图1 试验系统的接线原理
Fig.1 The schematic circuit for the test
摘要 复合绝缘子憎水性减弱时，在潮湿环境中其表面容易汇聚水珠形成水带，从而影响绝缘子表面电场分布和沿面闪络特性。该文采用聚四氟乙烯板模拟水带生成环境，试验研究了直线型和折线型水带形态对憎水性表面闪络过程的影响；基于有限元数值计算，分析了水带及周围电场分布，并结合试验结果探讨了水带影响电弧发展路径的机理。研究结果表明，水带张角θ越小，水带电场越小，而水带之间的干带电场强度越大；同时，水带横向间距d越小，干带电场强度也越大。因此，当憎水性表面存在折线型水带时，电弧依θ和d的不同而呈现三种不同的发展路径。
关键词：复合绝缘子 水带 憎水性 电弧发展 电场
复合绝缘子具有优异的憎水性和憎水迁移性，较传统的玻璃和瓷绝缘子在耐污性能上表现更加突出，因此复合绝缘子在电力系统中得到广泛应用[1-3]。由于常年运行于复杂的外界环境中，受气候、污秽、放电等因素影响，复合绝缘子的憎水性或憎水迁移性会减弱甚至丧失，这将会导致复合绝缘子的抗污闪性能大大下降，影响其绝缘能力[4-6]。目前，国内外学者深入研究了绝缘子表面积污、覆冰及表面缺陷等工况对绝缘子沿面放电特性的影响[7-10]，对绝缘子的结构设计和改进做出了重要贡献。
对于憎水性表面的闪络特性，部分学者进行了仿真研究，主要分析了水珠介电常数、半径、形状、数量及静态接触角等参数对憎水性表面电场分布的影响[11-14]，并研究了水膜及降落水滴对憎水性表面电场的畸变程度[15]。还有学者对憎水性表面的闪络特性开展了试验研究，曹雯等研究了交流电场下憎水性表面水珠的动态分布规律和闪络过程，并分析了水珠分布对电场畸变和闪络电压的影响[16]；文献[17]讨论了直流电场下硅橡胶表面的水珠动态行为及水珠闪络特性；文献[18]提出了交流电场下水滴的四种主要振荡模式；文献[19]研究了硅橡胶表面分离水珠的局部放电对表面结构的影响；华北电力大学赵林杰的试验结果表明，憎水性材料表面水带、水珠结构与分布将可能对憎水性材料的耐污闪能力产生影响[20]。有研究表明即使在极其恶劣的运行环境下，复合绝缘子表面仍保留不同程度的憎水性，基本不会出现完全亲水的情况，此时若以亲水性表面设计绝缘，则存在绝缘裕度大、建设成本高的缺点[21-23]。
考虑到绝缘子表面憎水性减弱却很难达到完全亲水性的实际情况，弱憎水性表面在受潮后会更容易形成水珠，水珠在电场力的作用下则更容易形成形态不同的水带，此时憎水性表面的闪络机理将不同于完全亲水性表面。本文通过试验研究了水带长度及水带液面高度对憎水性材料试片闪络电压的影响，研究了水带张角θ和水带横向间距d对憎水性表面电弧发展路径的影响，并结合憎水性表面水带及周围的电场分布，探讨了水带形状导致不同电弧发展路径的原因。
为研究含水带的憎水性表面闪络特性，本文首先通过试验探究不同水带形态下憎水性表面的电弧发展规律。试验采用YDTW—200kV/200kV·A型设备作为交流电源，利用数字化控制测量系统进行数据测量、采集与记录。试验系统的接线原理图如图1所示。
图1 试验系统的接线原理
Fig.1 The schematic circuit for the test
憎水性材料试片多次闪络可能导致其理化结构的损坏，从而影响其憎水性。为尽可能消除此种影响因素，本文基于耐电性能好的聚四氟乙烯板模拟水带生成环境，为精确控制水带形状，试验通过在聚四氟乙烯板上挖槽来实现不同水带的设置，水带试验模型如图2所示。水槽宽度为10mm，水槽长度随试验要求变化，试验中将导电溶液注入水槽中以模拟污秽水带；导电溶液由去离子水与纯氯化钠配制而成，其电导率为200μS/cm。另外，在高压电极与接地电极之间尚需设置干带区域，以等效模拟复合绝缘子表面电弧的发展路径。
图2 水带试验模型
Fig.2 Test models for the water band
试验设置了角度为θ、长度为L的各形态水带试验模型，具体布置方式如图3所示。其中对于折线型水带，d为水带横向间距，m为水带纵向间距，θ为水带张角，水带形态可以通过调整θ和d来进行控制。
图3 不同形态的水带试验模型
Fig.3 Test models for the water band with different arrangements
针对直线型水带，本节研究水带长度及高度对憎水性表面闪络特性的影响。试验过程中干带长度D设定为10mm，水带长度L分别取5cm、10cm，水带液面高度N分别取1mm、1.5mm、2mm。不同水带长度与高度共组合成6种情况，每种情况下做10次放电试验。其中，当水带长度L=5cm、高度N=1mm时，电弧发展过程如图4所示，此时闪络电压为12.4kV（10次试验电压有效值的均值）；不同水带长度及液面高度下闪络电压如图5所示。
图4 L=5cm、N=1mm时电弧发展过程
Fig.4 The arc development process under L=5cm and N=1mm
图5 不同水带形态下的闪络电压
Fig.5 The flashover voltage for the water bands with different shapes
由图4可以看出，电弧的发展分为三个阶段：首先是1ms左右电极周围发生局部放电；随后电弧沿干带发展至气、液、固三者交界处击穿干带，这使得加在水带两端的电压瞬间上升，同时局部放电引起的温升使水带电导率在一定程度上增大；最后随着电荷的持续积累，在3～5ms内水带电场达到临界击穿场强，电弧沿直线型水带快速发展，水带和干带上呈现出明亮的电弧放电通道。
由图5可以看出，当水带液面高度相同时，闪络电压随水带长度的增加而增大，此时闪络电压增大的主要原因是水带长度L增加，导致高压电极与接地电极之间的闪络距离对应增大，水带及干带沿面闪络时的电场需要更高的电压来维持。
