硅橡胶表面液滴行为及其对交流闪络的影响分析

0引言

硅橡胶 (SiR)因其卓越的绝缘性能、耐温性及抗老化性,在低频输电系统中扮演着不可或缺的角色[1—5]。在近海或海上输电的特定环境中,硅橡胶绝缘长期暴露于高盐、高湿等极端运行条件下,盐雾环境与硅橡胶表面的相互作用是一个复杂的多阶段物理化学过程[6—7]。首先盐雾液滴在硅橡胶表面形成,并随着环境条件变化逐渐润湿硅橡胶;其次液滴在硅橡胶表面持续滚动,这一过程可能伴随着盐分的溶解和渗透,进一步影响硅橡胶性能;最后盐分随着液滴蒸发沉积在硅橡胶表面,从而加速了硅橡胶的老化,导致材料绝缘性能逐渐下降,增加了闪络等事件发生概率,进而影响整个输电系统的安全稳定运行[8—10]。

目前关于硅橡胶表面液滴动态行为的研究主要集中在工频交流及直流两个方面。F. Aouabed等人[11]发现液滴随直流电场强度升高而发生形变及拉长,且液滴的体积、数量、电导率以及液滴相对于电极的位置等参数都会影响电势和电场的分布,液滴的三相点上存在放电导致局部场强较高。曹雯等人[12]发现直流电场下硅橡胶表面液滴动态行为受液滴体积、电导率等因素影响,并能够引起气液固三相交汇处电场严重畸变,液滴体积变化会对起始放电电压与闪络电压造成影响,使闪络发生概率增加。zhuyong等人[13]同样发现液滴的体积和电导率对电晕放电和击穿发展方式有显著影响。当液滴受到局部高电场影响时,可能触发电晕放电,导致液滴变形并与交流电场同步振动。随着变形加剧,液滴可能变得机械不稳定并从顶点喷射水丝,进而可能引发放电并导致击穿。Liuyong等人[14]通过计算流体动力学(CFD)模拟和实验分析发现硅橡胶复合绝缘子表面水滴的聚并行为取决于其大小、导电性和位置。H.songoro等人[15]研究了高压场下液滴的变形,发现水滴在强电场中的变形放大了电场,特别是在与绝缘体的接触线上。LiyuFeng等人[16]发现液滴在普通表面会变得更长,且闪络电压随着体积和电导率的增加而降低。weishichao等人[17]研究了液滴在超疏水表面上的动态行为,并发现在电场力作用下,相邻的水滴会被拉长并在水滴之间形成液体桥梁。s. keim等人[18]发现水滴在电场中会上下振荡,不同体积的水滴表现出不同的活跃程度和振幅。

除直流及工频交流条件外,关于交流低频区间内液滴的动态行为相关试验研究极少,亟需开展相关研究。本文设计搭建了siR表面液滴动态行为实验平台,采用高速摄像机对siR材料憎水表面液滴振荡的主要模式进行分类,探究了交流低频条件下硅橡胶表面盐雾液滴的动态行为规律及闪络特性,这有助于揭示交流低频条件下硅橡胶外绝缘闪络特性。

1试验

1.1 试验装置

试验平台主要由Tektronix 信 号 发生器、Trek30/20A系列高压功率放大器、Tektronix示波器、高速相机(采样帧率设置为最大值1 594帧/s)、高速相机观测平台及动态行为试验平台组成。其中Trek放大器放大倍数达3000倍,信号发生器产生1mHz~100 Hz交流电压信号,最大输出电压幅值为10V。siR表面液滴动态行为综合试验平台如图1所示。

1.2 试验平台及试样

为探究硅橡胶表面液滴行为及其对交流闪络的影响,本文自行设计搭建了如图2所示SiR表面液滴动态行为试验平台。平台主要包括有机玻璃绝缘平台、石墨电极、0.5 mm siR薄片及染色盐雾液滴试样。

