RTV涂层表面绿球藻的生长对绝缘支柱电气性能的影响

李亚伟 张星海 陈洪波 白 欢 杨晓磊, 杨 昊

电力系统

RTV涂层表面绿球藻的生长对绝缘支柱电气性能的影响

李亚伟1张星海1陈洪波1白 欢1杨晓磊1,2杨 昊2

（1. 国网四川省电力公司电力科学研究院 成都 610072 2. 西安交通大学 西安 710049）

在四川等潮湿地区，涂覆RTV涂料的绝缘子表面往往会大量生长绿球藻，给绝缘子带来了潜在的运行风险。因此，本文首先调研了四川地区各变电站内绝缘子表面绿球藻的种类、生长状况和覆盖特性，然后取样分析了绿球藻对支柱绝缘子表面积污和憎水性分布的影响，最后进行了长有绿球藻绝缘支柱的操作冲击闪络特性试验和自然污秽试验，以及模拟自然污秽状况下的人工污秽试验。通过以上研究，获得了绿球藻对支柱绝缘子表面憎水性、操作冲击以及污秽闪络特性的影响。结果表明，绿球藻多生长于支柱绝缘子伞裙上表面，并使被覆盖区域的憎水性大大降低，从而导致污秽闪络电压降低，但其操作冲击特性并未因为绿球藻的存在而明显降低。

绿球藻 RTV涂层 支柱绝缘子 憎水性 电气性能

1 引言

硅橡胶类复合绝缘材料具有优越的憎水性能，可大幅提升绝缘子的污秽闪络性能，因此，室温硫化硅橡胶（RTV）涂料被广泛应于瓷、玻璃等无机外绝缘表面。但近年来，四川地区至少28座变电站内涂覆RTV涂料的设备表面出现绿球藻大量生长的现象。作为有机生命体，绿球藻本身具有相当的导电性，它在外绝缘设备表面也呈现明显的不均匀分布特征，这在很大程度影响了输变电设备的外绝缘性能，给电网安全稳定运行构成了潜在的威胁。对此，各国学者进行了研究，如瑞典Gubanski研究了孟加拉国和坦桑尼亚复合外绝缘表面的寄生物生长状况后，认为寄生物生长环境较为清洁，污秽度很低，因此由藻类等寄生物引起的闪络风险可以忽略[1,2,3]。Rocha J M S [4]以及Bengtsson M[5,6]的研究则认为，由于藻类等的出现，导致复合绝缘表面憎水性丧失，从而使污闪电压下降。其中J M S Rocha利用盐雾法对长有寄生物的绝缘子进行了闪络试验，发现闪络电压比不长藻的情况下下降了30%左右[4]。这些研究所选取的地区气候和我国南方有很大的不同，寄生物种类也存在很大差异，对国内出现的藻类大量生长情况下的运维策略提供的参考价值有限。

因此，亟需对RTV表面绿球藻的生长状况及其对绝缘子外绝缘性能的影响进行深入研究，调研绿球藻的生长状况和分布，并对其进行运行风险评估，以便制定相应的运行维护策略，确保电网安全稳定运行。

2 绿球藻的生长习性及分布

2.1绿球藻生长习性

绿球藻是一种单细胞微藻，属绿藻门、绿藻纲、四胞藻目、胶球藻科，藻细胞壁薄，呈球形或卵圆形，直径在10μm量级，内部含有一个卵圆形或杯状的叶绿体，一个细胞核及几个线粒体[2]。绿球藻通过光合作用获取能量，在光照不太强烈且湿度较大的环境下，通过细胞分裂方式繁殖。绿球藻生长所需的无机营养主要来自绝缘子表面污秽和复合绝缘内部填料的迁出。

绿球藻生长的温度范围较广，在0℃～30℃范围内，藻细胞数目都有不同程度的增加，温度达35℃时，原有群落开始衰退，生长率出现负值。其最适温度为20℃[5,6]，也有文献报道（25±5）℃的范围适合该藻生长[7,8]。绿球藻的生长对pH有较强的适应性，在pH 6.2～9.8的范围内均能较好的生长，但在酸性较高的条件下，营养源的吸收受到阻碍，藻细胞的生长受到抑制[6]。

