李晓峰 李正瀛1 J.M.K.MacAlpine2丁颖川3
1.华中科技大学 武汉 430074 2.香港理工大学 香港 3.辽河油田油建一公司 盘锦 124120
0 前言
随着输电电压等级的逐步提高和环境污染，绝缘子的污秽耐受电压已经成为输电线路绝缘设计的关键问题之一［1，2］。现有的研究结果表明，污秽绝缘子的表面电导与其闪络电压之间有明确的对应关系，即表面电导增大时，闪络电压随之降低［2，5］。现有多种解释绝缘表面污秽闪络现象的模型［1，3，5-8］。但它们都为了简化而或多或少地忽略了某些参数［7］，本文即对绝缘子的表面电导特性进行实验 、建模及仿真研究。
1 实验装置
以100mm×50mm的玻璃薄片来模拟实际的绝缘表面，以氯化 钠和氧化铝的混合物模拟污秽中的电解质和非电解质，以50mm×10mm的两铜片作电极。实验在人工雾室中进行，其尺寸为700mm×500mm×700mm(高)。为便于观察，人工雾室由透明的有机玻璃制成。由于雾天等潮湿天气下空气中的水分是冷的微粒，采用了超声波增湿器产生的常温雾来模拟实际的潮湿天气。实验温度保持在20℃，并设定喷雾量为80g/h ，凝结在污秽物上的水为1.1g/h。实验装置如图1。
实验时通过取样电阻(10Ω)上的电压来获得通过污秽玻璃薄片上的泄漏电流。该模拟电压信号通过A/D转换器转换成数字信号后输入到计算机进行记录和处理。
2 实验过程
为使实验精确、重复性好，采用精度为0.1mg的电子秤称取氯化钠(NaCl)和氧化铝(Al2O3)。实验时，将称量好的NaCl和Al2O3充分混合后，均匀地平铺在玻璃薄片上。为使NaCl在玻璃片上分布得更加均匀，用喷壶将污秽湿润后，置于阴凉处让其自然干燥。最后将污秽玻璃薄片放入雾室，接通交流电源，打开超声波增湿器进行实验。
为消除因泄漏电流过大而产生的热效应对表面电导测量的影响［2］，实验时将测量电压设定为5V。实验采用五种混合样品进行，其配置见表1。
实验按以下4种布置方式进行：
1)为防止人工污秽因雾淋而溢出玻璃表面，在玻璃薄片两侧粘接两个玻璃矮墙(长100mm、高10mm)。平铺人工污秽前，严格清洗玻璃薄片。
2)除平铺人工污秽前不严格清洗玻璃薄片外，其它情况与方式1)相同。
3)为模拟实际绝缘物情况，取消两玻璃矮墙进行自然状态的实验。与方式1)相同，平铺人工污秽前，严格清洗玻璃薄片。
4)除平铺人工污秽前不严格清洗玻璃薄片外，其它情况与方式3)相同。
3 实验结果
方式1)下实验结果的平均值见图2。从图2可见：在绝缘表面清洁、污秽分布均匀且污秽不溢出绝缘表面的情况下，绝缘表面电导值随湿润时间的增加而增大，最后的极大值与可溶物NaCl的含量基本上成正比。这一结果与电化学理论分析的结论相吻合，也易于理解。
为便于比较多次实验结果，方式2～4下样品2连续5次的实验结果分别见图3～5。
在图5中，让超声波增湿器工作90min后关闭，以取得无表面污秽溢出时的实验结果。
从图3、图5及实验观察发现：在玻璃表面未作严格清洗时，其表面有油污等憎水性物质存在，当其在人工雾室中慢慢湿润时，溶解了NaCl后的水溶液并不是均匀地覆盖在玻璃片表面，而是被一块块的憎水性区域分隔成一片片或大或小的电解质溶液区。有时，因憎水区域隔断了溶液区，导致在实验开始后的1～2h内(如图5中的3条曲线)所测得的表面电导值→0。而在图2和图4中，因玻璃表面在实验开始前作过严格清洗，不存在表面油污等杂质，所以经过较短时间的湿润后，其表面形成了均匀的电解质溶液层，随后表面电导值随着水雾的凝结而逐渐增加。图4中因表面溶液层达到一定程度后电解质溢出，故其表面电导值达到最大后再逐渐下降。从图3～5可见，相同的样品其实验结果得出的极大值具有分散性。
4 计算机仿真
为减少重复实验的工作量和准确地探究污秽闪络现象，以浸润理论为基础，根据污秽表面的实际情况设计了计算机软件来仿真绝缘表面污秽在吸附空气中水分的过程中表面电导随时间的变化曲线。
浸润理论认为：表面电解质和非电解质污秽随机地分布于绝缘物表面，水分在潮湿天气下也是随机地凝结到污秽表面各处。当水分和导电性物质结合并溶解导电性物质后，该处局部电导将上升；当水分和非导电性物质结合时，该处局部电导值基本不变。基于这一理论，我们可以设计相应的软件来模拟绝缘表面电导随吸收水量而变化的关系曲线并实时地确定表面电场分布、起晕电压、电弧长度及闪络电压［9］。应用上述理论模拟第2部分情况下玻璃片表面电导值与绝缘表面污秽吸水量之间的关系见图6。玻璃薄片吸附水分后表面导电区域和非导电区域的分布见图7。其中，黑色部分代表导电区域；白色部分代表非导电区域。比较图6和图2，可见，应用浸润理论模拟出的绝缘表面电导随吸水量的变化曲线与实验结果很吻合。
5 结论
a.如果污秽物在润湿时不从表面溢出，绝缘表面电导在一定的污秽度内，随着污秽内导电物质含量的增加而增大。
b.在绝缘物表面含有相同的电解质和非电解质污秽时，因表面清洁度、污秽分布均匀度等因素的各异，表面电导的最大值具有分散性。
c.在绝缘物表面有憎水性物质存在时，在从湿润开始到相当长一段时间内，绝缘物表面泄漏相当小，→0；但当表面电解质溶液层厚到可以较均匀地覆盖到憎水性物质表面时，表面电导将迅速增加到与表面清洁时大约相同的数值。
d.因电流的热效应，实验所采用的测量电压值的大小对表面电导的实验结果具有很大的影响。
e.应用浸润理论得到的绝缘表面电导曲线与实验结果很吻合，说明以此种方法研究污秽绝 [1] [2] 下一页
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