采用上海高鸽工贸公司生产的50μL液相微量进样器滴定在0.5mmsiR薄片上、两侧石墨电极中心处(电极间距为15 mm),以控制其至两侧石墨电极间距相等,采用连续升压法对siR表面染色盐雾液滴试样进行加压。

2试验结果及分析

2.1siR表面液滴运动参量

本文选择从液滴静态接触角变化因子θV和液滴拉伸因子Lc两个参数来定义液滴形变情况[19]。

式中:θV为液滴静态接触角变化因子;θ1为盐雾液滴发生形变以及被拉伸后的接触角;θ2为盐雾液滴加压前初始状态的静态接触角;Lc为液滴拉伸因子;L1为盐雾液滴发生形变后被拉伸的长度;L2为盐雾液滴加压前初始形状的长度。

2.2siR表面液滴运动模式

将高速相机所捕获的视频导入MATLAB处理,结果发现无论受到何种电压、频率下的电场应力,液滴的运动模式都大体相同,这些模式主要可以分为如图3(A)~(e)所示五类。

1)静态。液滴处于静止状态,受到电场的轻微作用,但不发生变化。

2)顶部微动。液滴顶部可能会出现微小的运动,表现为轻微的颤动或摆动,受到电场的周期性作用。

3)剧烈颤动。液滴整体出现剧烈的颤动,表现为快速振荡,这种运动模式在电场作用下液滴受到更强烈的力量影响。

4)形变拉长。液滴发生形变并开始呈现出拉长的状态,这种形变可能随着交流电场方向的改变而来回摆动。

5)底部尖端拉长并发生闪络。液滴底部拉长并出现尖端,电场作用下液滴内部电荷集中导致出现放电现象并发生闪络。

随着试验开始,基于不同频率的试验电压开始升高,液滴由静态逐渐转入“顶部微动”状态;一段时间后液滴进入“剧烈颤动”状态,此时液滴的振动幅度加大;随着电压进一步增加,液滴进入“形变拉长”阶段,整体表现出强烈的动态特性;当电压达到一定程度后,液滴底部出现尖端并发生闪络。

2.3S,R表面液滴动态行为

将处理后不同频率条件下各时刻液滴的动态行为导入ImageJ软件中,利用DropAnaly5i5及ROIManager模块对处理后的液滴图像进行包括静态接触角与拉伸长度方面的分析。关于图像的选取,考虑电压、频率确定的情况下液滴运动剧烈程度随电压升高而逐渐增大,因此选择从高速相机所摄视频文件(1594帧/5)中每个液滴产生下一次运动模式前的50帧内图像(即0.03 5内)进行选取,从而尽可能使得每次分析图像时,都是液滴在当前运动模式下幅度所能达到的相对最高状态。如图4所示,静止状态下液滴静态接触角θ2=93.64o,初始拉伸长度L2=5.36 mm。

确定好静止状态下液滴的两个值后,开始对不同电压、频率下,盐雾液滴的剩余四种运动模式下动态行为变化进行分析(考虑到闪络发生时的图像难以分析,因此选取闪络前尖端出现时刻进行分析,此状态下液滴相关参数辨识度较高)。

2.3.1静态接触角变化因子θV

对处理后的液滴图像进行分析,计算在四个阶段运动状态下,各个频率对应的液滴静态接触角如图5所示。

将图5所示四个运动模式下各个频率所对应的液滴静态接触角数值整理如表1所示。

得到表1所示静态接触角数值后,将相关参数代入式(1)计算,得到如表2所示四个阶段运动状态下各个频率所对应的液滴静态接触角变化因子θV,将数据整理后得到如图6所示不同状态下液滴静态接触角变化因子随频率变化关系。

