戴罕奇 梅紅偉 王黎明 王希林 趙晨龍 賈志東 關(guān)志成

復(fù)合絕緣子弱憎水性狀態(tài)描述方法 Ⅲ
——液滴面積法的適用性

戴罕奇 梅紅偉 王黎明 王希林 趙晨龍 賈志東 關(guān)志成

（清華大學(xué)深圳研究生院 深圳 518055）

尋求合適的方法及參數(shù)來描述染污復(fù)合絕緣子的弱憎水性狀態(tài)，對弱憎水性狀態(tài)給出明確的定義，并對當(dāng)前已有的 7個(gè)憎水等級進(jìn)一步細(xì)化。通過 10μL靛藍(lán)溶液在染污高溫硫化硅橡膠試片表面的垂直投影面積，來反映污層的憎水性狀況，并嘗試將液滴面積與染污絕緣芯棒的污閃電壓建立聯(lián)系，以揭示弱憎水性階段憎水性能改變對絕緣子污閃特性的影響。結(jié)合液滴在污層表面的形態(tài)以及試品的污閃特性，在人工污穢試驗(yàn)的基礎(chǔ)上將當(dāng)前憎水等級HC7進(jìn)一步細(xì)化為四個(gè)階段，分別是 HC7A、HC7B、HC7C及 HC7D。比較液滴面積、液滴接觸角以及噴水分級試驗(yàn)結(jié)果，將新憎水等級 HC7B定義為弱憎水性狀態(tài)。試驗(yàn)研究認(rèn)為：液滴面積法彌補(bǔ)了液滴接觸角法在染污試品呈弱憎水性狀態(tài)下的不足，可以用于弱憎水性階段的憎水特性研究；而憎水性較強(qiáng)時(shí)，面積法對憎水性的辨識能力有限，選用接觸角法更適合此階段的研究。

弱憎水性 液滴面積 憎水等級 接觸角 污閃 復(fù)合絕緣子

1 引言

復(fù)合絕緣材料在運(yùn)行條件下逐漸老化，會影響其絕緣性能[1-3]。隨著復(fù)合絕緣子在線運(yùn)行時(shí)間的增長，有越來越多的故障被報(bào)道[4]，復(fù)合絕緣子故障分機(jī)械故障和電氣故障[5]。機(jī)械故障，如絕緣子脆斷，較多時(shí)候是由于早期生產(chǎn)工藝缺陷導(dǎo)致[6-8]；而電氣故障，一方面是由于絕緣材料自身電氣性能的下降；更多的時(shí)候則是異物閃絡(luò)或者不明原因閃絡(luò)[9-11]。到目前為止，國內(nèi)已有相當(dāng)數(shù)量的復(fù)合絕緣子在線運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了20年甚至 30年[12]。由于硅橡膠材料在電場及運(yùn)行環(huán)境的綜合作用下憎水性能下降[13-15]，以及絕緣子早期生產(chǎn)工藝存在缺陷，在未來的十幾年中，復(fù)合絕緣子會暴露出越來越多絕緣問題。

當(dāng)前，新輸電線路設(shè)計(jì)之初，考慮到復(fù)合絕緣子憎水性能下降的問題，絕緣配合選擇趨于保守，常以親水性條件下的污閃特性作為復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)高度設(shè)計(jì)依據(jù)。絕緣子結(jié)構(gòu)高度相當(dāng)程度上決定了輸電線路桿塔塔窗尺寸。桿塔成本在輸電線路工程中所占份額約為 30%[16,17]，在絕緣子設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，適當(dāng)縮短其絕緣高度，有顯著的經(jīng)濟(jì)意義，尤其是對于造價(jià)高昂的特高壓線路。以錫盟至南京1 000kV同塔雙回交流特高壓線路為例，全長 1 433.5km（同塔雙回線路路徑長度為 1 149.5km，單回線路路徑長度為 284km），復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)高度從 9.75m降至 9m后，由此減少了約 3.45億人民幣的工程投入。

