孟 巖，石海珍，楊繼紅，楊 樂(lè)，賈志東，王林軍，尚曉光（．國(guó)網(wǎng)新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； ．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 58055）

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絕緣子表面RTV憎水性與其放電的紫外成像結(jié)果關(guān)系研究

孟 巖1，石海珍1，楊繼紅1，楊 樂(lè)1，賈志東2，王林軍2，尚曉光2
（1．國(guó)網(wǎng)新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：室溫硫化硅橡膠（RTV）涂料在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)逐漸老化，可采用憎水性測(cè)量和理化手段分析其老化程度，但無(wú)法對(duì)運(yùn)行中的絕緣子進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)涂污的方式模擬絕緣子表面RTV憎水性的減弱，對(duì)絕緣子串加壓并用紫外成像儀記錄放電過(guò)程，研究憎水性與紫外成像結(jié)果的關(guān)系。分析放電產(chǎn)生的紫外光子數(shù)和光斑面積發(fā)現(xiàn)，絕緣子串表面RTV憎水性越差，其發(fā)生顯著放電的電壓越低，相同電壓下放電程度越劇烈。研究成果為運(yùn)行中絕緣子RTV憎水性能的評(píng)估提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：RTV憎水性；紫外檢測(cè)；紫外光子數(shù)；紫外光斑面積

引言

污閃問(wèn)題是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要威脅[2]，其發(fā)生的過(guò)程如下：瓷和玻璃絕緣子表面具有親水性，在積污受潮狀態(tài)下，水分完全浸濕絕緣子表面，污穢中電解質(zhì)溶于水使電導(dǎo)率增加，絕緣子表面的泄漏電流顯著上升，電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致局部干區(qū)的形成，使電場(chǎng)發(fā)生畸變，局部干區(qū)兩端承受了較大的壓差，易引發(fā)電弧并進(jìn)一步發(fā)展為閃絡(luò)[1,3]。RTV涂料能夠顯著提高絕緣子串的污閃電壓，減少污閃事故的發(fā)生，其防污閃的原理為：絕緣子表面噴涂RTV涂料后具有了憎水性，在受潮情況下水分是以孤立的水珠形態(tài)存在，阻礙了泄漏電流的上升和局部干區(qū)的形成，因此不會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，破壞了電弧產(chǎn)生的條件，降低了污閃的可能性[2-5]。

RTV在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生老化，主要表現(xiàn)為憎水性和憎水遷移性的降低，絕緣子表面憎水性能減弱到一定程度就需要更換或進(jìn)行二次涂覆[3,4]，需要對(duì)RTV的老化狀態(tài)進(jìn)行分析，以評(píng)估其是否能繼續(xù)運(yùn)行。目前針對(duì)RTV涂料老化分析方法主要有：憎水性觀察，泄漏電流和污閃電壓測(cè)量，以及多種理化特性分析如紅外光譜分析（RTIR）和熱重分析（TGA）等[6]。文獻(xiàn)[7]中測(cè)量了不同地區(qū)和運(yùn)行年限涂有RTV涂料的絕緣子的污閃電壓，發(fā)現(xiàn)RTV老化程度高的絕緣子其污閃電壓出現(xiàn)了明顯下降。文獻(xiàn)[8,9]中采用靜態(tài)接觸角測(cè)量法和噴水分級(jí)法分析RTV的憎水性能，取得了較好的效果。文獻(xiàn)[10-14]中采用了多種理化分析手段，包括RTIR、電子能譜分析、掃描電鏡分析（SEM）等方法，對(duì)RTV涂料老化前后的微觀結(jié)構(gòu)、特征基團(tuán)和元素含量進(jìn)行了深入分析，較好的解釋了RTV老化的微觀機(jī)理。上述研究成果能較好的評(píng)估RTV的老化狀態(tài)，但需要將絕緣子退出運(yùn)行并取樣至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。本文旨在研究基于紫外成像技術(shù)的可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的絕緣子表面RTV涂料老化程度進(jìn)行評(píng)估的方法。文中利用DayCor SuperB型紫外成像儀，記錄了表面具有不同憎水性的絕緣子串在電壓不斷升高時(shí)的放電過(guò)程，分析紫外成像結(jié)果中的紫外光子數(shù)和紫外光斑面積變化發(fā)現(xiàn)，表面憎水性越差的絕緣子串，其發(fā)生顯著放電的起始電壓越低，同一電壓下的放電現(xiàn)象越劇烈，為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)利用紫外成像法評(píng)估運(yùn)行中絕緣子串RTV涂料的老化程度提供了一種新方法。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，將表面涂有RTV涂料的40片絕緣子串懸掛在V型串右側(cè)，左側(cè)用復(fù)合絕緣子絕緣，V型串上端掛在接地橫梁上，下端接高壓線，整個(gè)裝置置于霧室當(dāng)中。將紫外成像儀固定在距離絕緣子串30 m的位置，鏡頭對(duì)準(zhǔn)瓷絕緣子串的高壓區(qū)域。

