爱华网( 1. 上海电力学院能源与环境工程系, 上海 200090; 2. 上海大学化学系, 上海 200436;3. 上海电瓷厂, 上海 200241)
电力工业是现代文明的基础, 输电线路和设备是电力工业连接所有企事业单位的桥梁, 目前电力系统已发展形成大网架、长距离高压输电. 由于化学、煤炭、水泥、钢铁等现代重工业发展而造成的大气污染导致电力设备电瓷表面受到固体、液体和气体等各种物质的污染, 遇到恶劣天气(如大雾、酸雨、毛毛雨、雾松、雪松、潮湿的气候)时, 污层电导增大, 输电线路绝缘子绝缘性能下降, 在运行电压下瓷件表面的局部放电发展成为电弧闪络, 即我们通常所说的污闪事故. 当电力设备发生污闪时将严重影响电力系统的安全运行.污闪中所伴随的强力电弧还常导致电气设备损坏, 使停电时间延长. 污闪事故往往会造成大面积、大区域停电, 其危害性不亚于大型地震和大型水灾 . 如2001年2月21 日至22 日, 由于大雾笼罩我国北方地区的部分电网, 造成一次大面积污闪停电事故, 即" 2. 22 电网污闪 ". 仅在在辽宁中部电网, 事故造成220 kV 及以上线路跳闸44条, 151次, 10座220 kV 变电所停电; 66 kV 线路跳闸171条次, 120座66 kV 变电所全停. 全省损失电量937万kW? h. 这次污闪事故损失惨重,给我国的经济和社会生活造成了重大影响, 同时也反映出我国电网抵御恶劣气候和抗污染环境能力的不足.目前, 国内电力系统普遍采用的防污闪措施有: 定期人工清扫; 加强绝缘配置; 带电机械干清扫; 带电水冲洗; 加装辅助伞裙; 合理配置外绝缘爬距; 绝缘子表面涂刷硅油、硅脂; 采用半导体釉绝缘子; 采用防污闪有机涂料等. 在这些措施中,人工清扫费时费力; 带电水冲洗要受到周围带电设备的位置及其水能力的限制; 而机械干清扫的缺点是一些带电清扫机较重, 目前线路上的绝缘子带电清扫效率还较低, 应用还不广泛, 主要是在积污严重又无法停电清扫的特殊情况下采用; 硅油硅脂缺点是寿命短, 通常仅半年 . 目前应用最广泛的是采用防污闪有机涂料, 即将有机涂料直接涂覆于绝缘产品表面, 以提高绝缘产品的抗污闪等级. RTV 是一种室温硫化硅橡胶( roomtemperature vulcanized silicone rubber), 它以其特有的憎水性、憎水迁移性 、优良的耐污闪特性, 以及长效、耐侯、耐臭氧、免维护等优点, 成为电力系统输变电设备防污闪的首选涂料.
1 污闪放电原理
污秽闪络放电是一个错综复杂的变化过程.有关绝缘子污闪的放电机理目前还没有统一的看法, 但普遍认为沿绝缘子湿润污秽表面的闪络并不是单纯的空气间隙击穿, 而是一种涉及电、热和化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力学平衡过程. 宏观上, 可将污闪分为4个过程:
( 1)绝缘表面的积污;
( 2)在潮湿的环境条件下绝缘表面的润湿;
( 3)在表面泄漏电流的热效应作用下出现干区, 从而改变电压分布并引起局部放电;
( 4)局部放电的发展并导致闪络.
输变电设备外绝缘子长期遭受工业污秽和自然污秽的污染, 在干燥条件下, 污秽尘埃的电阻很大, 绝缘性能不会降低, 但在雾、露、毛毛雨等空气湿度较大的情况下, 绝缘表面的污物受潮湿润后,污物中的可溶物质会逐渐溶于水中, 在绝缘表面形成一层导电膜, 再加上绝缘表面的泄漏距离较小, 湿污层的电阻较小, 因而会出现较强烈的放电现象. 泄漏电流的焦耳热效应会使污秽层的水分蒸发, 由于绝缘子各个部分污秽层分布的几何尺寸不一样, 钢帽、钢脚附近或支持绝缘子的杆径处, 几何尺寸较小, 电流密度较大, 焦耳热效应显著, 首先形成相对其他部分的干燥区. 由于干燥区电位显著提高, 而其他潮湿区的电位较低, 当高电位场强达到临界时, 该处就会对低电位放电, 在这种条件下跨越干区的放电形式称为电弧放电, 电弧呈黄红色并做频繁伸缩的树枝状, 放电通道中的温度可增高至热游离的程度. 而对应的泄漏电流脉冲值则较大, 可达数十或数百mA. 若此时污秽层再继续受潮, 局部小电弧越强烈, 相应的泄漏电流值越大, 就会逐步向沿面发展, 形成整个沿面放电, 电弧由黄红色树枝状变为耀眼的青白色闪光, 并伴有巨大的声响, 导致污闪事故.
