涂抹RTV的绝缘介质表面流注传播特性的研究

孟晓波 梅红伟 陈昌龙 陈 灿 王黎明 关志成 周 军

（1.清华大学深圳研究生院 深圳 518055 2.中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

RTV 涂层具有很好的憎水性，在污秽状态下也能有很好的绝缘特性，因此，近年来RTV 涂料广泛应用于输电线路绝缘子上提高污秽状态下绝缘子的外绝缘特性。在长期的运行中，RTV 涂层表面的局部放电会使其逐步丧失憎水性，污闪电压也随之下降[1]。所以有必要研究RTV 涂层表面局部放电特性，寻找抑制涂层表面局部放电的方法。

RTV 涂料的广泛应用，关于RTV 涂料的研究也非常之多，为RTV 涂料的工程应用提供了很多理论依据[2-9]。可是关于RTV 涂层表面局部放电特性的研究却不多见。介质表面局部放电的过程包含电晕放电、流注放电和电弧放电。流注放电是局部放电中物理过程最为复杂的，流注放电在场强足够高的情况下将发展为先导放电和沿面闪络[10-16]。因此，局部电弧放电是由涂层表面电晕、流注放电造成的，研究RTV 涂层表面的流注发展过程有利于深入理解涂层局部放电的机理。同时，如果能将局部电弧放电抑制在流注发展阶段，由于局部放电造成的涂层性能降低将得到改善，将大大提高RTV 涂层的外绝缘特性。

在“三电极”结构中，利用光电倍增管测量洁净和涂抹RTV 涂料的绝缘介质流注传播特性。着重研究了洁净和涂抹RTV 涂料的绝缘介质流注传播过程的差异，分析了RTV 涂层对表面流注传播过程的影响。此外，对比了两个厂家RTV 涂层表面流注发展特性，为评估RTV 涂料的绝缘性能提供了一种可行的方法。

2 试验模型及测量系统

图1是试验模型和测量系统的示意图。两个平板电极和一个针电极组成三电极结构。平行极板的直径250mm，上下极之间的距离为100mm。针电极位于下极板中心的圆孔（直径10mm）处，针尖略高于下极板平面，并与下极板绝缘。绝缘片试品（长度100mm，宽度100mm，厚度5mm）垂直放置于两平行极板之间。上极板施加负极性直流电压，通过电阻分压器分压后经由同轴电缆接入电压测量仪表，下极板接地。针电极处施加一个幅值脉宽可调（1～6kV，100～250ns）的方波脉冲电压，触发放电产生正极性流注。方波脉冲经由泰克的高压探头分压后接入4 通道2GHz 的安捷伦示波器，并作为示波器的触发信号。

图1 试验模型和测量系统示意图Fig.1 Schematic of test model and measurement equipment

三个前面带有宽度1mm 窄缝的光电倍增管分别对准针尖、平行板电极中间位置、上极板的表面。由于流注发展过程中头部会向空间辐射光子，因此，光电倍增管可以监测流注的发展过程。通过观察3个光电倍增管的输出信号，就可以判断流注发展的长度，确定流注是否能发展到达上极板。

试验时，室内温度稳定在25℃左右，相对湿度保持在65%左右，气压为标准大气。试验中用到了三种试品，分别是尼龙片、涂抹RTV-1 的尼龙片、涂抹RTV-2 的尼龙片。同时，空气中的流注发展特性也进行了测量，用做绝缘介质表面流注发展特性的参照。

3 涂抹RTV 的绝缘介质表面流注发展特性试验结果

3.1 光电倍增管测量系统典型波形图

图2 绝缘介质表面流注发展的典型波形图(E=528kV/m)Fig.2 Typical photomultiplier signals of streamer propagation along insulation surface(E=528kV/m)