在变电站内，由于RTV涂料自洁性较差，容易粘附灰尘，绿球藻孢子依附于污秽表面，在合适的温湿度及光照条件下，绿球藻孢子通过细胞分裂大量繁殖，导致RTV涂料表面形成绿球藻生物污层。

绿球藻在四川省除攀枝花、西昌外的各地区变电站RTV绝缘子上均有发现。攀枝花、西昌等地区气候干燥，绿球藻不易繁殖，而盆地内部其它地区则属于典型的亚热带季风性气候，阳光少湿度大绿球藻极易在积聚污秽的RTV涂层表面大量繁殖。

2.2RTV涂层表面污秽度

为了解长有绿球藻的RTV绝缘子表面污秽状况，对巴中110kV信义变电站35kV 刀闸的RTV支柱绝缘子进行洗测，该绝缘子如图1所示。分别选取上、中、下三组伞（每组1大伞和相邻1小伞），对其上、下表面进行洗测，以确定其等值盐密（ESDD）分布。

图1 洗测试品Fig.1 Sample for ESDD measurement

其伞形参数如表1所示:

表1 支柱绝缘子伞形参数（mm）Tab.1 parameters of tested post insulator（mm）

上表中，D、D1、D2分别为大、小伞的盘径和支柱杆径；S、S1、S2分别为相邻大伞之间、大伞到下方小伞、小伞到下方大伞之间的伞间距；P1、P2分别为大、小伞之间的伞伸出。

等值盐密洗测结果如图2所示:

图2 污秽度洗测结果Fig.2 Results of pollution level measurement

由图2（a）可知，支柱绝缘子沿串平均盐密两端高中间低，呈“U”形分布。由于干燥状态下绝缘子两端场强集中，受电场对污秽物质的吸引作用，两端更易积聚污秽，因此沿串污秽呈“U”形分布，这和线路绝缘子串的积污规律是一致的。

图2（b）为中间一组伞中大、小伞的洗测结果，从中可以看出小伞表面污秽度明显高于大伞表面。小伞受大伞遮挡，使雨水的清洁作用大大降低，导致小伞表面盐密较高。

上表面盐密显著高于下表面，两者相差2～3倍。一方面，绿球藻在伞裙上表面生长并大量繁殖导致上表面憎水性变差，污秽附着能力增强，另一方面绿球藻分泌物使污层具有较强粘附力和水土保持能力，导致上表面污秽度明显高于下表面。

绝缘支柱上、下表面平均盐密分别为0.235 mg/cm2和0.091mg/cm2，其整体平均盐密为0.165 mg/cm2。污秽度较重的可能原因为，绿球藻细胞内具有大量有机、无机电解质，本身具有一定的导电性，细胞壁破裂后，大量电解质释放到细胞外被污秽物质附着，导致表面盐密增加。

2.3绿球藻分布规律

通过对川内广安、广元、巴中、雅安等地区不同电压等级的变电站内RTV绝缘子表面绿球藻的分布状况进行调研，发现大部分变电站支柱绝缘子表面绿球藻均沿周向分布，如图3所示的各变电站支柱绝缘子。由于川内大部分地区常年高湿，日照不足，绝缘子表面各方向生长条件差异不大，因此绿球藻的生长没有明显的方向性，呈环形分布在伞裙上。

图3 绿球藻分布状况Fig.3 distribution of chlorococcum

由图3可知，绿球藻主要生长于伞裙上表面，且越靠近伞裙边缘，绿球藻污层厚度越大。在湿度较大地区，绝缘子下表面、伞裙根部有时也会生长绿球藻，如图3（c）所示。

绝缘子伞裙上形成粗糙结构后污秽固着不易流失，上表面容易接触到足够的水分和光照，绿球藻生长较为茂盛；伞裙下表面光照和水分相对较少，且污秽附着较少，绿球藻难以生长。因此绿球藻主要生长于伞裙上表面。

