（高电压与绝缘技术专业论文）基于动态液滴放电实验的合成绝缘子憎水性检测研究.pdf

中文摘要 合成绝缘子具有耐污闪、湿闪性能好，重量轻等优点，在我国电力系统中得 到了日益广泛的应用。合成绝缘子优异的耐污闪性能源于其外绝缘材料硅橡胶的 良好憎水性，但是在运行过程中污秽、潮湿、放电等因素经常引发憎水性下降甚 至丧失，导致合成绝缘子污闪电压显著下降而引发闪络事故，严重威胁电力系统 的安全运行。因此，迫切需要有效检测、评估合成绝缘子的憎水性，提高其使用 的安全性和可靠性，保障电网的稳定运行。 本文基于当前合成绝缘子憎水性检测的研究与发展现状，搭建了基于动态滴 水法的绝缘子憎水性检测系统。该系统主要由三部分组成：匀速滴水装置、检测 装置及信号采集装置。匀速滴水装置采用继电器自动精确控制滴水状态，滴落时 间间隔为1 2 滴分钟：检测装置由玻璃钢板支架、上、下铜电极、保护电阻等组 成，样品置于支架上与水平面成6 0 。角：信号采集装置包括采用每秒3 0 帧的摄像 机记录水滴滴落过程及引发的放电现象，采用光电倍增管检测放电引发的光信 号，采用无感电阻采集放电电流信号。 通过观察水滴在试样表面的存在状态及其引发的放电特征，提取放电光信号 特征参数，建立了光脉冲强度、光脉冲个数、累积光通量与试样表面憎水性的对 应关系，同时采用电场仿真技术揭示了不同憎水性试样表面动态水滴导致的电场 畸变程度。结果表明：随着憎水性的下降，绝缘子表面动态水滴引发的放电光信 号特征参量均呈现增大的趋势，进而提出了基于放电光信号分析的合成绝缘子憎 水性检测方法。 采用小波变换特征提取法和累积电量计算方法分别提取了不同频率下的放 电电流及特征，建立了放电频率特征、放电脉冲个数、累积放电量与试样表面憎 水性的对应关系，结果表明：动态滴水法中表面放电的频率特征主要集中在低频 ( 5 次谐波以下) 范围，并且随着憎水性的下降，放电脉冲逐渐增多、增强，累 积放电量逐渐变大，从而提出了基于放电电流特征分析的合成绝缘子憎水性检测 方法。 关键词：合成绝缘子硅橡胶憎水性检测放电光信号放电电流 a b s t r a ct t h ea p p l i c a t i o no fp o l y m e ri n s u l a t o rh a sb e e ne x p a n d e di nt h ef i e l do fp o w e r s u p p l ya n dd i s t r i b u t i o ns y s t e ma l lo v e rt h ew o r l d h y d r o p h o b i c i t yi s ap r o m i n e n t c h a r a c t e r i s t i co fo u t d o o rp o l y m e r i ci n s u l a t o r s h o w e v e r , d u et ot h ee n v i r o n m e n t a l i n f l u e n c e ，t h ec h e m i c a lc h a n g e sm a yt a k ep l a c ea n dc a u s et h el o s so fh y d r o p h o b i c i t y , w h i c hw i l le n d a n g e rt h el o n g - t e r mp e r f o r m a n c eo fo u t d o o ri n s u l a t o r si ns e r v i c e i ti s i m p o r t a n tt ot a k ea c c u r a t ee v a l u a t i o no f t h ei n s u l a t o rh y d r o p h o b i c i t y i nt h i s p a p e r , ad y n a m i cd r o pt e s t ( d d t ) w a sc a r r i e d o u tt oe v a l u a t et h e h y d r o p h o b i c i t yp r o p e r t i e sf o rd i f f e r e n ts e r v i c et i m eo fs i l i c o n er u b b e ri n s u l a t o r t h e s y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：u n i f o r md r o p p i n gd e v i c e s ，e v a l u a t i o nd e v i c e s a n ds i g n a ld e t e c t i n gd e v i c e u n i f o r md r o p p i n gd e v i c e sc a l lc o n t r o lt h es p e e do fw a t e r d r o p l e tp r e c i s e l yb yu s e o fr e l a y , t h ed r o p l e ti n t e r v a li s12d r o p m i n ；e v a l u a t i o nd e v i c e w a sm a d eo ff r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) b r a c k e t , t h eu p p e ra n dl o w e rc o p p e r e l e c t r o d e ，t h ep r o t e c t i o nr e s i s t a n c ea n d , s oo n t h es p e c i m e nw a sp u to na nf r p i n c l i n e dp l a n ea ta l la n g l eo f6 0 。；s i g n a ld e t e c t i n gd e v i c ei n c l u d et h eh i g h - s p e e d c a m e r aw h a tu s e dt or e c o r dt h ed y n a m i cb e h a v i o r so fw a t e rd r o p l e ta n dt h ei n d u c e d d i s c h a r g e s ，t h ep h o t o m u l t i p l i e rt u b e sw h a tu s e dt od e t e c to p t i c a ls i g n a l sc a u s e db yt h e d i s c h a r g e ，a n dn o n s e n s er e s i s t o r sw h a tu s e dt or e c o r dt h ed i s c h a r g ec u r r e n ts i g n a l b yo b s e r v i n gw a t e rd r o p l e t s e x i s t e n t i a ls t a t ea n dd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so nt h e s u r f a c eo fs a m p l e s ，t h ep a r a m e t e r so fo p t i c a l s i g n a l sw e r ee x t r a c t e d t h e n ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np u l s ei n t e n s i t y o fl i g h t ，p u l s en u m b e ro fl i g h t ，c u m u l a t i v e l u m i n o u sf l u xo ff i g h ti n t e n s i t yw i t hd i f f e r e n th y d r o p h o b i c i t yw a se s t a b l i s h e d m o r e o v e r , e l e c t r i cf i e l d so fd r o p l e t sw e r ei n v e s t i g a t e db yu s eo fe l e c t r i c f i e l d s i m u l a t i o n t h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a t ：w i t ht h ed e c r e a s i n gh y d r o p h o b i c i t y , a l lo f t h eo p t i c a ls i g n a lp a r a m e t e r si n d u c e db yd i s c h a r g eo ni n s u l a t o rs u r f a c es h o w i n c r e a s i n gt r e n da n dt h e ne v a l u a t i o nm e t h o df o ri n s u l a t o rh y d r o p h o b i c i t yb a s e d o nt h e a n a l y s i so fo p t i c a ls i g n a lw a s b u i l t b a s e do nt h em u l t i p l es e g m e n t a t i o nm e t h o do fl e a k a g ec u r r e n t ，t h ep u l s en u m b e r a n dt h er e l a t e dc u m u l a t i v ec h a r g ew e r ed i s c u s s e dt or e v e a lt h ed e g r a d a