复合绝缘子弱憎水性状态描述方法 Ⅲ——液滴面积法的适用性

戴罕奇 梅红伟 王黎明 王希林 赵晨龙 贾志东 关志成

复合绝缘子弱憎水性状态描述方法 Ⅲ
——液滴面积法的适用性

戴罕奇 梅红伟 王黎明 王希林 赵晨龙 贾志东 关志成

（清华大学深圳研究生院 深圳 518055）

寻求合适的方法及参数来描述染污复合绝缘子的弱憎水性状态，对弱憎水性状态给出明确的定义，并对当前已有的 7个憎水等级进一步细化。通过 10μL靛蓝溶液在染污高温硫化硅橡胶试片表面的垂直投影面积，来反映污层的憎水性状况，并尝试将液滴面积与染污绝缘芯棒的污闪电压建立联系，以揭示弱憎水性阶段憎水性能改变对绝缘子污闪特性的影响。结合液滴在污层表面的形态以及试品的污闪特性，在人工污秽试验的基础上将当前憎水等级HC7进一步细化为四个阶段，分别是 HC7A、HC7B、HC7C及 HC7D。比较液滴面积、液滴接触角以及喷水分级试验结果，将新憎水等级 HC7B定义为弱憎水性状态。试验研究认为：液滴面积法弥补了液滴接触角法在染污试品呈弱憎水性状态下的不足，可以用于弱憎水性阶段的憎水特性研究；而憎水性较强时，面积法对憎水性的辨识能力有限，选用接触角法更适合此阶段的研究。

弱憎水性 液滴面积 憎水等级 接触角 污闪 复合绝缘子

1 引言

复合绝缘材料在运行条件下逐渐老化，会影响其绝缘性能[1-3]。随着复合绝缘子在线运行时间的增长，有越来越多的故障被报道[4]，复合绝缘子故障分机械故障和电气故障[5]。机械故障，如绝缘子脆断，较多时候是由于早期生产工艺缺陷导致[6-8]；而电气故障，一方面是由于绝缘材料自身电气性能的下降；更多的时候则是异物闪络或者不明原因闪络[9-11]。到目前为止，国内已有相当数量的复合绝缘子在线运行时间达到了20年甚至 30年[12]。由于硅橡胶材料在电场及运行环境的综合作用下憎水性能下降[13-15]，以及绝缘子早期生产工艺存在缺陷，在未来的十几年中，复合绝缘子会暴露出越来越多绝缘问题。

当前，新输电线路设计之初，考虑到复合绝缘子憎水性能下降的问题，绝缘配合选择趋于保守，常以亲水性条件下的污闪特性作为复合绝缘子结构高度设计依据。绝缘子结构高度相当程度上决定了输电线路杆塔塔窗尺寸。杆塔成本在输电线路工程中所占份额约为 30%[16,17]，在绝缘子设计寿命内，适当缩短其绝缘高度，有显著的经济意义，尤其是对于造价高昂的特高压线路。以锡盟至南京1 000kV同塔双回交流特高压线路为例，全长 1 433.5km（同塔双回线路路径长度为 1 149.5km，单回线路路径长度为 284km），复合绝缘子的结构高度从 9.75m降至 9m后，由此减少了约 3.45亿人民币的工程投入。

弱憎水性状态有别于传统研究中的憎水性状态和亲水性状态，属于一个较新的研究范畴。研究复合绝缘子的弱憎水特性的意义体现在以下三个方面：其一，在未来十几年中，预计复合绝缘子的故障率会明显上升，出于对输电线路安全运行的考虑，可能会在较大范围内对不同老化程度的复合绝缘子进行更换。由于缺乏系统的理论指导，可能会出现因盲目跟风而造成不必要的浪费，甚至可能对复合绝缘子的应用产生负面影响。研究复合绝缘子弱憎水特性，有利于建立合理的绝缘状态评价体系；其二，绝缘子选型设计时绝缘裕度过大，造成大量经济浪费。研究复合绝缘子弱憎水特性，有利于合理设计绝缘子使用寿命，同时在确保安全运行的前提下，适度降低绝缘裕度，优化经济与效率；其三，硅橡胶材料表面憎水特性复杂，到目前为止，还缺乏认可的指导复合绝缘子人工污秽试验的国家标准。弱憎水性条件下相关特性研究，有助于完善人工污秽试验方法，推动相关标准的编制。