通常情况下支柱绝缘子伞裙根部由于受伞裙遮挡表面干燥且光照不足，绿球藻分布较少；当支柱绝缘子离地位置较高且运行环境长期高湿或降雨时常伴有横向风力作用时，伞裙根部和小伞上表面甚至伞裙下表面也能够接受充足的阳光和水分，此时绿球藻便会在这些部位生长。

观察发现，在同一变电站，电压等级越高，其绝缘支柱表面绿球藻生长越少。如在同一变电站内，220kV场的支柱表面绿球藻生长密度要远大于110kV场，而变压器套管、母线支柱、门型塔上绝缘子串表面则几乎没有绿球藻生长。这是因为电压等级较高的绝缘支柱所处高度往往也较高，绿球藻孢子相对不容易扩散到更高处。另一方面，更高电压等级的绝缘子伞裙间距较大，且绝缘子所处位置也更开阔，绿球藻等喜阴植物不易在开阔地带生长。

3 绿球藻对RTV涂层憎水性的影响

为评估绿球藻对RTV涂料憎水性的影响，将同一根涂RTV支柱绝缘子上长有绿球藻和无绿球藻部位的憎水性能进行了对比，试品为信义110kV变电站35kV刀闸支柱绝缘子。

图4（a）、（b）分别为同一支绝缘子长有绿球藻的RTV表面和未长绿球藻RTV表面憎水性测试结果。图中可以看出绿球藻表面已基本变为水膜，而未长绿球藻RTV表面仍为分离水珠。根据憎水性分级标准判断，长有绿球藻的RTV涂料憎水性等级为HC6，其憎水性已基本丧失，未长绿球藻的RTV涂料表面憎水性等级为HC1，可见绿球藻生长对RTV表面憎水性的影响十分明显。

图4 RTV绝缘支柱憎水性测试结果Fig.4 distribution of hydrophobicity

对绝缘子整体的憎水性测试结果表明，绿球藻生长于RTV涂层表面后，憎水性的迁移受到抑制，导致被覆盖部位憎水性下降甚至丧失，RTV绝缘子表面憎水性分布呈现“上亲下憎”的特点。

4 绿球藻对涂刷RTV绝缘支柱外绝缘性能的影响

4.1操作冲击特性

为了研究RTV支柱绝缘子表面生长绿球藻后操作冲击耐受特性的变化，在西安交通大学电气工程学院高压试验大厅进行绝缘子干、湿操作冲击试验。试验所用试品即为图1所示支柱绝缘子。

试验设备为1800kV/90kJ冲击电压发生器，产生的波形为300μs/3000μs的操作冲击波，波形如图5（a）所示。图5（b）、（c）分别为闪络产生的波头截断波和波尾截断波:式中，Ui为试验电压，kV；ni为相同试验电压Ui下的试验次数；n为有效试验的总次数，n≥20。

图5 操作冲击试验电压波形Fig.5 Voltage waveform of switching impulse test

试验标准偏差σ按照公式（2）计算:

获得的50%冲击闪络电压（U50%pk）试验结果如表2所示:

表2 干、湿操作冲击试验结果Tab.2 Switching impulse withstand voltage of dry and wet chlorococcum polluted insulator

由此可见，35kV RTV支柱绝缘子在生长有绿球藻的自然污秽条件下的干、湿操作冲击闪络电压几乎相等，且远高于绝缘支柱运行相电压峰值。故绿球藻在RTV支柱绝缘子表面生长并不会增加绝缘支柱的操作冲击闪络风险。

从操作冲击实验过程中对电弧发展过程的观察可知，操作冲击电弧发展很快，且不像污秽闪络电弧那样沿着绝缘子表面发展，而是直接击穿绝缘子上下端金具之间的空气间隙。因此，操作冲击电弧不受绝缘子表面状况的影响，操作冲击电压即为上下端金具之间空气间隙击穿电压。从以往研究结果可知，距离为420mm的棒—板空气间隙击穿电压为260kV[9]，和本文中绝缘子的冲击闪络电压相差不大。

