絕緣子半導電防冰涂料的應(yīng)用分析
中國新型涂料網(wǎng)訊：架空輸電線路裸露在自然環(huán)境中，絕緣在寒冷氣候地區(qū)，半導冰涂其安全運行很容易受到冰雪等氣候的電防
佛山凈美建筑材料有限公司影響［１－５］。覆冰對輸電線路的應(yīng)用危害主要作用于輸電導線和絕緣子，體現(xiàn)為機械和電氣２種破壞方式。分析輸電導線覆冰后其質(zhì)量會成倍增加，絕緣迎風阻力也同時增大，半導冰涂在覆冰融化過程中，電防覆冰的應(yīng)用不均勻脫落會誘發(fā)導線舞動。這些后果不僅使桿塔的分析機械負荷增加，而且還會損壞連接金具和絕緣子，絕緣引發(fā)斷線、半導冰涂倒塔等事故。電防輸電線路上的應(yīng)用絕緣子經(jīng)過長時間的運行，一般在表面都會積累一定的分析污穢，且在覆冰后由于冰棱的橋接作用，絕緣子的泄漏距離大大縮短。當絕緣子上的冰雪融化時，容易造成絕緣子沿面覆冰閃絡(luò)。絕緣子的覆冰問題是外絕緣領(lǐng)域１個重要的研究方向。目前，
佛山凈美建筑材料有限公司針對導線的防覆冰措施較多［６］，電流融冰方案在電力系統(tǒng)部分地區(qū)的應(yīng)用表明，其防覆冰效果較好。而在絕緣子防覆冰閃絡(luò)方面，缺乏有效的措施和方法，因此，研究解決輸電線路絕緣子覆冰閃絡(luò)問題具有重大的現(xiàn)實意義。 １ 絕緣子防覆冰閃絡(luò)措施分類 １．１ 機械除冰方法 由絕緣子覆冰閃絡(luò)特性可見，冰凌橋接造成的局部電場畸變［７］以及融冰期沿絕緣子串表面出現(xiàn)的連續(xù)導電通道是降低絕緣子閃絡(luò)電壓的主要原因。在電網(wǎng)運行上，目前針對線路絕緣覆冰閃絡(luò)問題主要從防止冰凌橋接角度考慮，主要措施有增加絕緣子串片數(shù)、使用大盤徑絕緣子隔斷冰凌、傾斜懸掛絕緣子串等。 機械除冰方法可分為直接破冰法（如人工敲擊）和利用震動或扭轉(zhuǎn)的除冰法。文獻［８］使用激光方法進行絕緣子除冰試驗，結(jié)果表明在一定功率激光的照射下其脫冰效果較為顯著，但由于高功率密度激光的能量較為集中，在除冰時，若使用不當則會造成絕緣子脫釉、炸裂和合成絕緣子燒蝕等損傷問題。另一方面，由于覆冰線路一般處在多山地區(qū)，道路交通困難，難以攜帶設(shè)備抵達現(xiàn)場進行快速和大面積的除冰工作；同時機械除冰需要一定能量和專用配套設(shè)備，而覆冰事故時常伴隨斷電，導致其除冰的有效范圍小。 １．２ 防覆冰材料方法 防冰、除冰材料方法主要有兩類：一類是集中在減弱冰層和附著表面間的化學鍵以及機械附著力方面進行除冰；另一類是阻止過冷卻水滴凍結(jié)的方法，主要是采用除雪劑等改變凝固點的材料，以及加熱的方法。隨著材料科學的發(fā)展，多種具有“憎冰性”的材料被開發(fā)出來，如特氟龍、聚二甲基硅氧烷等。熱力除冰有較長的研究歷史，如短路融冰等技術(shù)已有一定的應(yīng)用，目前又出現(xiàn)了微波除冰、蒸汽除冰等新方法。 采用涂料的防冰方法基本不需要人工干預(yù)，減少了后期運行維護的難度和成本，故成為改善和解決絕緣子覆冰問題的研究熱點。對比不同涂料表面覆冰情況的研究結(jié)果表明，涂料表面性質(zhì)對結(jié)冰量和形態(tài)有較為明顯的影響。憎水性防冰材料的防冰效果爭議較大，部分學者認為材料表面的憎水性與防冰效果之間有顯著的相關(guān)性，認為開發(fā)超憎水性材料是防冰材料的可行方向；而部分研究結(jié)果顯示材料表面接觸角與冰層附著力并無明顯關(guān)系［９］。文獻［１０－１１］提出冰層附著力和潤濕滯后性間有一定的聯(lián)系，在具有低潤濕滯后性的憎水性表面，覆冰附著力和接觸角成正比；在具有高潤濕滯后性的憎水性表面覆冰附著力較大，甚至可能接近親水性表面。 ２ 基于憎水性和表面發(fā)熱的絕緣子防冰技術(shù) ２．１ 利用半導體材料提高絕緣子冰閃電壓 半導體釉絕緣子是１種具有特別釉層的瓷絕緣子，其表面采用具有半導體性質(zhì)的金屬氧化物釉層替代普通釉層。其優(yōu)點：有效改善絕緣子金具附近的電場畸變，減少了電暈放電產(chǎn)生的電磁干擾［１２］；具有一定的發(fā)熱效果，可防止絕緣子表面污穢受潮。５００ｋＶ支柱絕緣子溫升測試［１３］結(jié)果表明，表面發(fā)熱功率為７．