光电倍增管检测尼龙片表面流注发展过程的典型输出波形如图2 所示。可以发现，绝缘介质表面流注发展到达间隙中部、阴极板时有两个分量，如图2 所示2 号、3 号光电倍增管捕捉到了两个光脉冲信号，而空气中流注发展过程中光电倍增管至始至终都只捕获到一个光脉冲信号[16]。Allen 最先发现这个现象，并将绝缘介质表面流注的两个分量中发展速度快定义为“沿面”分量，发展速度较慢的定义为“空气”分量[12]。

3.2 流注传播电场强度

Allen 定义了流注传播到阴极板的概率为97.5%的外加电场为流注“稳定”传播电场Est[12]，本文采用此定义。简要叙述流注稳定传播电场的测量方法：保持针电极上脉冲电压幅值为Upulse，逐渐升高平板间所施加的直流电压Uapp。在每个电压值下，施加20次脉冲，每次脉冲间隔为20s，以保证前一次的流注放电残留的离子充分扩散假设对准负极板的3 号光电倍增管接收到n次脉冲信号，则该电压值所对应的流注在平行极板间传播到负极板的概率为n/20。随着两平行板间电压逐渐升高，流注的传播概率从0%逐渐增大到100%。流注传播概率和外加电场强度（Uapp/L）满足高斯分布函数，因此，可以利用高斯函数进行曲线拟合，继而就可以求出流注稳定传播电场，具体内容可参见文献[16]。

三种试片表面流注传播概率随外加均匀电场的变化曲线如图3 所示。利用高斯分布公式1 进行拟合得到流注传播概率随电场强度变化的统计分布曲线。

式中，Ec是电场强度的平均值；w是方差。

图3 三种绝缘介质表面流注传播概率随电场强度的变化Fig.3 Probability of streamer propagation as a function of guiding field along three different insulation surfaces

利用已知参数的高斯分布式（1）计算流注的稳定传播场强，结果如图4 所示。可以看出，尼龙片和涂抹RTV 的尼龙片表面流注稳定传播电场都和脉冲幅值成线性关系，随着脉冲幅值的增大，流注稳定传播电场减小。原因如下：外加脉冲电源幅值越大，流注初始获得的能量越大，后续的流注传播更容易，因此，流注传播所需的稳定传播场强小。此外，也可以看出涂抹RTV 涂料的尼龙片表面流注的稳定传播场强大于洁净尼龙片的流注稳定传播场强，而且不同的RTV 涂层表面流注的稳定传播场强存在较大差异。

图4 三种绝缘介质表面流注稳定传播电场随脉冲幅值的变化Fig.4 Stability fields for streamer propagation as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

在图4 中给出了拟合曲线和公式，所用的拟合公式为

式中，Est为流注稳定传播电场；E0为脉冲幅值为0时流注的稳定传播电场；u为脉冲幅值。

3.3 流注传播速度

流注稳定电场强度下，流注传播速度定义为流注稳定传播速度vst[12]。图5 给出尼龙片和涂抹RTV的尼龙片表面流注在稳定传播速度随外加脉冲电源幅值的影响。流注的传播速度是利用三个光电倍增管之间的垂直距离和其产生的脉冲信号的上升沿起始点的时间差ΔT 的比值得到。可以发现，尼龙片和涂抹RTV 的尼龙片表面流注稳定传播速度都和脉冲幅值成线性关系，随着脉冲幅值的增大，流注稳定传播速度增大。因为脉冲幅值为流注的产生和传播提供能量，脉冲幅值越大，流注初始时从脉冲电源获得的能量越大，因此流注初始速度会越大。

在图5 中给出了拟合曲线和公式，所用的拟合公式为

式中，vst为流注稳定传播电场Est下的传播速度；v0为脉冲幅值为0 时流注的稳定传播速度；u为脉冲幅值。

图5 三种绝缘介质表面流注稳定传播速度随脉冲幅值的变化Fig.5 Streamer stability propagation velocity as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

