí)，電弧發(fā)展過程如圖4所示，此時(shí)閃絡(luò)電壓為12.4kV（10次試驗(yàn)電壓有效值的均值）；不同水帶長度及液面高度下閃絡(luò)電壓如圖5所示。

圖4 L=5cm、N=1mm時(shí)電弧發(fā)展過程

圖5 不同水帶形態(tài)下的閃絡(luò)電壓

由圖4可以看出，電弧的發(fā)展分為三個(gè)階段：首先是1ms左右電極周圍發(fā)生局部放電；隨后電弧沿干帶發(fā)展至氣、液、固三者交界處擊穿干帶，這使得加在水帶兩端的電壓瞬間上升，同時(shí)局部放電引起的溫升使水帶電導(dǎo)率在一定程度上增大；最后隨著電荷的持續(xù)積累，在3～5ms內(nèi)水帶電場達(dá)到臨界擊穿場強(qiáng)，電弧沿直線型水帶快速發(fā)展，水帶和干帶上呈現(xiàn)出明亮的電弧放電通道。

由圖5可以看出，當(dāng)水帶液面高度相同時(shí)，閃絡(luò)電壓隨水帶長度的增加而增大，此時(shí)閃絡(luò)電壓增大的主要原因是水帶長度增加，導(dǎo)致高壓電極與接地電極之間的閃絡(luò)距離對應(yīng)增大，水帶及干帶沿面閃絡(luò)時(shí)的電場需要更高的電壓來維持。

當(dāng)水帶長度相同時(shí)，水帶液面越高，閃絡(luò)電壓越低，這是由于水帶的穩(wěn)定性影響了周圍電場分布。液面越高，水帶隨著交流電場發(fā)生周期性波動和振動的幅度越明顯，導(dǎo)致水帶周圍電場的畸變程度越嚴(yán)重，從而使閃絡(luò)電壓降低。另外，隨著液面高度的增加，5cm水帶的閃絡(luò)電壓衰減較快，即較短的水帶隨液面高度的增加其閃絡(luò)電壓降低越明顯，這主要因?yàn)樗畮г蕉?，穩(wěn)定性越差，對電場的畸變越嚴(yán)重。

綜上可知，沿憎水性表面直線型水帶，電弧發(fā)展明顯受水帶長度和液面高度的影響，水帶越短、液面越高，越有利于電弧的發(fā)展，對應(yīng)的閃絡(luò)電壓越低。

2.2 折線型水帶閃絡(luò)試驗(yàn)

本節(jié)研究角度不同時(shí)電弧沿折線型水帶的發(fā)展規(guī)律，試驗(yàn)過程中分別設(shè)定為150°、120°、90°、60°和30°，水帶液面高度為2mm。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，折線型水帶放電初始發(fā)展階段和直線型水帶相似，均是電極周圍先發(fā)生局部放電，然后是干帶擊穿，但此后的電弧發(fā)展路徑會因的不同而呈現(xiàn)不同的形式，電弧發(fā)展路徑示意圖如圖6所示。當(dāng)=120°＞90°時(shí)，電弧的發(fā)展路徑如圖7所示（詳見圖6中的沿水帶型電弧路徑），此時(shí)電弧始終沿水帶發(fā)展，而與橫向間距無關(guān)；當(dāng)≤90°時(shí)，電弧的發(fā)展路徑呈現(xiàn)兩種形式，即折線型和直線型。為60°和30°時(shí)的電弧發(fā)展路徑分別如圖8和圖9所示（詳見圖6中的折線型和直線型電弧路徑），此時(shí)電弧發(fā)展路徑取決于橫向間距的大小。由圖8和圖9可知，對于不同的，存在著對應(yīng)的臨界橫向間距0，當(dāng)＞0時(shí)，電弧沿水帶發(fā)展一段距離后會折向水帶之間的干帶，然后沿干帶水平發(fā)展至貫穿兩極，閃絡(luò)路徑整體呈折線型；當(dāng)＜0時(shí)，電弧直接穿過水帶及水帶之間的干帶而貫穿兩極。

圖6 電弧發(fā)展路徑示意圖

圖7 θ=120°時(shí)沿水帶電弧發(fā)展路徑

圖8 θ=60°時(shí)的電弧發(fā)展路徑

圖9 θ=30°時(shí)的電弧發(fā)展路徑

由此可知，對于憎水性表面的折線型水帶，當(dāng)水帶張角＞90°時(shí)，電弧能否貫通兩極主要受水帶長度影響；當(dāng)≤90°時(shí)，受水帶橫向間距的影響，電弧路徑可分為直線型和折線型，直線型電弧主要受水帶間干帶的影響，而折線型電弧與水帶長度及水帶間干帶均有關(guān)。

2.3 組合水帶閃絡(luò)試驗(yàn)

前述對直線型和折線型水帶閃絡(luò)過程的研究是分別進(jìn)行的，本節(jié)將綜合研究上述兩種水帶的放電過程。組合水帶閃絡(luò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D10所示，在聚四氟乙烯板上同時(shí)設(shè)置直線型和折線型水帶，設(shè)置干帶=10mm，直線型水帶長度=5.5cm，折線型水帶間距=5.5cm，水帶液面高度為2mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖10 組合水帶閃絡(luò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖11 組合水帶的電弧路徑

