Вклад влаги в изменение водоотталкивающих свойств силиконовой резины при эксплуатации высоковольтных изоляторов в условиях тумана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Полуэктова Карина Дмитриевна

• Полуэктова Карина Дмитриевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Полуэктова Карина Дмитриевна

Введение

Обзор литературы

1. Общие сведения о силиконовых изоляторах

2. Количественные показатели водоотталкивающих свойств

2.1. Статические и динамические углы смачивания

2.2. Сканирующая электронная микроскопия

2.3. Инфракрасная спектрометрия

3. Воздействие влаги на силиконовую резину

4. Исследования совместного воздействия разрядов и влаги

4.1. Тест вращающегося колеса

4.2. Тест динамических капель

5. Промежуточный вывод

Краткий обзор экспериментов

Глава 1. Влияние влаги в отсутствие слаботочных разрядов и электрического поля

1. Описание экспериментальных установок

2. Количественные характеристики и методы обработки

2.1. Установка для измерения статического угла

2.2. Установка для измерения стекания слоя жидкости с образца

3. Результаты

4. Промежуточный вывод

Глава 2. Влияние влаги в отсутствие слаботочных разрядов и при наличии электрического поля

1. Описание экспериментальных установок

1.1. Установка для изучения влияния влаги и электрического поля

1.2. Измерение скорости стекающих капель

2. Результаты

2.1. Влияние вымачивания при наличии электрического поля

2.2. Влияние прижатия резины

2.3. Влияние вымачивания без электрического поля

2.4. Влияние стекающих капель

3. Промежуточный вывод

Глава 3. Совместное воздействие влаги и разрядов с игольчатого электрода

1. Постановка эксперимента

2. Результаты

3. Промежуточный вывод

Глава 4. Совместное воздействие влаги и разрядов со стекающих капель

1. Описание экспериментальных установок

2. Результаты

2.1. Предварительное вымачивание

2.2. Характер стекания капель

2.3. Разрядная активность

3. Промежуточный вывод

Глава 5. Совместное воздействие влаги и разрядов с распыляющихся капель

1. Описание экспериментальной установки

2. Результаты

2.1. Предварительное вымачивание

2.2. Разрядная активность

2.3. Последующее вымачивание

3. Промежуточный вывод

Глава 6. Анализ поверхности резины с помощью СЭМ и ФТИР

1. Сканирующая электронная микроскопия

2. Инфракрасная спектроскопия

3. Промежуточный вывод

Выводы

Благодарность

Список литературы

Приложение А. Численное моделирование сетчатых электродов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вклад влаги в изменение водоотталкивающих свойств силиконовой резины при эксплуатации высоковольтных изоляторов в условиях тумана»

Введение

Передача электроэнергии от источника к потребителям осуществляется по линиям электропередач. Неотъемлемой частью электрических сетей являются изоляторы. Изоляторы во время эксплуатации неизбежно подвергаются нежелательным воздействиям: дождь, туман, снег, обледенение, солнечное излучение, различные загрязнения. Данная работа посвящена изучению влияния влаги на изоляторы.

Материал поверхности изоляторов играет основную роль в его способности предотвращать нежелательное протекание тока от одной части электросети к другой. Основные виды материалов поверхности изоляторов — это стекло, керамика и силикон. В районах с большим количеством осадков предпочтение отдается силиконовым изоляторам, так как они имеют более высокую стойкость к загрязнениям и после повреждений способны восстанавливать гидрофобные свойства [1].

Несмотря на преимущества силиконовых изоляторов, они выходят из строя. Время их жизни определяется стойкостью к разрядам, которые возникают на изоляторах при наличии влаги. При эксплуатации изолятора его поверхность находится в области сильного электрического поля. В отсутствие влаги напряженности поля недостаточно для возникновения разрядов, однако из-за образования водных капель на поверхности изолятора напряженность поля может возрасти до критического значения напряженности поля, при котором разряды возникают в так называемой тройной точке — в точке соприкосновения воздуха, резины и воды из-за разницы диэлектрических проницаемостей [2].

Слаботочные разряды, возникающие на краях капель, повреждают силиконовую резину таким образом, что она становится гидрофильной. Это означает, что капли воды растекаются в тонкие пленки, тем самым смещая действие разряда в другую локацию. Со временем поверхность изолятора становится полностью гидрофильной. Плёнки воды проводят ток, и поверхность изолятора нагревается из-за джоулева нагрева. Из-за нагрева пленки воды пересыхают,

образуются тонкие сухие полосы, в которых разности потенциалов уже достаточно для возникновения сильноточных дуговых разрядов. Их возникновение опасно по двум причинам. Во-первых, дуга может продолжить высушивать изолятор и расширяться до тех пор, пока не замкнет электроды. В этом случае произойдет короткое замыкание. Во-вторых, дуговые разряды прожигают поверхность изоляторов: появляются борозды глубиной несколько миллиметров, которые негативно влияют на гидрофобность изолятора и на его устойчивость к загрязнениям. Описанный сценарий деградации изоляторов часто можно встретить в научных статьях, посвященных силиконовым изоляторам, например, он подробно описан в работах [3-6].

В описанном сценарии деградации изоляторов влага выступает как фактор перераспределения электрического поля и инициатор разрядов. При этом остается неизученным вопрос, влияет ли влага сама по себе на процесс потери гидрофобности.

Целью диссертационной работы является уточнение вклада влаги как отдельного фактора в процесс потери гидрофобности силиконовой резины при наличии электрических разрядов.

Задачи, необходимые для достижения цели:

• Разработать экспериментальную установку и провести эксперимент, проверяющий важность учета влаги не только как инициатора разрядов, но и как отдельного фактора, влияющего на гидрофобность резины.

• Подобрать метрики влияния влаги на силиконовую резину.

• Оценить вклад влаги при совместном воздействии разрядов и влаги на водоотталкивающие свойства силиконовой резины.