4.2污秽闪络特性

4.2.1 试验装置及试验方法

试验装置如图6所示:

图6 污秽闪络特性实验回路Fig.6 pollution flashover test platform

其中T为调压器，输入电压范围为0～6.6kV；B为150kV/4A的工频无局放污秽试验变压器，输出电压有效值范围为0～150kV，波形畸变率小于3%，短路阻抗为4.07%；变压器输出通过110kV高压电缆和穿墙套管H引入人工气候室；R为保护电阻，阻值2kΩ；电容分压器F的分压比为10000：1，用以测量施加在试品上的电压；Rog为罗氏线圈，用于测量回路泄漏电流；S为试品，其下方支柱用以支撑试品并使之对地绝缘。

试验按照IEC 507中的规定进行，试验程序采用 “带电前湿润”的方法[10]，即先用清洁冷雾对自然污秽绝缘子进行湿润，当绝缘子表面饱和湿润后匀速升压直至闪络。

采用“U”形曲线法[11]确定绝缘支柱的污秽闪络电压，即对同一个试品进行多次闪络试验时，闪络电压将随闪络次数的增加先降低后升高，取闪络电压最低值作为有效数据。采用该方法获得的实验结果更贴近于最恶劣的运行环境。

自然污秽试验所用试品为从信义变电站直接拆下的35kV刀闸支柱，其表面污层为有大量绿球藻生长的自然污秽。

人工污秽试验所采用的试品与自然污秽试验相同。从现场采集的污秽样本分析结果表明，污秽物中的可溶性成分以CaSO4为主，因此试品染污所用的可溶性污秽物采用纯度99.5%的CaSO4。不溶物采用接近实际污秽物中不溶物成分和性状的高岭土。人工污秽试验的试品表面等值附盐密度和自然污秽相同。

试品染污采用定量涂刷法。污秽物用精密数字天平进行称量，并配以一定量的蒸馏水充分混合。试品涂刷完毕后，阴凉通风处自然干燥24h，然后送入人工气候室进行试验。试验程序和闪络电压确定方法与自然污秽试验相同。

4.2.2 试验结果

不同表面状态下，绝缘子污秽试验结果如图7所示:

图7 绝缘子污秽试验结果Fig.7 pollution flashover test results

由图7可知，长有绿球藻的涂RTV支柱绝缘子上、下表面均匀湿润时闪络电压明显低于仅上表湿润时闪络电压，而人工污秽状态，也即无绿球藻状态下的绝缘子闪络电压则介于两者之间。因此，表面均匀饱和湿润状态下，有绿球藻生长的RTV绝缘子污秽闪络风险增加，而保持下表面干燥可以显著提高闪络电压，降低运行风险。

5 结论

本文针对四川地区出现的涂覆RTV绝缘子表面生长绿球藻的现象进行研究，取得如下结论:

（1）绿球藻主要分布在RTV绝缘子伞裙上表面，对于大小伞结构的绝缘支柱，其小伞下表面也可能生长绿球藻，在同一环境下，绝缘支柱的电压等级越低，绿球藻生长越密集；

（2）绿球藻生长使得RTV表面被覆盖区域憎水性明显降低；

（3）绿球藻生长不增加RTV绝缘支柱的操作冲击闪络风险；

（4）绿球藻的生长会在一定程度上降低RTV绝缘支柱闪络电压，但只要保持下表面的干燥或者憎水性不丧失，绿球藻生长不会为绝缘子带来明显的污秽闪络风险。

[1] Gubanski, S. M. , Karlsson S, and Fernando M. A. R. Performance of biologically contaminated high voltage insulators[C]. Industrial and Information Systems, First International Conference on IEEE, 2006.

[2] Gubanski S M, Demfalk A, Wallstrom S, et al. Performance and diagnostics of biologically contaminated insulators. Properties and applications of Dielectric Materials[C]. 8th International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials, Udayana, Bali, Indonesia, 2006： 23-30.

