RTV涂層表面綠球藻的生長對(duì)絕緣支柱電氣性能的影響

李亞偉 張星海 陳洪波 白 歡 楊曉磊, 楊 昊

電力系統(tǒng)

RTV涂層表面綠球藻的生長對(duì)絕緣支柱電氣性能的影響

李亞偉1張星海1陳洪波1白 歡1楊曉磊1,2楊 昊2

（1. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院 成都 610072 2. 西安交通大學(xué) 西安 710049）

在四川等潮濕地區(qū)，涂覆RTV涂料的絕緣子表面往往會(huì)大量生長綠球藻，給絕緣子帶來了潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文首先調(diào)研了四川地區(qū)各變電站內(nèi)絕緣子表面綠球藻的種類、生長狀況和覆蓋特性，然后取樣分析了綠球藻對(duì)支柱絕緣子表面積污和憎水性分布的影響，最后進(jìn)行了長有綠球藻絕緣支柱的操作沖擊閃絡(luò)特性試驗(yàn)和自然污穢試驗(yàn)，以及模擬自然污穢狀況下的人工污穢試驗(yàn)。通過以上研究，獲得了綠球藻對(duì)支柱絕緣子表面憎水性、操作沖擊以及污穢閃絡(luò)特性的影響。結(jié)果表明，綠球藻多生長于支柱絕緣子傘裙上表面，并使被覆蓋區(qū)域的憎水性大大降低，從而導(dǎo)致污穢閃絡(luò)電壓降低，但其操作沖擊特性并未因?yàn)榫G球藻的存在而明顯降低。

綠球藻 RTV涂層 支柱絕緣子 憎水性 電氣性能

1 引言

硅橡膠類復(fù)合絕緣材料具有優(yōu)越的憎水性能，可大幅提升絕緣子的污穢閃絡(luò)性能，因此，室溫硫化硅橡膠（RTV）涂料被廣泛應(yīng)于瓷、玻璃等無機(jī)外絕緣表面。但近年來，四川地區(qū)至少28座變電站內(nèi)涂覆RTV涂料的設(shè)備表面出現(xiàn)綠球藻大量生長的現(xiàn)象。作為有機(jī)生命體，綠球藻本身具有相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性，它在外絕緣設(shè)備表面也呈現(xiàn)明顯的不均勻分布特征，這在很大程度影響了輸變電設(shè)備的外絕緣性能，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。對(duì)此，各國學(xué)者進(jìn)行了研究，如瑞典Gubanski研究了孟加拉國和坦桑尼亞復(fù)合外絕緣表面的寄生物生長狀況后，認(rèn)為寄生物生長環(huán)境較為清潔，污穢度很低，因此由藻類等寄生物引起的閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)可以忽略[1,2,3]。Rocha J M S [4]以及Bengtsson M[5,6]的研究則認(rèn)為，由于藻類等的出現(xiàn)，導(dǎo)致復(fù)合絕緣表面憎水性喪失，從而使污閃電壓下降。其中J M S Rocha利用鹽霧法對(duì)長有寄生物的絕緣子進(jìn)行了閃絡(luò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閃絡(luò)電壓比不長藻的情況下下降了30%左右[4]。這些研究所選取的地區(qū)氣候和我國南方有很大的不同，寄生物種類也存在很大差異，對(duì)國內(nèi)出現(xiàn)的藻類大量生長情況下的運(yùn)維策略提供的參考價(jià)值有限。

因此，亟需對(duì)RTV表面綠球藻的生長狀況及其對(duì)絕緣子外絕緣性能的影響進(jìn)行深入研究，調(diào)研綠球藻的生長狀況和分布，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以便制定相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)策略，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 綠球藻的生長習(xí)性及分布