• Разработать экспериментальную установку и провести эксперимент, условия которого приближены к реальным условиям эксплуатации изоляторов, и оценить роль влаги в нем.

Научная новизна результатов работы:

• Впервые проведено систематическое исследование влияния влаги на силиконовые изоляторы. Показано, как влага влияет сама по себе на водоотталкивающие свойства резины и как ее вклад изменяется при наличии поверхностных разрядов и электрического поля.

• Предложенный динамический метод измерения гидрофобности позволяет увидеть новые эффекты, которые не регистрируются классическим методом сидячей капли, при совместном воздействии влаги и частичных разрядов.

• Разработаны экспериментальные установки, позволяющие изучать влияние разрядной активности на поверхности силиконовой резины при стекающих и распыляющихся каплях.

Теоретическая значимость работы состоит в установлении важности учёта роли влаги в сценарии потери гидрофобности силиконовых изоляторов. Показано, что влага влияет на характер стекания капель и на время потери гидрофобности. Этот факт подтверждает необходимость пересмотра общепринятого сценария потери гидрофобности силиконовой резины, в котором влага выступает только как инициатор разрядов. Кроме того, ценность представляет обнаруженный эффект, проявляющийся после совместного воздействия разрядов и последующего вымачивания резины и заключающийся в увеличении зоны вокруг поврежденной гидрофильной области резины, с которой вода не стекает или стекает значительно медленнее, чем с неповреждённой части.

Практическая значимость состоит в разработке экспериментальных стендов, с помощью которых можно проводить диагностику материалов на стойкость к разрядам и влаге, выбирать наиболее оптимальную резину при проектировании изоляторов. Кроме того, исследование показало сходство результатов для двух постановок экспериментов: 1) воздействие коронного разряда на резину с металлического электрода; 2) воздействие разрядов со стекающих и распыляющихся капель. Благодаря этому, при выборе оптимальной резины с точки зрения стойкости к разрядам возможно использование простой постановки эксперимента с

металлическим электродом, что значительно сокращает затраты на проведение ресурсоемкого эксперимента с каплями.

Достоверность результатов обеспечивается следующим:

• ведение подробных протоколов, в которых фиксируются условия экспериментов и полученные результаты

• использование автоматизированных методов обработки результатов

• создание подробных методик экспериментов, которые минимизируют вероятность случайных ошибок экспериментатора

Апробация работы:

• три устных и четыре стендовых доклада на международных научных конференциях (Россия, Франция, Италия, Китай), один стендовый доклад на Всероссийской конференции

• восемь статей в рецензируемых журналах и сборниках, индексируемых в реферативных базах Web of Science или Scopus

Доклады автора на конференциях:

1. IEEE 2020 3rd International Conference on Dielectrics, 6-31 июля, онлайн-конференция, доклад "Effect of conductive-zone sizes and positions on the characteristics of discharge activity on a solid insulation surface", 2020

2. IEEE 2022 4th International Conference on Dielectrics, 3-7 июля, Палермо (Италия), постерный доклад "'The combined effect of a corona discharge and moisture on hydrophobicity of silicone rubber", 2022

3. IEEE 2022 4th International Conference on Dielectrics, 3-7 июля, Палермо (Италия), постерный доклад (представлен соавтором) "Investigation of Discharge Activity Between Rolling Drops on an Inclined Plane", 2022

4. IEEE 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 16-18 марта, Москва, устный доклад

"'Comparison of the dynamic and static measurements of hydrophobicity"', 2023 (занял 2 место как лучший доклад среди молодых ученых)

5. XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, 21-25 августа, Санкт-Петербург, постерный доклад «Влияние совместного воздействия электрического поля и влаги на скорость стекания воды с силиконовой резины», 2023

6. Форум «Third China-Russia Forum on Science and Technology», 22-26 октября, Харбин (Китай), устный доклад «Influence of moisture on high-voltage silicone rubber insulators», 2023

7. IEEE 2024 5th International Conference on Dielectrics, 30 июня — 4 июля, Тулуза (Франция), постерный доклад "Effects of water immersion on silicone rubber surface before and after exposure to precipitating droplets in AC electric field", 2024

8. 9th International Conference on Applied Electrostatics, 22-26 июля, Харбин (Китай), устный доклад «The Influence of Moisture and Corona Discharge on High-Voltage Insulators», 2024

Список публикаций в рецензируемых журналах и сборниках, индексируемых в реферативных базах Web of Science или Scopus:

1. Poluektova, K. D., Vasilkov, S. A., Samusenko, A. V., Effect of conductive-zone sizes and positions on the characteristics of discharge activity on a solid insulation surface. Proc. 2020 IEEE 3rd Int. Conf. Dielectr. ICD 2020 2020, p. 329. https://doi.org/10.1109/ICD46958.2020.9342011 [7]

2. Poluektova, K. D., Vasilkov, S. A., Tiuterev, M. I., The combined effect of a corona discharge and moisture on hydrophobicity of silicone rubber. ICD 2022 -IEEE 2022 4th Int. Conf. Dielectr. Proc. 2022, p. 352. https://doi.org/10.1109/ICD53806.2022.9863492 [8]

3. Slesarenko, A. V., Vasilkov, S. A., Poluektova, K. D., Investigation of discharge activity between rolling drops on an inclined plane. ICD 2022 - IEEE 2022 4th

Int. Conf. Dielectr. Proc. 2022, p. 368. https://doi.org/10.1109/ICD53806.2022.9863541 [9]

4. Poluektova, K. D., Gulenko, I. A., Vasilkov, S. A., Comparison of the dynamic and static measurements of hydrophobicity. Proc. 2023 5th Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. REEPE 2023 2023. https://doi.org/10.1109/REEPE57272.2023.10086764. [10]

5. Poluektova, K., Vasilkov, S., Gulenko, I., Andrey, S., Hydrophobicity loss of water-soaked silicone rubber in the presence of partial discharges. Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2023, vol. 17, p. 1. https://doi.org/10.34343/ijpest.2023.17.e03004 [11]

6. Poluektova, K. D., Vasilkov, S. A., Slesarenko, A. V., Samusenko, A. V., Rolling droplets and partial discharges in AC electric field. J. Electrostat. 2024, vol. 128, p. 103882. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2023.103882 [12]

7. Poluektova, K. D., Vasilkov, S. A., Slesarenko, A. V., Silicone rubber treatment with a sodium chloride solution in the presence of an electric field. Surf. Eng. Appl. Electrochem. 2024, vol. 60, p. 260. https://doi.org/10.3103/S1068375524020091.