t i o no f d i f f e r e n ts a m p l e s m e a n w h i l e ，aw a v e l e t t r a n s f o r mt e c h n i q u ew a su s e dt oe x t r a c t t h ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no fl e a k a g ec u r r e n t t h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a tt h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c e d i s c h a r g em a i n l y c o n c e n t r a t e d i nt h e l o w f r e q u e n c y ( b e l o w5h a r m o n i c s ) r a n g ei n t h et e s t ，a n dw i t ht h ed e c r e a s i n g h y d r o p h o b i c i t y , t h ed i s c h a r g ep u l s ei n c r e a s e da n de n h a n c e d , t h ec u m u l a t i v ed i s c h a r g e g r a d u a l l yl a r g e r , s o ，h y d r o p h o b i c i t ye v a l u a t i o nm e t h o do ft h ec o m p o s i t ei n s u l a t o r b a s e do nt h ed i s c h a r g ec u r r e n ta n a l y s i sw a sp r o p o s e d k e y w o r d s ：c o m p o s r ei n s u l a t o r , s i l i c o n er u b b e r , e v a l u a t i o no fh y d r o p h o b i c i t y , o p t i c a ls i g n a l ，d i s c h a r g ec u r r e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黪凇 签字目霸：砷年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：菱箬不幺 导师签名： 签字日期：五哆年月尹日 郁b 晕 签字日期：1 。中月唯日 天津大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 合成绝缘子的发展概述 电网的建设和发展是关系到国计民生的大事，随着电网电压等级的提高，输 电线路外绝缘在电网中发挥的作用就显得越来越重要。合成绝缘子作为外绝缘使 用已经有4 0 多年的历史，已在世界上很多国家和地区投入使用n 1 。随着输电线路 电压等级的不断提高，绝缘子所受的机械和电气负荷逐渐加重，另外大气环境污 染的日益加剧，传统的瓷绝缘子在使用中逐渐暴露出性能上的固有缺陷，从而已 不能满足使用上的要求，合成绝缘子的使用能够很好的弥补瓷绝缘子的缺陷睡1 。 环氧树脂、乙丙橡胶、室温硫化硅橡胶等作为早期合成绝缘子的材料被使用一段 时间以后，现已慢慢被淘汰，从6 0 年代开始，室温硫化硅橡胶合成绝缘子逐渐进 入电力系统外绝缘的使用当中阳钔。与传统的瓷、玻璃绝缘子相比，合成绝缘子 具有强度高、重量轻、耐污闪湿闪电压高、制造维护方便、不易破碎等优点阳1 。 1 9 9 7 年上半年，国际大电网组织( c i g r e ) 绝缘子工作组w g 2 2 0 3 在世界范 围内进行了一次广泛的调查统计，全世界合成绝缘子的总数量大约在3 5 0 万支左 右，广泛应用于交流l o o k v 7 5 0 k v 的各个电压等级埔3 尤其是进入上世纪9 0 年 代，随着合成绝缘子技术的日益完善，合成绝缘子的应用数量迅速增长，其中绝 大部分都是以硅橡胶作为伞裙、护套材料。美国、中国、南非是使用合成绝缘子 数量最大的国家。在美国e p r i 的统计资料中显示，截至目前，销售至北美地区 的合成绝缘子及支柱的数量已达3 9 3 8 万只阳1 ，在整个北美绝缘子市场中，合成 绝缘子占了7 0 - - - 7 5 的份额，该地区新建的输电工程中一半以上使用的都是合 成绝缘子1 。 在国外，选用合成绝缘子的最主要的原因是因为其重量轻和费用低阳1 1 】，在中 国，则更看重其优异的耐污闪、湿闪特性。目前运行中的合成绝缘子全部为硅橡 胶合成绝缘子。国内几乎所有的合成绝缘子都用于解决污闪问题，这和我国的污 秽特点密切相关。与国外不同的是，除了沿海地区的污区外，国内其他污秽地区 的不溶性污秽要严重的多，在测量的现场运行1 - - 9 年的硅橡胶合成绝缘子上， 不溶性盐和可溶性盐的比值( 灰盐比) 在1 5 - - 4 之间，最高可达9 以上n 引，如此 高的灰密在国外是很少见的。