文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜SIR复合材料＞-
众所周知，硅橡胶（SiR）复合绝缘子以其优良的绝缘性能、疏水性和耐污染闪络性能被广泛用于中国沿海电网。
许多关于液滴在不同条件下的扩散行为的研究已经发表，这些研究主要可分为两类：
一类是关于单体水滴在不同条件下，如水滴静态参数和外部环境下的变形和破裂的动态机制；另一类是电场等因素作用下的双体水滴凝聚。
两者都分别建立了实验和仿真模型来研究不同条件下的水滴伸长和凝聚，如电场强度、电压形状、水滴的粘度和大小、电导率。
但是，由于水滴伸长和表面放电的动态机制的复杂性，在水滴数量从单个到多个离散水滴增加的条件下，对SiR复合材料的扩散特性和表面放电还没有形成完整的系统研究。
因此，研究SiR复合材料上的水滴和诱导的表面放电的动态特性，是学术界和公共事业部门越来越感兴趣的问题。
正如早期的调查所指出的，水滴的伸长与电场（E-field）和水动力应力的相互作用有关。
接下来，煜捷将为你讲述SIR复合材料的绝缘性，在液滴闪络特性的实验中发挥了怎样的作用。
在不同的电压形状下，水滴向不同的电极伸长，这影响了局部放电的启动电场强度，这些水滴的凝聚行为取决于它们的大小、导电性和位置。
基于三种不同的绝缘材料（玻璃样品、硅胶样品、超疏水样品）具有明显不同的润湿性能，通过实验和模拟方法测量了水滴在振荡电场中的行为。
因此，水分是影响电力系统中硅橡胶复合绝缘子绝缘可靠性的一个重要环境因素。
分散的水滴可以增强绝缘子表面的电场强度。在水滴、空气和绝缘材料的三者交界处可能会发生局部放电，这可能会加速绝缘子的退化和老化。
因此，对多个水滴的动态扩散行为的研究是非常重要的。
分析了水滴伸长和闪络电压变化的动态过程，得到电场强度和水滴分布对水滴伸长和闪络电压的影响，有利于进一步了解沿海电网中聚合物绝缘子的污染闪络机制。
-＜仿真模型和方法＞-
A. 仿真模型
下图显示了二维空间中的水滴仿真模型，它是以硅橡胶绝缘体表面的简化模型形式设计的。仿真模型的尺寸为20毫米×10毫米。
由COMSOL Multiphysics 5.3和MATLAB生成的随机多个水滴被放置在复合绝缘子的表面，并被空气包围。
在样品上施加频率为50赫兹的正弦交流电压，以在绝缘体表面形成一个均匀的电场。
为了使SiR表面的电场强度为15kV/cm，接地电极和高压电极分别施加在样品的左侧和右侧。
在模拟中选择的水和空气的介电参数的具体数值见下表。
下图显示了随机水滴分布的数量统计。在随机分布图中，有145个水滴，其中最大半径为2毫米。
如图所示，小尺寸水滴的数量为138个，占了水滴分布的绝大部分。由于相邻几代的水滴镭射比为1.25，因此水滴分布遵循随机原则。
结果表明，由COMSOL和MATLAB产生的随机水滴分布的模拟结果与Burnside和Hadi[17]以及Wu等人[18]的实验结果非常一致。
B. 仿真方法
为了研究交流电场下液滴的动态伸长特性，采用基于Cahn-Hilliard公式的相场法建立交流电场下的液滴模型。
在电流体力学中，由于动态电流很小，可以忽略不计。
电场强度E是非旋转的（▽×E=0），电荷守恒方程由以下内容给出：
-＜结果和讨论＞-
A. 水滴的动态行为
为了更好地理解SiR表面上多个水滴的动态行为，通过改变水滴的半径比，研究了由COMSOL Multiphysics和MATLAB生成的随机多个水滴的模型。
水滴在绝缘体表面的分布是随机和不规则的。因此，分形维度被用来提取和识别基于分形几何学的水滴分布的特征。
Sarkar和Chaudhuri提出了一种微分盒计数（DBC）方法来计算液滴分布图像的分形维度。
如果N是覆盖图案的盒子的数量，r是盒子的大小，分形维度（FD）由以下公式给出：
如下图所示，原始图像（图（a））被转换为灰度，然后边缘检测器被应用于灰度图像（图（b））。
分形维度是通过计算定义的半径为圆形的白色像素来计算的。如图(c)所示，拟合线的斜率是液滴大小和描述所调查图像的分布特征的数量的FD。
下图显示了在交流电场强度（15千伏/厘米）下，不同推移时间的多个液滴的动态行为。
图（I）是动态行为的总体分布，图（II）是不同位置的局部放大图。随着时间的延长，水滴在交流电场的影响下移动并融合。
当随机水滴的距离相同时，水滴的融合首先发生在沿电场方向的大水滴和小水滴之间，如图(a)中5毫秒处所示。在融合过程中，出现了小水滴被拖到大水滴一侧的现象。
随着水滴大小差异的增加，拖动现象变得更加明显（图（c）和（d））。由于大水滴的扩散过程缓慢，大水滴之间的融合时间要比大水滴和小水滴之间的融合时间长。
下图显示了在不同的交流电场强度下多个液滴的动态行为。
随着施加电压的增加，融合速度和伸长率呈上升趋势。融合后的液滴再次伸长，并在电场力的作用下最终达到稳定状态。
高电压侧的液滴的融合现象比低电压侧的液滴的融合现象更明显。