[13]

8. Poluektova, K. D., Vasilkov, S. A. Effects of Water Immersion on Silicone Rubber Surface Before and After Exposure to Precipitating Droplets in AC Electric Field. ICD 2024 - IEEE 2024 5th Int. Conf. Dielectr. Proc. 2024 [14]

Соавторами публикаций являются к.ф.-м. наук С. А. Васильков, к.т.н. наук А. В. Самусенко, студенты магистратуры А.В. Слесаренко и И. А. Гуленко. К.т.н. А. В. Самусенко является научным руководителем, с ним согласовывались основным этапы работы. К.ф.-м.н. С. А. Васильков являлся наставником при разработке экспериментальных стендов, а также активно участвовал в научных дискуссиях на протяжении всей работы. Совместно с А. В. Слесаренко была разработана установка для изучения совместного воздействия электрического поля и слоя жидкости на силиконовую резину, проведены соответствующие эксперименты. Обработка результатов экспериментов

по этой части велась А. В. Слесаренко. Совместно с И. А. Гуленко были проведены эксперименты по влиянию на гидрофобность резины разрядов со стекающих капель при наличии предварительного вымачивания, а также эксперименты по влиянию влаги на силиконовую резину без других воздействий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, краткого обзора всех экспериментов, шести глав, заключения, приложений и библиографии. Общий объем диссертации 119 страниц, включая 87 рисунков. Библиография включает 86 наименований, из них 41 опубликованы в течение последних 10 лет.

В каждой главе представлены результаты экспериментов, показывающие влияние влаги на водоотталкивающие свойства силиконовой резины. Постановки экспериментов в каждой главе ставятся таким образом, чтобы постепенно усложнять условия эксперимента и приближать их от лабораторных к реальным. Выбранные метрики позволяют наглядно увидеть, как влияние влаги соотносится со вкладом слаботочных разрядов на скорость потери гидрофобности силиконовой резины.

Первая глава описывает эксперимент по воздействию влаги на силиконовую резину в самой упрощенной постановке: образец помещается в емкость с водой и вымачивается на протяжении нескольких недель. В этой главе описываются основные экспериментальные установки, с помощью которых производится измерение водоотталкивающих свойств резины, а именно, установки по измерению статического угла смачивания и по измерению скорости стекания жидкости с наклонного образца. Результаты приводятся для трех разных марок резины. Во всех случаях произошло изменение поверхности образцов после вымачивания, что видно по замедлению стекания воды с образцов.

Вторая глава посвящена экспериментам по воздействию влаги при наличии переменного электрического поля. Основное внимание уделяется экспериментальной установке, с помощью которой можно изучать это воздействие, избегая возникновения электрических разрядов. На этом этапе вводится еще один способ измерения гидрофобных свойств резины, с помощью которого определяется

усредненная скорость стекающих по наклонному образцу капель. Результаты приводятся для одной марки резины двух наименований. Не обнаружено влияния электрического поля для обеих марок резины, при этом влияние влаги зарегистрировано только для одного наименования резины.

Третья глава представляет описание экспериментов, в которых образцы подвергались воздействию коронного разряда с металлического электрода и после этого — влаге. Анализ результатов показал, что такое вымачивание приводит к расширению области поверхности образца, с которой не стекает вода. Этот эффект проявляется только при совместном воздействии разрядов и влаги.

Четвертая глава, подобно третьей, описывает влияние разрядов и влаги на силиконовую резину. Однако в этой главе разряды с металлического электрода заменяются на разряды со стекающих капель. Описана экспериментальная установка, которая позволяет изучать процесс потери гидрофобности из-за разрядов со стекающих капель. В главе анализируется, как предварительное вымачивание образцов влияет на характер стекания капель, разрядную активность и время потери гидрофобности. Рассматриваются разные типы предварительного вымачивания: вымачивание всей поверхности образца и его части. Анализ результатов позволяет сделать выводы, что стекающие капли тормозятся в предварительно вымоченной области, разряды начинаются на границе вымоченной области и время потери гидрофобности уменьшается в случае вымоченных образцов.

Пятая глава включает описание экспериментальной установки, которая позволяет изучать процесс потери гидрофобности из-за разрядов с распыляющихся множественных капель. Приводятся результаты экспериментов, в которых производится вымачивание образцов до и после воздействия разрядов с распыляющихся капель. Во всех случаях влага оказала существенное влияние на время потери гидрофобности.

В шестой главе приводятся результаты измерений поверхности испытуемых образцов с помощью двух методов: инфракрасной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Полученные результаты измерения водоотталкивающих

свойств резины сопоставляются с результатами, полученными статическими и динамическими методами, которые использовались на протяжении всей работы. Показано, что динамические методы более чувствительны по сравнению с инфракрасной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии при краткосрочном воздействии разрядов.

Основные научные результаты:

1. Вымачивание силиконовой резины в солевом растворе приводит к замедлению стекания воды с образца [8] (стр.3) (личный вклад автора составляет не менее 75 %), [10] (стр. 4, рис. 14) (личный вклад автора составляет не менее 60 %), [11] (стр. 6) (личный вклад автора составляет не менее 70 %).

2. Совместное воздействие коронного разряда и влаги на силиконовую резину приводит к замедлению стекания жидкости с наклоненного образца, а также к увеличению области образца, с которой вода перестает стекать [8] (стр.3,4), [11] (стр. 8).