此外，污秽成分的不同，也导致了合成绝缘子在运 行时会有不同的表现，从而使得老化的模式有所差别。 天津大学硕士学位论文第一章引言 1 2 合成绝缘子在我国的发展状况 合成绝缘子因其耐污、湿闪性能好，重量轻等优点在我国输电网络中被广泛 应用。我国合成绝缘子的研究始于7 0 年代初期。为了解决低空铁路隧道内交流 2 5 k v 接触网的悬挂问题，铁道部铁道科学研究院研制开发了环氧树脂绝缘子， 前后陆续有近万只用于宝成、湘黔等重点铁路工程。但是在严酷的环境条件下 运行一段时间后，环氧树脂绝缘子老化严重，大多数出现了开裂、界面击穿等问 题，逐渐退出运行。7 0 年代末8 0 年代初，铁科院、清华大学、武汉水利电力学 院等少数研究机构开始研制硅橡胶合成绝缘子n 4 1 5 1 剐。 输电线路合成绝缘子在我国的迅速发展有特殊的背景。长期以来，大气环境 污染引起的外绝缘闪络事故严重威胁着我国电力系统的安全运行，造成了巨大的 经济损失u7 1 。受瓷及玻璃绝缘子本身耐污闪性能的限制，传统的防污闪措施如调 爬、定期清扫等，都未能从根本上解决污闪问题。电力运行部门迫切需要能够有 效防止输变电设备外绝缘污闪的新技术。作为新的防污闪措施以及传统瓷绝缘子 更新换代的新产品，硅橡胶合成绝缘子的研究开始得到了各方的重视。在8 0 年 代中后期，输电线路合成绝缘子的基础研究作为国家攻关项目得到了重点扶持。 在此期间，国产3 5 k v 5 0 0 k v 系列硅橡胶合成绝缘子相继通过技术鉴定与产品鉴 定，并投入试运行8 2 1 1 。 9 0 年代初期，在频繁污闪事故的压力下，电力系统扩大了污秽地区合成绝 缘子的使用范围。试运行经验表明，硅橡胶绝缘子具有优异的耐污闪性能，能够 有效防止污闪事故的发生。从9 0 年代中期开始，合成绝缘子在我国得以迅速的 推广使用，开始在中等及重污秽地区替代瓷绝缘子，大部分新建线路也全线采用 了合成绝缘子心2 2 3 1 。到1 9 9 4 年底，挂网运行的合成绝缘子已达5 万支。从此， 我国电网使用合成绝缘子的数量迅速增加：1 9 9 5 年为1 0 万支，1 9 9 9 年为8 4 万 支，2 0 0 1 年为1 6 0 万支，2 0 0 6 年达3 0 0 万支。目前合成绝缘子使用数量已超过 6 0 0 万支，并且全部为硅橡胶合成绝缘子瞳劓。我国合成绝缘子的用量仅次于美国， 居世界第二位拉5 l 。我国同时也是在高压直流线路上使用合成绝缘子数量较多的国 家之一。合成绝缘子在全国电网主网中的分布情况如图1 - 1 所示：国网所属华北 电网2 8 ；国网所属东北电网8 ；国网所属西北电网1 0 ；国网所属华东电网2 2 ； 国网所属华中电网2 4 ；南方电网有限公司8 。其中9 2 主要集中在国网公司所 属的华北、华东、和华中电网，这些地区是我国电网污闪( 包括大面积污闪) 的 频发地区。南方电网有限公司合成绝缘子的使用绝大部分集中在广东电网，广东 电网的污闪频发地区主要集中在珠江三角洲。 天津大学硕士学位论文 第一章引言 ， 1 一目月所月$ n 自日 一4 - 日目所目n 自h ， 5 - 日所月$ 十电月 ，6 一方电目有m o 目 图l _ 1 全田电网中台成绝缎子使用总量的分布 9 6 年底至9 7 年初华东、华中、西北、山东、福建等地电同相继发生大 面积污闪，而运行于中等及重污秽地区的全部2 0 多万只台成绝缘子却无一闲络 ”删1 。9 9 年3 月，华北5 0 0 k v 多条线路覆冰后污闪，同一走廊的合成绝缘子也 覆冰但未发生闪络。2 0 0 1 年初，华北、辽宁、河南、河北南网等地再次发生大 面积的污闪事故。在这场造成了巨大经济损失的灾难中，使用台成绝缘子的线 路以及涂敷r t v 的电站同样无一闪络。成功的运行经验一再表明，硅橡胶合成 绝缘子的使用有效抑制了大面积污闲事放的发生，大大减轻了原来污秽地区繁 重的清扫以及零值监测等运行维护工作。合成绝缘子已成为我国解决污秽地区 输电线路外绝缘污闪问题最为有教的方法。 1 3 合成绝缘子的主要结构和材料特征 1 3 1 合成绝缘子的结构 合成绝缘子是至少由两种绝缘部件( 即内部芯棒和装配有金属附件的外套) 组成的一种聚合物绝缘子。芯棒是合成绝缘子的内绝缘件用来保证台成绝缘子 的机械特性，这种芯捧通常由树脂基体和玻璃纤维构成。外套又称伞裙护套是 合成绝缘子的外绝缘部件，用来提供必要的爬电距离和保护芯棒不受气候影响。 合成绝缘子的外套可以由多种材料构成，包括硅橡胶、乙丙椽腔、环氧树脂和聚 四氟乙烯等。我国合成绝缘子芯棒多采用玻璃纤维棒，外套多采用硅橡胶材料来 制造。合成绝缘子的苍棒主要用来承担机械负荷而外套主要用来承担电气负荷。 作为合成绝缘子结构的一部分金具主要起传递机械应力与连接固定的作用。高 压输电线路用合成绝缘子的典型类型如图1 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第一章引言 事事圈 a b c 圈卜2 高压台j 盘绝缘子。其中a 为棒型合成绝缘子 b 淘横担合成绝缘子；c 为支柱台成绝缘子。 