明确何谓弱憎水性，以及寻求合适的方法和参数来描述弱憎水性状态，是研究复合绝缘子弱憎水特性的基础。描述复合绝缘材料憎水性能的传统方法，包括液滴静态接触角法和喷水分级法，在弱憎水性条件下不再适用[18,19]。本文介绍了一种描述污层憎水性能的新方法，通过液滴面积来反映污层的弱憎水性状态，依据液滴面积与绝缘子污闪特性间联系，细化当前憎水等级，明确弱憎水状态定义。

2 试验方法

试验以“HTV试片+HTV芯棒”组合的方式完成，试片与芯棒以相同的污秽染污并在同样的环境下迁移，两者迁移时间相同。试片用于研究表面憎水性能，并将试片的憎水性代表芯棒的憎水性，试片尺寸为 13.9cm×12.9cm×0.4cm；芯棒是指爬电距离为20cm、不带伞裙的复合绝缘子，用于雾室受潮，以研究绝缘子不同憎水性条件下的污闪特性。染污HTV试品的制备、迁移环境的控制、芯棒受潮前的预处理工作、受潮时间以及试验次数，与文献[18]中内容完全相同，此处不再重复。

接触角的测量方式是导致接触角法在弱憎水性阶段不适用的重要原因。接触角法中，通过采集液滴侧视图来获取液滴的接触角，而在弱憎水性条件下，液滴会因铺展而导致侧面投影高度不断减小，导致图像处理困难；污层不均匀分布使得液滴表面局部间曲率半径不一致，造成接触角测量结果误差较大。污层分布均匀程度和憎水性强度，以目前的试验手段，无法准确控制，从而限制了接触角法的测量范围[18]。

在以液滴面积法来反映污层憎水性状态时，获取的是液滴的水平投影图像。摄像头垂直布置在试片上方，从俯视的角度拍摄液滴的铺展过程，液滴铺展过程与面积增长过程相对应，可以消除接触角测量中所面临的不利因素的影响。一方面，从俯视角度拍摄水珠扩散过程，容易通过图像处理手段将监测对象与背景区分；另一方面，以图像处理的方式计算铺展液滴的面积，关键在于获取液滴的像素信息，不受污层分布均匀程度及憎水性程度的影响。

试验过程中，液滴面积由图像处理软件计算获取。软件基于 LabVIEW 中的视觉处理技术自主开发而成，集图像采集和图像处理两大功能。从多张液滴形态图中获取的面积数据所组成的曲线，即为本文中的液滴面积变化曲线。取曲线末端趋于稳定的数据，作为液滴面积最大值，以反映试片当前的憎水性强度。面积越大，表明污层憎水性越弱。

试验过程中，通过测量试片表面 10μL靛蓝溶液水平投影面积（简称液滴面积）来反映污层的憎水性能。选择靛蓝溶液有两方面原因：一方面是在污层憎水性能较弱时，相较蒸馏水而言，靛蓝溶液对憎水性能的变化信号更敏感[18]；另一方面原因是靛蓝溶液是蓝黑色液体，相较于无色透明的蒸馏水而言，更容易识别液滴的边界，降低图像处理环节的计算难度。图 1和图 2分别是 10μL靛蓝液滴与蒸馏水落在污层表面时，相应图片的灰度像素数分布图。从图中可以看出：选用蒸馏水时，水滴灰度与背景灰度相互重叠，不易区分。

图1 靛蓝溶液沾湿局部污层图像及灰度信息曲线Fig.1 Wetted area by indigo solution and related grayscale information of the picture

