中图分类号：TM855
文献标志码：B
文章编号：0202-0023(2007)02-0038-04
复合绝缘子憎水性带电检测技术的发展与应用
赵林杰1，王浩锐2，李成榕1，熊 俊1，张书琦1
（1. 华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京，102206；2. 北京电力公司，北京，100031）
Development and application of on-line survey methods for the
hydrophobicity of silicone rubber insulators
ZHAO Lin-jie1, WANG Hao-rui2, LI Cheng-rong1, XIONG Jun1, ZHANG Shu-qi1
(1. Beijing Key Laboratory of High Voltage & EMC, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;
2. Beijing Electric Power Corporation, Beijing 100031, China)
Abstract : Based on the spray method recommendatory by IEC for surveying the hydrophobicity of silicone rubber insulators, a set of device is designed, including an automatically electric sprayer, a mini digital video camera, and a hydrophobicity analyzing software. With the set of device, a series of field investigations of the hydrophobicity of in-service AC composite insulators are conducted in a heavily polluted area of the north of China for one and a half year, finding that contaminations have a significant influence to the hydrophobic property of the insulators, and pointing out that it is important to conduct the on-line hydrophobicity measurement to DC silicone rubber insulators.
Keywords : silicone rubber insulators; hydrophobicity; measurement; contamination
摘要：基于IEC 推荐的憎水性检测技术的喷水分级法，研制了由电动喷水装置、微型数码摄像机和憎水性分析软件等组成的憎水性带电检测装置。通过对运行在北方重污秽地区的交流复合绝缘子的憎水性能进行一年半的巡视，发现了污秽对运行复合绝缘子憎水性能的重要影响，并指出应加强直流复合 绝缘子憎水性能的带电巡视。
基金项目：北京市教育委员会共建项目建设计划资助; 国家自然科学
基金项目(50577023);长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0515)。
关键词：复合绝缘子；憎水性；检测；污秽
优异的耐污闪性能使得硅橡胶复合绝缘子在电力系统中获得了越来越广泛的应用。据不完全统计，至2005年我国电力系统中已经有大约600多万支复合绝缘子在运行[1]。硅橡胶复合绝缘子在我国十几年的运行经验表明：硅橡胶复合绝缘子耐污闪能力强并不等于其可以完全杜绝污闪的发生。据文献[2]的统计，全国复合绝缘子污闪次数为38次，占复合绝缘子表面闪络总故障率的5.3%。
硅橡胶复合绝缘子优异的耐污闪性能来源于其外绝缘材料硅橡胶良好的憎水性和独特的憎水迁移性。运行中复合绝缘子由于污秽、潮湿、放电等因素的影响，其憎水性存在下降甚至丧失的可能。憎水性的严重下降将导致复合绝缘子污闪电压的显著下降，从而威胁系统的安全运行。因此，对运行复合绝缘子的憎水性能进行定期巡视是十分必要的。
目前，运行复合绝缘子憎水性检测主要是结合绝缘子有关的检修计划，将复合绝缘子摘下，然后在地面进行离线测试。但这种方式不易实现复合绝缘子憎水性的大面积巡检，而且当绝缘子离开运行环境时，其憎水性能也可能发生变化，所以有必要发展憎水性带电检测技术。
1 IEC推荐方法的分析和比较
在IEC 的相关标准中，憎水性测量（hydrophobicity measurement）也称为湿润性测量