1 3 2 合成绝缘子的硅橡胶特性 现在电网上采用的合成绝缘子及绝缘子合成涂料主要成分是硅橡胶。有机硅 橡胶材料是由线性聚硅氧烷混入补强填料，在加热加压条件下经过硫化生成的 特殊合成弹性体。正是因为它完美地平衡了其机械性质和化学性质从而对现夸 许多不同条件的应用场合，它都能很好地满足要求。根据硫化温度的不同硅橡 胶可分为高温硫化型及和室温硫化型两人类。硅橡胶的优点：耐高低温特性耐 候性生理惰性，电气绝缘性，低表面张力和低表面能特性；硅橡胶的缺点：机 械强度差，在酸碱催化下易于水解，酎化学酸碱及有机溶剂能力较差硫化交联 较为困难。 高温硫化硅橡胶( h t vs i r ) 是目前高压合成绝缘子应用比较广泛的伞裙护 套材料，它的生胶一般是分子量为4 j 一7 0 万的聚二甲基硅氧烷 ( p o l y d i m e t h y ls l l o x a n e ，p d m s ) ”“，也叫“甲基乙烯基硅橡胶分子”。甲基 乙烯摹硅橡胶( 生胶) 是无色、无味、无毒、无机械杂质的胶状物，生胶在混练 过程中，需要加入适当的补强剂、结构控制剂、硫化剂等辅助材料，然后经过升 温模压成型，再经过二段硫化做成各种硅橡胶制品。其制品具有优良的电气绝缘 性，抗电晕、电弧、电火花能力强防水、防潮、抗震性好，具有生理惰性，透 气性好等性能。p i ) m s 的分子结构如图卜3 所示，该分子式中m 的值在5 0 0 0 1 0 0 0 0 范围之间，n 的值在i 0 2 0 范围之间。其主链由硅原予与氧原子交替排列组成 删链是对称分布的甲基，并引入了少量活性乙烯基来提供交链点，s i 一0 主链聚合 物结构具有耐低温和耐高温的特性硅橡胶材料优异的热稳定性和抗冻性使得其 在温度2 0 3 k 5 7 3 k 范围内仍保持原有的特性不变。有机硅聚合物具有比其他高分 子聚合物材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力，在自然环境下的使用寿命 天津大学硕士学位论文第一章引言 可达几十年。 c i h 3 c 弩r o c h 3 o 图1 - 3p d m s 的分子结构式 c h 3 在硅橡胶硫化的过程中，其中的过氧化物交联剂容易受热分解产生活性很强 的自由基，随后产生的自由基极易攻击乙烯基的不饱和双键，引起链锁反应，生 成交联。该种硅橡胶分子式中乙烯基的平均含量一般仅有1 o - - - 5 o m o l ，数量很 少，因此硅橡胶的特性主要取决于p d m s 的特性。一般情况下，用于户外绝缘的 硅橡胶的主要填料为a 1 ：0 。3 h ：0 ( a t h ) ，其含量约占总量的3 5 - - 4 5 ，a t h 在高 温环境下( 一般高于2 0 0 时) 很容易失去其分子式中的水分子，然后发生分解 并吸收热量，因此，能够显著增强硅橡胶的耐漏电起痕和耐电蚀损特性。主要起 补强作用的白炭黑( 即s i o ：) ，起交联作用的过氧化物交联剂和起着色作用的着 色剂等都是高温硫化硅橡胶所必备的填料。 决定p d m s 宏观性能的特征主要有四个：在p d m s 分子组成结构中，甲基基团 之间很小的分子作用力；硅氧主链独特的柔顺性；硅氧键属于高能键；硅氧主 链的局部离子特性。 1 4 合成绝缘子运行中的问题 各种类型的合成绝缘子，包括悬式、耐张、线路支柱等型式，在不同的运行 环境、不同电压等级的交直流线路上已经积累了3 0 多年的成功运行经验。即便 是在重污秽地区，良好设计及制造的合成绝缘子也已有2 0 多年安全运行的记录， 并且还在继续使用。多年来合成绝缘子在以前经验的基础上做了大量的从材料到 结构的改进，这些改进后的合成绝缘子应该比以前的合成绝缘子性能更好，运行 更安全。因此估计良好设计及制造的合成绝缘子的寿命可以达到3 0 4 0 年。 与传统的瓷绝缘子或玻璃绝缘子相比较，硅橡胶合成绝缘子具有耐污闪湿闪 性能优异、强度重量比高、运输安装方便、耐枪击能力强、运行维护费用低以及 高电压等级的价格优势等优点，这已经为各国的运行经验所证明。尽管早期有一 些由于材料及制造工艺等原因造成的事故，并且现在依然还有一些问题需要解 3 3 11 3 一 ；哟r 咚 c | s i c n m 训 墨 一 3 一删一 天津大学硕士学位论文第一章引言 决，但是合成绝缘子的设计与制造技术已经达到了成熟的阶段，可以进行大规模 的工业生产并大量投入商业运行。 运行中，合成绝缘子出现的主要问题可以大致分为两类，即损坏( d a m a g e ) 和老化( a g i n g ) 。损坏指绝缘子不能继续承担正常的机械或电气负荷，往往造 成导线落地、电力中断等恶性事故。而老化，主要表现为外绝缘材质的劣化， 一般并不直接导致绝缘子承担电气或机械负荷功能的丧失。除此之外，还有一 些特殊的问题，如鸟粪或鼠类咬伤伞群护套、绝缘子表面有微生物或霉菌生长 等。 合成绝缘子损坏的主要原因包括：芯棒断裂；界面击穿；金具与芯棒连接 区滑移甚至拉托；外绝缘材料严重劣化，如端部密封失效，护套开裂，漏电起 痕或电蚀损等造成的芯棒暴露等。c i g r e 9 7 年的统计结果显示，合成绝缘子损坏 的事故率仅0 0 3 5 ，年事故率仅0 5 2 每万只年。