当水带长度相同时，水带液面越高，闪络电压越低，这是由于水带的稳定性影响了周围电场分布。液面越高，水带随着交流电场发生周期性波动和振动的幅度越明显，导致水带周围电场的畸变程度越严重，从而使闪络电压降低。另外，随着液面高度的增加，5cm水带的闪络电压衰减较快，即较短的水带随液面高度的增加其闪络电压降低越明显，这主要因为水带越短，稳定性越差，对电场的畸变越严重。
综上可知，沿憎水性表面直线型水带，电弧发展明显受水带长度和液面高度的影响，水带越短、液面越高，越有利于电弧的发展，对应的闪络电压越低。
本节研究角度θ不同时电弧沿折线型水带的发展规律，试验过程中θ分别设定为150°、120°、90°、60°和30°，水带液面高度为2mm。
试验结果显示，折线型水带放电初始发展阶段和直线型水带相似，均是电极周围先发生局部放电，然后是干带击穿，但此后的电弧发展路径会因θ的不同而呈现不同的形式，电弧发展路径示意图如图6所示。当θ=120°＞90°时，电弧的发展路径如图7所示（详见图6中的沿水带型电弧路径），此时电弧始终沿水带发展，而与横向间距d无关；当θ≤90°时，电弧的发展路径呈现两种形式，即折线型和直线型。θ为60°和30°时的电弧发展路径分别如图8和图9所示（详见图6中的折线型和直线型电弧路径），此时电弧发展路径取决于横向间距d的大小。由图8和图9可知，对于不同的θ，存在着对应的临界横向间距d0，当d＞d0时，电弧沿水带发展一段距离后会折向水带之间的干带，然后沿干带水平发展至贯穿两极，闪络路径整体呈折线型；当d＜d0时，电弧直接穿过水带及水带之间的干带而贯穿两极。
图6 电弧发展路径示意图
Fig.6 Schematic diagram for arc development paths
图7 θ=120°时沿水带电弧发展路径
Fig.7 The flashover arc along the water band when θ=120°
图8 θ=60°时的电弧发展路径
Fig.8 Flashover arc development path when θ=60°
图9 θ=30°时的电弧发展路径
Fig.9 Flashover arc development path when θ=30°
由此可知，对于憎水性表面的折线型水带，当水带张角θ＞90°时，电弧能否贯通两极主要受水带长度影响；当θ≤90°时，受水带横向间距d的影响，电弧路径可分为直线型和折线型，直线型电弧主要受水带间干带的影响，而折线型电弧与水带长度及水带间干带均有关。
前述对直线型和折线型水带闪络过程的研究是分别进行的，本节将综合研究上述两种水带的放电过程。组合水带闪络试验模型如图10所示，在聚四氟乙烯板上同时设置直线型和折线型水带，设置干带D=10mm，直线型水带长度L=5.5cm，折线型水带间距d=5.5cm，水带液面高度为2mm，试验结果如图11所示。
图10 组合水带闪络试验模型
Fig.10 The test model for combined water bands
图11 组合水带的电弧路径
Fig.11 Arc development paths for combined water bands
图11a显示，当直线型水带和折线型水带横向间距d相同时，在相同电压下，直线型水带更容易发展电弧。图11b中的直线水槽未注入导电溶液，此时相当于憎水性表面同时存在2条折线型水带。试验显示，在相同电压下，θ=120°的水带总是首先发生闪络，即水带角度θ越大，电弧越容易发展至贯穿两极。这是因为当水带横向间距d相同时，水带张角θ越小，水带长度L越长，越不利于电弧的发展。因此对于θ＞90°的水带，闪络电压由较短的水带决定。
由第2节试验可知，憎水性材料表面形成水带时，电弧的发展路径明显受角度θ的影响，特别当θ≤90°时，电弧的发展过程最为复杂。为进一步研究憎水性表面电场对电弧发展的影响，本节计算不同角度θ下水带及其周围的电场分布，分析电场分布与多种电弧发展路径的关系。
对试验中的干带-水带模型进行同比例建模，计算干带D击穿后水带周围的电场分布。当激励电压U=15kV、横向间距d=10cm时，不同角度θ下水带及周围的电场分布如图12所示，其中，沿水带沿线（图3中L）的电场分布如图13所示。可以看出，水带电场强度随水带张角θ的减小而减小，在水带的中间弯折处附近，电场强度有不同程度的降落：当水带张角θ≤90°时，水带中间弯折处电场强度降落最大可达约30kV/m；而当θ＞90°时，水带中间弯折处电场强度降落则较小。水带张角之间憎水性表面的电场强度变化则相反，其表面电场强度随水带张角θ的减小而增大（如图12）。正是以上两种结果的叠加，导致当水带张角θ＞90°时，水带电场强度较高，水带间憎水性表面电场强度较低，电弧沿水带发展；当水带张角θ≤90°时，水带电场强度很低，水带间憎水性表面电场强度很高，可能导致电弧沿水带发展一段距离后折向憎水性表面继续发展从而贯穿两极。
图12 不同水带张角时电场分布
Fig.12 Electric field distribution under different water band angles
图13 不同水带张角下沿水带电场分布
Fig.13 Electric field distribution along the water bands with different water band angles
保持水带张角θ=30°不变，d取不同数值时，水带周围及水带沿线电场分布如图14和图15所示，图15中路径取m方向沿线。可以看出，同一角度下，随d的增大，水带间憎水性表面电场强度降低，这就导致在d＜d0时，憎水性表面电场强度远大于水带电场强度，电弧发展沿水带憎水性表面呈直线击穿；d＞d0时，憎水性表面电场强度仍大于水带电场强度，但是由于憎水性表面电场强度相对下降，以及d增大，不足以击穿d长度的憎水性材料表面，电弧需要沿水带发展一段距离后再折向憎水性材料表面，从而使整体闪络路径呈折线型。