2 涂料防污闪机理
RTV 防污闪涂料的基料是一种特殊的硅氧烷高分子化合物, 分子链为S i-O-S,i 取代基或侧链为C-H 结构. 聚硅氧烷分子中的甲基(有机基)与主链相连, 在S i原子外形成了一个倒立正四面体的伞状空间构形, 由于H 原子是范德华原子半径最小的原子, 它们所形成的伞状甲基结构, 紧密地排列在一起, 形成一道封闭屏障, 把水分子拒之?? 帐 外, 当雨水或露珠接触到涂层表面时, 就会变成水珠自动滚落, 或一颗颗散落在涂层表面上,不会形成连续的水链或铺展成水膜, 表现出极其优良的憎水性能. 因此, RTV 涂料防污闪机理可以从憎水性能、憎水迁移性能、电压分布等几个方面来分析 .
( 1)憎水性能好. 在绝缘子表面施涂了RTV防污闪涂料后, 所形成的涂层包覆了整个绝缘子表面, 隔绝了绝缘产品和污秽物质的接触. 当污秽物质降落到绝缘子表面时, 接触到的是RTV 防污闪涂料的涂层. 涂层的性能就变成了绝缘子的表面性能.
( 2)电压分布均匀. 由于RTV 涂料具有很强的憎水性, 污物表面难以形成连续的导电层, 所以不会出现电压分布不均的现象.
( 3)憎水迁移性. 仅有憎水性的物质还不能做为绝缘子防污闪涂料, 还必须有优良的憎水迁移性. 当RTV 表面积累污秽后, RTV 内游离态憎水物质逐渐向污秽表面扩展, 从而使污秽层也具有憎水性, 不被雨水或潮雾中的水分所润湿, 不被离子化, 因而能有效抑制泄漏电流, 极大地提高了绝缘子的防污闪能力. 因此, 憎水迁移性是RTV涂料防污闪性能的关键指标之一.
3 防污闪涂料的研究现状
3. 1 相关专利的报道
中国专利00112886. 8介绍了一种RTV 单组分憎水长效防污闪涂料[ 9] , 提供了一种在电力系统高压输变电(站)线路的瓷绝缘子上用的RTV单组分憎水长效防污闪涂料及生产方法. 该涂料的构成(重量分)组分为: 端羟基聚硅氧烷20% ~40%、碱式阻燃剂2% ~ 10%, 补强剂3% ~ 20%,添加剂1% ~ 5%, 催化剂0. 2% ~ 0. 4%, 交联剂1% ~ 5%、稀释剂30% ~ 60%.中国专利92107775. 0介绍了一种新型合成防污涂料及生产方法. 该涂料有较强的除着力和耐老化性能, 用于高压输电线路中的电瓷产品,能提高电瓷绝缘产品的污闪电压, 有利于提高输电线路运行可靠性和延长正常运行周期. 涂料由硫化硅橡胶ST-107、白炭黑、硅油、硅烷偶联剂KH-560和二月桂酸锡混合而成.中国专利93104478. 2介绍了一种憎水防污闪涂料 . 该涂料不同于其他聚合的新单体涂料, 而是采用聚合物互穿网络结构形成的涂料. 它利用氟化物材料优异的抗静电吸附性和憎水性,以及有机硅材料优良的憎水性, 使涂层表面明显减少对水珠、尘埃及带电微粒的吸附效应, 且具有良好的自洁性和耐气候性, 能有效地达到电力系统长期防污闪、防覆冰的目的. 该涂料是一种长效憎水防污闪涂料, 用于电力系统瓷绝缘上, 以提高其防污闪, 防覆冰性能.