在统计到2 4 3 起绝缘子损坏事 故中，芯棒断裂1 3 3 起( 5 5 ) ，界面击穿6 9 起( 2 8 ) ，外绝缘材质劣化3 3 起 ( 1 4 ) ，其他8 起( 3 ) 。芯棒在机械应力与酸的共同作用下发生的酸蚀脆 断被认为是合成绝缘子脆断的内在原因旧3 。目前已从提高基体树脂或玻璃纤维 的耐酸性能、加强端部密封几个方面尝试解决脆断问题的方法。需要特别强调 的是，脆断事故率非常低，在所有3 5 0 万只合成绝缘子中，脆断事故不超过3 0 0 起，并且仅就掉线事故而论，每年因脆断以外的事故掉线的数量远多于脆断掉 线。因此，从整体上说，脆断事故并不影响合成绝缘子的推广使用。 1 4 1 合成绝缘子的老化 有机材料的耐老化性能远远不及无机的陶瓷或玻璃。运行中，合成绝缘子的 伞群护套材料也确实普遍的表现出了不同程度的老化现象，如憎水性下降、漏电 起痕或电蚀、龟裂、开裂、击穿、粉化、褪色、变脆变硬等阳量蚓。外绝缘材料的 严重劣化是早期的很多合成绝缘子被淘汰或更换的主要原因，包括环氧树脂绝缘 子、聚乙烯绝缘子、聚四氟乙烯绝缘子等。这也是乙丙橡胶绝缘子性能不佳的主 要原因。 在环境因素的单独作用下，有机材料的性能就会因各种物理化学变化而劣 化，而电场、机械负荷与环境因素的共同作用则会进一步加剧劣化的进程。研究 表明，污秽与湿润共存条件导致的表面放电、电晕放电以及紫外酸雨等的侵蚀是 影响合成绝缘子外绝缘材料老化的主要因素，而表面放电的影响最为显著5 3 9 | 。 事实上，伞群护套材料的有些变化并不妨碍合成绝缘子的继续使用，如褪色 等。而其他的一些劣化现象在较长的时间内也不会对绝缘子的安全运行造成威 胁，如粉化、变硬等。对于这个问题的讨论实际上涉及到合成绝缘子老化的界定。 天津大学硕士学位论文第一章引言 合理的定义应该基于合成绝缘子所承担的功能的不可逆的变化，并考虑老化从量 变到质变逐渐积累的过程。如果上述外绝缘材料的劣化导致伞群护套对芯棒的保 护作用丧失、导致电气机械性能严重下降，该绝缘子可能就需要更换。因此，合 成绝缘子的老化不完全等同于一般意义上材料的老化。 1 4 2 硅橡胶合成绝缘子的老化机理 硅橡胶合成绝缘子的伞裙护套是由有机高分子聚合物材料制成的，有机聚合 物材料的老化速度比陶瓷等无机材料快得多，合成绝缘子逐渐老化以后，其防污 性能也会下降，因此，合成绝缘子抗老化性能的研究是用户极为关注的。 硅橡胶合成绝缘子这种新型绝缘结构的线路绝缘子，在国内线路上挂网运行 已经有十几年的历史，它具有优良的防污性能和众多优越性，已成为电力系统使 用量较多的绝缘子产品，发挥明显的经济效益和社会效益，然而硅橡胶合成绝缘 子作为高压输电线路外绝缘产生的老化问题一直是限制其广泛应用的一个原因。 硅橡胶合成绝缘子常年暴露在大气环境下，除长期承受强电场的作用外，还经常 受日晒、雨淋、风沙、高温和严寒等恶劣气候条件下的影响，这对添加多种填充 剂的合成绝缘子来说，必然会涉及到外绝缘老化的问题。虽然硅橡胶具有优异的 耐光辐射、耐高低温、耐臭氧和耐霉菌等抗老化性能，但由于硅橡胶中硅氧烷分 子结构质量的差异，外绝缘中各种填充剂颗粒表面性能作用程度的不同，都将相 应地降低硅橡胶耐老化性能。因此，很有必要对硅橡胶绝缘子的老化机理，老化 的试验方法和硅橡胶绝缘子老化的判据做深入的研究。 强电场作用下的局部放电、冷热聚变、受潮水解和紫外线等高能射线辐射的 长期作用，是导致合成绝缘子老化的主要原因，绝缘子的机电性能会因老化而减 退。局部放电引起硅橡胶材料劣化损伤的机理大致如下几个方面： ( 1 ) 局部放电产生的带电粒子对硅橡胶材料表面的撞击，能使有机硅橡胶 分子的主链断裂，有机高分子聚合物解聚或部分变成低分子。 ( 2 ) 局部放电使绝缘子表面局部温度上升，放电区域内的高温能使硅橡胶 材料产生化学分解。 ( 3 ) 局部放电产生的活性气体0 3 ，n o ，n 0 2 等的氧化及腐蚀作用能使硅橡 胶材料逐渐劣化。 ( 4 ) 局部放电产生的紫外线或波长较长的x 射线，导致硅橡胶材料分解、 解聚。 硅橡胶材料表面的憎水性强弱随着其表面环境条件的不同而变化。硅橡胶是 有机高分子主链上唯一不含碳原子的聚合物，它是兼有无机和有机性质的高分子 弹性材料，对大量运行的高温硫化硅橡胶绝缘子产品进行外观检查，发现有些硅 天津大学硕士学位论文 第章引言 橡胶伞裙表面出现局部放电痕迹，憎水性能逐渐减弱或丧失，外绝缘伞套材料脆 化、开裂、蚀损、漏电起痕及表面电弧烧伤的痕迹。 硅橡胶合成绝缘子的老化过程大致如下：当硅橡胶合成绝缘子还是新的时 候，它们表面有很强的憎水性，通过绝缘子表面的唯一电流是容性电流，绝缘子 表面保持优异的憎水性1 ；随着时问的推移，雨水和风沙等污染绝缘子表面，加 剧了表面的粗糙度，形成了染污的绝缘子表面h ，局部电晕放电同时也导致表面 不断粗糙，使得污秽物质容易在表面积聚；硅橡胶内小分子量物质扩散到外表面， 包容了外表面积聚的污秽物质，使得外表面同时变得也具有憎水性；雨水在绝缘 子表面有些滑落，有些则形成细微的小水滴，局部电场较高，电晕容易发生，这 种电晕放电产生的热量使得硅橡胶绝缘子表面局部和暂时性的憎水性消失；随着 这些区域憎水性的消失，表面开始变得潮湿，并且一些污秽物质开始溶解形成一 层导电层，同时绝缘子表面一些小分子量物质也开始溶解，绝缘子表面憎水性进 