在實(shí)際電力系統(tǒng)線路運(yùn)行環(huán)境中，硅橡膠表面的不同染污程度和水滴吸收污層鹽分共同作用影響硅橡膠表面液滴接觸角的大小。采用懸滴法測量鹽溶液表面張力和理論計(jì)算法測量污層表面張力，并對(duì)比鹽溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角和水在污層表面的接觸角，分別分析液體表面張力和固體表面張力對(duì)液滴形態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)于鹽溶液液滴，隨著NaCl濃度增大，其表面張力增大，鹽液滴在潔凈硅橡膠表面的接觸角增大；對(duì)于污層表面，由于鹽密增大，固體表面張力增大，故即使水液滴吸收了污層中鹽分使得自身表面張力增大，液滴接觸角仍減小；并且在實(shí)際運(yùn)行情況下，液滴接觸角受污層性質(zhì)的影響較大。

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有優(yōu)良的耐污閃性能，近些年硅橡膠復(fù)合絕緣子的使用數(shù)量日益增加。在中國，已有超過400萬支復(fù)合絕緣子應(yīng)用于輸電線路上。

在染污硅橡膠表面，水分呈現(xiàn)的形態(tài)關(guān)系著污閃電壓的大小，若水分形成連續(xù)的水膜而不是獨(dú)立的水珠，絕緣子的污閃電壓相對(duì)較低。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)人工污穢下的憎水性變化規(guī)律、憎水性喪失及憎水遷移性的機(jī)理等方面做出了研究。大量研究表明，硅橡膠材料的憎水性和憎水遷移性受到硅橡膠本體的配方和污層厚度等因素的影響，也會(huì)受到污穢成分和所處環(huán)境的影響。]對(duì)灰成分和憎水性遷移時(shí)間與復(fù)合絕緣子污閃特性進(jìn)行研究。對(duì)比了不同鹽密和灰密的污層對(duì)憎水性和憎水遷移性的影響，結(jié)果表明灰密對(duì)硅橡膠憎水遷移性的影響比鹽密更明顯。憎水性和憎水性遷移程度直接關(guān)系到復(fù)合絕緣子的耐污閃性能。

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，絕緣子污層中的污穢成分復(fù)雜，對(duì)絕緣表面的特性造成的影響各異。不同性質(zhì)的污層會(huì)影響液滴在污層表面的擴(kuò)散，并且鹽分被液滴吸收從而使液滴性質(zhì)發(fā)生改變，因此水分在不同污層表面上呈現(xiàn)的形態(tài)及變化過程是復(fù)雜的。目前已有研究針對(duì)不同的污層種類和液滴的形態(tài)對(duì)憎水性和污閃電壓的影響進(jìn)行研究，但單獨(dú)改變污層的性質(zhì)無法全面地模擬出實(shí)際運(yùn)行條件下水分在硅橡膠表面的呈現(xiàn)形態(tài)和接觸角的變化過程。

由于表面張力的表征是許多生產(chǎn)過程和自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)，表面張力可反映液體和固體兩者的性質(zhì)。染污硅橡膠表面上液滴的接觸角受到液滴和污層的表面張力影響，因此可測量鹽溶液和污層的表面張力說明兩者在液滴接觸角的變化過程中的作用以及表面張力與液滴形態(tài)的關(guān)系。固體表面張力測量的主要方法有Zisman法、狀態(tài)方程法、表面張力分量法等，國內(nèi)朱定一等人推導(dǎo)出了計(jì)算固體表面張力的新方法。

筆者通過采用測量不同污層和鹽溶液的表面張力，并測量純水在污層上的接觸角和鹽溶液在潔凈硅橡膠表面上的接觸角的研究方法，從液體和固體的表面張力的角度，分別討論了液滴在不同染污表面和液滴自身的鹽分變化對(duì)接觸角的影響程度，為實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下液滴接觸角的表征及其變化規(guī)律提供參考。

1試驗(yàn)方法

1.1表面張力測試

1.1.1液體表面張力測試方法

筆者采用液體表面張力的測量方法為懸滴法，即通過測量懸掛著的液滴的外形參數(shù)而推算出液體表面張力，如圖1所示。在憎水角測試儀配套的微量進(jìn)樣器中滴出液滴，拍攝液滴照片，讀取液滴形態(tài)參數(shù)的像素值，根據(jù)測量滴管的實(shí)際尺寸和像素值，獲得像素值和實(shí)際尺寸的比例，換算實(shí)際液滴的尺寸參數(shù)，并根據(jù)公式推算表面張力。

選用液滴的體積為2μL，保證液滴穩(wěn)定之后，獲取液滴照片。測量液滴直徑d，從懸滴液最低點(diǎn)上方垂直距離為的位置讀出縱坐標(biāo)的值，在該縱坐標(biāo)的位置得到液滴在該位置上的寬度ds。定義：

而液體表面張力為

式（2）中為液體和空氣之間的密度差，g為重力加速度，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和推導(dǎo)證明，認(rèn)為S和1/H是反應(yīng)液滴形狀的參數(shù)，可查表得到兩者的固定關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系將S代入表面張力計(jì)算，可以得到液體表面張力。

圖1液體表面張力測量示意圖

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度為22℃時(shí)，de為1.44 mm，ds為0.57 mm，用懸滴法測量水的表面張力為72.02 mN/m，由于純水在22℃下的表面張力為72.44 mN/m，可驗(yàn)證懸滴法在本研究中的有效性。

1.1.2固體表面張力測試方法

本文采用理論計(jì)算法測量固體表面張力。理論計(jì)算法為選用兩種已知表面張力的液體，測量其在被測固體表面的接觸角，通過公式計(jì)算得固體表面張力γc。根據(jù)Young’s方程推導(dǎo)出公式：

式中：θa1表示一種液體在被測固體表面上的接觸角；θa2表示另一種液體在被測固體表面上的接觸角；γc為被測固體表面的表面張力；為γa1第一種滴落的液體的表面張力，γa2為第二種滴落的液體的表面張力；b為一個(gè)待定參數(shù)，消去常數(shù)b，計(jì)算固體表面張力。本文選用水和甘油作為測試固體表面張力的試品，測量不同液滴接觸角，計(jì)算獲得表面張力。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度為22℃時(shí)，測量得到水在潔凈硅橡膠表面的接觸角為100.41°，甘油在潔凈硅橡膠表面的接觸角為79.22°，水的表面張力為72.02 mN/m，甘油的表面張力為59.4 mN/m，代入公式（3）算得潔凈硅橡膠表面張力為31.46 mN/m。在室溫下，硅橡膠材料的表面張力的大致范圍為15～35 mN/m，因此該方法可滿足本研究中的要求。