图6 和图7 分别给出了尼龙片和涂抹RTV 的尼龙片表面流注“沿面”分量和“空气”分量速度随外加电场强度变化的曲线。可以看出绝缘介质表面流注“沿面”分量的速度大于空气中流注传播速度，而“空气”分量的速度小于空气中流注传播速度。同时，“沿面”分量和“空气”分量的速度随着外加电场的变化不同，“沿面”分量速度受电场影响很大，随着电场增大，“沿面”分量速度显著增大；而“空气”分量受电场很小，随着电场增大，“空气”分量速度增长缓慢。此外，可以看出，尼龙表面涂抹RTV涂料之后表面流注的“沿面”传播速度减慢了，而且不同RTV 涂层的流注“沿面”传播速度也存在差别。三种绝缘介质表面流注的“空气”传播速度差异较小，大小基本相同。

图6 三种绝缘介质表面流注“沿面”分量传播速度随外加电场的变化Fig.6 Streamer propagation velocity(‘surface’ component)as a function of the electric field along three different insulation surface

图7 三种绝缘介质表面流注“空气”分量传播速度随外加电场的变化Fig.7 Streamer propagation velocity(‘air’ component)as a function of the electric field along three different insulation surfaces

图6 和图7 中的流注的速度曲线通过式4 进行拟合的。

式中，vs为电场强度E 下流注传播速度；n为级数，各个系数的取值如表1 所示。

表1 流注稳定传播电场、速度以及公式4 中的相关系数Tab.1 Streamer stability propagation field and associated velocities,together with coefficients for Equation 4

3.4 流注发光强度

流注的产生和发展过程中光电离起着至关重要的作用。流注头部的光电离产生的二次电子崩为流注补充正、负电荷，流注通道才得以向前发展。流注放电过程中产生的光子，一部分在放电区域内形成新的电子崩，一部分则散逸到放电区域以外。在一定的电场强度和空气密度条件下，散逸到放电区域以外的光子数量能在一定程度上反映总的光子数量，两者存在一定的比例关系。在本试验中，光电倍增管接收的光子就是散逸到放电区域外的那部分光子。同时，根据光电倍增管的工作原理其输出光脉冲的幅值和接收到的光子数目成正比例关系。因此，可以认为光电倍增管输出光脉冲的幅值反映了流注头部辐射光子的数目，从而可以反映流注放电过程中产生光子的量和后续的空间光电离的强弱。

图8 给出了在流注稳定传播电场作用下3 号光电倍增管（上极板处）输出光脉冲幅值随脉冲幅值的变化。可以看出，尼龙片和涂抹RTV 的尼龙片表面流注稳定传播中发光强度都与脉冲幅值成线性关系，有些成正比例关系，而有些成反比例关系。当所加脉冲幅值较大时，流注稳定传播场强较小，即外加场强较小。因脉冲幅值的增加而多注入的能量，不能弥补由于外加电场减小而造成的流注能量损失时，就造成了某些介质表面流注传播过程中发光强度随着脉冲幅值的增加而减小。

图8 三种绝缘介质表面流注稳定传播过程中发光强度随脉冲幅值的变化Fig.8 Light intensity of streamer stability propagation as a function of the pulse voltage amplitude along three different insulation surfaces

图9 三种绝缘介质表面流注稳定传播过程中“沿面”分量发光强度随外加电场的变化Fig.9 Light intensity of streamer stability propagation(‘surface’ component)as a function of the electric field along three different insulation surface

图10 三种绝缘介质表面流注稳定传播过程中“空气”分量发光强度随外加电场的变化Fig.10 Light intensity of streamer stability propagation(‘air’ component)as a function of the electric field along three different insulation surfaces

图9 和图10 分别给出了绝缘介质表面流注“沿面”分量和“空气”分量发光强度随外加电场变化的规律。可以发现“沿面”分量发光强度受电场强度影响很大；而“空气”分量受电场强度影响很小。三种试片“沿面”分量发光强度存在很大差别，而“空气”分量发光强度却差别较小。此外，可以看出，尼龙表面涂抹RTV 涂料之后表面流注的“沿面”发光强度减弱了，而且不同RTV 涂层的流注“沿面”发光强度也存在差别。对比图6 可以看出绝缘介质表面流注发光强度强的，其流注传播速度也大。因为流注发光强度与后续光电离有着密切的关系，流注发光强度越强，后续光电离就会越剧烈，促进了后续流注的发展，传播速度也会越大。