一步丧失，同时，潮湿的区域也改变了电场的分布；上述过程连续发生，直到表 面形成一层连续的导电层，一部分导电层的形成是通过电场作用下水滴的拉长而 自动形成，此时绝缘子表面水带将形成，泄漏电流开始增加，与瓷绝缘子相比， 合成绝缘子表面水膜的厚度更薄，泄漏电流更低；在某些局部高电流密度区或高 电阻区，表面局部导电层被烘干，干燥带逐渐形成：此时干燥带电弧放电和持续 的电晕放电引起表面憎水性的进一步丧失，表面发生侵蚀和电痕：上述过程是一 个反复潮湿和烘干的过程h 刳，当表面烘干时，老化将暂时停止，并且表面将通过 小分子量物质的扩散而开始恢复憎水性，这个阶段反复而连续发生；硅橡胶合成 绝缘子的特性由硅橡胶的构成，绝缘子的设计和绝缘等级决定，如果表面导电层 的电导率高，此时将发生滑闪，这将不会严重影响绝缘子的憎水性，如果绝缘子 的设计不当或者伞裙表面硅橡胶材料不充足，那么硅橡胶伞裙将发生侵蚀，并且 玻璃钢芯棒将暴露出来，此时，通过酸碱物质的侵蚀，将造成严重的后果，并最 终使性能直线下降。 硅橡胶材料的老化分为：电老化，热老化，机械应力老化和环境老化。 热老化作为硅橡胶合成绝缘子老化的主要原因之一，可以用这几种方法提高 硅橡胶材料的耐热性：改变主链结构和侧链基团结构；消除硅羟基；加入耐热添 加剂( a i ( o h ) 3 等) ：加入少量硅树脂。 硅橡胶材料人工加速老化的试验方法分为：斜面法、1 0 0 0h 盐雾法和5 0 0 0h 老化试验方法。它们之间的试验条件、试验程序、试验现象、试验结果和试验评 定方法均不相同。 硅橡胶合成绝缘子自身独特的憎水性和憎水迁移性限制了表面泄漏电流路 径的形成和发展，一般情况下，硅橡胶伞裙材料被腐蚀破坏的速度是非常缓慢的， 天津大学硕士学位论文第一章引言 但是，泄漏电流路径一旦形成就可能导致击穿现象的发生。因此，硅橡胶合成绝 缘子在使用过程中，要采取有效措施防止或减缓泄漏电流路径的形成，从而有效 推迟硅橡胶合成绝缘子的老化过程。 1 4 3 硅橡胶合成绝缘子的污闪机理 绝缘子独特的染污放电机理与绝缘子表面积污程度、表面污层湿润程度以及 绝缘子本身耐受电弧特性等诸多因素有关。但发生污闪的直接原因是由于绝缘子 表面材料的老化使其绝缘能力降低到工作电压以下而引起的。 随着电网容量的增大和电压等级的升高，电力系统输变电设备外绝缘污闪事 故日益突出。在户外运行的绝缘子，除了应具有基本的电气绝缘性能和一定强度 的机械性能外，还应具备耐受恶劣气候条件侵袭的性能，从而能够保证电力系统 的安全供电。目前，有关污秽绝缘表面的放电机理，还没有统一的看法，沿湿润 污秽绝缘子表面的闪络现象不仅是一种单纯的空气间隙击穿放电，而是一种与 电、热、化学因素有关的污秽绝缘子表面空气电离以及局部电弧发展的热动力平 衡过程，即泄漏电流、辉光放电、局部电弧和完全闪络的渐变过程。在晴朗干燥 的天气条件下，即使绝缘子表面沉积有大量污秽物，它们仍保持着较高的绝缘水 平，其表面放电电压与绝缘子表面洁净、干燥状态时接近，然而，当遇到雾、露、 毛毛雨等潮湿天气时，绝缘子表面的污秽物将充分吸收水分，从而使污秽层中的 电解质溶解、电离，绝缘子表面带电粒子增多，导致污层表面电导急剧增加。这 时，绝缘子的表面泄漏电流就会逐渐增加，由于绝缘子本身的形状、结构尺寸的 影响以及绝缘子表面污层分布不均和潮湿程度不相同等因素作用，使得绝缘子表 面各部位的电流密度各不相同，从而在电流密度比较大的部位容易形成干燥带， 干燥带的形成促使绝缘子表面电压分布更不均匀，干燥带将承担较高的电压。当 电场强度足够大时，将产生辉光放电，从而产生局部电弧放电。这时，绝缘子的 表面放电模型，相当于表面局部干燥带电弧串联着一段污层电阻，此时局部干燥 带电弧有可能熄灭，也有可能发展。当局部干燥带电弧不断发生和发展，达到和 超过临界状态时，电弧将贯穿绝缘子的两极，完成表面的闪络。由此可见，绝缘 子的污秽闪络，取决于以下四个不同阶段的发生和发展：绝缘子表面的染污过程； 绝缘子表面污层湿润的过程：干燥带形成和局部干燥带电弧过程：局部干燥带电 弧发展直至贯穿两极的过程。因此，污闪的三要素是：绝缘子表面积污、污秽层 湿润和电压的作用。 a 污闪模型的建立 污闪模型的建立对于绝缘子污闪机理的研究起着至关重要的作用，如图1 - 4 所示即为污闪的物理模型，污秽绝缘子表面放电过程的物理模型包括一个跨越干 天津大学硕士学位论文第一章引言 区的局部干燥带电弧和一个与之串联的剩余污层电阻h 们； ，一l 。- 。-= = 二= 行_ | 若电p 且 一电弧 电弧 图1 - 4 污闪的物理模型，其中x = x i + x 2 代表总弧长； l 代表泄漏距离；l x 代表剩余污层长度 从该物理模型可以明显看出，外部施加电压可由两部分来承担：一是局部干 燥带电弧的压降，二是剩余污层电阻的压降，可以由下式来表示： u = a x i 一“+ r r ( l - x ) i ( 1 一1 ) 式中x 干燥带电弧长度； 单位长度的剩余污层电阻值： a ，n 电弧特性常数； l 绝缘子的泄漏距离； i - 加在绝缘子两端的电压； i 流过绝缘子表面的泄漏电流。 此模型可以用来说明闪络电压梯度e ：与闪络前一个周期内最大泄漏电流i 。 的关系。