2.1綠球藻生長習(xí)性

綠球藻是一種單細(xì)胞微藻，屬綠藻門、綠藻綱、四胞藻目、膠球藻科，藻細(xì)胞壁薄，呈球形或卵圓形，直徑在10μm量級(jí)，內(nèi)部含有一個(gè)卵圓形或杯狀的葉綠體，一個(gè)細(xì)胞核及幾個(gè)線粒體[2]。綠球藻通過光合作用獲取能量，在光照不太強(qiáng)烈且濕度較大的環(huán)境下，通過細(xì)胞分裂方式繁殖。綠球藻生長所需的無機(jī)營養(yǎng)主要來自絕緣子表面污穢和復(fù)合絕緣內(nèi)部填料的遷出。

綠球藻生長的溫度范圍較廣，在0℃～30℃范圍內(nèi)，藻細(xì)胞數(shù)目都有不同程度的增加，溫度達(dá)35℃時(shí)，原有群落開始衰退，生長率出現(xiàn)負(fù)值。其最適溫度為20℃[5,6]，也有文獻(xiàn)報(bào)道（25±5）℃的范圍適合該藻生長[7,8]。綠球藻的生長對(duì)pH有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在pH 6.2～9.8的范圍內(nèi)均能較好的生長，但在酸性較高的條件下，營養(yǎng)源的吸收受到阻礙，藻細(xì)胞的生長受到抑制[6]。

在變電站內(nèi)，由于RTV涂料自潔性較差，容易粘附灰塵，綠球藻孢子依附于污穢表面，在合適的溫濕度及光照條件下，綠球藻孢子通過細(xì)胞分裂大量繁殖，導(dǎo)致RTV涂料表面形成綠球藻生物污層。

綠球藻在四川省除攀枝花、西昌外的各地區(qū)變電站RTV絕緣子上均有發(fā)現(xiàn)。攀枝花、西昌等地區(qū)氣候干燥，綠球藻不易繁殖，而盆地內(nèi)部其它地區(qū)則屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候，陽光少濕度大綠球藻極易在積聚污穢的RTV涂層表面大量繁殖。

2.2RTV涂層表面污穢度

為了解長有綠球藻的RTV絕緣子表面污穢狀況，對(duì)巴中110kV信義變電站35kV 刀閘的RTV支柱絕緣子進(jìn)行洗測，該絕緣子如圖1所示。分別選取上、中、下三組傘（每組1大傘和相鄰1小傘），對(duì)其上、下表面進(jìn)行洗測，以確定其等值鹽密（ESDD）分布。

圖1 洗測試品Fig.1 Sample for ESDD measurement

其傘形參數(shù)如表1所示:

表1 支柱絕緣子傘形參數(shù)（mm）Tab.1 parameters of tested post insulator（mm）

上表中，D、D1、D2分別為大、小傘的盤徑和支柱桿徑；S、S1、S2分別為相鄰大傘之間、大傘到下方小傘、小傘到下方大傘之間的傘間距；P1、P2分別為大、小傘之間的傘伸出。

等值鹽密洗測結(jié)果如圖2所示:

圖2 污穢度洗測結(jié)果Fig.2 Results of pollution level measurement

由圖2（a）可知，支柱絕緣子沿串平均鹽密兩端高中間低，呈“U”形分布。由于干燥狀態(tài)下絕緣子兩端場強(qiáng)集中，受電場對(duì)污穢物質(zhì)的吸引作用，兩端更易積聚污穢，因此沿串污穢呈“U”形分布，這和線路絕緣子串的積污規(guī)律是一致的。

圖2（b）為中間一組傘中大、小傘的洗測結(jié)果，從中可以看出小傘表面污穢度明顯高于大傘表面。小傘受大傘遮擋，使雨水的清潔作用大大降低，導(dǎo)致小傘表面鹽密較高。

上表面鹽密顯著高于下表面，兩者相差2～3倍。一方面，綠球藻在傘裙上表面生長并大量繁殖導(dǎo)致上表面憎水性變差，污穢附著能力增強(qiáng)，另一方面綠球藻分泌物使污層具有較強(qiáng)粘附力和水土保持能力，導(dǎo)致上表面污穢度明顯高于下表面。