3. Динамический метод измерения гидрофобности силиконовой резины с помощью подъема вертикального образца из раствора чувствительнее классического метода измерения статической гидрофобности с помощью метода сидячей капли. Это наблюдается как при воздействии только влагой [11] (стр.4), так и при совместном воздействии коронного разряда и влаги [10] (стр.4).

4. Предварительное вымачивание образцов влияет на время потери гидрофобности. Время потери гидрофобности для предварительно вымоченных образцов более чем в 4 раза меньше, чем для неповрежденных. Более того, в случае полностью вымоченного образца время потери гидрофобности больше, чем в случае частично вымоченного образца [14] (стр. 3) (личный вклад автора составляет не менее 75 %).

5. Модернизирована установка стандартизированного теста динамических капель таким образом, что капли, падающие на образец, не заряжены, и электроды не контактируют с рабочей поверхностью образца [9] (стр.2) (личный вклад автора составляет не менее 50 %), [12](стр. 3, 4) (личный вклад автора составляет не менее 50 %).

6. Создана установка для изучения комбинированного воздействия электрического поля и влаги на силиконовую резину без наличия частичных разрядов. Показано, что электрическое поле с частотой 50 Гц не оказывает влияния на эффект от вымачивания резины в течение нескольких часов [13] (личный вклад автора составляет не менее 60 %).

7. Предварительно вымоченная область силиконового образца влияет на начало разрядной активности. Разряды начинаются в вымоченной области в тесте стекающих капель. Это происходит потому, что катящиеся капли тормозятся в этой области, на них натекают следующие капли, и между ними происходят разряды [11] (стр. 8).

8. Создана установка для изучения разрядной активности с распыляющихся капель на образец силиконовой резины [14] (стр. 2).

9. Характер стекания воды с вертикального образца силиконовой резины меняется в зависимости от воздействия коронным разрядом и влагой. Вода с вертикального образца силиконовой резины стекает в виде клина в случае неповрежденного образца и образца, вымоченного в солевом растворе. В случае совместного воздействия коронного разряда и влаги вода стекает медленнее, стягиваясь в круговую область [8] (стр.4)., [11] (стр.4).

10. Наличие водных пленок на силиконовой резине влияет на распределение электрического поля и разрядную активность, малые проводящие зоны около 1 см при расстоянии пути утечки 86 см не

искажают электрическое поле [7] (стр. 2) (личный вклад автора составляет не менее 70 %)

Положения, выносимые на защиту:

• Вымачивание силиконовой резины в солевом растворе влияет на скорость стекания воды и длительность потери гидрофобности.

• Эффект замедления стекания воды усиливается при последовательном воздействии разрядов и влаги на силиконовую резину. Усиление заключается в расширении области, с которой не стекает вода.

• Динамические измерения гидрофобности силиконовой резины позволяют зарегистрировать те эффекты, которые не регистрируются при статических измерениях, а также при использовании сканирующей электронной микроскопии и инфракрасной спектрометрии.

Обзор литературы

В данном разделе сначала введены основные понятия и определения, которые потребуются для изложения основного материала работы: какова химическая структура силиконовой резины, что такое гидрофобность, и как влага и разряды влияют на неё. После общих сведений о резине рассматриваются тесты и эксперименты о влиянии влаги и совместного влияния разрядов и влаги других научных групп. В конце раздела приводятся текущие нерешённые проблемы в области высоковольтной изоляции, и основные идеи, взятые из рассмотренных работ, которые необходимы для разработки экспериментальных стендов и постановки экспериментов в данной работе.

1. Общие сведения о силиконовых изоляторах

Изоляторы являются одними из важнейших компонентов энергосистем, и их бесперебойная работа крайне важна для надежной транспортировки электроэнергии.

В течение десятилетий широко использовались керамические изоляторы. Однако из-за их недостатков, таких как громоздкость, сложность монтажа и обслуживания, и особенно плохой работы в сильно загрязненных районах, внимание исследователей и электроэнергетиков обратилось на полимерные изоляторы.

В настоящее время полимерные изоляторы используются во всем мире благодаря своим преимуществам, таким как легкий вес, простота транспортировки и установки, высокая гидрофобность, отличные характеристики защиты от загрязнения и высокая устойчивость к вандализму [15]. Одним из самых распространенных полимеров, использующихся в качестве изоляции, является силиконовая резина — кремнийорганическим полимер с содержанием водорода и кислорода. Из-за его химической структуры он не только обладает хорошей гидрофобностью и всеми преимуществами других полимерных материалов, но и имеет особое свойство — восстанавливать гидрофобность после её потери.

Несмотря на ряд преимуществ силиконовой резины, она неизбежно теряет гидрофобность во влажных условиях: при наличии дождя, тумана, росы. Это

происходит из-за того, что возникающие с поверхности водных капель частичные разряды изменяют химическую структуры силиконовой резины: происходят химические реакции окисления, и метильные группы СН3, отвечающие за гидрофобные свойства резины, изменяются на гидроксильные ОН, и резина становится гидрофильной (рисунок 1).

Рисунок 1. Влияние коронного разряда на химическую структуру силиконовой резины и гидрофобность. Серыми прямоугольниками схематически показана резина.

2. Количественные показатели водоотталкивающих свойств

Существуют различные способы измерения водоотталкивающих свойств резины, в этом разделе описаны наиболее распространённые.

2.1. Статические и динамические углы смачивания

Самой распространенной количественной характеристикой гидрофобности изолятора является статический угол смачивания (контактный угол, краевой угол, contact angle). Геометрически он определяется как угол, образованный касательной к капле воды и горизонтальной поверхностью, вершина угла находится в точке разделения трех фаз (рисунок 2) [16]. Если угол смачивания 0 > 90°, то поверхность считается гидрофобной и слабо смачиваемой, если 0 < 90° — гидрофильной и сильно смачиваемой, если 0 = 0° — полностью смачиваемой, если 0 = 180° — полностью не смачиваемой.