图2 蒸馏水沾湿局部污层图像及灰度信息曲线Fig.2 Wetted area by distilled water and related grayscale information of the picture

测量污层表面液滴面积的同时，也测量了液滴接触角，从多个角度反映试品憎水性状况。试品以高岭土与 NaCl的混合污秽染污，灰密和盐密分别为1.0mg/cm2和0.1mg/cm2。高岭土有三种类型，分别是分析纯高岭土、化学纯高岭土和工业原料高岭土。三种高岭土混合物在获取憎水性的能力方面存在显著差异，以验证液滴面积法用于弱憎水性状态研究时的有效性。

3 试验结果

10μL靛蓝溶液在污层表面面积变化如图3所示。图3中的面积曲线有如下规律：①在染污HTV试片表面，液滴的铺展速度随着拍摄时间的增长而逐渐降低，10min内液滴面积趋于稳定；②当试片憎水性能较弱时，随着迁移时间的增长，液滴面积呈现出明显的收缩趋势，液滴面积最大值显著降低，即试片憎水性能较弱时，液滴面积对憎水性能的改善十分敏感；③试片憎水性能较好时，不同迁移时间所对应的液滴面积变化曲线相互靠拢，液滴面积最大值趋同。

图3 染污试片表面10μL靛蓝溶液面积变化曲线Fig.3 Change of area for 10μL indigo solution on polluted plate samples

将迁移不同时间的 HTV芯棒移入雾室受潮90min后，升高绝缘子两端电压至闪络，得到芯棒不同迁移时间后的污闪电压，如图4所示。图4反映了三种高岭土污层获取憎水性的能力差异，同时也说明憎水性随迁移时间增长呈现出波动性增长。绝缘子的污闪电压不随迁移时间的增加而稳步增长，导致单一的迁移时间不能作为评价污层憎水性能强度的准确参数。到目前为止，不同科研单位对人工污秽试验条件设置不一致[20]，主要原因就是刻意将染污绝缘子污层的憎水性强弱与迁移时间相关联。迁移过程受迁移环境影响较大[20,21]，不同实验室，相同的迁移时间，绝缘子表面憎水性差异较大，图 4所揭示的污层憎水性能随迁移时间呈波动性增长的规律，进一步加剧了憎水性能方面的差异，从而各单位对迁移时间有不同规定。

图4 芯棒污闪电压随迁移时间变化过程Fig.4 Flashover voltage of rods with different migration time

污层憎水性波动性增长也体现在液滴面积最大值变化上，如图5所示。相较图4而言，图5中所表现出来的波动性比较弱，尤其是在试片迁移时间较长时，这种波动极不明显。其原因在于：迁移时间较长时，从总体上来说，试片憎水性能趋于良好，液滴在污层表面不再铺展，形态呈半球状甚至椭球状，液滴面积变化不大，从而液滴面积法对憎水性能较好时的憎水性能改变信号不敏感。与之相对的是：接触角法在污层憎水性能较弱时对憎水性能的变化信号不敏感，容易进入测量盲区；而在憎水性较强时，却对憎水性变化信号敏感[22]。本文主要研究弱憎水性条件下相关特性，液滴面积对弱憎水性状态下的憎水性信号敏感的特征，适合作为特征参量来表征弱憎水性状态下的憎水性能变化。关于憎水性随迁移时间呈波动性增长的原因，将在其它论文中专门讨论。

图5 10μL靛蓝面积最大值随迁移时间变化曲线Fig.5 Maximum area of 10μL indigo solution change with the time of hydrophobicity transference

4 讨论

4.1 液滴面积最大值与污闪电压梯度

将图4中的污闪电压数据除以HTV芯棒的爬电距离，得到HTV芯棒的污闪电压梯度。将HTV芯棒的污闪电压梯度与图5中的液滴面积最大值绘制在同一张图中，建立绝缘子污层憎水性能与绝缘子污闪特性的联系，如图6所示。虽然三种高岭土在获取憎水性的能力上有明显差异，但是，将三种高岭土染污试品的试验结果放在一起时，液滴面积最大值与污闪电压梯度间却呈现出了良好的函数对应关系，这使得通过液滴面积来描述染污试品的弱憎水特性有了实质意义。

