硅橡胶复合绝缘子憎水性的试验手段研究

何 军，邓馥郁

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川 遂宁　629200）

硅橡胶复合绝缘子憎水性的试验手段研究

何 军，邓馥郁

（四川职业技术学院电子电气工程系，四川 遂宁629200）

摘要:本文利用试验手法对硅橡胶复合绝缘子的憎水性进行研究，采集数据并分析，对高电压输电技术中绝缘子的发展具有现实的意义.

关键词:复合绝缘子；硅橡胶；憎水性；试验手段

在我国高压输电线路上，采用的绝缘子按材料来划分，有传统的陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子，新型绝缘子有复合绝缘子、半导体釉绝缘子等.近年来复合绝缘子在线路中的使用量剧增，而硅橡胶（SIR）因为其优良的电气性能则成为了目前使用得最多的复合绝缘材料.

硅橡胶在电气应用中具有优异的绝缘性能和功能性，在极端温度中能保持绝缘作用和介电强度，远远超过了传统绝缘材料的能力范围，使所有可比材料望尘莫及.本文针对硅橡胶复合绝缘子外绝缘特性测试，分析、研究了硅橡胶复合绝缘子憎水性、接触角等技术参数新试验方法与测试手段.

1　绝缘子特性关键参数

1.1憎水性

硅橡胶材料优良的电气性能一个重要表现是它良好的憎水性.在复合绝缘子行业中，憎水性也被称为湿润性，由硅橡胶的表面张力决定.

如果把水珠滴在不同的固体平面上，平铺成水层或者水膜，那么该固体属于亲水材料，如果液滴缩成一个球状或者半球状，则该材料具有良好的憎水性.本论文试验中所用到的室温硫化橡胶就是具有较好憎水性的，液滴在它的表面上几乎成完美的半球状.然而硅橡胶表面的憎水性并不是一成不变的，随着其表面环境条件的不同其憎水性会暂时减弱甚至消失.由于硅橡胶材料自身的特性，能使其表面暂时消失的憎水性又得以恢复.

现在，普遍认同硅橡胶绝缘子（SIR）表面憎水性恢复的主要机理是表面积满污秽后，硅橡胶本身的憎水性可以迁移到污层表面，即污层表面也有了憎水性.按照迁移分子的类别和迁移过程可以将憎水性迁移机理分成以下三种：

1）硅橡胶分子末端头的伸长游离效应浸润污秽物，使其外表面出现憎水性.

2）硅橡胶表面上卷曲较长的硅氧烷链段受污秽物作用，浸润污秽物使其出现憎水性.

3）硅橡胶内尚未被交链的低分子移动，使其污秽物表面出现憎水性.

我们在如下方面认识还比较欠缺：自然条件下哪些因素对硅橡胶（SIR）憎水性的动作性能和长期使用性能产生的影响最大以及这些因素对硅橡胶物理性质的影响，这些因素包括交叉耦合（硫化）密度、填充物数量、稳定添加剂的用量等.材料的自身老化所产生的影响也有待研究.

1.2接触角

要弄清硅橡胶材料憎水性丧失的主要原因，首先得了解憎水性的机理：液体对固体的湿润程度通常可以用液、固相之间形成的接触角的大小来表示.

所谓接触角是指液体与固体间的界面与液体表面的切线间夹角，用θ表示.通常将接触角θ=90°定为临界角.对一定的液体来说θ＞90°的表面成为憎水性表面；θ＜90°的表面称为亲水性表面.

对于液滴来说，固体表面张力、液体表面张力和液固界面张力这三个力维持着它的平衡，液体对固体表面能否湿润取决于几个界面张力的相对大小，固体表面的憎水性状态由材料的表面张力决定，目前尚无直接准确测定固体表面张力的方法.故考虑采取用接触角法反映固体表面张力.可由图1表示：

图1　接触角

2　关键参数测试

2.1试验装置

试验装置如图2所示，两块铜制平板电极平行放置，一块平板电极串联一个5千欧的保护电阻后接到高压电源上，另一块电极接地.将长方体室温硫化橡胶水平放置到极板中间并固定.试验时将水滴水平放置在硅橡胶复合绝缘子上，并用高速视频显微镜记录水滴变化状况，在条件不允许情况下，可用高清摄像头代替高速视频显微镜.

图中装置的尺寸参数：室温硫化橡胶试样长50.18mm、宽20.8mm、厚12.6mm，铜片厚0.2mm，两铜片间平行间距14.72mm.