弱憎水性狀態(tài)有別于傳統(tǒng)研究中的憎水性狀態(tài)和親水性狀態(tài)，屬于一個(gè)較新的研究范疇。研究復(fù)合絕緣子的弱憎水特性的意義體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：其一，在未來十幾年中，預(yù)計(jì)復(fù)合絕緣子的故障率會明顯上升，出于對輸電線路安全運(yùn)行的考慮，可能會在較大范圍內(nèi)對不同老化程度的復(fù)合絕緣子進(jìn)行更換。由于缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，可能會出現(xiàn)因盲目跟風(fēng)而造成不必要的浪費(fèi)，甚至可能對復(fù)合絕緣子的應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。研究復(fù)合絕緣子弱憎水特性，有利于建立合理的絕緣狀態(tài)評價(jià)體系；其二，絕緣子選型設(shè)計(jì)時(shí)絕緣裕度過大，造成大量經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。研究復(fù)合絕緣子弱憎水特性，有利于合理設(shè)計(jì)絕緣子使用壽命，同時(shí)在確保安全運(yùn)行的前提下，適度降低絕緣裕度，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)與效率；其三，硅橡膠材料表面憎水特性復(fù)雜，到目前為止，還缺乏認(rèn)可的指導(dǎo)復(fù)合絕緣子人工污穢試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)。弱憎水性條件下相關(guān)特性研究，有助于完善人工污穢試驗(yàn)方法，推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制。

明確何謂弱憎水性，以及尋求合適的方法和參數(shù)來描述弱憎水性狀態(tài)，是研究復(fù)合絕緣子弱憎水特性的基礎(chǔ)。描述復(fù)合絕緣材料憎水性能的傳統(tǒng)方法，包括液滴靜態(tài)接觸角法和噴水分級法，在弱憎水性條件下不再適用[18,19]。本文介紹了一種描述污層憎水性能的新方法，通過液滴面積來反映污層的弱憎水性狀態(tài)，依據(jù)液滴面積與絕緣子污閃特性間聯(lián)系，細(xì)化當(dāng)前憎水等級，明確弱憎水狀態(tài)定義。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以“HTV試片+HTV芯棒”組合的方式完成，試片與芯棒以相同的污穢染污并在同樣的環(huán)境下遷移，兩者遷移時(shí)間相同。試片用于研究表面憎水性能，并將試片的憎水性代表芯棒的憎水性，試片尺寸為 13.9cm×12.9cm×0.4cm；芯棒是指爬電距離為20cm、不帶傘裙的復(fù)合絕緣子，用于霧室受潮，以研究絕緣子不同憎水性條件下的污閃特性。染污HTV試品的制備、遷移環(huán)境的控制、芯棒受潮前的預(yù)處理工作、受潮時(shí)間以及試驗(yàn)次數(shù)，與文獻(xiàn)[18]中內(nèi)容完全相同，此處不再重復(fù)。

接觸角的測量方式是導(dǎo)致接觸角法在弱憎水性階段不適用的重要原因。接觸角法中，通過采集液滴側(cè)視圖來獲取液滴的接觸角，而在弱憎水性條件下，液滴會因鋪展而導(dǎo)致側(cè)面投影高度不斷減小，導(dǎo)致圖像處理困難；污層不均勻分布使得液滴表面局部間曲率半徑不一致，造成接觸角測量結(jié)果誤差較大。污層分布均勻程度和憎水性強(qiáng)度，以目前的試驗(yàn)手段，無法準(zhǔn)確控制，從而限制了接觸角法的測量范圍[18]。

在以液滴面積法來反映污層憎水性狀態(tài)時(shí)，獲取的是液滴的水平投影圖像。攝像頭垂直布置在試片上方，從俯視的角度拍攝液滴的鋪展過程，液滴鋪展過程與面積增長過程相對應(yīng)，可以消除接觸角測量中所面臨的不利因素的影響。一方面，從俯視角度拍攝水珠擴(kuò)散過程，容易通過圖像處理手段將監(jiān)測對象與背景區(qū)分；另一方面，以圖像處理的方式計(jì)算鋪展液滴的面積，關(guān)鍵在于獲取液滴的像素信息，不受污層分布均勻程度及憎水性程度的影響。

試驗(yàn)過程中，液滴面積由圖像處理軟件計(jì)算獲取。軟件基于 LabVIEW 中的視覺處理技術(shù)自主開發(fā)而成，集圖像采集和圖像處理兩大功能。從多張液滴形態(tài)圖中獲取的面積數(shù)據(jù)所組成的曲線，即為本文中的液滴面積變化曲線。取曲線末端趨于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，作為液滴面積最大值，以反映試片當(dāng)前的憎水性強(qiáng)度。面積越大，表明污層憎水性越弱。

試驗(yàn)過程中，通過測量試片表面 10μL靛藍(lán)溶液水平投影面積（簡稱液滴面積）來反映污層的憎水性能。選擇靛藍(lán)溶液有兩方面原因：一方面是在污層憎水性能較弱時(shí)，相較蒸餾水而言，靛藍(lán)溶液對憎水性能的變化信號更敏感[18]；另一方面原因是靛藍(lán)溶液是藍(lán)黑色液體，相較于無色透明的蒸餾水而言，更容易識別液滴的邊界，降低圖像處理環(huán)節(jié)的計(jì)算難度。圖 1和圖 2分別是 10μL靛藍(lán)液滴與蒸餾水落在污層表面時(shí)，相應(yīng)圖片的灰度像素?cái)?shù)分布圖。從圖中可以看出：選用蒸餾水時(shí)，水滴灰度與背景灰度相互重疊，不易區(qū)分。