[3] Fernando M A R M, and Gubanski S M. Tropical environmental impacts on surface properties of nonceramic insulators[C]. International Conference on Electric Power Engineering, Budapest, Hungary, 1999.

[4] Rocha J M S, Garcia J E C, Henriques M H F. Growth aspects of the marine microalga Nannochloropsis gaditana[J]. Bimolecular Engineering, 2003, 20：237-242.

[5] Bengtsson M, Gronlund R, Sjoholm M, et al. Development of a tool for remote detection of fungi and Chlorococcum on electrical insulators using laser induced fluorescence combined with principal component analysis[C]. Conference on Lasers and Electro-Optics Europe-Technical Digest, 2005.

[6] Bengtsson M, Gronlund R, Sjoholm M, et al. Lidar fluorescence measurements of algal growth on electrical insulators[C]. 2003 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO/Europe 2003). IEEE, 2003.

[7] 蒋霞敏. 温度、光照、氮含量对微绿球藻生长及脂肪酸组成的影响[J]. 海洋科学, 2002, 26(8)： 9-13.

Jiang X. Effects of temperatures, light intensities, and nitro gen concentrations on the growth and fatty acidcompositions of nannochloropsis oculata[J]. Marine Science, 2002, 26(8)： 9-13.

[8] 陈洁, 段舜山, 李爱芬, 等. 眼点拟微绿球藻与扁藻在不同接种比例下的竞争[J]. 海洋科学, 2003, 27(5)： 73-76.

Chen J, Duan S, Li A et al. Effect of Apoprotein on Antioxidant Activity of Phycobiliproteins[J]. Marine Science, 2003, 27(5)： 73-76.

[9] 蒋兴良, 王军, 苑吉河, 等. 模拟与自然环境下0.5～1.5m空气间隙正极性操作冲击放电电压校正方法[J], 中国电机工程学报. 2008, 28(28)： 13-17.

Jiang X, Wang J, Yuan J, et al. Correction method of positive switching impulse discharge voltage for 0.5-1.0m air gap under artificial and natural conditions[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(28)：13-17.

[10] IEC 507, Artificial pollution tests on high voltage insulators to be used on a. c. systems[S].

[11] 蒋兴良, 舒立春, 孙才新. 电力系统污秽与覆冰绝缘[M]. 北京： 中国电力出版社, 2009.

Influences of Chlorococcum Growth on the Electrical Performance of Post Insulators with RTV Coating

Li Yawei1 Zhang Xinghai1 Chen Hongbo1 Bai Huan1 Yang XiaoleiXia1,2 Yang Hao2
（Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Company Chengdu 610072 China 2. Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

In the humid area like Sichuan Province, chlorococcum often grows abundantly on the surface of post insulators with RTV coat, which may increase the risk of pollution flashover. To address the problem, in this paper, investigations on the growth conditions, the species, the growth habit and the distribution status of the chlorococcum was carried out. Besides, the influence of chlorococcum layer on the hydrophobicity of RTV coat was studied. At last, the switching impulse withstand performance and pollution flashover withstand performance of the chlorococcum polluted insulator were tested. The results indicate that the chlorococcum mainly grows on the top surfaces of the skirts, which will lead to obvious decrease of hydrophobicity of the top surface of the insulator, thus the pollution flashover voltage declines significantly. However, the operating impulse flashover performance is seldom or never affected by the chlorococcum layer.

chlorococcum, RTV coating, post insulator, hydrophobicity, electrical performance

TM852

李亚伟 男，1980年生，博士，现为四川省电力公司与清华大学联合培养的博士后，研究方向电力系统外绝缘污秽、覆冰闪络特性、机理及运维策略。

2014-09-10

张星海 男，1968年生，博士，高级工程师，现为四川省电力公司电力科学研究院副院长，研究方向为电力设备状态评价、故障诊断及绝缘子覆冰闪络机理。