試驗(yàn)用絕緣子型號(hào)為XSP-300，表面噴涂有RTV涂料，如圖2所示，絕緣子部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)共分3組進(jìn)行，以RTV涂料的憎水性作為變量，通過(guò)改變絕緣子表面的污穢種類及遷移時(shí)間來(lái)控制憎水性的強(qiáng)弱。3組試驗(yàn)中絕緣子串表面污穢種類及遷移時(shí)間如表2所示。

分別用噴水分級(jí)法檢測(cè)3組絕緣子表面的憎水性，測(cè)試圖如圖3所示，對(duì)照?qǐng)D4中的憎水角分級(jí)狀態(tài)圖可得，3組絕緣子表面的憎水性分別為HC1、HC4和HC6級(jí)。

圖1　試驗(yàn)裝置接線圖

圖2　試驗(yàn)用絕緣子

表1　試驗(yàn)用瓷絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2　3組絕緣子串涂污種類及遷移時(shí)間

每組試驗(yàn)中均為40片絕緣子，將絕緣子串按照?qǐng)D1中接線圖進(jìn)行懸掛，先加霧30 min使絕緣子串飽和受潮，然后抽去霧氣，用恒定速率給絕緣子串加壓，電壓升高速率約為3 kV/s，至電壓升高到500 kV結(jié)束（受加壓設(shè)備限制，電壓最高可升至500 kV）。將紫外成像儀固定在距離絕緣子串30 m的位置，增益設(shè)置為120，記錄下整個(gè)放電過(guò)程，之后分析不同憎水性下絕緣子串紫外成像結(jié)果的特征。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

紫外成像結(jié)果中主要包括紫外光子數(shù)和紫外光斑面積，以下分別對(duì)比了不同憎水性狀態(tài)下上述兩種指標(biāo)的差異。

2.1 紫外光子數(shù)

圖5為紫外放電圖像，圖片下方的計(jì)數(shù)率為紫外光子數(shù)，是儀器在某時(shí)刻統(tǒng)計(jì)到的方框中接收的光子數(shù)量，采樣間隔約為3.5 s。

統(tǒng)計(jì)每組試驗(yàn)放電視頻中的光子數(shù)，畫(huà)出其隨電壓的變化曲線，如圖6所示。

圖3　絕緣子表面噴水分級(jí)法測(cè)量圖

圖4　憎水角分級(jí)狀態(tài)圖

圖5　紫外檢測(cè)圖像

圖6　紫外光子數(shù)-電壓曲線

分析圖像可得，3組試驗(yàn)中絕緣子串放電產(chǎn)生的紫外光子數(shù)存在明顯差別，第1組絕緣子串的憎水性最好，達(dá)到HC1級(jí)，對(duì)應(yīng)的紫外光子數(shù)在整個(gè)放電過(guò)程中不超過(guò)104數(shù)量級(jí)，且整個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生明顯的肉眼可辨的電弧放電；第2組絕緣子串的憎水性為HC4級(jí)，紫外光子數(shù)在電壓低于400 kV時(shí)均小于104數(shù)量級(jí)，電壓高于400 kV之后紫外光子數(shù)迅速上升，達(dá)到105數(shù)量級(jí)，說(shuō)明電壓在超過(guò)400 kV之后才產(chǎn)生了顯著放電；第3組絕緣子串的憎水性為HC6級(jí)，當(dāng)電壓加到200 kV時(shí)紫外光子數(shù)即開(kāi)始有明顯上升，達(dá)到300 kV后紫外光子數(shù)穩(wěn)定在105數(shù)量級(jí)。

40片絕緣子對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)為750 kV，其運(yùn)行相電壓為433 kV，可觀察到在電壓加到433 kV時(shí)，第1組絕緣子串的紫外光子數(shù)為4 000～5 000，沒(méi)有發(fā)生電弧放電；第2組的紫外光子數(shù)為10 000～20 000，處于即將發(fā)生顯著放電的臨界狀態(tài)；第3組的紫外光子數(shù)穩(wěn)定在105數(shù)量級(jí)，且有持續(xù)的電弧放電產(chǎn)生。