絕緣支柱上、下表面平均鹽密分別為0.235 mg/cm2和0.091mg/cm2，其整體平均鹽密為0.165 mg/cm2。污穢度較重的可能原因?yàn)?，綠球藻細(xì)胞內(nèi)具有大量有機(jī)、無機(jī)電解質(zhì)，本身具有一定的導(dǎo)電性，細(xì)胞壁破裂后，大量電解質(zhì)釋放到細(xì)胞外被污穢物質(zhì)附著，導(dǎo)致表面鹽密增加。

2.3綠球藻分布規(guī)律

通過對(duì)川內(nèi)廣安、廣元、巴中、雅安等地區(qū)不同電壓等級(jí)的變電站內(nèi)RTV絕緣子表面綠球藻的分布狀況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分變電站支柱絕緣子表面綠球藻均沿周向分布，如圖3所示的各變電站支柱絕緣子。由于川內(nèi)大部分地區(qū)常年高濕，日照不足，絕緣子表面各方向生長條件差異不大，因此綠球藻的生長沒有明顯的方向性，呈環(huán)形分布在傘裙上。

圖3 綠球藻分布狀況Fig.3 distribution of chlorococcum

由圖3可知，綠球藻主要生長于傘裙上表面，且越靠近傘裙邊緣，綠球藻污層厚度越大。在濕度較大地區(qū)，絕緣子下表面、傘裙根部有時(shí)也會(huì)生長綠球藻，如圖3（c）所示。

絕緣子傘裙上形成粗糙結(jié)構(gòu)后污穢固著不易流失，上表面容易接觸到足夠的水分和光照，綠球藻生長較為茂盛；傘裙下表面光照和水分相對(duì)較少，且污穢附著較少，綠球藻難以生長。因此綠球藻主要生長于傘裙上表面。

通常情況下支柱絕緣子傘裙根部由于受傘裙遮擋表面干燥且光照不足，綠球藻分布較少；當(dāng)支柱絕緣子離地位置較高且運(yùn)行環(huán)境長期高濕或降雨時(shí)常伴有橫向風(fēng)力作用時(shí)，傘裙根部和小傘上表面甚至傘裙下表面也能夠接受充足的陽光和水分，此時(shí)綠球藻便會(huì)在這些部位生長。

觀察發(fā)現(xiàn)，在同一變電站，電壓等級(jí)越高，其絕緣支柱表面綠球藻生長越少。如在同一變電站內(nèi)，220kV場的支柱表面綠球藻生長密度要遠(yuǎn)大于110kV場，而變壓器套管、母線支柱、門型塔上絕緣子串表面則幾乎沒有綠球藻生長。這是因?yàn)殡妷旱燃?jí)較高的絕緣支柱所處高度往往也較高，綠球藻孢子相對(duì)不容易擴(kuò)散到更高處。另一方面，更高電壓等級(jí)的絕緣子傘裙間距較大，且絕緣子所處位置也更開闊，綠球藻等喜陰植物不易在開闊地帶生長。

3 綠球藻對(duì)RTV涂層憎水性的影響

為評(píng)估綠球藻對(duì)RTV涂料憎水性的影響，將同一根涂RTV支柱絕緣子上長有綠球藻和無綠球藻部位的憎水性能進(jìn)行了對(duì)比，試品為信義110kV變電站35kV刀閘支柱絕緣子。

圖4（a）、（b）分別為同一支絕緣子長有綠球藻的RTV表面和未長綠球藻RTV表面憎水性測試結(jié)果。圖中可以看出綠球藻表面已基本變?yōu)樗?，而未長綠球藻RTV表面仍為分離水珠。根據(jù)憎水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判斷，長有綠球藻的RTV涂料憎水性等級(jí)為HC6，其憎水性已基本喪失，未長綠球藻的RTV涂料表面憎水性等級(jí)為HC1，可見綠球藻生長對(duì)RTV表面憎水性的影響十分明顯。

圖4 RTV絕緣支柱憎水性測試結(jié)果Fig.4 distribution of hydrophobicity

對(duì)絕緣子整體的憎水性測試結(jié)果表明，綠球藻生長于RTV涂層表面后，憎水性的遷移受到抑制，導(dǎo)致被覆蓋部位憎水性下降甚至喪失，RTV絕緣子表面憎水性分布呈現(xiàn)“上親下憎”的特點(diǎn)。