圖1 靛藍(lán)溶液沾濕局部污層圖像及灰度信息曲線Fig.1 Wetted area by indigo solution and related grayscale information of the picture

圖2 蒸餾水沾濕局部污層圖像及灰度信息曲線Fig.2 Wetted area by distilled water and related grayscale information of the picture

測量污層表面液滴面積的同時(shí)，也測量了液滴接觸角，從多個(gè)角度反映試品憎水性狀況。試品以高嶺土與 NaCl的混合污穢染污，灰密和鹽密分別為1.0mg/cm2和0.1mg/cm2。高嶺土有三種類型，分別是分析純高嶺土、化學(xué)純高嶺土和工業(yè)原料高嶺土。三種高嶺土混合物在獲取憎水性的能力方面存在顯著差異，以驗(yàn)證液滴面積法用于弱憎水性狀態(tài)研究時(shí)的有效性。

3 試驗(yàn)結(jié)果

10μL靛藍(lán)溶液在污層表面面積變化如圖3所示。圖3中的面積曲線有如下規(guī)律：①在染污HTV試片表面，液滴的鋪展速度隨著拍攝時(shí)間的增長而逐漸降低，10min內(nèi)液滴面積趨于穩(wěn)定；②當(dāng)試片憎水性能較弱時(shí)，隨著遷移時(shí)間的增長，液滴面積呈現(xiàn)出明顯的收縮趨勢，液滴面積最大值顯著降低，即試片憎水性能較弱時(shí)，液滴面積對憎水性能的改善十分敏感；③試片憎水性能較好時(shí)，不同遷移時(shí)間所對應(yīng)的液滴面積變化曲線相互靠攏，液滴面積最大值趨同。

圖3 染污試片表面10μL靛藍(lán)溶液面積變化曲線Fig.3 Change of area for 10μL indigo solution on polluted plate samples

將遷移不同時(shí)間的 HTV芯棒移入霧室受潮90min后，升高絕緣子兩端電壓至閃絡(luò)，得到芯棒不同遷移時(shí)間后的污閃電壓，如圖4所示。圖4反映了三種高嶺土污層獲取憎水性的能力差異，同時(shí)也說明憎水性隨遷移時(shí)間增長呈現(xiàn)出波動性增長。絕緣子的污閃電壓不隨遷移時(shí)間的增加而穩(wěn)步增長，導(dǎo)致單一的遷移時(shí)間不能作為評價(jià)污層憎水性能強(qiáng)度的準(zhǔn)確參數(shù)。到目前為止，不同科研單位對人工污穢試驗(yàn)條件設(shè)置不一致[20]，主要原因就是刻意將染污絕緣子污層的憎水性強(qiáng)弱與遷移時(shí)間相關(guān)聯(lián)。遷移過程受遷移環(huán)境影響較大[20,21]，不同實(shí)驗(yàn)室，相同的遷移時(shí)間，絕緣子表面憎水性差異較大，圖 4所揭示的污層憎水性能隨遷移時(shí)間呈波動性增長的規(guī)律，進(jìn)一步加劇了憎水性能方面的差異，從而各單位對遷移時(shí)間有不同規(guī)定。

圖4 芯棒污閃電壓隨遷移時(shí)間變化過程Fig.4 Flashover voltage of rods with different migration time

污層憎水性波動性增長也體現(xiàn)在液滴面積最大值變化上，如圖5所示。相較圖4而言，圖5中所表現(xiàn)出來的波動性比較弱，尤其是在試片遷移時(shí)間較長時(shí)，這種波動極不明顯。其原因在于：遷移時(shí)間較長時(shí)，從總體上來說，試片憎水性能趨于良好，液滴在污層表面不再鋪展，形態(tài)呈半球狀甚至橢球狀，液滴面積變化不大，從而液滴面積法對憎水性能較好時(shí)的憎水性能改變信號不敏感。與之相對的是：接觸角法在污層憎水性能較弱時(shí)對憎水性能的變化信號不敏感，容易進(jìn)入測量盲區(qū)；而在憎水性較強(qiáng)時(shí)，卻對憎水性變化信號敏感[22]。本文主要研究弱憎水性條件下相關(guān)特性，液滴面積對弱憎水性狀態(tài)下的憎水性信號敏感的特征，適合作為特征參量來表征弱憎水性狀態(tài)下的憎水性能變化。關(guān)于憎水性隨遷移時(shí)間呈波動性增長的原因，將在其它論文中專門討論。