图2　试验装置图

2.2试验方法

将电导率分别为1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的NaCl液滴放置在长方体室温硫化橡胶试样上，进行三组试验，分别施加交流电压、正直流电压和负直流电压，记录液滴形变过程.

2.3试验过程

2.3.1正直流电源作用下

用酒精清洁室温硫化橡胶试样表面；

1）配置电导率分别为 1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的五种NaCl溶液；

2）取1.0mS/cm、体积为2微升的NaCl液滴放置在试样中央，打开正直流电源，从0kV开始逐渐加大电压，观察到液滴发生明显变形时将电压逐渐减小关闭电源，并记下该时刻电压的大小，清洁试样表面；

3）按上述方法依次记录下电导率分别为2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm时液滴形变时刻的电压大小.比较可知约在正电压大小为8kV时液滴发生形变，由此确定本试验固定电压取8kV；

4）取1.0mS/cm的盐水液滴2微升，滴在已清洁干燥后的试样表面中心，高倍显微镜从上至下垂直录像，液滴呈近似完美的圆形.显微镜连于一台PC机上.加正直流电压8kV，同时按下按钮，记录下整个试验过程中液滴的形变情况.经过多次试验得出经验，试验统一都进行十分钟比较合适；

5）十分钟后停止记录数据，将电源电压逐渐调至零后关闭电源，用接地导线对装置放电，用究竟擦拭试样表面，试验结束；

6）重复5、6两个步骤分别对电导率为2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的盐水液滴进行试验，得到正直流电源作用下的五组数据.

2.3.2负直流电源作用下

具体步骤与正直流电源一样，只是所取固定电压变为负13kV，同样得到五组数据.

2.3.3交流电源作用下

具体步骤与正直流电源一样，所取固定电压也为8kV，同样得到五组数据.

不加任何电压的情况下，在试样表面分别滴上五种电导率的NaCl液滴，用摄像头从与试样表面水平的角度录像，截取图片测量接触角，主要用于比较不同电导率对接触角的影响，因此液滴大小不用与前面的一致，为了方便测量，取液滴体积为5微升.

3　数据处理

3.1视频数据的处理步骤

1）视频记录的是液滴形变的全过程，三个电源分别有五个数据，每个总时长六百秒；

2）从零时刻开始到结束时刻，每十秒截取一张图片，即每个视频截图六百张；

3）将这些图片在PHOTOSHOP中放大，测量每张图片中液滴的最大长度（单位cm），记录下来；

4）从零时刻开始到结束时刻，以十秒为记，用MATLAB画出时间-液滴长度曲线；

5）每个视频均按照这个方法处理，可以得到总共十五组图片数据；

6）记录每个电压等级下，五个电导率的液滴开始形变的时间，绘制电导率—时间柱状图.

3.2接触角的处理

1）每个电导率一个视频，共五个，摄像头从与试样表面水平的角度录像；

2）从视频截取液滴完好放置在试样上初始时刻的图片；

3）分别测量五个电导率下半球状液滴的高度、长度；

4）用测得数据计算出五个电导率下的接触角大小；

5）绘制电导率-接触角柱状曲线图.

参考文献:

［1］崔江流，宿志一，易辉.我国硅橡胶复合绝缘子的应用与展望［J］.中国电力，1999，32（1）.

［2］宿志一.全国电力系统复合绝缘子运行情况综述［J］.电气世界，2003（6）.

［3］George G.K et al.Flashover mechanism of silicone rubber insulators used for outdoor insulation［J］. IEEETrans.OnPowerDelivery，1995，10（4）：1965-1966.

［4］张星海.影响绝缘子污秽闪络的因素［J］.四川电力技术，1989.

责任编辑：张隆辉

中图分类号：TM 85

文献标识码：A

文章编号：1672-2094（2015）02-0156-03

收稿日期:2015-01-01

作者简介：何军（1963-），男，重庆万州人，四川职业技术学院电子电气工程系副教授、高级工程师.研究方向：电气自动化.邓馥郁（1984-），女，四川遂宁人，四川职业技术学院电子电气工程系助教.研究方向：电气自动化.

On the Test Method of Silicone Rubber Composite Insulators Hydrophobicity

HE Jun，DENG Fuyu.
（Sichuan Vocational and Technical College， Suining Sichuan 629000）

Abstract：This paper studies the hydrophobicity of silicone rubber composite insulators using the test method， both data collection and analysis have been made. It has realistic significance for the development of high voltage insulators in transmission technology.

Keywords:Composite Insulators； Silicone Rubber； Hydrophobicity； Biodegradability； Test Method