So/id

Рисунок 2. Определение статического контактного угла 0 [17]

Физически угол смачивания характеризует термодинамическое равновесие между тремя фазами: жидкой фазой твердой фазой и газовой или паровой фазой (V). Если поверхностную энергию, характеризующую межмолекулярное взаимодействие частиц на поверхности раздела фаз, обозначить для каждых двух фаз как межфазные натяжения Уьу, Уьб, Убу , то угол смачивания будет определяться уравнением Юнга [18]:

Для измерения краевого угла испытуемый образец располагается горизонтально, на его поверхность сажается капля малого объема, по профилю капли вычисляется угол с помощью различных алгоритмов при постобработке. Такой метод измерения называется методом сидячей капли и используется в подавляющем большинстве статей, в которых изучаются гидрофобные свойства силиконовой резины. Этот метод является простым, легко воспроизводимым и точным.

Помимо статического угла смачивания, водоотталкивающие свойства резины характеризуются углами натекания и оттекания, иначе их называют динамическими углами [19]. Это углы, которые образуются между каплей и поверхностью резины, если резину наклонить под углом к горизонту, а также втягивать или выдувать жидкость из трубочки на горизонтальную поверхность (рисунок 3). При измерении этих углов учитывается не только межфазное натяжение, но и шероховатость поверхности. Если рассмотреть предельный идеальный случай — отсутствие шероховатости поверхности, — угол натекания равен статическому углу смачивания, в случае шероховатой поверхности углы описывают разные результаты.

cos 0 =

Ysv Yls Ylv

угол натекания

угол оттекания

Рисунок 3. Углы натекания (advanced) и оттекания (receded) [19,20] Измерение статического угла не всегда корректно, так как вода или воздух попадает в микронеровности образца за счет капиллярного эффекта. В зависимости от того, попала в микронеровности поверхности вода или воздух, существует две модели смачиваемости текстурированных поверхностей модель Касси — Бакстера и модель Венцеля [21]: модель Касси — Бакстера предполагает, что вода не попала в микронеровности, модель Венцеля — вода затекла в микронеровности (рисунок 4). Выбор того или иного механизма смачивания зависит от ряда факторов: энергии взаимодействия между фазами, температуры, скорости попадания жидкости на поверхность, времени смачивания, соотношения размера капли к геометрии шероховатости. До сих пор нет общих указаний относительно того, насколько гладкой должна быть твердая поверхность, чтобы шероховатость поверхности не оказывала очевидного влияния на контактный угол.

Рисунок 4. Модели смачивания текстурированных поверхностей: модель Каси — Бакстера (слева),

модель Венцеля (справа) [21]

Важно отметить, что высокое значение статического угла смачивания не является гарантией хороших водоотталкивающих свойств [22]. Существуют поверхности, у которых несмотря на большое значение статического угла смачивания капли воды не скатываются с поверхности. Чтобы учесть это явление, используется гистерезис угла смачивания, который равен разности угла натекания и угла оттекания. В случае, если эта разница большая, капля не может оторваться с поверхности, и угол наклона нужно увеличить, даже если статический угол смачивания соответствует супергидрофобной поверхности [23].

В некоторых работах есть упоминание, что гистерезис краевого угла и динамические углы являются более важными характеристиками, чем статический краевой угол, особенно это проявляется при исследовании вымачивания резины в жидкости, так как происходит переориентация полярных групп и диффундирование жидкости в резину [24-26]. Отдельно стоит отметить работу [27], которая была опубликована в 2005 году, и в которой отмечается, что динамические методы измерения гидрофобности более чувствительны, однако у этой статьи нет ни одного цитирования. И большая часть работ используют именно статический угол смачивания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Полуэктова Карина Дмитриевна, 2025 год

Список литературы

1. Khatoon S., Khan A.A., Singh S. A review of the flashover performance of high voltage insulators constructed with modern insulating materials // Trans. Electr. Electron. Mater. 2017. Vol. 18, № 5. P. 246-249.

2. Zhu Y. et al. Surface degradation of silicone rubber exposed to corona discharge // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. Vol. 34, № 4 I. P. 1094-1098.

3. Karady G.G. Flashover mechanism of non-ceramic insulators // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 1999. Vol. 6, № 5. P. 718-723.

4. Baker A.C. et al. Insulator selection for AC overhead lines with respect to contamination // IEEE Trans. Power Deliv. 2009. Vol. 24, № 3. P. 1633-1641.

5. Gubanski S.M. et al. Diagnostic Methods for Outdoor Polymeric Insulators. 2007. Vol. 14, № 5.

6. Spellman C.A. Survey of polymeric insulator ageing factors // 11th International Symposium on High-Voltage Engineering (ISH 99). IEE, 1999. Vol. 1999.

7. Poluektova K.D., Vasilkov S.A., Samusenko A. V. Effect of conductive-zone sizes and positions on the characteristics of discharge activity on a solid insulation surface // Proc. 2020 IEEE 3rd Int. Conf. Dielectr. ICD 2020. 2020. P. 329-332.

8. Poluektova K.D., Vasilkov S.A., Tiuterev M.I. The combined effect of a corona discharge and moisture on hydrophobicity of silicone rubber // ICD 2022 - IEEE 2022 4th Int. Conf. Dielectr. Proc. IEEE, 2022. P. 352-355.

9. Slesarenko A. V., Vasilkov S.A., Poluektova K.D. Investigation of Discharge Activity Between Rolling Drops on an Inclined Plane // ICD 2022 - IEEE 2022 4th Int. Conf. Dielectr. Proc. 2022. P. 368-371.

10. Poluektova K.D., Gulenko I.A., Vasilkov S.A. Comparison of the dynamic and static measurements of hydrophobicity // Proc. 2023 5th Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. REEPE 2023. 2023.