图6 液滴面积最大值与HTV芯棒污闪电压梯度Fig.6 Maximum values of droplets area and flashover voltage gradient of HTV rods

依据液滴形态以及污闪数据的分散性，将图 6中的相关内容根据液滴最大面积进一步细分为三个区域，对于 10μL靛蓝溶液而言：区域 3对应的液滴最大面积处于（8mm2，15 mm2）之间；区域 2对应的液滴最大面积处于（15mm2，120 mm2）之间；区域1对应着液滴最大面积大于120 mm2的情形。

图7的数据来自7片不同迁移时间的高岭土染污HTV试片，在每块试片上随机选择三个点分别进行10μL靛蓝溶液面积测量、10μL靛蓝溶液接触角测量以及 10μL蒸馏水接触角测量，由于每种参量仅测量了一次，所以图7中各个参数并不能代表该试片污层的整体憎水性能。但是，这种随机测量过程，能够说明 10μL靛蓝溶液最大面积趋近 15mm2时，液滴接触角所处范围。由图 7可知：当 10μL靛蓝溶液最大面积趋于 15mm2时，10μL靛蓝溶液和蒸馏水的接触角均大于75°。此时，无论是10μL蒸馏水还是靛蓝溶液，液滴在污层表面已经收缩且趋于半球状。

图7 液滴最大面积与液滴接触角稳定值Fig.7 Droplet maximum area and stable contact angle

在人工污秽试验中，当 10μL蒸馏水接触角在90°左右时，通过喷水分级方法得到的试片表面憎水等级为HC7。但是，与喷水分级结果不同的是：芯棒在雾室受潮较长时间后，污层表面密布呈球状的微小水珠，而并非在其表面形成连续水膜，污层整体尚比较干燥，如图8及图 9所示。

图8 芯棒雾室内受潮245min后的表面水珠形（10μL蒸馏水和靛蓝液滴接触角稳定值为100°和95°）Fig.8 Drops on the rod after wetting 245 minutes (stable CA for 10μL distilled water and indigo solution are 100° and 95°）

图9 接触角稳定值90°时试片受潮后表面液滴Fig.9 Drops on the surface after wetting for the situation when stable CA is 90°

试品表面的憎水性能越好，其表面液滴会越收缩，液滴面积则越小，同时液滴接触角则会明显增大。因此，针对图6中液滴面积最大值在（8mm2，15mm2）间的区域 3，该区域内各试品污层的憎水性能较好。待试品受潮过程结束时，污层表面没有形成连续水膜，而是在局部区域聚集微型小水滴，或者零散分布着尺寸相对较大的水珠，污层表面相当多的区域还显得比较干燥。从而，各个试品污层在升压闪络前的受潮程度迥异，升压闪络过程中，污层表面离散分布的水珠放电对污闪电压影响显著，以至于区域3内各个数据的分散性较大，使得液滴面积最大值与污闪梯度没能建立明确联系。但是，处在区域3内的试片，除了虚线圆圈中的两组数据外，均有较高的污闪电压梯度。针对与虚线圈内数据相对应的HTV芯棒进行分析，发现这些芯棒表面均有明显的水滴滑落痕迹，其原因是：试品表面憎水性能比较好时，雾室中的水雾以水珠形态在芯棒表面聚集，当水珠体积超过一定界限则会沿芯棒滑落。水滴滑落的作用相当于缩短了芯棒爬电距离，从而降低了其闪络电压。可能存在的不同程度水珠滑落过程，也是造成区域3内HTV芯棒闪络电压分散性较大的另一原因，对于带有伞裙的真实绝缘子而言，这种水滴滑落情况将会明显减少，从而有利于减小该区域内污闪数据的分散性。