4 綠球藻對(duì)涂刷RTV絕緣支柱外絕緣性能的影響

4.1操作沖擊特性

為了研究RTV支柱絕緣子表面生長綠球藻后操作沖擊耐受特性的變化，在西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行絕緣子干、濕操作沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)所用試品即為圖1所示支柱絕緣子。

試驗(yàn)設(shè)備為1800kV/90kJ沖擊電壓發(fā)生器，產(chǎn)生的波形為300μs/3000μs的操作沖擊波，波形如圖5（a）所示。圖5（b）、（c）分別為閃絡(luò)產(chǎn)生的波頭截?cái)嗖ê筒ㄎ步財(cái)嗖?式中，Ui為試驗(yàn)電壓，kV；ni為相同試驗(yàn)電壓Ui下的試驗(yàn)次數(shù)；n為有效試驗(yàn)的總次數(shù)，n≥20。

圖5 操作沖擊試驗(yàn)電壓波形Fig.5 Voltage waveform of switching impulse test

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ按照公式（2）計(jì)算:

獲得的50%沖擊閃絡(luò)電壓（U50%pk）試驗(yàn)結(jié)果如表2所示:

表2 干、濕操作沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Switching impulse withstand voltage of dry and wet chlorococcum polluted insulator

由此可見，35kV RTV支柱絕緣子在生長有綠球藻的自然污穢條件下的干、濕操作沖擊閃絡(luò)電壓幾乎相等，且遠(yuǎn)高于絕緣支柱運(yùn)行相電壓峰值。故綠球藻在RTV支柱絕緣子表面生長并不會(huì)增加絕緣支柱的操作沖擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

從操作沖擊實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)電弧發(fā)展過程的觀察可知，操作沖擊電弧發(fā)展很快，且不像污穢閃絡(luò)電弧那樣沿著絕緣子表面發(fā)展，而是直接擊穿絕緣子上下端金具之間的空氣間隙。因此，操作沖擊電弧不受絕緣子表面狀況的影響，操作沖擊電壓即為上下端金具之間空氣間隙擊穿電壓。從以往研究結(jié)果可知，距離為420mm的棒—板空氣間隙擊穿電壓為260kV[9]，和本文中絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓相差不大。

4.2污穢閃絡(luò)特性

4.2.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖6所示:

圖6 污穢閃絡(luò)特性實(shí)驗(yàn)回路Fig.6 pollution flashover test platform

其中T為調(diào)壓器，輸入電壓范圍為0～6.6kV；B為150kV/4A的工頻無局放污穢試驗(yàn)變壓器，輸出電壓有效值范圍為0～150kV，波形畸變率小于3%，短路阻抗為4.07%；變壓器輸出通過110kV高壓電纜和穿墻套管H引入人工氣候室；R為保護(hù)電阻，阻值2kΩ；電容分壓器F的分壓比為10000：1，用以測量施加在試品上的電壓；Rog為羅氏線圈，用于測量回路泄漏電流；S為試品，其下方支柱用以支撐試品并使之對(duì)地絕緣。

試驗(yàn)按照IEC 507中的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)程序采用 “帶電前濕潤”的方法[10]，即先用清潔冷霧對(duì)自然污穢絕緣子進(jìn)行濕潤，當(dāng)絕緣子表面飽和濕潤后勻速升壓直至閃絡(luò)。

采用“U”形曲線法[11]確定絕緣支柱的污穢閃絡(luò)電壓，即對(duì)同一個(gè)試品進(jìn)行多次閃絡(luò)試驗(yàn)時(shí)，閃絡(luò)電壓將隨閃絡(luò)次數(shù)的增加先降低后升高，取閃絡(luò)電壓最低值作為有效數(shù)據(jù)。采用該方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近于最惡劣的運(yùn)行環(huán)境。