11. Poluektova K. et al. Hydrophobicity loss of water-soaked silicone rubber in the presence of partial discharges // Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol. 2023. Vol. 17. P. 1-10.

12. Poluektova K.D. et al. Rolling droplets and partial discharges in AC electric field // J. Electrostat. Elsevier B.V., 2024. Vol. 128, № December 2023. P. 103882.

13. Poluektova K.D., Vasilkov S.A., Slesarenko A. V. Silicone Rubber Treatment with a Sodium Chloride Solution in the Presence of an Electric Field // Surf. Eng. Appl. Electrochem. 2024. Vol. 60, № 2. P. 260-267.

14. Poluektova K.D., Vasilkov S.A. Effects of Water Immersion on Silicone Rubber Surface Before and After Exposure to Precipitating Droplets in AC Electric Field // 2024 IEEE 5th Int. Conf. Dielectr. IEEE, 2024. P. 1-4.

15. Akbar M., Ullah R., Alam S. Aging of silicone rubber-based composite insulators under multi-stressed conditions: an overview // Mater. Res. Express. IOP Publishing, 2019. Vol. 6, № 10.

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Huhtamaki T. et al. Surface-wetting characterization using contact-angle measurements // Nat. Protoc. Springer US, 2018. Vol. 13, № 7. P. 1521-1538.

Subedi D.P. Contact Angle Measurement for The Surface Characterization of Solids // Himal. Phys. 2011. Vol. 2, № 1. P. 1-4.

Thomas Y. An Essay on the Cohesion of Fluids // An Essay on India. Routledge, 1804. 65-87 p.

Bracco G., Holst B. Surface Science Techniques // Springer Series in Surface Sciences / ed. Bracco G., Holst B. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013. Vol. 51, № 1.

Tokoro T. Effects of temperature and surface roughness on the evaluation of hydrophobic properties of silicone rubber // Annu. Rep. - Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenomena, CEIDP. 2016. Vol. 2016-Decem. P. 814-817.

Prydatko A., Myronyuk O., Svidersky V. Analysis of approaches to mathematical description of the characteristics of materials with high hydrophobicity (in Russian) // Eastern-European J. Enterp. Technol. 2015. Vol. 5, № 5. P. 30-41.

Kijlstra J., Reihs K., Klamt A. Roughness and topology of ultra-hydrophobic surfaces // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2002. Vol. 206, № 1-3. P. 521-529.

Patankar N.A. Hysteresis with regard to cassie and wenzel states on superhydrophobic surfaces // Langmuir. 2010. Vol. 26, № 10. P. 7498-7503.

Working Group D1.14. Evaluation of Dynamic Hydrophobicity Properties of Polymeric Materials for Non-Ceramic Outdoor Insulation. CIGRE publ. p.6, 2010. P. 6.

Homma H. et al. Evaluation of time variation of hydrophobicity of silicone rubber using dynamic contact angle measurement // Proc. IEEE Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater. 2000. Vol. 2. P. 637-640.

Krumpfer J.W., McCarthy T.J. Contact angle hysteresis: a different view and a trivial recipe for low hysteresis hydrophobic surfaces // Faraday Discuss. 2010. Vol. 146. P. 103.

Barsch R. et al. The Influence of Different Stresses on the Hydrophobicity and the Electrical Behavior of Silicone Rubber Surfaces // Organosilicon Chem. Set From Mol. to Mater. 2005. P. 770-857.

Hakami M., El-Hag A., Jayaram S. Effects of Corona Discharges on Silicone Rubber Samples under Severe Weather Conditions // 2021 Electr. Insul. Conf. EIC 2021. IEEE, 2021. P. 486-489.

Ashitha P.N., Akhil S., Meena K.P. Preparation and Corona Aging Studies on Nano alumina/Micro ATH Co-Filled HTV Silicone Rubber Composites // 2022 9th Int. Conf. Cond. Monit. Diagnosis, C. 2022. IEEJ, 2022. Vol. 2022-Janua. P. 433-437.

Bi M. et al. Study on Corona Aging Characteristics of Silicone Rubber Material under Different Environmental Conditions // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE, 2022. Vol. 29, № 2. P. 534-542.

Peng Y., Wang C., Zhang G. Hydrophobicity and Surface Microstructure Changing Regulations of HTV Silicone Rubber Under Corona Accelerated Aging // 2021 IEEE International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

(ICPADM). IEEE, 2021. № Icpadm. P. 414-417.

Zhijin Z. et al. Characterization of Silicone Rubber Degradation under Salt-Fog Environment with AC Test Voltage // IEEE Access. IEEE, 2019. Vol. 7. P. 66714-66724.

Yuan Z., Tu Y., Wang C. Temperature Rise Prediction on Silicone Rubber Housing of Composite Insulator in High Humidity Environment // 7th IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. ICHVE 2020 - Proc. 2020. № 51477072.

Wang Z. et al. Electrochemical impedance study of water transportation in corona-aged silicone rubber: effect of applied voltage // J. Mater. Sci. Springer US, 2018. Vol. 53, № 18. P.12871-12884.

Ghouse Shaik M., Karuppaiyan V. Effect of Ageing on the Tracking Characteristics of High-Temperature Vulcanized Silicone Rubber Hybrid Composites for High Voltage Insulation // Materials (Basel). 2020. Vol. 13, № 10. P. 2242.

Ali M., Hackam R. Recovery of hydrophobicity of htv silicone rubber after accelerated aging in saline solutions // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2009. Vol. 16, № 3. P. 842852.

Wang Z. et al. Influence of water, NaCl solution, and HNO3 solution on high-temperature vulcanized silicone rubber // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE, 2016. Vol. 23, № 2. P. 1164-1173.

Нагорнов, Ясников, Тюрьков. Способы исследования поверхности методами атомно-силовой и электронной микроскопии. Учебное пособие. 2012. 44 p.

Xie C. et al. Microstructure analysis of AC corona aging of silicone rubber // Proc. IEEE Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater. 2009. Vol. i. P. 481-484.