这主要是因为电场力在液滴的动态行为中起着促进作用，并且随着液滴大小的增加而呈现出增加的趋势。
因此，电场力是影响液滴伸长和融合的重要因素之一。
B. 电场分布特征
下图显示了均匀水滴条件下的电场分布。
如图所示，水滴表面的最大电场强度是在表面的交界处。
水滴的内部电场值接近于0，因此整个水滴可以被看作是一个等势体。
这是因为水滴的介电常数比空气的大得多。介质表面的水滴导致电场分布扭曲，结果是等势线密集地分布在水滴周围。
下图显示了随机水滴条件下的电场分布。
可以看出，样品表面的最大电场强度产生于不同大小的水滴之间。随着水滴不规则分布的增加，水滴周围的电场强度也趋于增加。
这是因为不规则的液滴增加了电场的复杂性，从而扭曲了液滴周围的电场。
电场的扭曲在两个电极附近急剧增加，导致在绝缘表面发生局部放电。
下图显示了使用Logistic函数拟合的最大电场强度和分形分布的关系。
随着分形分布的增加，最大电场强度呈现出增加的趋势，速度基本保持不变。我们认为，绝缘体表面的液滴分布越来越不均匀，会诱发表面放电的发生。
这主要是因为不同的分布对沿试样表面的电场分布的均匀性有有效的影响，甚至可能导致部分放电发生在水滴、空气和绝缘材料的三重交界处，那里的电场达到空气击穿的临界强度。
因此，表面放电的传播将连接局部放电电弧，引起闪络。
-＜实验设置和结果＞-
A. 实验设施和程序
样品是从SiR绝缘体上取下的切片，尺寸为65mm×30mm×5mm，水平放置在绝缘试验台上。
电介质表面的电极是板状电极，长度为23毫米。板状电极的平行距离为43毫米。
左边的板状电极通过保护电阻连接到高压（频率50赫兹），右边的板状电极连接到地面。
实验在尺寸为1200毫米×640毫米×1125毫米的封闭盐雾室中进行。实验环境的温度和湿度（相对湿度）分别设定为24.8℃和65%。
实验的目的是研究多水滴的动态行为和闪光电压。超声波雾化器可以通过控制停留时间产生多个水滴。
通过控制设置时间，不同大小的水滴在样品表面凝结。超声雾化器产生的水滴的电导率为2×10-4S /m，通过在去离子水中加入NaCl来调节。
实验装置通电后，通过控制电压调节器，以3kV左右的小步数均匀地增加外加电压，每个电压等级可承受2分钟。
在交流电场的作用下，水滴的动态行为被每秒1000帧的高速摄像机捕获。
当绝缘体表面发生闪络放电时，水滴放电和水滴运动的过程被记录下来。测量表面放电和闪络发生时的应用电压，并定义为表面放电的起始电压和闪络电压。
B. 多个水滴的实验结果
下图显示了水滴在不同外加电压作用下的动态行为。从这些数字中，我们可以看到，部分水滴在相邻的水滴之间产生融合。
当外加电压的峰值小于6kV时，水滴没有明显的变化，只是在绝缘体表面周期性地摆动。
随着施加电压的增加，水滴的电场力克服了表面张力，使水滴沿电场方向伸长，并在相邻水滴之间融合。
最后，水滴的动态行为导致了绝缘体表面的放电，甚至是闪蒸放电。
在本文中，液滴的动态行为和闪络的发展过程分为以下六个阶段：
（a）由于SiR复合材料具有良好的疏水性，液滴的直径相对很小。液滴以较大的接触角粘附在绝缘体表面，因此彼此之间没有形成连续的水条。
(b) 液滴在电场力的影响下延伸，导致相邻的液滴形成更大尺寸的液滴。
(c) 绝缘体表面的水滴引起了电场的扭曲。在电场强度达到空气的击穿强度后，在高压电极附近出现了一个淡紫色的电弧。
(d) 随着电场强度的增加，高压电极附近发生了更严重的局部放电，产生了更亮的紫色电弧。
(e)液滴被不断增加的电场力延伸，导致两个电极之间的液滴形成了一个水槽-水带。同时，蓝色电弧出现在高压电极和低压电极附近。
(f) 随着干燥区面积的增加和电弧的发展，电弧直接穿透两个电极，形成绝缘体表面的闪络。
下图显示了使用Logistic函数拟合的闪络电压和分形分布之间的关系。如图所示，闪络电压与分形分布之间存在着负相关关系。
我们认为，当更多的液滴凝结在绝缘体表面并形成离散的导电层时，干面积的减少将维持更多的电能，水滴、空气和绝缘材料以及空气三者之间的电场强度很容易提高到空气的击穿强度。
电弧放电将发生在层间或层与电极之间的干燥带。FD值从1.0到1.4不等，并随着时间的推移呈现出增加的趋势，这表明表面放电变得更加复杂和不规则。
-＜结论＞-
我们重点研究了不同电场强度和水滴分布条件下水滴的动态机制，以及在SiR复合材料上诱发表面放电的实验和模拟研究。主要结论如下：
在外加交流电场下，驱动硅橡胶绝缘体表面水滴伸长的电场被确认为是电场力和表面张力共同作用于水滴的结果。
电场强度值和水滴分布对水滴伸长和融合的动态行为有显著影响。
随着电场强度的增加，融合和伸长的速度呈现上升趋势。随着液滴分形尺寸的增加，液滴的融合变得越来越困难。
随着液滴分形尺寸的增加，液滴周围的最大电场强度呈现出增加的趋势，导致局部放电容易发生。
实验结果显示，动态行为和闪络特性与电场强度和液滴尺寸分布的FD有关。