图6中区域1内试品表面，液滴完全铺展，液滴接触角趋近于0°；在区域2内，试品表面液滴铺展程度大幅度降低且最终呈现出半凸透镜状形态，液滴形态稳定后有一定的接触角，但接触角数据分散性很大，准确测量依旧困难；区域3所对应的试品，液滴在污层表面几乎没有铺展，形态接近半球状甚至是椭球状。整体而言，区域1及区域2内污闪电压梯度与液滴面积最大值较好的服从负幂函数关系，数据分散性小。但是，区域2内椭圆圈住的几组数据，偏离趋势线的程度较大，故作为特殊讨论对象加以分析。分析发现，在这几组数据所对应的染污 HTV试片表面，靛蓝液滴对污层有明显的渲染效果，且渲染区域面积远大于液滴面积，水滴渲染污层的效果如图 10所示。污层被液滴渲染后，表面虽然没有明水，但相应区域污秽也已明显受潮，对于这种憎水性强度的污层而言，其在雾室受潮90min后，与处于区域1内的试品在受潮90min后的受潮程度接近，均能使污层充分受潮，故污闪电压很低。限于目前试验条件，在计算液滴面积时，只能准确识别污层表面有明确颜色边界的液滴面积，尚不能准确识别液滴渲染部分的面积，这是造成图6中区域2内试验结果出现分散性的原因。随着污层憎水性的增强，液滴渲染会逐渐减弱，对于区域2内趋势线附近点所对应的试片，液滴在这些污层上的渲染作用不明显，与液滴面积相比，渲染面积可忽略不计；区域1内各点所对应的试片上，液滴的铺展过程和渲染过程都非常显著，由于该区域所对应试片上，液滴铺展范围已经很大，再考虑液滴对污层的渲染作用意义不大。区域1中所对应的试品，其污层均能较充分的受潮，这也是区域1内液滴面积最大值变化范围很大，但是污闪电压却不明显变化的原因。从污闪电压角度考虑，区域 2内椭圆所标注的几组数据，被划分到区域1更合适，因此，可以将液滴对污层有明显渲染效果的情形，作为区域1与区域2的过渡环节。

图10 液滴的铺展与渲染Fig.10 Rendering and spreading of droplet

通过上述讨论，可将现有的憎水性等级进一步细化，方法如下：①从试片整体憎水性能考虑，试片当前憎水等级要满足 HC7的要求，可在观测液滴形态后再进行喷水分级试验加以确定；②针对试品污层不同强度的弱憎水性状态，从液滴形态角度考虑，分别与图6中的三个区域相对应，在区域1与区域2之间添加一个有液滴渲染的过渡形态，从而将HC7级再次细分为4个等级：1）液滴完全铺展或接近完全铺展，接触角趋近于0°，其表面特性完全呈亲水性，将此憎水性级别记为 HC7D；2）液滴铺展过程明显，同时液滴对污层的渲染效果显著，相较液滴面积而言，渲染区域面积不可忽略。液滴形态稳定后，能够观察到较小的接触角但不易测量，将此憎水性级别记为HC7C；3）液滴有一定的铺展过程，对污层渲染作用不明显，相对于液滴面积而言，液滴渲染区域面积可忽略不计，液滴稳定后呈半凸透镜状形态，有比较明显的接触角，将此憎水性级别记为HC7B；4）液滴几乎不铺展，也不存在液滴渲染过程，液滴稳定后呈半球状甚至椭球状，将此憎水性级别记为HC7A。10μL液滴滴在污层表面停留 6～10min后，HC7D~HC7A所对应的液滴典型形态如图11所示。