图9 和图10 中的光强度曲线可以通过式（5）进行拟合

式中，Ls为电场强度E 下流注传播过程中的发光强度；Lst为流注稳定传播电场强度Est下的发光强度；n为级数，各个系数的取值见表2。

表2 流注稳定传播电场、发光强度以及式（5）中相关系数Tab.2 Streamer stability propagation field and associated light intensity,together with coefficients for Equation 5

4 讨论

试验结果显示：尼龙片表面涂抹RTV 涂料之后表面流注稳定传播电场大于洁净尼龙片表面流注稳定传播电场，流注传播速度规律相反。此外，不同RTV 涂层表面流注稳定传播电场和传播速度也存在差异。下面将具体分析原因：

影响沿面流注传播特性的影响因素主要是介电常数和表面状况（电荷积累和附着、光致电子发射的能力）[12-15]。首先分析尼龙片涂抹RTV 后，介电常数变化带来的影响。尼龙片的介电常数是 5，RTV-1 的是3.6，RTV-2 的是3.8。图11是尼龙片和涂抹RTV 的尼龙片表面针电极前方1mm 以内电场变化情况，RTV 涂层考虑为0.5mm。可以发现涂抹RTV 的尼龙片针电极处电场被略微加强，大概到针电极前方1cm 处时，电场基本相同，由于针板间电势差相同，此时，涂抹RTV 的尼龙片处的电场反而会小一些，流注的发展肯定受到减弱的电场的作用而发展减缓。可是介电常数带来的电场变化是很微弱的，尼龙片和涂抹RTV 后的尼龙片表面流注特性应该不会有第二节试验结果那么大的差异，那么肯定是表面状况带来的变化产生的影响。

图11 针电极前方距离1mm 以内的轴向电场变化Fig.11 Electric field variation at axial distances up to 1 mm from the tip of the needle electrode

当尼龙片表面涂抹RTV 后，表面状况将发生很大的变化。如图12是三种材料表面在400 倍显微镜下的照片。可以发现RTV-2 涂层表面的粗糙度最大，RTV-1 涂层次之，尼龙片的最小。介质表面粗糙度越大，表面电荷积累越严重[17]。因此，从粗糙度角度来说的话，RTV-2 涂层表面最容易积累电荷，RTV-1次之，尼龙片最不容易积累电荷。

图12 三种绝缘介质表面状况显微图（400 倍）Fig.12 Micrograph of insulation surface(400 times)

介电常数（容性）对介质表面的电荷积累也有一定的影响，介电常数（容性）大的绝缘介质表面积累电荷越多[18,19]。RTV 涂层介电常数比尼龙介质小，但是尼龙片涂抹RTV 后体积变大了，整体的容性增加，表面电荷积累也会增多。因此，从介电常数角度来说，RTV-2 涂层表面最容易积累电荷，RTV-1次之，尼龙片最不容易积累电荷。

绝缘介质表面不可避免的要存在“缺陷”，即陷阱。绝缘介质表面陷阱能捕获电荷，陷阱越多，捕获的电荷越多，绝缘介质表面也越容易积累电荷[20]。根据硅橡胶和尼龙的TSC 试验结果（见表1），尼龙表面的陷阱数量大于硅橡胶的陷阱数量。因此，从表面的陷阱角度来看，尼龙介质表面的电荷积累比RTV 涂层要多。