中国专利95112601. 6介绍了一种长效防污闪涂料[ 12] . 该涂料以甲基三乙氧基硅烷改性的聚偏氟乙烯树脂为成膜物质, 以N-( β- 氨乙基) -Y-氨丙基三乙氧基硅烷为活性稀释剂, 两组分充分混合而成. 具有活性基团的涂料在常温固化时与绝缘产品釉面形成的稳定化学键使得涂层界面获得优良的耐老化性能, 且涂层表面具有良好的自洁性和重涂性.中国专利94107935. X 介绍了一种绝缘子防污闪涂料的雾化自喷技术 . 该专利解决了粘稠的防污闪涂料的雾化自喷问题, 实现了涂料的单手喷涂操作, 缓解了高空施工难度, 同时也适合在其他各种场合喷涂各种不同形状的绝缘子及电器部件. 利用此技术可使涂层均匀, 不流滴, 既可提高涂层质量, 又能省工、省时、省料.中国专利85102198 介绍了一种提高绝缘子耐污性能的方法 . 在清洁的钢化玻璃(或瓷)绝缘子表面涂覆一层薄而均匀的处理剂, 然后在放电、红外照射、红外和紫外联合照射及高温烘箱处理这4种工艺中, 任选一种对绝缘子进行表面处理, 然后再清除绝缘子表面附着的处理剂, 可在其表面得到一层极薄的憎水层.
3. 2 有关防污闪涂料的文献报道
杨德等介绍了一种有机硅防污闪涂料的研制和应用 . 该研究以线型聚硅氧烷为漆基, 高绝缘材料为填料, 聚四氟乙烯为助剂, 复合型N-9固化剂配制成防污闪涂料, 该涂料的防污闪性能优良, 实际带电运行表明: 在0. 4 mg /cm2 盐密、2. 0mg / cm2 灰密下, 污闪电压达到36. 9 kV. 李峻明介绍了一种新的防污闪涂料XGC 涂料 .XGC防污闪涂料是一种适合现场喷涂的硅橡胶涂料, 具有较强的憎水性能和良好的电气性能. 通过对涂料各种性能的检测表明: 涂有XGC 涂料的X- 4. 5型绝缘子在盐密为0. 4mg /cm2 时的人工污秽雾闪络电压值每片为18 kV, 而在盐密为0. 34mg /cm2 时的自然污秽雾闪络电压值每片为22. 3 kV, 这对脏污地区的绝缘子的安全运行是极为有利的.
Deng H和Hackam R 等报道了不同粒径的三水氧化铝(ATH )作为填料时对RTV 涂料泄漏电流和失效时间的影响 , 得出掺入粒径为4. 5m的ATH 可使RTV 涂料具有最小的泄漏电流和最长的失效时间. Om ran ipour R 和Meyer L H等研究了SiO2 和ATH 作为填料时 , 不同的粒径和浓度对RTV 涂料抗腐蚀和抗脆裂性能的影响, 研究认为, 较低浓度( 10% )时ATH 与S iO2 相比填充的样品具有更好的抗腐蚀和抗脆裂性能.Suw arno 等也用ATH 为填料 , 试验了不同的填料浓度对RTV 涂料憎水性能及电绝缘性能的影响, 得出直接暴露在露天的涂料比加伞裙的涂料憎水性更好, 填料的浓度越大, 其抗老化性能就越好的结论. 陈洪波等分析了RTV 防污闪涂料的憎水性和憎水迁移性是提高电力设备外绝缘水平的关键及作用机理 . 关志成和陈凤吉介绍了防污闪涂料的运行经验和寿命判断的方法 , 文章介绍了河南省3年来大范围应用防污闪长效涂料的运行经验, 以及涂料绝缘子的积污、憎水性迁移和污闪试验结果, 分析了污层表面憎水性和污闪电压的关系, 并提出了RTV 涂层使用寿命的判断方法.
4 结束语
虽然防污闪涂膜在初期能够起到一定的防污闪作用, 但是长期受粉尘、污秽及高电场的作用,在涂膜不致密或有缺陷的部位还是极易首先失效, 发生污闪事故. 在实际使用过程中亦发现涂膜不佳的防污闪涂层在污闪性能方面还不如未涂敷任何涂膜的绝缘产品的例子. 而国外此类涂料主要采用高性能绝缘树脂制备, 能满足超高压输变线路抗污闪的要求, 但价格昂贵, 实际应用过程中对涂覆均匀性要求也很高. 更重要的是, 由于高绝缘性树脂属于高垄断产品, 国外公司在市场只供应绝缘产品, 而不供应绝缘漆或树脂.我国幅员辽阔, 地理及气象条件复杂, 加之环境破坏日益严重, 对高压电网防污闪技术提出了很高的要求. 随着电网负荷的急剧增大, 大型电网设备的引进, 以及超高压输变电线路的建设日益增多, 与之配套的绝缘产品表面的抗闪络性能已不能适应形势的需要. 由于我国高绝缘性树脂的生产水平明显落后于国际先进水平, 要在较短时间内赶上国际先进水平十分困难. 因此, 要提高高压绝缘产品的抗不均匀污闪能力, 必须通过采用新型高性能抗污闪涂层来解决其在实际应用中的沿面闪络问题.