圖5 10μL靛藍(lán)面積最大值隨遷移時(shí)間變化曲線Fig.5 Maximum area of 10μL indigo solution change with the time of hydrophobicity transference

4 討論

4.1 液滴面積最大值與污閃電壓梯度

將圖4中的污閃電壓數(shù)據(jù)除以HTV芯棒的爬電距離，得到HTV芯棒的污閃電壓梯度。將HTV芯棒的污閃電壓梯度與圖5中的液滴面積最大值繪制在同一張圖中，建立絕緣子污層憎水性能與絕緣子污閃特性的聯(lián)系，如圖6所示。雖然三種高嶺土在獲取憎水性的能力上有明顯差異，但是，將三種高嶺土染污試品的試驗(yàn)結(jié)果放在一起時(shí)，液滴面積最大值與污閃電壓梯度間卻呈現(xiàn)出了良好的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，這使得通過液滴面積來描述染污試品的弱憎水特性有了實(shí)質(zhì)意義。

圖6 液滴面積最大值與HTV芯棒污閃電壓梯度Fig.6 Maximum values of droplets area and flashover voltage gradient of HTV rods

依據(jù)液滴形態(tài)以及污閃數(shù)據(jù)的分散性，將圖 6中的相關(guān)內(nèi)容根據(jù)液滴最大面積進(jìn)一步細(xì)分為三個(gè)區(qū)域，對于 10μL靛藍(lán)溶液而言：區(qū)域 3對應(yīng)的液滴最大面積處于（8mm2，15 mm2）之間；區(qū)域 2對應(yīng)的液滴最大面積處于（15mm2，120 mm2）之間；區(qū)域1對應(yīng)著液滴最大面積大于120 mm2的情形。

圖7的數(shù)據(jù)來自7片不同遷移時(shí)間的高嶺土染污HTV試片，在每塊試片上隨機(jī)選擇三個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行10μL靛藍(lán)溶液面積測量、10μL靛藍(lán)溶液接觸角測量以及 10μL蒸餾水接觸角測量，由于每種參量僅測量了一次，所以圖7中各個(gè)參數(shù)并不能代表該試片污層的整體憎水性能。但是，這種隨機(jī)測量過程，能夠說明 10μL靛藍(lán)溶液最大面積趨近 15mm2時(shí)，液滴接觸角所處范圍。由圖 7可知：當(dāng) 10μL靛藍(lán)溶液最大面積趨于 15mm2時(shí)，10μL靛藍(lán)溶液和蒸餾水的接觸角均大于75°。此時(shí)，無論是10μL蒸餾水還是靛藍(lán)溶液，液滴在污層表面已經(jīng)收縮且趨于半球狀。

圖7 液滴最大面積與液滴接觸角穩(wěn)定值Fig.7 Droplet maximum area and stable contact angle

在人工污穢試驗(yàn)中，當(dāng) 10μL蒸餾水接觸角在90°左右時(shí)，通過噴水分級方法得到的試片表面憎水等級為HC7。但是，與噴水分級結(jié)果不同的是：芯棒在霧室受潮較長時(shí)間后，污層表面密布呈球狀的微小水珠，而并非在其表面形成連續(xù)水膜，污層整體尚比較干燥，如圖8及圖 9所示。

圖8 芯棒霧室內(nèi)受潮245min后的表面水珠形（10μL蒸餾水和靛藍(lán)液滴接觸角穩(wěn)定值為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°）

圖9 接觸角穩(wěn)定值90°時(shí)試片受潮后表面液滴Fig.9 Drops on the surface after wetting for the situation when stable CA is 90°

試品表面的憎水性能越好，其表面液滴會越收縮，液滴面積則越小，同時(shí)液滴接觸角則會明顯增大。因此，針對圖6中液滴面積最大值在（8mm2，15mm2）間的區(qū)域 3，該區(qū)域內(nèi)各試品污層的憎水性能較好。待試品受潮過程結(jié)束時(shí)，污層表面沒有形成連續(xù)水膜，而是在局部區(qū)域聚集微型小水滴，或者零散分布著尺寸相對較大的水珠，污層表面相當(dāng)多的區(qū)域還顯得比較干燥。從而，各個(gè)試品污層在升壓閃絡(luò)前的受潮程度迥異，升壓閃絡(luò)過程中，污層表面離散分布的水珠放電對污閃電壓影響顯著，以至于區(qū)域3內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)的分散性較大，使得液滴面積最大值與污閃梯度沒能建立明確聯(lián)系。但是，處在區(qū)域3內(nèi)的試片，除了虛線圓圈中的兩組數(shù)據(jù)外，均有較高的污閃電壓梯度。針對與虛線圈內(nèi)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的HTV芯棒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些芯棒表面均有明顯的水滴滑落痕跡，其原因是：試品表面憎水性能比較好時(shí)，霧室中的水霧以水珠形態(tài)在芯棒表面聚集，當(dāng)水珠體積超過一定界限則會沿芯棒滑落。水滴滑落的作用相當(dāng)于縮短了芯棒爬電距離，從而降低了其閃絡(luò)電壓。可能存在的不同程度水珠滑落過程，也是造成區(qū)域3內(nèi)HTV芯棒閃絡(luò)電壓分散性較大的另一原因，對于帶有傘裙的真實(shí)絕緣子而言，這種水滴滑落情況將會明顯減少，從而有利于減小該區(qū)域內(nèi)污閃數(shù)據(jù)的分散性。