局部干燥带电弧发展为完全闪络的临界条件是： d i d x 0( 1 2 ) 令r 。为电弧单位长度上的电阻，则临界条件也可以表示为： r 。 4 5 0 m m 8 m m 板状，试样安装在图中的斜面上，斜面角度成6 0 。n a c i 电解 液从高压电极上的滴管中流出，经试样表面，流入事先准备好的下电极侧的容器 中。电解液电导率设置在20 02 m s c m ，滴水频率由微型水泵控制并设置在1 2 1 d r o p s m i n 。电解液滴落及干燥带放电过程使用高频快速摄像机记录。 豳2 - 3 基于动态水滴实验的憎水性检测系统电路 2 3 实验过程及相关参数 实验具体步骤如下： ( 1 ) 取三块憎水性不同的实验样品，a 憎水性完好：b 憎水性部分丧失：c 僧水性基本丧失。将样品用酒精擦拭干净放在室温下干燥2 4 小时。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置与实验方法 ( 2 ) 将一块样品安放在斜面电极上，如图2 - 3 所示。打开滴水装置，调节 继电器动作时间，控制电解液液滴频率在1 2 i d r o p s m i n 。从第一滴电解液滴 下开始计时，总计滴液五分钟。 ( 3 ) 关闭滴水装置，采用快速加压法给高压电极加5 k v 交流高压。 ( 4 ) 开启信号采集系统，打开滴水装置再次滴液并开始记录，此时样品表 面出现干燥带放电现象。液滴滴下三滴以后停止加压。其它两块样品依次按步骤 ( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 进行。 表2 - 1 给出了具体实验参数。实验条件严格安c i g r e 的相关标准执行。其中 为了避免当样品表面放电剧烈时引起滴管和高压电极间的放电，有意提高了滴管 相对高压电极的高度。 表2 - i 实验参数 实验样品8 0 r a m 5 0 r a m 8 m m 试验电源 5 0k v r m s 0 5a 采样频率 2 5 k 电解液滴落速率1 2 i d r o p s m i n 电解液电导率 2 0 0 2 m s c m 环境温度2 0 。c 2 大气压 7 6 0 砌f i - i g 相对湿度接近6 0 天津太学硕士学位论文第三章实验现象分析与光信号处理 第三章实验现象分析与光信号处理 本章根据实验过程中的滴水现象，硅橡胶表面电解液存在状态及引起的相关 放电现象等进行分析说明。应用自行研究的测光仪器提取实验过程中的光信号， 并加以分析。最后应用了a n s o f t 电磁场仿真软件对放电机理做了进一步的探索。 3 1 滴水过程中的实验现象 a 、b 、c 三样品经过五分钟滴电解液后，表面电解液聚集状态如图3 - i 所示。 其中图片上部份为实际拍摄图片，下部份是相应的示意图。从图片中可咀看出随 样品老化程度的不同，在相同滴水时间后表面水滴聚集状态存在明显差别。其中 a 样品表面憎水性完好，滴电解液五分钟后表面残留有极少量液滴。b 样品表面 僧水性部分丧失，滴水五分钟后表面留有较多电解液滴。形成了由水带和液滴交 替组成的导电通路。c 样品表面憎水性基本丧失，滴液五分钟后硅橡胶表面形成 了一条狭长的水带。 卜n ，阐 南 8 世 。 图3 1 橱水后不同憎水性样品袭面水j 茸檗集状态 3 2 实验过程中的放电现象 图32 给出了三种样品表面放电现象变化过程的对比。图中横向为同一样品 在5 s 的时间序列中的渐变趋势，以每秒为一个单位取样。a 、b 、c 分别代表憎 天津大学硕士学位论文第三章实验现象分析与光信号处理 水性完好、憎水性部分丧失及憎水性基本丧失的三种情况。其中a 样品只在电解 液滴落下来时刻( 此时记为0 时刻) 发生干燥带放电，电弧颜色中淡紫色较明显， 说明此时的干燥带放电中还伴随有强烈的电晕放电随后的一秒中内放电现象基 本消失( 如图3 - 2 ( a ) 所示) 。样品表面隧还残留有电解液滴，但不足以再次引 起干燥带放电。b 样品在电解液滴滴落时刻发生较强烈的干燥带放电，通过样品 表面的电流增加，此时伴随产生大量的焦耳热会蒸发表面电解液( 如图3 - 2 ( b ) 所示) 。且由于所加电压是交流，电压幅值变化过程中当电压不足以维持电弧灼 烧的临界电压值，电弧会产生短暂的熄灭。随后残留电解液缓慢向下流动，改变 样品表面电场分布情况，达到干燥带起弧的临界条件后，电弧再次跃起。但此时 的干燥带放电强度较初始时刻小，电弧发出的光成亮黄色与淡紫色的混合光。放 电产生的焦耳热将表面电解液逐渐蒸发，干燥带电弧也明显从某处的大电弧慢慢 分解为局部小电弧。放电光色中波紫色越来越明显，表明放电的强烈程度成递减 变化，电晕放电成分逐渐增多。到第4 s 时，样品表面己基本无明显放电现象。 放电过程中伴随有烟雾和烧焦羽毛的味道，这是由于干燥带电弧具有强氧化性， 其中的括性气体血，n o ，n 0 2 等对样品表面具有强氧化及腐蚀作用使硅橡胶材 料逐渐劣化。c 样品的放电变换过程的基本原理与b 样品相同，只是在0 s 时干 燥带放电电弧的半径更大，光强呈明显的亮黄色。5 s 后表面放电现象仍然存在。 ( 如图3 - 2 ( c ) 所示) 图3 2 ( a ) 憎水性完好样品a 放电变