图11 HC7D～HC7A所对应的液滴典型形态Fig.11 Typical morphology of droplets for HC7D to HC7A

从 10μL靛蓝溶液在污层表面最大面积这一角度，对本文中的 HC7A～HC7D进行初步量化：①HC7D，在不计液滴渲染面积时，液滴面积最大值>200mm2；②HC7C，在不计液滴渲染面积时，液滴面积最大值<120mm2；③HC7B，15mm2<液滴面积最大值<100mm2；④HC7A，8mm2<液滴面积最大值<15mm2。HC7中A、B、C、D四个阶段，对于HC7A，由于试品受潮时液体在污层表面以离散水珠的形式存在，可以认为其属于较强憎水性，在此基础上憎水性能进一步改善，污闪电压并不一定明显升高，与受潮过程及液滴分布关联很大；针对HC7D和HC7C所描述的憎水性状态，更准确的说，应将其归类为强亲水性；从HC7B开始，液滴才有比较明显的接触角，并且污闪电压与液滴面积在此段间存在着较好的函数关系，因此，将HC7B阶段定义为弱憎水性阶段。

针对HC7B级憎水性，10μL蒸馏水接触角稳定值常处于（30°，90°）区间段，但是接触角在弱憎水性阶段对憎水性状态不敏感，且测量受污层表面状况影响太大，时常陷入测量盲区，导致在该憎水等级下，获取接触角稳定值不如获取液滴面积最大值容易。

4.2 液滴面积在污层表面的分散性

当污层憎水性能不够强时，沿试片表面存在突出的憎水性不均匀分布问题，该问题是导致静态接触角法在弱憎水性状态下不适用的重要原因。从HC7D到 HC7A，本文研究了各阶段试片表面不同位置处液滴面积最大值的分散性。

对于完全亲水性状态的HC7D试品，通常对应着迁移时间非常短、污层刚干燥不久时的情形。此时液滴在污层表面的面积大小呈统计规律，和各种惰性物质的吸水性能密切联系，与憎水性能无关。液滴在HC7D憎水等级表面接近完全铺展，单个液滴的面积都很大，由于不同液滴的面积大小具有统计性，故同一试片不同位置处，液滴面积最大值会有较大差异。对于不同的惰性物质污层，HC7D表面液滴面积最大值分散性不同，就 10μL靛蓝溶液而言，吸水性弱的惰性物质，差值在80mm2左右；吸水性很强的惰性物质，不同部位液滴面积最大值的差异可以达到 200mm2。HC7D阶段液滴面积分散性如图12所示。

图12 HC7D表面10μL靛蓝液滴面积分散性Fig.12 Dispersion of 10μL indigo solution areas in HC7D

HC7C作为强亲水性和弱憎水性间的过渡环节，液滴虽然有了初步的收缩聚拢趋势，也有了微弱的接触角，但是不同部位处液滴面积大小仍存在一定分散性；对于吸水性较强的惰性物质，如工业原料高岭土，分散性可以达到70mm2；而对于吸水性较弱的惰性物质，如分析纯高岭土，分散性就明显减小，通常小于30mm2。对于HC7C憎水等级污秽，虽然污层表面获取了少量低表面能小分子链，已经呈现出极微弱的憎水性能，但仍然是侧重于很强的亲水性。在HC7C等级中，要关注液滴对污层的渲染作用，渲染面积的大小，与惰性物质的种类有关，通过分析液滴面积最大值和污闪电压梯度的关系可以发现，HC7C表面液滴面积明显小于 HC7D表面液滴面积，但是污闪电压却较低，所以对于HC7C憎水等级，有必要将液滴渲染部分面积考虑到液滴面积当中，但是不能直接计入，需要根据渲染程度进行折算，折算比例系数还有待进一步研究。

HC7B憎水性等级表面，液滴面积的分散性较小。当液滴面积较大时，如大于50mm2时，对于吸水性较强的污层，分散性一般在20mm2以内；而对于吸水性弱的污层，分散性则在 10mm2以内。在HC7B阶段，随着憎水性能逐步增强，液滴面积会逐渐减小，其分散性也在逐步降低，对于所研究的三种高岭土污层，面积的分散性都在10mm2以内，如图 13所示。在 HC7A憎水等级中，液滴已经收缩呈半球状或球状，液滴面积最大值间基本上没有差异。由于此时液滴面积对污层憎水性能的变化信号已经不敏感，限制了其在HC7A阶段的适用性。针对HC7A这种憎水性较强的情形，液滴静态接触角法则更适合该阶段的憎水性能研究。