自然污穢試驗(yàn)所用試品為從信義變電站直接拆下的35kV刀閘支柱，其表面污層為有大量綠球藻生長的自然污穢。

人工污穢試驗(yàn)所采用的試品與自然污穢試驗(yàn)相同。從現(xiàn)場采集的污穢樣本分析結(jié)果表明，污穢物中的可溶性成分以CaSO4為主，因此試品染污所用的可溶性污穢物采用純度99.5%的CaSO4。不溶物采用接近實(shí)際污穢物中不溶物成分和性狀的高嶺土。人工污穢試驗(yàn)的試品表面等值附鹽密度和自然污穢相同。

試品染污采用定量涂刷法。污穢物用精密數(shù)字天平進(jìn)行稱量，并配以一定量的蒸餾水充分混合。試品涂刷完畢后，陰涼通風(fēng)處自然干燥24h，然后送入人工氣候室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)程序和閃絡(luò)電壓確定方法與自然污穢試驗(yàn)相同。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同表面狀態(tài)下，絕緣子污穢試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示:

圖7 絕緣子污穢試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 pollution flashover test results

由圖7可知，長有綠球藻的涂RTV支柱絕緣子上、下表面均勻濕潤時(shí)閃絡(luò)電壓明顯低于僅上表濕潤時(shí)閃絡(luò)電壓，而人工污穢狀態(tài)，也即無綠球藻狀態(tài)下的絕緣子閃絡(luò)電壓則介于兩者之間。因此，表面均勻飽和濕潤狀態(tài)下，有綠球藻生長的RTV絕緣子污穢閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)增加，而保持下表面干燥可以顯著提高閃絡(luò)電壓，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)四川地區(qū)出現(xiàn)的涂覆RTV絕緣子表面生長綠球藻的現(xiàn)象進(jìn)行研究，取得如下結(jié)論:

（1）綠球藻主要分布在RTV絕緣子傘裙上表面，對(duì)于大小傘結(jié)構(gòu)的絕緣支柱，其小傘下表面也可能生長綠球藻，在同一環(huán)境下，絕緣支柱的電壓等級(jí)越低，綠球藻生長越密集；

（2）綠球藻生長使得RTV表面被覆蓋區(qū)域憎水性明顯降低；

（3）綠球藻生長不增加RTV絕緣支柱的操作沖擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)；

（4）綠球藻的生長會(huì)在一定程度上降低RTV絕緣支柱閃絡(luò)電壓，但只要保持下表面的干燥或者憎水性不喪失，綠球藻生長不會(huì)為絕緣子帶來明顯的污穢閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

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Influences of Chlorococcum Growth on the Electrical Performance of Post Insulators with RTV Coating

Li Yawei1 Zhang Xinghai1 Chen Hongbo1 Bai Huan1 Yang XiaoleiXia1,2 Yang Hao2
（Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Company Chengdu 610072 China 2. Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

In the humid area like Sichuan Province, chlorococcum often grows abundantly on the surface of post insulators with RTV coat, which may increase the risk of pollution flashover. To address the problem, in this paper, investigations on the growth conditions, the species, the growth habit and the distribution status of the chlorococcum was carried out. Besides, the influence of chlorococcum layer on the hydrophobicity of RTV coat was studied. At last, the switching impulse withstand performance and pollution flashover withstand performance of the chlorococcum polluted insulator were tested. The results indicate that the chlorococcum mainly grows on the top surfaces of the skirts, which will lead to obvious decrease of hydrophobicity of the top surface of the insulator, thus the pollution flashover voltage declines significantly. However, the operating impulse flashover performance is seldom or never affected by the chlorococcum layer.

chlorococcum, RTV coating, post insulator, hydrophobicity, electrical performance

TM852

李亞偉 男，1980年生，博士，現(xiàn)為四川省電力公司與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士后，研究方向電力系統(tǒng)外絕緣污穢、覆冰閃絡(luò)特性、機(jī)理及運(yùn)維策略。

2014-09-10

張星海 男，1968年生，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)為四川省電力公司電力科學(xué)研究院副院長，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、故障診斷及絕緣子覆冰閃絡(luò)機(jī)理。