Gao Y. et al. Effects of liquids immersion and drying on the surface properties of HTV silicone rubber: Part I-contact angle and surface chemical properties // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2017. Vol. 24, № 6. P. 3594-3602.

Manjang S., Kitta I., Zainuddin Z. Investigation Properties of Silicone Elastomer Insulation with Difference Composition Nanofiller SiO2+ATH Under Artificial Tropical Climate Aging // Proc. 2023 4th Int. Conf. High Volt. Eng. Power Syst. ICHVEPS 2023. IEEE, 2023. P. 136-140.

Wei X. et al. Aging Characteristics and Repairing Evaluation of Long-term Operating LSR Bushings // ICEMPE 2019 - 2nd Int. Conf. Electr. Mater. Power Equipment, Proc. 2019. P.120-124.

Hashiguchi T. et al. Water absorptionhydrophobicity characteristics and surface change of polymer // Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenom. (CEIDP), Annu. Rep. 2000. Vol. 1. P. 195-198.

Gao Y. et al. Effects of liquids immersion and drying on the surface properties of HTV silicone rubber: Characterisation by contact angle and surface physical morphology // High Volt. 2019. Vol. 4, № 1. P. 49-58.

Ali M., Hackam R. Effects of saline water and temperature on surface properties of HTV silicone rubber // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2008. Vol. 15, № 5. P. 1368-1378.

Wang Z. et al. Influence of water, NaCl solution, and HNO3 solution on high-temperature

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

vulcanized silicone rubber // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE, 2016. Vol. 23, № 2. P. 1164-1173.

Wang Z. et al. Water and moisture permeability of high-temperature vulcanized silicone rubber // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2017. Vol. 24, № 4. P. 2440-2448.

Shen R. et al. Influence of electric field on the moisture absorption characteristic of silicone rubber material // ICHVE 2016 - 2016 IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. IEEE, 2016.

Wang Z. et al. Moisture absorption, desorption, and moisture-induced electrical performances of high-Temperature vulcanized silicone rubber // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2016. Vol. 23, № 1. P. 410-417.

Bao Weining et al. Liquids permeation into HTV silicone rubber under AC/DC electric field // 2016 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP). IEEE, 2016. Vol. 2016-Decem. P. 818-821.

Reynders J.P., Jandrell I.R., Reynders S.M. Review of aging and recovery of silicone rubber insulation for outdoor use // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 1999. Vol. 6, № 5. P. 620-631.

Tokoro T. et al. Diagnosis of degradation condition of silicone rubber using hydrophobic surface analysis // Proc. Int. Symp. Electr. Insul. Mater. 2008. P. 283-286.

ГОСТ Р 55001-2012. Требования к характеристикам камер для испытаний технических изделий на стойкость к внешним воздействующим факторам. Методы аттестации камер (без загрузки) для испытаний на стойкость к воздействию соляного тумана.

Du B.X., Liu Y. Investigation on Leakage Current of Silicone Rubber Insulator in Salt-fog Chamber // IEEE Trans. Power Deliv. 2009. Vol. 24, № 3. P. 1458-1464.

Lopes I.J.S., Jayaram S.H., Cherney E.A. Partial discharge patterns for silicone rubber insulators under salt-fog // 2001 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (Cat. No.01CH37225). IEEE, 2001. P. 452-455.

Fernando M.A.R.M., Gubanski S.M. Ageing of silicone rubber insulators in coastal and inland tropical environment // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE, 2010. Vol. 17, № 2. P.326-333.

Bretuj W., Fleszyeski J., Wieczorek K. Influence of Composite Insulator Inclination on Its Properties Degradation in Rain Conditions. 2011. P. 10-13.

Kaltenborn U. et al. On the electrical performance of different insulating materials in a rotating-wheel-dip-test // Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenom. (CEIDP), Annu. Rep. 1997. Vol. 2. P. 398-401.

Ramakrishna Murthy K. et al. Harmonic Analysis of Leakage Current in Polymeric Insulators Using Rotating Wheel Dip Test // MysuruCon 2022 - 2022 IEEE 2nd Mysore Sub Sect. Int. Conf. IEEE, 2022. P. 9-13.

Tripathi R., Grzybowski G., Ward R. Electrical degradation of 15 kv composite insulator under accelerated aging conditions // 2013 IEEE Electr. Insul. Conf. EIC 2013. IEEE, 2013. № June. P. 404-408.

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

Holtzhausen J.P. et al. Insulator aging tests with HVAC and HVDC excitation using the tracking wheel tester // 2010 Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. ICHVE 2010. IEEE, 2010. P. 445-448.

Verma A.R., Reddy B.S. Leakage Current Patterns Observed in Polymeric Insulators Rotating Subjected to Wheel and Dip Test // ICHVE 2018 - 2018 IEEE Int. Conf. High Volt. Eng. Appl. IEEE, 2019. P. 2-5.

Cho H., Park Y. Tracking Resistance by the RWDT and Flashover Characteristics of Polymeric Materials of Outdoor IN Insulator. 1997. P. 790-793.

Verma A.R., Subba R.B. Understanding surface degradation on polymeric insulators using rotating wheel and dip test under DC stress // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. IEEE, 2018. Vol. 25, № 5. P. 2029-2037.

Banhthasit B. et al. A Comparison on Leakage Current of 22 kV Porcelain Insulator Using High Voltage AC and Impulse Voltage via a Rotating Wheel Dip Test // Int. J. Comput. Electr. Eng. 2011. Vol. 38, № 3. P. 409-412.

Krzma A.S., Albano M., Haddad A. Comparative performance of 11kV silicone rubber polymeric insulators under Rotating Wheel Dip Test // Proc. Univ. Power Eng. Conf. IEEE, 2014.

Ishino R., Homma H. Estimation of leakage current of Arc discharge on insulating material surface using area of luminance caused by Arc discharge on ultraviolet images // 2005 IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meet. IEEE, 2005. Vol. 2. P. 1206-1211.