圖11a顯示，當(dāng)直線型水帶和折線型水帶橫向間距相同時(shí)，在相同電壓下，直線型水帶更容易發(fā)展電弧。圖11b中的直線水槽未注入導(dǎo)電溶液，此時(shí)相當(dāng)于憎水性表面同時(shí)存在2條折線型水帶。試驗(yàn)顯示，在相同電壓下，=120°的水帶總是首先發(fā)生閃絡(luò)，即水帶角度越大，電弧越容易發(fā)展至貫穿兩極。這是因?yàn)楫?dāng)水帶橫向間距相同時(shí)，水帶張角越小，水帶長度越長，越不利于電弧的發(fā)展。因此對于＞90°的水帶，閃絡(luò)電壓由較短的水帶決定。

3 憎水性表面水帶及周圍電場分布

由第2節(jié)試驗(yàn)可知，憎水性材料表面形成水帶時(shí)，電弧的發(fā)展路徑明顯受角度的影響，特別當(dāng)≤90°時(shí)，電弧的發(fā)展過程最為復(fù)雜。為進(jìn)一步研究憎水性表面電場對電弧發(fā)展的影響，本節(jié)計(jì)算不同角度下水帶及其周圍的電場分布，分析電場分布與多種電弧發(fā)展路徑的關(guān)系。

對試驗(yàn)中的干帶-水帶模型進(jìn)行同比例建模，計(jì)算干帶擊穿后水帶周圍的電場分布。當(dāng)激勵電壓=15kV、橫向間距=10cm時(shí)，不同角度下水帶及周圍的電場分布如圖12所示，其中，沿水帶沿線（圖3中）的電場分布如圖13所示?？梢钥闯?，水帶電場強(qiáng)度隨水帶張角的減小而減小，在水帶的中間彎折處附近，電場強(qiáng)度有不同程度的降落：當(dāng)水帶張角≤90°時(shí)，水帶中間彎折處電場強(qiáng)度降落最大可達(dá)約30kV/m；而當(dāng)＞90°時(shí)，水帶中間彎折處電場強(qiáng)度降落則較小。水帶張角之間憎水性表面的電場強(qiáng)度變化則相反，其表面電場強(qiáng)度隨水帶張角的減小而增大（如圖12）。正是以上兩種結(jié)果的疊加，導(dǎo)致當(dāng)水帶張角＞90°時(shí)，水帶電場強(qiáng)度較高，水帶間憎水性表面電場強(qiáng)度較低，電弧沿水帶發(fā)展；當(dāng)水帶張角≤90°時(shí)，水帶電場強(qiáng)度很低，水帶間憎水性表面電場強(qiáng)度很高，可能導(dǎo)致電弧沿水帶發(fā)展一段距離后折向憎水性表面繼續(xù)發(fā)展從而貫穿兩極。

圖12 不同水帶張角時(shí)電場分布

圖13 不同水帶張角下沿水帶電場分布

保持水帶張角=30°不變，取不同數(shù)值時(shí)，水帶周圍及水帶沿線電場分布如圖14和圖15所示，圖15中路徑取方向沿線。可以看出，同一角度下，隨的增大，水帶間憎水性表面電場強(qiáng)度降低，這就導(dǎo)致在＜0時(shí)，憎水性表面電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水帶電場強(qiáng)度，電弧發(fā)展沿水帶憎水性表面呈直線擊穿；＞0時(shí)，憎水性表面電場強(qiáng)度仍大于水帶電場強(qiáng)度，但是由于憎水性表面電場強(qiáng)度相對下降，以及增大，不足以擊穿長度的憎水性材料表面，電弧需要沿水帶發(fā)展一段距離后再折向憎水性材料表面，從而使整體閃絡(luò)路徑呈折線型。

圖14 θ=30°時(shí)不同橫向距離d對應(yīng)的水帶周圍電場分布

圖15 θ=30°時(shí)不同橫向距離d下m沿線電場分布

圖15中，當(dāng)=1cm、=2cm時(shí)，二者電場分布規(guī)律基本相同，此時(shí)電弧路徑為直線型；與之對應(yīng)，當(dāng)=3cm、=4.5cm時(shí)，電場分布呈現(xiàn)出不同的趨勢，對應(yīng)的電弧路徑則為折線型。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)和仿真研究了水帶分布對憎水性表面放電過程的影響，得到如下結(jié)論：

1）直線型水帶的閃絡(luò)電壓隨水帶長度的增加而增大；隨液面高度的增加而減小，且水帶越短，閃絡(luò)電壓減小越快，這和水帶的穩(wěn)定性有關(guān)。

2）當(dāng)憎水性表面存在折線型水帶時(shí)，電弧依水帶張角不同而呈現(xiàn)3種不同發(fā)展路徑。當(dāng)＞90°時(shí)，電弧沿水帶發(fā)展；當(dāng)≤90°時(shí)，存在臨界橫向間距0，此時(shí)，當(dāng)＞0時(shí)，電弧沿水帶發(fā)展一段距離后會折向水帶之間的干帶，閃絡(luò)路徑整體呈折線型；而當(dāng)＜0時(shí)，電弧直接貫穿水帶之間的干帶而呈直線型發(fā)展。

3）水帶張角越小，水帶電場強(qiáng)度越小，而水帶之間的干帶電場強(qiáng)度越大；同時(shí)，水帶橫向間距越小，干帶電場強(qiáng)度也越大，因此當(dāng)＜0時(shí)，電場足以直接擊穿長度的干帶，形成直線型電??；而當(dāng)＞0時(shí)，電場不足以維持電弧直線發(fā)展，導(dǎo)致閃絡(luò)路徑呈折線型。

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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

劉士利 男，1981年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、電磁場分析。E-mail：13844209336@163.com（通信作者）

李衛(wèi)東 男，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。E-mail：lwdzhjq@163.com

（編輯 李冰）