圖6中區(qū)域1內(nèi)試品表面，液滴完全鋪展，液滴接觸角趨近于0°；在區(qū)域2內(nèi)，試品表面液滴鋪展程度大幅度降低且最終呈現(xiàn)出半凸透鏡狀形態(tài)，液滴形態(tài)穩(wěn)定后有一定的接觸角，但接觸角數(shù)據(jù)分散性很大，準(zhǔn)確測量依舊困難；區(qū)域3所對應(yīng)的試品，液滴在污層表面幾乎沒有鋪展，形態(tài)接近半球狀甚至是橢球狀。整體而言，區(qū)域1及區(qū)域2內(nèi)污閃電壓梯度與液滴面積最大值較好的服從負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，數(shù)據(jù)分散性小。但是，區(qū)域2內(nèi)橢圓圈住的幾組數(shù)據(jù)，偏離趨勢線的程度較大，故作為特殊討論對象加以分析。分析發(fā)現(xiàn)，在這幾組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的染污 HTV試片表面，靛藍(lán)液滴對污層有明顯的渲染效果，且渲染區(qū)域面積遠(yuǎn)大于液滴面積，水滴渲染污層的效果如圖 10所示。污層被液滴渲染后，表面雖然沒有明水，但相應(yīng)區(qū)域污穢也已明顯受潮，對于這種憎水性強(qiáng)度的污層而言，其在霧室受潮90min后，與處于區(qū)域1內(nèi)的試品在受潮90min后的受潮程度接近，均能使污層充分受潮，故污閃電壓很低。限于目前試驗(yàn)條件，在計(jì)算液滴面積時(shí)，只能準(zhǔn)確識別污層表面有明確顏色邊界的液滴面積，尚不能準(zhǔn)確識別液滴渲染部分的面積，這是造成圖6中區(qū)域2內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)分散性的原因。隨著污層憎水性的增強(qiáng)，液滴渲染會逐漸減弱，對于區(qū)域2內(nèi)趨勢線附近點(diǎn)所對應(yīng)的試片，液滴在這些污層上的渲染作用不明顯，與液滴面積相比，渲染面積可忽略不計(jì)；區(qū)域1內(nèi)各點(diǎn)所對應(yīng)的試片上，液滴的鋪展過程和渲染過程都非常顯著，由于該區(qū)域所對應(yīng)試片上，液滴鋪展范圍已經(jīng)很大，再考慮液滴對污層的渲染作用意義不大。區(qū)域1中所對應(yīng)的試品，其污層均能較充分的受潮，這也是區(qū)域1內(nèi)液滴面積最大值變化范圍很大，但是污閃電壓卻不明顯變化的原因。從污閃電壓角度考慮，區(qū)域 2內(nèi)橢圓所標(biāo)注的幾組數(shù)據(jù)，被劃分到區(qū)域1更合適，因此，可以將液滴對污層有明顯渲染效果的情形，作為區(qū)域1與區(qū)域2的過渡環(huán)節(jié)。