表3 三种绝缘介质的TSC 特性Tab.3 TSC parameters of three kinds of insulation

综合考虑粗造度、介电常数（容性）、陷阱的影响，不好确定各种介质表面积累电荷的大小。根据文献[20]的试验结果，陷阱对表面积累电荷的影响程度不是太大，陷阱数量差距很大时，表面积累的电荷差距较小，因此，不考虑陷阱对绝缘介质表面电荷积累的影响。单从粗造度、介电常数（容性）角度考虑的话，RTV-2 涂层表面最容易积累电荷，RTV-1次之，尼龙片最不容易积累电荷。图13所示为绝缘介质表面存在负电荷时表面切向电场变化，三种绝缘介质表面电荷密度为按照大小规律假设值。

图13 绝缘介质表面存在负电荷时表面切向电场变化Fig.13 Variation of tangential electric field along insulation surfaces with negative charge

从图13 可以发现，由于负电荷的影响，涂抹RTV 的尼龙片针电极处电场增大很多，甚至，经过几厘米后，负电荷对电场的增强作用还很明显。与此同时，负电荷对绝缘材料后半段电场的影响也是很大的，绝缘介质后半段（靠近上级板）电场急剧减少，甚至出现负值。因此，电荷积累严重的绝缘介质表面的流注发展到后半段时由于表面电荷造成的电场削弱更严重，发展受到抑制，需要更大的外加均匀电场使流注能顺利发展到阴极板，而流注发展速度和头部发光强度也会减缓。此外，在流注沿介质表面发展时，表面容易积累电荷的绝缘介质，也更容易造成流注头部电荷的附着，造成流注头部电荷减少，不利于流注头部的电离作用，因此，流注的传播速度和头部发光强度会较小，同时流注的发展也需要更大的电场强度。因此，利用表面电荷造成的电场畸变和流注头部电荷附着效应对沿面流注传播的影响，可以很好的解释第二节中的试验结果：RTV-2 涂层表面的流注稳定传播电场最大，而传播速度和发光强度最小；RTV-1 涂层次之；尼龙片表面流注稳定传播电场最小，而传播速度和头部发光强度最大。

此外，绝缘介质表面光致电子发射也会影响流注的传播过程，表面光致电子发射越强，越有利流注的传播。根据TSC 试验结果（见表1），尼龙介质表面陷阱虽然很多，不过大都是浅陷阱，很容易在高场强作用下或光子、高能电子碰撞下释放电子，参与碰撞电离形成二次电子崩，促进流注的发展，而RTV 涂层表面陷阱很少，而且深度很深，需要更高的电场或更高能量的光子、电子撞击才会释放二次电子。在相同的条件下，RTV 涂层表面光致电子发射效应远小于尼龙介质。因此，从绝缘介质表面光致电子发射角度看的话，也可以很好的解释为什么RTV 涂层比尼龙不利于沿面流注的传播。

尼龙片涂抹RTV 涂料后，流注稳定传播电场增加，传播速度及头部发光强度减小，说明RTV 涂层不利于流注的发展。因此，RTV 涂层可以有效的改善介质表面的绝缘性能，避免沿面放电的出现。与此同时，不同厂家的RTV 涂料在流注传播特性上存在差异，特别是流注稳定传播电场存在不小的差距，这可能将造成在实际应用中RTV 涂层表面发生局部放电的情况存在不同。下一步进行深入研究和调研各种RTV 涂层现场局部放电的情况，结合流注试验数据，找出流注传播特性和现场局部放电严重程度的关系，应该可以提出一种基于沿面流注放电特性试验检验和评估RTV 涂料绝缘性能的试验方案。

5 结论

（1）尼龙片表面涂抹RTV 涂料之后表面流注稳定传播电场大于洁净尼龙片表面流注稳定传播电场，流注传播速度和头部发光强度的规律相反。

（2）不同RTV 涂层表面流注稳定传播电场、传播速度和头部发光强度存在差异，主要是不同厂家的RTV 涂料在性能上存在差异造成的。

（3）表面陷阱多、粗造度大、介电常数（容性）大的绝缘介质，其沿面流注稳定传播电场越大，相同的电场强度下的流注传播速度和头部发光强度越小。

（4）可以利用RTV 涂层表面流注传播特性试验检验和评估RTV 涂层绝缘性能。

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