（wettability measurement）[3]。IEC/TS 62073-2003推荐使用3种憎水性测试方法，即接触角法（contact angle method）、表面张力法（surface tension method）和喷水分级法（the spray method）。
（1）接触角法。
接触角法是通过测量固体材料表面水珠的边沿与固体材料表面之间形成的接触角来表征憎水性状态[3]。固体材料表面水珠的形成可以通过微量进样器或普通注射器等来完成。接触角可通过专用测量仪器、测量显微镜或照相的方式来测量。可用于表征憎水性状态的接触角包括静态接触角（θs ，static contact angle ）、前进角（θa ，advancing contact angle）、后退
角（θr ，receding contact angle）
。研究认为后退角比静态接触角和前进角更容易反应憎水性的变化[4]。 （2）表面张力法。
表面张力法使用具有不同表面张力的一组液体以确定绝缘子的憎水性[3]。采用了3个张力范围内的液体混合物：低范围（30～56 mN/m，20°C）为甲酰胺和乙二醇单乙醚；中等范围（58～73 mN/m，20°C）为甲酰胺和蒸馏水；高范围（73～82 mN/m，20°C）为蒸馏水和氯化钠。将少量混合物轻轻喷洒在大约25 mm直径的试样表面上，记录连续层分裂为小水滴所需要的时间。连续层在试样表面保持时间最接近2 s的混合物所具有的表面张力被定义为被测试品的表面张力。
（3）喷水分级法。
测量复合绝缘子憎水性的喷水分级法[5]是由瑞典输配电研究所（the Swedish Transmission Research Institute ，STRI ）提出的。该方法操作简单，用普通喷壶对试品表面喷洒水雾，观察水份在试品表面的分布情况，对比分级判据和标准图片，得出绝缘子表面的憎水性状况。该方法用HC （hydrophobcity class ）等级来表征绝缘子表面的憎水性状态。STRI Guide-92/1将硅橡胶表面的憎水性分为HC1-HC7级：HC1-HC3级为憎水性状态，其中HC1级对应憎水性最强的状态（即绝缘子表面形成分布均匀的完全规则的球状水珠）；HC4级为中间过渡状态（即绝缘子表面形成分离的水珠和连续的水膜共存的状态）；HC5-HC7级为亲水性状态，其中HC7级分别对应憎水性最差的状态（即绝缘子表面形成完全的水膜）。
在IEC/TS 62073-2003中，“HC 等级”被重新
命名为“WC 等级”（wettability class），但WC 各等
级所对应的绝缘子表面湿润状态与HC 等级所对应的完全一致。与STRI Guide-92/1不同的是：IEC/TS 62073-2003将WC1-WC2规定为憎水性状态，将WC3-WC5规定为中间过渡状态，而将WC6-WC7规定为亲水性状态。鉴于人们的习惯性称呼，本文中依然沿用HC 等级这一概念。
在上述3种测量方法中，接触角法的测量精度最高。但接触角法需要严格的测试环境，在现场使用几乎不太可能，更适合于在实验室对硅橡胶材料的性能研究。表面张力法目前还没有得到广泛的应用，表面张力法中所使用的部分液体如甲酰胺对人体也有一定的侵害性[6]。三种方法中喷水分级法的操作最为快速和简单，可同时适用于现场和实验室条件，也得以在运行复合绝缘子憎水性状态的评价中获得广泛的应用。因此，喷水分级法也最适合被发展为憎水性带电检测方法。
2 憎水性带电检测技术及装置
基于喷水分级法，本文研究了憎水性带电检测技术并开发了相应的检测装置。所开发的憎水性带电装置由电动式自动喷水装置、绝缘子喷水图像拍摄装置和安装有憎水性分析软件的便携式电脑等几块分立的部分组成。现场测量时，工作人员携带喷水装置和图像拍摄装置登塔对运行复合绝缘子进行带电喷水、拍照，然后在地面通过憎水性分析软件对所得喷水图像进行分析。
（1）电动式自动喷水装置。
本文所研制的电动式自动喷水装置采用分立式结构，由无线信号发射部分、空心绝缘操作杆、红外信号接收和微型电泵控制部分、电动喷水部分构成，如图1所示。
红外遥控技术的采用使得绝缘操作杆的操作端与喷水端在电气上完全隔离，有效的保证了喷水操作的电气安全性。空心绝缘杆可根据不同的电压等级选择不同的长度，很好的满足了带电作业操作规程对绝缘长度的要求。装置还采用了可旋转喷头，可使水雾有效地喷射到待测伞裙表面。
（2）绝缘子喷水图像拍摄装置。
考虑到复合绝缘子的实际运行条件，喷水图像的拍摄装置采用具有高光学变焦性能、高存储量、定焦速度快、曝光速度快、防抖动性能优异及具有
高像素静像拍摄功能的微型数码摄像机。现场无风
时，采用拍摄静态图像的方式，而现场有风时，则采用拍摄动态录像并从录像中截取静像的方式来获取绝缘子的喷水图像。
采用动态录像的方式每秒钟可以获取25幅喷水图像，可在喷水结束后1～2 s的时间范围内选择一幅憎水性最差但清晰度最高的图像来进行憎水性分析。
1－无线信号发射部分，2－空心绝缘操作杆，
3－无线信号接收和微型电泵控制部分，4－电动喷水部分。
图1 电动喷水装置图
（3）憎水性分析软件。