根据表2及图6所示,可以观察到不同运动行为模式下盐雾液滴静态接触角相对静止状态下的变化率随着频率的增加呈现出不同的趋势。从整体上看,所有运动模式下的静态接触角变化率都随着频率的增加而呈现出逐渐减小的趋势,这反映出在低频条件下运动模式对静态接触角的影响更为显著,但这种影响随着频率的上升逐渐减弱。

当处于顶部微动阶段时,静态接触角在所有频率阶段都保持在一个相对较低且相对稳定的范围内,整体波动不大;处于整体颤动阶段时,静态接触角从10 Hz时的13.3%逐渐下降到50 Hz时的2.1%,并在30 Hz左右开始逐渐趋于平稳。这一趋势表明,整体颤动模式在低频时对静态接触角的影响更为显著,而随着频率的增加,影响逐渐减弱。

当处于形变拉长阶段时,静态接触角的变化率随着频率增加而单调减小,且从10 Hz时的51.3%显著下降到50 Hz时的8.6%,整体变化幅度相较于前两种模式大幅增加。这表明形变拉长模式在低频时对静态接触角的影响非常显著,即使在高频时,其影响仍然相对明显。

当处于闪络前出现尖端阶段时,静态接触角的变化率同形变拉长模式下较为相似,即同样随着频率的增加而减小,但减小的趋势相对前者更为平缓(从10 Hz时的76.3%降至50 Hz时的32.9%)。这表明在闪络前尖端模式下,低频对静态接触角的影响极大,而即使在高频时这种影响也保持在一个相对较高的水平。

2.3.2液滴拉伸因子Lc

根据液滴图像,计算在四个阶段运动状态下液滴底部拉伸长度,如图7所示。

同样将图7所示四个运动模式下各个频率所对应的液滴底部拉伸长度L1数值整理如表3所示。

得到如表3所示拉伸长度后代入式(2)计算,得到表4所示四个阶段状态下各个频率所对应的液滴拉伸因子Lc,将数据整理后得到如图8所示不同状态下液滴底部拉伸因子随频率变化关系。

根据表4及图8,可以观察到在不同运动行为模式下,盐雾液滴底部的拉伸因子变化率同样展现出显著的差异性,但其整体规律性同图6静态接触角变化规律较为相似。这种差异不仅体现在随电压、频率变化时各模式的响应特性,也体现在不同运动行为模式之间的对比上。首先,从整体上看,随着频率的逐渐增加,盐雾液滴的拉伸因子变化率普遍呈现出下降趋势,这同低频条件下液滴静态接触角的变化规律较为相似,即低频振动对盐雾液滴底部的拉伸作用较为显著,高频振动对盐雾液滴底部的拉伸效应相对较小。此外,不同运动行为模式之间的下降趋势和变化幅度存在明显区别。当处于顶部微动和整体颤动两种运动行为模式时,同静态接触角变化因子变化规律相似,即随频率的增加皆呈现出波动变化,但整体保持在一个相对稳定的范围内,且这种变化在低频时较为显著,但随着频率的增加逐渐趋于平稳甚至可能出现负值。这表明盐雾水珠在这两种模式下拉伸效果相对较弱。而当处于形变拉长和闪络前尖端两种运动行为模式时,盐雾水珠整体表现出较高的拉伸因子变化率,这意味着盐雾水珠底部在这些模式下更容易受到拉伸作用。在形变拉长模式下,拉伸因子变化率在所有频率下均保持较高的正值且变化幅度较大,说明在振动过程中随着频率的增加,盐雾水珠底部的拉伸长度始终呈现增加趋势。然而,随着频率的进一步增加,拉伸因子变化率逐渐减小,表明高频振动对盐雾水珠底部拉伸长度的增加效果相对较小,但整体仍处于极高水平。闪络前尖端阶段,拉伸因子变化率处于四种模式中各个频率下的最高水平,这表明盐雾水珠底部在闪络前尖端模式下受到强烈的拉伸作用。这种模式下,盐雾水珠底部的拉伸长度变化最为显著,即使在高频阶段也能保持较高的拉伸因子变化率。随着频率的增加,拉伸因子变化率同样呈现出逐渐减小的趋势,这表明闪络前尖端模式在高频振动下仍能保持一定的拉伸效果,但拉伸作用有所减弱。