圖10 液滴的鋪展與渲染Fig.10 Rendering and spreading of droplet

通過上述討論，可將現(xiàn)有的憎水性等級進(jìn)一步細(xì)化，方法如下：①從試片整體憎水性能考慮，試片當(dāng)前憎水等級要滿足 HC7的要求，可在觀測液滴形態(tài)后再進(jìn)行噴水分級試驗(yàn)加以確定；②針對試品污層不同強(qiáng)度的弱憎水性狀態(tài)，從液滴形態(tài)角度考慮，分別與圖6中的三個(gè)區(qū)域相對應(yīng)，在區(qū)域1與區(qū)域2之間添加一個(gè)有液滴渲染的過渡形態(tài)，從而將HC7級再次細(xì)分為4個(gè)等級：1）液滴完全鋪展或接近完全鋪展，接觸角趨近于0°，其表面特性完全呈親水性，將此憎水性級別記為 HC7D；2）液滴鋪展過程明顯，同時(shí)液滴對污層的渲染效果顯著，相較液滴面積而言，渲染區(qū)域面積不可忽略。液滴形態(tài)穩(wěn)定后，能夠觀察到較小的接觸角但不易測量，將此憎水性級別記為HC7C；3）液滴有一定的鋪展過程，對污層渲染作用不明顯，相對于液滴面積而言，液滴渲染區(qū)域面積可忽略不計(jì)，液滴穩(wěn)定后呈半凸透鏡狀形態(tài)，有比較明顯的接觸角，將此憎水性級別記為HC7B；4）液滴幾乎不鋪展，也不存在液滴渲染過程，液滴穩(wěn)定后呈半球狀甚至橢球狀，將此憎水性級別記為HC7A。10μL液滴滴在污層表面停留 6～10min后，HC7D~HC7A所對應(yīng)的液滴典型形態(tài)如圖11所示。

圖11 HC7D～HC7A所對應(yīng)的液滴典型形態(tài)Fig.11 Typical morphology of droplets for HC7D to HC7A

從 10μL靛藍(lán)溶液在污層表面最大面積這一角度，對本文中的 HC7A～HC7D進(jìn)行初步量化：①HC7D，在不計(jì)液滴渲染面積時(shí)，液滴面積最大值>200mm2；②HC7C，在不計(jì)液滴渲染面積時(shí)，液滴面積最大值<120mm2；③HC7B，15mm2<液滴面積最大值<100mm2；④HC7A，8mm2<液滴面積最大值<15mm2。HC7中A、B、C、D四個(gè)階段，對于HC7A，由于試品受潮時(shí)液體在污層表面以離散水珠的形式存在，可以認(rèn)為其屬于較強(qiáng)憎水性，在此基礎(chǔ)上憎水性能進(jìn)一步改善，污閃電壓并不一定明顯升高，與受潮過程及液滴分布關(guān)聯(lián)很大；針對HC7D和HC7C所描述的憎水性狀態(tài)，更準(zhǔn)確的說，應(yīng)將其歸類為強(qiáng)親水性；從HC7B開始，液滴才有比較明顯的接觸角，并且污閃電壓與液滴面積在此段間存在著較好的函數(shù)關(guān)系，因此，將HC7B階段定義為弱憎水性階段。

針對HC7B級憎水性，10μL蒸餾水接觸角穩(wěn)定值常處于（30°，90°）區(qū)間段，但是接觸角在弱憎水性階段對憎水性狀態(tài)不敏感，且測量受污層表面狀況影響太大，時(shí)常陷入測量盲區(qū)，導(dǎo)致在該憎水等級下，獲取接觸角穩(wěn)定值不如獲取液滴面積最大值容易。

4.2 液滴面積在污層表面的分散性

當(dāng)污層憎水性能不夠強(qiáng)時(shí)，沿試片表面存在突出的憎水性不均勻分布問題，該問題是導(dǎo)致靜態(tài)接觸角法在弱憎水性狀態(tài)下不適用的重要原因。從HC7D到 HC7A，本文研究了各階段試片表面不同位置處液滴面積最大值的分散性。

對于完全親水性狀態(tài)的HC7D試品，通常對應(yīng)著遷移時(shí)間非常短、污層剛干燥不久時(shí)的情形。此時(shí)液滴在污層表面的面積大小呈統(tǒng)計(jì)規(guī)律，和各種惰性物質(zhì)的吸水性能密切聯(lián)系，與憎水性能無關(guān)。液滴在HC7D憎水等級表面接近完全鋪展，單個(gè)液滴的面積都很大，由于不同液滴的面積大小具有統(tǒng)計(jì)性，故同一試片不同位置處，液滴面積最大值會有較大差異。對于不同的惰性物質(zhì)污層，HC7D表面液滴面積最大值分散性不同，就 10μL靛藍(lán)溶液而言，吸水性弱的惰性物質(zhì)，差值在80mm2左右；吸水性很強(qiáng)的惰性物質(zhì)，不同部位液滴面積最大值的差異可以達(dá)到 200mm2。HC7D階段液滴面積分散性如圖12所示。

圖12 HC7D表面10μL靛藍(lán)液滴面積分散性Fig.12 Dispersion of 10μL indigo solution areas in HC7D