复合绝缘子憎水性状态经常处于动态的变化过程中，憎水性状态也需要通过分析长期测量后的动态变化趋势来判定。为了满足这种需要，作者开发了憎水性分析软件，通过数字图像的分析来判定绝缘子的憎水性等级并通过数据库来建立其长期变化趋势档案。传统的喷水分级法采用的是肉眼观察的憎水性等级判定方法，对检测人员的主观依赖性较大。
为了抑制主观判断带来的测量误差，作者在软件中除设置了传统的图像对比法外，还研究并设置了一种新的判断方法，即通过计算绝缘子伞裙表面最大的水珠或水迹的面积占全部面积的比例K 以及该水珠或水迹的形状因子f c 来得出憎水性等级[7]。
3 交流复合绝缘子憎水性带电检测实例
利用所设计的憎水性带电检测装置在北方重污秽区域——河南省中部地区的3条交流输电线路上
进行了复合绝缘子憎水性现场检测，试验的时间跨
图2 憎水性带电检测操作图
度为1年半。图2为现场憎水性带电检测时的操作图片。通过现场试验，发现了北方重污秽地区交流复合绝缘子憎水性的季节变化特性，同时也发现了绝缘子表面沉积的污秽对复合绝缘子的憎水性状态具有重要的影响。本文以110 kV计谢线的测量结果为例进行分析。表2为计谢线#53和#54杆塔复合绝缘子的带电检测结果。
表2 计谢线憎水性测量结果
检测日期05/（年/月）
03
05/05
05/06 05/07 05/09 06/03
塔右相 HC5HC6/HC2 HC6/HC2 HC5/HC2HC6
35中相HC6HC6HC5/HC3 HC5/HC3 HC3 HC7#左相 HC6HC2/HC6 HC2/HC6 HC2/HC6HC7
塔右相 HC4HC5/HC2 HC5/HC3 HC4/HC3HC745中相HC6HC6HC5/HC3 HC5/HC3 HC3 HC7#左相 HC6
HC2/HC6 HC2/HC6 HC3/HC6
HC7
注： 结果“HC6/HC2”表示憎水性沿伞面分布不均，不同区域有明
显差异，前者HC6表示图像的左半部分，后者
HC2表示图像的右半部分；其余类同。计谢线#53、#54塔处于非常典型的污秽环境中：#53、#54塔被公路、铁路、化肥厂、水泥厂、电厂和水库等所包围，距离均在1 000 m 以内，所处污区等级为IV 级。由表2可知：在冬季或冬末春初，所测复合绝缘子的憎水性很差，憎水性等级沿伞裙表面分布也很均匀；而在夏季，所测复合绝缘子在某个方向上憎水性获得了恢复，但在另一个方向上憎水性恢复能力很差。
图3为将所测绝缘子摘回到实验室后的测量结果。将上述试样的部分伞裙从绝缘子上摘下，将表面污秽清洗干净后再进行憎水性测量，发现各伞裙
的憎水性等级为HC2级，
而且憎水性沿伞裙的不均匀分布现象消失，如图4所示。
（a ）憎水性差的一侧 （b ）憎水性好的一侧
图3 计谢线试样自然积污下憎水性状态
图4 污秽清除后计谢线试样表面憎水性
为了查明憎水性分布不均匀的原因，本文分别进行了被测绝缘子表面污层的扫描电镜（SEM ）分析和灰密、盐密测试。盐密和灰密的测量结果显示：伞裙憎水性差的一侧的盐密为0.08 mg/cm2，灰密为1.36 mg/cm2；伞裙憎水性良好一侧的盐密为0.06 mg/cm2，灰密为1.03 mg/cm2。试样伞裙不同方向上的灰密和盐密没有明显差异。
如图5所示，SEM 的测量结果则显示：憎水性良好的一侧所沉积的污秽呈块状或片状分布，各块状或片状结构物质之间存在着较多的缝隙；而憎水性差的一侧的污秽则呈现连续致密的物理结构。可见，污层结构的致密程度的差异导致了憎水性状态的不同，致密的污层结构不利于憎水性的迁移。对于现场环境进行分析后，本文认为这种污层结构在不同方向上差异可能是由现场的风向所致。
（a ）憎水性良好的一侧 （b ）憎水性差的一侧
图5 试样污层的微观结构图
4 结束语
基于喷水分级法，研究了复合绝缘子憎水性带
电检测技术，并研制了由电动喷水装置、微型数码摄像机和憎水性分析软件等组成的憎水性带电检测装置。本装置具有现场可操作性及对操作人员的安全性，通过现场试验的检验，效果良好。
对交流复合绝缘子的长期憎水性带电检测发现：污秽的致密积聚会严重影响复合绝缘子的憎水迁移性能。
直流硅橡胶复合绝缘子在超高压、特高压直流输电中也获得了大量的应用。为了遏制污闪的频繁发生，截至2005年底在±500 kV葛南线、天广线的爬距调整和龙政线、江城线及高肇线的线路设计中共计使用了1.5万支硅橡胶复合绝缘子[8]。与交流输电线路相比，由于受静电积尘效应的影响，直流线路的污秽状况更为严重，甚至于塔身和横担上都布满了污秽[9]。直流复合绝缘子表面污秽的大量沉积势必也会影响到绝缘子的憎水性能，有必要加强对直流复合绝缘子憎水性的带电巡检工作。
参考文献：
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收稿日期：2006-12-04 作者简介：
赵林杰（1978-），男。博士研究生，从事输电线路绝缘特性及其试验方法、高性能介电材料等方面的研究；
李成榕（1957-），男。教授，博士生导师，从事电力系统动态安全防御与电气设备状态检测及高电压与绝缘技术专业的教学和研究工作。
（本文责任编辑 张亚拉）