2.2 紫外光斑總面積

由于紫外光子數(shù)采樣頻率較低，且受計(jì)數(shù)框的限制，反應(yīng)的信息有限，而紫外光斑面積每秒可獲取約30個(gè)數(shù)值，能更全面的記錄放電過(guò)程。從放電視頻中依次提取出每幀圖片，并轉(zhuǎn)化為灰度值圖，然后通過(guò)設(shè)定閾值再轉(zhuǎn)化為二值圖像。統(tǒng)計(jì)二值圖像中白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即為光斑的面積（下文中提及的面積單位均為像素）。紫外圖像處理前后對(duì)比如圖7所示，左側(cè)為處理前的圖，右側(cè)為處理后的二值圖像。

絕緣子串放電微弱時(shí)，紫外光斑面積遠(yuǎn)小于圖像中絕緣子串的面積，放電強(qiáng)烈時(shí)紫外光斑面積大于絕緣子串面積，如圖8中a)和b)所示，故以圖像中緣子串面積為閾值，來(lái)判斷放電是否嚴(yán)重，經(jīng)測(cè)量此閾值約為70 000。

逐幀計(jì)算3組試驗(yàn)放電視頻中的紫外光斑總面積，得到隨電壓的變化曲線，如圖9所示。

由圖像可得，3組試驗(yàn)中絕緣子串放電產(chǎn)生的紫外光斑總面積存在明顯的差距。第1組中絕緣子憎水性為HC1級(jí)，紫外光斑總面積隨電壓升高而增大，但最大值小于4 000，比絕緣子串面積70 000小一個(gè)數(shù)量級(jí)，故可判斷試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)烈放電。第2組中絕緣子憎水性為HC4級(jí)，紫外光斑總面積在電壓升高到400 kV后有了明顯增大，并出現(xiàn)幅值大于絕緣子串面積的脈沖，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了強(qiáng)烈放電。第3組中絕緣子憎水性為HC6級(jí)，隨電壓升高，紫外光斑總面積脈沖的幅值不斷增加，在電壓超過(guò)250 kV時(shí)，此幅值大于了絕緣子串面積，發(fā)生了強(qiáng)烈放電。

分析絕緣子串在運(yùn)行電壓433 kV處的紫外光斑總面積曲線特征，第1組中的面積約為1 000，表明放電比較微弱；第2組中的面積脈沖幅值恰好達(dá)到與絕緣子串面積相當(dāng)，處于產(chǎn)生強(qiáng)烈放電的臨界狀態(tài)；第3組中的面積脈沖幅值達(dá)到2×105，超過(guò)絕緣子串面積的2倍，且頻率較高，說(shuō)明頻繁的發(fā)生電弧放電。

圖7　紫外圖像處理前后對(duì)比

圖8　紫外光子數(shù)-電壓曲線

圖9　紫外光子數(shù)-電壓曲線

3　結(jié)論

可根據(jù)絕緣子串放電產(chǎn)生的紫外光子數(shù)和紫外光斑總面積評(píng)估其憎水性強(qiáng)弱，在運(yùn)行電壓下，當(dāng)紫外光子

數(shù)達(dá)到105數(shù)量級(jí)，紫外光斑面積脈沖幅值超過(guò)絕緣子串面積，表明絕緣子串發(fā)生了顯著放電，其憎水性降到了HC4級(jí)以下。

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孟巖(1966-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎饨^緣。

Study on the Relationship Between the Hydrophobicity of RTV on Insulator Surface and the UV Imaging Results of the Discharge

MENG Yan1, SHI Hai-zhen1, YANG Ji-hong1, YANG Le1, JIA Zhi-dong2, WANG Lin-jun2, SHANG Xiao-guang2
（1. State Grid Xinjiang Electric Power Company Maintenance Company, Urumqi 830000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055）

Abstract：Room temperature vulcanized (RTV) silicone rubber coatings will be of aging gradually in the running process. And the aging degree can be analyzed by hydrophobicity measurement and physical and chemical method, but the above methods can’t evaluate the insulator in operation. In the paper, we simulated hydrophobicity decreasing of RTV on the insulator surface by smearing contamination, then applied voltage on insulator string and recorded its discharge process by UV imaging instrument, in order to study on the relationship between hydrophobicity and UV imaging results. Finally, in the analysis of the UV photon number and spot area of discharge, we found that the worse the hydrophobicity of RTV on the insulator surface, the lower the significant discharge voltage, the severer the discharge phenomenon under the same voltage. The research conclusion of this paper provides a new method for evaluating the RTV hydrophobic property of running insulator string.

Key words：RTV hydrophobicity; UV detection; UV photon number; UV spot area

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TM215.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）01-0005-05