结合试验结果发现,随着频率的增高,盐雾液滴的静态接触角以及拉伸长度变化程度减小,而这两个参数通常又为代表憎水性能强弱的两个指标。良好的憎水性其对应闪络电压相对较高,较差的憎水性会使绝缘设备表面电导率增加,从而导致闪络电压降低。

2.4S,R表面液滴闪络电压与运动模式

盐雾液滴分布情况与沿面闪络电压的关系如图9所示,单液滴与双液滴情况下,闪络电压均随频率的增加而增大,纵向排列的双液滴与单液滴闪络电压相差不大,两者都高于横向排列的双液滴。

横向排列多液滴之间的电场线更加密集,导致局部场强远高于单个液滴场强。由于液滴间的电场相互作用,液滴的形变不仅受其与电极间的电场影响,还受到其他液滴电场的影响。这种相互作用进一步加剧了液滴的形变,尤其是在液滴之间的区域,局部电场强度进一步升高,从而降低了闪络电压。而纵向排列液滴沿电场方向排列,电场线在液滴之间的聚集效应较弱,使得电场线分布较为均匀,局部场强增加幅度较小。并且液滴的形变主要由其与电极之间的电场决定,液滴之间的相互作用较弱,因此其闪络电压高于单个液滴。

图10为外施电压与液滴运动模式之间的对应关系。由图可知,在低频条件下,电场变化较慢,液滴有足够的时间响应电场力,接触角变化因子和拉伸因子较高,表示液滴能够显著形变,气液固三相交汇处电场严重畸变,沿面电场增强[20],导致闪络电压较低。在高频条件下,随着电场变化速率的加快,液滴的形变和拉伸效应可能无法充分发展,接触角变化因子和拉伸因子减小,液滴的形变能力减弱,导致局部电场强度的畸变受到抑制,闪络电压逐渐上升。

顶部微动和整体颤动模式下对应的外施电压随频率增加而增大,然而形变参量并没有随之显著增加,与之不同,在形变拉长和闪络前的模式下外施电压随频率增加而增大,形变量也随之增加。说明低电压下电场力和液滴所受粘滞力相互抵消,基本不产生形变。当电场力大于粘滞力,开始产生形变,致使气液固三相交汇处电场严重畸变,局部电场增强[20],导致闪络电压较低。

3 结论

本文设计了交流低频条件下siR表面液滴动态行为试验平台,对盐雾液滴在不同运动行为模式下的频率响应及其与闪络电压的关系进行分析,得到以下结论:

1)随着频率增加,单液滴的静态接触角和拉伸长度变化率普遍呈现下降趋势。说明在低频条件下单液滴形变更为显著,高频条件下逐渐减弱,局部畸变场强也随之减小,因此,相应的单液滴情况下闪络电压增大。

2)随着频率增加,硅橡胶盐雾表面闪络电压增大,同时硅橡胶盐雾表面闪络电压也与盐雾液滴在电场中的数量、分布以及液滴动态行为等因素有关。

3)不同运动模式下,静态接触角和拉伸因子变化率下降趋势和幅度存在明显区别。当盐雾液滴处于顶部微动和整体颤动两个阶段时,静态接触角和底部拉伸长度变化率相对较小,液滴整体形态受影响不大;处于形变拉长和闪络前尖端两个阶段时,变化率相对较高,液滴整体更易受到拉伸作用。

总体而言,不同天气条件下,如早晨或晚上温度较低时,绝缘子表面出现凝露,需注意低频闪络;在空气湿度较大、温度较高的情况下,工频甚至高频闪络则更需要引起关注。

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《机电信息》2025年第18期第6篇