图13 HC7B表面10μL靛蓝液滴面积分散性Fig.13 Dispersion of 10μL indigo solution areas in HC7B

研究HC7B阶段的污闪特性对于复合绝缘子的选型设计及结构优化具有非常突出的意义。HC7B作为弱憎水性阶段，憎水性开始清晰显现，但憎水性能并不强，在此阶段，液滴最大面积与污闪电压梯度间存在着比较明确的函数关系，可以利用HC7B阶段的相应特征，模拟复合绝缘子表面憎水性能下降时的情形，从而优化绝缘子的结构高度。HC7B阶段，液滴面积分散性随着憎水性能改善而显著降低的趋势，使得液滴面积法在描述弱憎水性状态时具有便利性。

4.3 液滴面积法适用范围进一步探讨

以上关于液滴面积法的讨论是基于定量涂刷的染污方式，污秽以毛刷涂刷时用水量少，对 HTV试片原有的憎水能力破坏不明显。在复合绝缘子的人工污秽试验中，常用的一种染污方式是浸污法，浸污法由于用水量较多，通常会破坏 HTV试品表面原有的憎水性能，从而以浸污法染污的HTV试品，污层表面要获得较好的憎水性能通常需要更长的时间。本节设置了一组以浸污法作为染污方式的人工污秽试验，以讨论液滴面积法的适用范围。依据标准DL/T859—2004中关于复合绝缘子浸污法的相关内容：试品盐密、灰密分别是 0.1mg/cm2和 1.0mg/cm2时，惰性物质及NaCl用量分别是320g/L和20g/L，如图14所示。

图14 污秽盐度与盐密曲线Fig.14 Curves for salinity and salt density

选用分析纯高岭土作为惰性物质，NaCl作为可溶性盐，依据标准配置盐密、灰密分别为0.1mg/cm2和1.0mg/cm2的混合污秽，同时染污HTV试片及芯棒，并以试片和芯棒组合的方式进行研究，研究方法与前文所述内容一致，10μL靛蓝面积最大值与染污HTV芯棒污闪电压梯度如图15所示。

图15 10μL靛蓝面积最大值与芯棒污闪电压梯度Fig.15 Maximum droplet areas of 10μL indigo solution and flashover voltage gradient of HTV rods

由图15可以看出，即使是通过浸污法染污的试品，液滴面积最大值与污闪电压梯度间仍然存在着类似的负幂函数的关系。标准规定，浸污法染污试品，应对试品表面污秽含量进行校核，确定所覆污秽是否与预定污秽度相符合[23]。故对图中A、B、C、D四点所对应的HTV芯棒进行抽检，试验结果如表所示。由表可以发现：①试品B污闪电压梯度明显偏低，是由于相较于其它试品而言，实测盐密最高；②试品A表面污层真实含盐量最少，其污闪电压较低则是由于其憎水性能较弱所导致；③采用浸污法时，从统计规律上看，各个试品表面污秽含量大致相当，但是，依据标准所配置的污秽，在芯棒表面实测盐密、灰密分别在 0.04mg/cm2与 0.36mg/cm2左右，与标准中给出的 0.1mg/cm2盐密和 1.0mg/cm2灰密相比则相去甚远。表面污秽真实含量的差异，也是导致图6与图15中拟合曲线系数相差较大的原因。试品污秽含量实测结果与标准中所述情况偏差很大，说明浸污法难以控制试品表面真实积污量。尽管如此，图15与附表仍能够说明，即使是以浸污法染污的试品，液滴最大面积与污闪电压梯度间仍然存在着比较明确的函数关系，也说明液滴面积法适用于以浸污法染污的人工污秽试验憎水性能研究。