HC7C作為強(qiáng)親水性和弱憎水性間的過渡環(huán)節(jié)，液滴雖然有了初步的收縮聚攏趨勢，也有了微弱的接觸角，但是不同部位處液滴面積大小仍存在一定分散性；對于吸水性較強(qiáng)的惰性物質(zhì)，如工業(yè)原料高嶺土，分散性可以達(dá)到70mm2；而對于吸水性較弱的惰性物質(zhì)，如分析純高嶺土，分散性就明顯減小，通常小于30mm2。對于HC7C憎水等級污穢，雖然污層表面獲取了少量低表面能小分子鏈，已經(jīng)呈現(xiàn)出極微弱的憎水性能，但仍然是側(cè)重于很強(qiáng)的親水性。在HC7C等級中，要關(guān)注液滴對污層的渲染作用，渲染面積的大小，與惰性物質(zhì)的種類有關(guān)，通過分析液滴面積最大值和污閃電壓梯度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，HC7C表面液滴面積明顯小于 HC7D表面液滴面積，但是污閃電壓卻較低，所以對于HC7C憎水等級，有必要將液滴渲染部分面積考慮到液滴面積當(dāng)中，但是不能直接計(jì)入，需要根據(jù)渲染程度進(jìn)行折算，折算比例系數(shù)還有待進(jìn)一步研究。

HC7B憎水性等級表面，液滴面積的分散性較小。當(dāng)液滴面積較大時(shí)，如大于50mm2時(shí)，對于吸水性較強(qiáng)的污層，分散性一般在20mm2以內(nèi)；而對于吸水性弱的污層，分散性則在 10mm2以內(nèi)。在HC7B階段，隨著憎水性能逐步增強(qiáng)，液滴面積會逐漸減小，其分散性也在逐步降低，對于所研究的三種高嶺土污層，面積的分散性都在10mm2以內(nèi)，如圖 13所示。在 HC7A憎水等級中，液滴已經(jīng)收縮呈半球狀或球狀，液滴面積最大值間基本上沒有差異。由于此時(shí)液滴面積對污層憎水性能的變化信號已經(jīng)不敏感，限制了其在HC7A階段的適用性。針對HC7A這種憎水性較強(qiáng)的情形，液滴靜態(tài)接觸角法則更適合該階段的憎水性能研究。

圖13 HC7B表面10μL靛藍(lán)液滴面積分散性Fig.13 Dispersion of 10μL indigo solution areas in HC7B

研究HC7B階段的污閃特性對于復(fù)合絕緣子的選型設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有非常突出的意義。HC7B作為弱憎水性階段，憎水性開始清晰顯現(xiàn)，但憎水性能并不強(qiáng)，在此階段，液滴最大面積與污閃電壓梯度間存在著比較明確的函數(shù)關(guān)系，可以利用HC7B階段的相應(yīng)特征，模擬復(fù)合絕緣子表面憎水性能下降時(shí)的情形，從而優(yōu)化絕緣子的結(jié)構(gòu)高度。HC7B階段，液滴面積分散性隨著憎水性能改善而顯著降低的趨勢，使得液滴面積法在描述弱憎水性狀態(tài)時(shí)具有便利性。

4.3 液滴面積法適用范圍進(jìn)一步探討

以上關(guān)于液滴面積法的討論是基于定量涂刷的染污方式，污穢以毛刷涂刷時(shí)用水量少，對 HTV試片原有的憎水能力破壞不明顯。在復(fù)合絕緣子的人工污穢試驗(yàn)中，常用的一種染污方式是浸污法，浸污法由于用水量較多，通常會破壞 HTV試品表面原有的憎水性能，從而以浸污法染污的HTV試品，污層表面要獲得較好的憎水性能通常需要更長的時(shí)間。本節(jié)設(shè)置了一組以浸污法作為染污方式的人工污穢試驗(yàn)，以討論液滴面積法的適用范圍。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T859—2004中關(guān)于復(fù)合絕緣子浸污法的相關(guān)內(nèi)容：試品鹽密、灰密分別是 0.1mg/cm2和 1.0mg/cm2時(shí)，惰性物質(zhì)及NaCl用量分別是320g/L和20g/L，如圖14所示。

圖14 污穢鹽度與鹽密曲線Fig.14 Curves for salinity and salt density

選用分析純高嶺土作為惰性物質(zhì)，NaCl作為可溶性鹽，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配置鹽密、灰密分別為0.1mg/cm2和1.0mg/cm2的混合污穢，同時(shí)染污HTV試片及芯棒，并以試片和芯棒組合的方式進(jìn)行研究，研究方法與前文所述內(nèi)容一致，10μL靛藍(lán)面積最大值與染污HTV芯棒污閃電壓梯度如圖15所示。