Bilgic T.O. et al. Corona Discharge Degradation and Dynamic Drop Tests for Hydrophobicity Evaluation of High- Temperature Vulcanizing Silicone Rubber Samples. IEEE, 2022. P. 0-3.

Kurimoto M. et al. Influence of surface roughness on hydrophobic stability of silicone rubber composites in dynamic drop test // 2012 IEEE 10th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials. IEEE, 2012. P. 1-4.

Miwa M., Tokoro T. Image Analysis of Dynamic Drop Test to Measure the Retention of Hydrophobicity of Polymeric Insulating Materials. 2017. P. 271-274.

Suat I., Tuzun D., Özdemir A. The Loss of Hydrophobicity of HTV Silicone Rubber in a Dynamic Drop Test // Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering. 2020. Vol. 599 LNEE. 320 p.

Shiibara D. et al. Fundamental Research on Characteristics of Hydrophobicity Disappearance of Silicone Rubber Surface in Dynamic Drop Test. 2008. № 1. P. 3-6.

Kornhuber S., Weber J. Evaluation of the influence of low molecular weight components to the retention of the hydrophobicity of silicones by using the dynamic drop test // Proc. Int. Symp. Electr. Insul. Mater. 2017. Vol. 1. P. 25-28.

Ilhan S., Tuzun D., Özdemir A. The loss of hydrophobicity of HTV silicone rubber in a dynamic drop test // Lect. Notes Electr. Eng. 2020. Vol. 599 LNEE, № May 2020. P. 320327.

Bär C., Bärsch R. Evaluation of the Retention and Recovery of Hydrophobicity of Insulating Materials in High Voltage Outdoor Applications under AC and DC Stresses with the Dynamic Drop Test. 2015. P. 294-303.

76. Haji K. et al. Characteristics evaluation of the Partial Arc Discharge and the Silicone Rubber surface by Dynamic Drop Test // 2008 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. IEEE, 2008. P. 272-275.

77. Bär C. et al. Test Methods for the Evaluation of Dynamic Hydrophobicity Properties of Polymeric Insulating Materials for High-Voltage Applications // Wacker Acad. 2013.

78. Kurimoto Y. et al. Variation of Leakage Current Caused by Hydrophobicity Loss of Silicone Rubber. 2008. P. 7-10.

79. Du B.X., Liu Y., Liu B.C. Dynamic Behavior of Water Droplet for Evaluating Outdoor Insulator. 2009. P. 272-275.

80. Du B.X. et al. Characterization of surface discharge as indicator for hydrophobicity evaluation of silicone rubber insulators // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2012. Vol. 19, № 5. P. 1708-1714.

81. Tokoro T., Kojima S., Nagao M. Effect of surface condition on the evaluation of hydrophobicity of polymer insulator // Proc. Int. Symp. Electr. Insul. Mater. The Institute of Electrical Engineers, Japan, 2011. P. 451-454.

82. Matsumoto T., Kurasawa T., Hasegawa K. Mechanism of Hydrophobicity Loss of Silicone Rubber in Dynamic Drop Test // IEEJ Trans. Power Energy. 2009. Vol. 129, № 10. P. 1213-1218.

83. Гуленко И.А. Характер изменения водоотталкивающих свойств силиконовых резин электротехнического назначения при взаимодействии с водными средами. 2023.

84. Нечаев Д.А. Магистерская работа "Исследование деградации поверхности силиконовой резины при высокой влажности в сильных электрических полях." 2020.

85. Liang Y. et al. Effect of Corona on the Hydrophobicity Recovery Characteristics of HTV Silicone Rubber // 2007 IEEE International Conference on Solid Dielectrics. IEEE, 2007. P. 118-121.

86. Ma K. et al. Wettability control and patterning of PDMS using UV-ozone and water immersion // J. Colloid Interface Sci. Elsevier Inc., 2011. Vol. 363, № 1. P. 371-378.

Приложение А. Численное моделирование

сетчатых электродов

При разработке экспериментального стенда с распыляющимися каплями было принято решение использовать не сплошные электроды, а сетчатые, чтобы при необходимости капли могли распыляться через промежутки в электроде. Однако необходимо было проверить, как сеточная структура электрода повлияет на напряженность электрического поля внутри межэлектродного промежутка, так как важным параметром должна быть однородность поля, в котором находится испытуемый образец. В противном случае, разряды на поверхности образца будут связаны не с его характеристиками, а с неоднородностью поля.

Необходимо было рассчитать электростатическую задачу с сетчатыми электродами. Это было сделано с использованием численного пакета Comsol Multiphysics. Задача была решена в 2D постановке с симметрией, решалось уравнение Лапласа Аи = 0.

Геометрия модели показана на рисунке 85. Радиус прутиков сетки 0.5 мм, межэлектродный промежуток 10 см, расстояние между прутиками 1.4 см.

Прутик

высоковольтного

электрода

Ось симметрии

Прутик заземленного

электрода

Рисунок 85. Геометрия модели для моделирования двух сетчатых электродов с межэлектродным промежутком.

На рисунке 87 приведена зависимость напряженности поля от расстояния. Видно, что поле однородно в диапазоне от 2 см до 8 см, то есть с отступом от электродов в 1 см. В виду этого в экспериментах образцы располагались на расстоянии 1 см от электродов.

Рисунок 86. Зависимость напряженности поля в межэлектродном промежутке Отдельно было проверено, как меняется напряженность поля в случае сетчатых электродов по сравнению с плоскими. На рисунке 87 показано, как меняется напряженность поля в межэлектродном промежутке в зависимости от радиуса прутков электродов (0.45 мм, 0.5 мм, 0.55 мм). Видно, что напряженность поля падает в случае сетчатых электродов на 13% по всему межэлектродному промежутку. Это важно при подборе напряжения в экспериментах.

Рисунок 87. Зависимость напряженности поля от координаты