硅橡胶材料表面水珠/水带运动规律及其对沿面放电特性影响机理

The silicone rubber as the main material of composite insulator has been widely used in power transmission and distribution lines with the increasing demand of reliability. The research objective of this subject is to explore the law of water movement mechanism on silicone rubber’s surface and its effect on surface discharge by combination methods of experimental research, theoretical analysis and finite element simulation. The synchronous image acquisition technology is used to obtain the initiation and development of water movement process under different electric fields, to study law of water movement, and to reveal the influence of water morphology, water distribution state, frequency of electric field, surface state of materials, water conductivity on water movement at the surface of silicone rubber, meanwhile to establish the movement models of water droplet/band; the synchronous image and discharge signal acquisition technology is used to obtain the initiation and development of water movement and discharge, and the process of arcing, and to study the influence of water movement (separation and polymerization of water band, vibration and splitting of water droplet) under different electric fields on surface discharge characteristics (such as discharge inception voltage, arc striking voltage, and flashover voltage) as well as the surface state of materials. This research aims to reveal the mechanism of flashover induced by water droplet/band on the surface of silicone rubber material, and to establish theoretical and experimental basis for improving the reliability of the electric power equipment with silicone rubber material as its external insulation.

以硅橡胶为主要材料的复合绝缘子已经广泛应用于输配电线路,电网对其运行可靠性的要求日益提高。本课题以探索硅橡胶材料表面水珠运动规律及其对沿面放电的影响机理为研究目标，采用实验研究、理论分析和有限元仿真计算相结合的方法进行研究。采用图像同步采集技术获取多种不同电场下水珠运动的起始和发展过程，研究水珠运动规律及外硅橡胶材料表面水分形态、水分分布状态、电场频率、材料表面状态、水分电导率对水珠运动的影响规律，建立水珠/水带运动模型；采用图像和放电信号同步采集技术获取多种不同电场下水珠运动的起始和发展、放电的起始和发展以及起弧的过程，研究水珠运动（水带的分离和聚合，水珠的振动和分裂）对沿面放电特性（放电起始电压、起弧电压、闪络电压）和材料表面状态的影响规律。旨在揭示水珠/水带在硅橡胶材料表面诱发闪络的机理，为提升以硅橡胶材料为外绝缘的电力设备运行可靠性奠定理论与实验基础。

以硅橡胶为主要材料的复合绝缘子已经广泛应用于输配电线路,电网对其运行可靠性的要求日益提高。本课题以探索硅橡胶材料表面水珠运动规律及其对沿面放电的影响机理为研究目标，采用实验研究、理论分析和有限元仿真计算相结合的方法，研究了在不同憎水性硅橡胶的表面，水珠/水带的分布及运动对硅橡胶表面电弧的产生及发展，采用了电-流体的多物理场耦合方法进行水珠/水带运动和电场分析，揭示了硅橡胶材料表面水珠/水带在电场作用下的运动规律以及影响因素，得到的重要结果：首先，结合表面水珠的动力学控制方程，建立了附着水珠/水带的硅橡胶材料的电-流体多物理场耦合的有限元仿真模型，并建立了水珠/水带运动的物理模型对运动规律进行了理论分析。其次，通过建立多物理场仿真模型，计算分析了硅橡胶表面不同憎水性状态下，水分体积、分布状态、水分电导率、重力等对水珠/水带周围电场的影响情况，以及水珠/水带周围电场强度不同对水珠/水带运动的影响，揭示了水珠/水带运动变形与电场产生畸变之间的相互影响关系。接着，研究了憎水性良好硅橡胶伞面的闪络机理，在电场力和表面张力的作用下，硅橡胶表面分离水珠的运动，会畸变其周围电场，从而造成更大的水珠形变和局部电场畸变程度加大，当局部电场达到电晕起始电压的时候，发生流注放电，放电等离子体的电荷注入会改变水珠的受力和运动状态。表面电荷积聚是后续电弧得以产生和发展的关键因素，水珠电导率、体积、分布等因素都会影响表面电荷积聚，从而对起弧和闪络有影响。最后，建立了水珠/水带运动引发闪络的物理模型，并结合之前定义的水珠运动的动态参量，研究不同的因素下水珠运动对闪络电压的影响。项目对疏水性复合材料上水珠的动态行为与闪络机理之间的关系进行了定量研究，为提升硅橡胶复合绝缘子耐闪络能力提供理论支持。