表 染污HTV芯棒抽检结果Tab. Sampling inspection results for polluted rods

至此，已经讨论了液滴面积法在染污复合绝缘子弱憎水性状态下的研究意义。随着憎水性能逐步增强，液滴面积对憎水性能变化信号的敏感性逐渐下降，这一特性与接触角随憎水性强度变化的特性正好相反。因此，可以结合液滴面积与液滴接触角的特性，共同研究复合绝缘子不同憎水性条件下的相关性能。

5 结论

本文提出了以污层表面液滴面积来描述污层憎水性能的新方法，并首次从污闪电压和受潮过程的角度，对弱憎水性状态给出了定义。在试验的基础上，证实了液滴面积法在弱憎水性阶段的适用性。本文主要结论如下：

（1）在弱憎水性条件下，液滴面积最大值可以反映污层憎水性状况。根据液滴形态及污闪试验数据，在已有的7个憎水等级基础上，对HC7实现了细化，并将HC7B定义为弱憎水性阶段。

（2）在HC7B阶段，憎水性开始较明显的发挥作用，液滴面积对憎水性能的变化信号敏感，此时液滴面积容易测量且分散性小，与污闪电压间的函数关系明确，弥补了静态接触角法在此阶段的不足。

（3）随着憎水性能逐步增强，液滴面积对憎水性能变化信号的敏感性逐渐下降，这一特性与接触角随憎水性强度变化的特性正好相反，因此可以利用液滴面积法与液滴接触角法的各自优势，共同研究复合绝缘子的憎水性能。在HC7A阶段，液滴面积法已不再适用，采用静态接触角法更能反映污层表面的憎水性能。HC7A阶段污闪电压分散性较大，这与试品的受潮状态有很大关联。此时单纯研究憎水性强度已经意义不大，需同时考虑不同受潮特性下的电弧发展过程。

（4）对于染污HTV试片表面的弱憎水性状态描述，液滴面积法具有较好的适用性。包括以毛刷涂污的试品和浸污法染污的试品，试品表面液滴面积均能与绝缘子的污闪特性建立良好的联系。

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Description Method Ⅲ—for Unobvious Hydrophobic State of Composite Insulators Usability of Droplet Area Method

Dai Hanqi Mei Hongwei Wang Liming Wang Xilin Zhao Chenlong Jia Zhidong Guan Zhicheng

（Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University Shenzhen 518055 China）

This paper aims to find out proper parameters to describe the unobvious hydrophobic state of polluted composite insulators, and to define the unobvious hydrophobic state clearly based on refinement of present hydrophobicity class(HC). Droplets horizontal projected area of 10μL indigo solution was used to reflect the hydrophobic state of dirty layer. Relationship of droplet area and flashover voltage was built for illustrating the influence of hydrophobicity on polluted flashover characteristics. Considering about the morphology of droplets and flashover values of samples, HC7 is divided into 4 stages, respectively are HC7A, HC7B, HC7C and HC7D. Comparing with test results of droplets area, contact angle and results of spray grading, HC7B is defined as unobvious hydrophobic state in this paper. Tests suggest that droplet area method is suitable for unobvious hydrophobic surface, on which contact angle method is unsuitable for describing hydrophobicity state. However, in the cases of polluted surface with strong hydrophobicity, droplet area method fails to specifically differentiate hydrophobicity state. Contact angle method is a good choice for strong hydrophobic surfaces

Unobvious hydrophobicity, droplet area, hydrophobicity class, contact angle, pollution flashover, composite insulators

TM215.92

戴罕奇 男，1984年生，博士研究生，主要从事高电压外绝缘方面的研究工作。

国家自然科学基金资助项目（51377093）。

2013-04-22 改稿日期2013-06-02

梅红伟 男，1979年生，博士后，主要从事高电压与绝缘技术方面的研究工作。