圖15 10μL靛藍(lán)面積最大值與芯棒污閃電壓梯度Fig.15 Maximum droplet areas of 10μL indigo solution and flashover voltage gradient of HTV rods

由圖15可以看出，即使是通過浸污法染污的試品，液滴面積最大值與污閃電壓梯度間仍然存在著類似的負(fù)冪函數(shù)的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，浸污法染污試品，應(yīng)對試品表面污穢含量進(jìn)行校核，確定所覆污穢是否與預(yù)定污穢度相符合[23]。故對圖中A、B、C、D四點(diǎn)所對應(yīng)的HTV芯棒進(jìn)行抽檢，試驗(yàn)結(jié)果如表所示。由表可以發(fā)現(xiàn)：①試品B污閃電壓梯度明顯偏低，是由于相較于其它試品而言，實(shí)測鹽密最高；②試品A表面污層真實(shí)含鹽量最少，其污閃電壓較低則是由于其憎水性能較弱所導(dǎo)致；③采用浸污法時(shí)，從統(tǒng)計(jì)規(guī)律上看，各個(gè)試品表面污穢含量大致相當(dāng)，但是，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所配置的污穢，在芯棒表面實(shí)測鹽密、灰密分別在 0.04mg/cm2與 0.36mg/cm2左右，與標(biāo)準(zhǔn)中給出的 0.1mg/cm2鹽密和 1.0mg/cm2灰密相比則相去甚遠(yuǎn)。表面污穢真實(shí)含量的差異，也是導(dǎo)致圖6與圖15中擬合曲線系數(shù)相差較大的原因。試品污穢含量實(shí)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中所述情況偏差很大，說明浸污法難以控制試品表面真實(shí)積污量。盡管如此，圖15與附表仍能夠說明，即使是以浸污法染污的試品，液滴最大面積與污閃電壓梯度間仍然存在著比較明確的函數(shù)關(guān)系，也說明液滴面積法適用于以浸污法染污的人工污穢試驗(yàn)憎水性能研究。

表 染污HTV芯棒抽檢結(jié)果Tab. Sampling inspection results for polluted rods

至此，已經(jīng)討論了液滴面積法在染污復(fù)合絕緣子弱憎水性狀態(tài)下的研究意義。隨著憎水性能逐步增強(qiáng)，液滴面積對憎水性能變化信號的敏感性逐漸下降，這一特性與接觸角隨憎水性強(qiáng)度變化的特性正好相反。因此，可以結(jié)合液滴面積與液滴接觸角的特性，共同研究復(fù)合絕緣子不同憎水性條件下的相關(guān)性能。

5 結(jié)論

本文提出了以污層表面液滴面積來描述污層憎水性能的新方法，并首次從污閃電壓和受潮過程的角度，對弱憎水性狀態(tài)給出了定義。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，證實(shí)了液滴面積法在弱憎水性階段的適用性。本文主要結(jié)論如下：

（1）在弱憎水性條件下，液滴面積最大值可以反映污層憎水性狀況。根據(jù)液滴形態(tài)及污閃試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在已有的7個(gè)憎水等級基礎(chǔ)上，對HC7實(shí)現(xiàn)了細(xì)化，并將HC7B定義為弱憎水性階段。

（2）在HC7B階段，憎水性開始較明顯的發(fā)揮作用，液滴面積對憎水性能的變化信號敏感，此時(shí)液滴面積容易測量且分散性小，與污閃電壓間的函數(shù)關(guān)系明確，彌補(bǔ)了靜態(tài)接觸角法在此階段的不足。

（3）隨著憎水性能逐步增強(qiáng)，液滴面積對憎水性能變化信號的敏感性逐漸下降，這一特性與接觸角隨憎水性強(qiáng)度變化的特性正好相反，因此可以利用液滴面積法與液滴接觸角法的各自優(yōu)勢，共同研究復(fù)合絕緣子的憎水性能。在HC7A階段，液滴面積法已不再適用，采用靜態(tài)接觸角法更能反映污層表面的憎水性能。HC7A階段污閃電壓分散性較大，這與試品的受潮狀態(tài)有很大關(guān)聯(lián)。此時(shí)單純研究憎水性強(qiáng)度已經(jīng)意義不大，需同時(shí)考慮不同受潮特性下的電弧發(fā)展過程。

（4）對于染污HTV試片表面的弱憎水性狀態(tài)描述，液滴面積法具有較好的適用性。包括以毛刷涂污的試品和浸污法染污的試品，試品表面液滴面積均能與絕緣子的污閃特性建立良好的聯(lián)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，主要從事高電壓外絕緣方面的研究工作。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377093）。

2013-04-22 改稿日期2013-06-02

梅紅偉 男，1979年生，博士后，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作。