图14 θ=30°时不同横向距离d对应的水带周围电场分布
Fig.14 The electric field distribution around the water band at different lateral distances d with θ=30°
图15 θ=30°时不同横向距离d下m沿线电场分布
Fig.15 Distribution of electric field along m at different lateral distances d with θ=30°
图15中，当d=1cm、d=2cm时，二者电场分布规律基本相同，此时电弧路径为直线型；与之对应，当d=3cm、d=4.5cm时，电场分布呈现出不同的趋势，对应的电弧路径则为折线型。
本文通过试验和仿真研究了水带分布对憎水性表面放电过程的影响，得到如下结论：
1）直线型水带的闪络电压随水带长度的增加而增大；随液面高度的增加而减小，且水带越短，闪络电压减小越快，这和水带的稳定性有关。
2）当憎水性表面存在折线型水带时，电弧依水带张角θ不同而呈现3种不同发展路径。当θ＞90°时，电弧沿水带发展；当θ≤90°时，存在临界横向间距d0，此时，当d＞d0时，电弧沿水带发展一段距离后会折向水带之间的干带，闪络路径整体呈折线型；而当d＜d0时，电弧直接贯穿水带之间的干带而呈直线型发展。
3）水带张角θ越小，水带电场强度越小，而水带之间的干带电场强度越大；同时，水带横向间距d越小，干带电场强度也越大，因此当d＜d0时，电场足以直接击穿d长度的干带，形成直线型电弧；而当d＞d0时，电场不足以维持电弧直线发展，导致闪络路径呈折线型。
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Influence of Water Band on AC Flashover Characteristics and Electric Field Distribution of Hydrophobic Surface
Abstract When the hydrophobicity of the composite insulator is weakened, the surface of the composite insulator is easy to gather water droplets to form a water band in the wet environment, which affects the surface electric field distribution and surface flashover characteristics of the insulator. In this paper, a PTFE board is used to simulate the formation environment of the water band, and the influence of the shape of the linear and broken water band on the flashover process of the hydrophobic surface is experimentally studied. Based on the finite element numerical calculation, the electric field distribution of the water band and its surroundings is analyzed, and combined with the test results, the mechanism of influence of the water band on the arc development path is discussed. The results show that the smaller the opening angle θ of the water band is, the smaller the water band electric field becomes, and the larger the dry band electric field between the water bands will be. At the same time, the smaller the water band spacing d is, the larger the dry band electric field will be. When there is a broken-line water band on the water surface, the arc shows three different development paths according to the difference of θ and d.
keywords：Composite insulator, water band, hydrophobic, arc development, electric field
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211181
中图分类号：TM85
收稿日期 2021-08-02
改稿日期 2021-12-24
刘士利 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为高电压与绝缘技术、电磁场分析。E-mail：13844209336@163.com（通信作者）
李卫东 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：lwdzhjq@163.com
（编辑 李冰）