７５ｍＷ／ｃｍ２時，絕緣子表面溫度可升高５～６℃。在絕緣子染污受潮時，由于釉層具有一定導電性，在局部干區(qū)位置可以抑制干區(qū)電弧形成，故防污性能較好。文獻［１４］通過試驗得出半導體釉絕緣子表面電阻率為１０～３０Ｍω時，具有較好的防污和抑制電暈性能。 覆冰閃絡(luò)試驗表明，半導體釉絕緣子相對于普通絕緣子具有提高覆冰閃絡(luò)電壓的效果［１５］。覆冰層相變所需熱量計算結(jié)果表明，半導體釉絕緣子表面１ｍＡ左右電流的發(fā)熱量不能滿足融冰的要求，這說明其防冰效果主要來自釉層均勻電場的作用，防止了覆冰和融冰過程的絕緣子局部電場畸變引發(fā)電弧。但半導體釉絕緣子也存在不足，其釉層涂料電阻的負溫度系數(shù)較大，當絕緣子表面溫度升高時釉層電阻下降，泄漏電流進一步升高，構(gòu)成了發(fā)熱功率的正反饋過程，因此釉層涂料存在熱穩(wěn)定性問題［１６］。 ２．２ 憎水性和表面發(fā)熱的協(xié)同作用 在防冰涂料開發(fā)方面，清華大學提出了１種結(jié)合憎水和發(fā)熱性的半導電防冰涂料［１７］。半導電防冰涂料以硅橡膠材料為基材，通過添加導電填料，使得硅橡膠材料具備一定的介質(zhì)損耗轉(zhuǎn)化為熱量，提升了涂料表面溫度，并結(jié)合涂料表面憎水性來實現(xiàn)防覆冰。通過氣候室試驗驗證，半導電防冰涂料具有良好的防絕緣子串覆冰的效果；應(yīng)用于絕緣子串后，可在保證良好的防污閃性能的基礎(chǔ)上，減少絕緣子串的覆冰量［１８］。 半導電防冰涂料的優(yōu)點是較好地保持涂層的防污閃能力；同時結(jié)合涂料表面發(fā)熱，促進了憎水性在低溫環(huán)境下的效果，具有優(yōu)良的憎水性及憎水遷移性；還具有均勻電場的效果。 ３ 半導電防冰涂料的應(yīng)用效果 ３．１ 半導電防冰涂料對覆冰形態(tài)的影響 2010年底，廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院與清華大學合作開展了半導電防冰涂料的現(xiàn)場試驗研究。在廣東北部的清遠和韶關(guān)地區(qū)（以下簡稱粵北）的關(guān)廊線、陽電線等幾條覆冰問題比較嚴重的輸電線路進行了半導電防冰涂料的涂刷工作。 ２０１０年１２月１３日至１６日，我國南方地區(qū)出現(xiàn)了第一輪大范圍的較強雨雪天氣，在冷空氣的影響下，１５日降溫達到最強，我國中央氣象臺發(fā)布了暴雪黃色預(yù)警。圖１為１７日關(guān)廊２２０ｋＶ線路６６塔小號側(cè)耐張雙串覆冰情況的紅外照片。并聯(lián)的２串絕緣子分別涂刷室溫硫化硅橡膠（ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ ｓｉｌｉｃ ｏｎｅ ｒｕｂｂｅｒ，ＲＴＶ）涂料和半導電防冰涂料。從圖１的覆冰情況可見，涂刷半導電防冰涂料的絕緣子串傘邊緣冰凌數(shù)量明顯少于ＲＴＶ涂料串。 圖1 關(guān)廊線覆冰觀測 同一桿塔的紅外熱像如圖２所示。在紅外照片上沿每串絕緣子劃一直線，絕緣子串沿線由高壓端至接地端的溫度變化曲線如圖３所示。對比可見，半導電防冰涂料絕緣子串的溫度高于ＲＴＶ涂料串，表明半導電防冰涂料起到了一定的表面加熱效果。 圖2-關(guān)廊線覆冰紅外熱像圖 圖3 關(guān)廊線絕緣子串由高壓端至接地端的溫度變化曲線 ３．２ 半導電防冰涂料對絕緣子泄漏電流的影響 在現(xiàn)場試驗實施線路中的１１０ｋＶ陽電線一基塔上安裝了泄漏電流和氣象監(jiān)控裝置。２０１１年１月至３月現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)如圖４所示，Ｌ１、Ｌ３相均應(yīng)用了半導電防冰涂料。 圖4 泄漏電流監(jiān)測數(shù)據(jù). 圖４中數(shù)據(jù)有幾處不連續(xù)為設(shè)備通信故障所致。從監(jiān)控數(shù)據(jù)來看，涂覆半導電防冰涂料后，多數(shù)情況下各相泄漏電流值均小于１ｍＡ，表明應(yīng)用半導電防冰涂料后線路運行時的能量損耗很小。 泄漏電流的２個最高峰值為１１．２３ｍＡ和１７．６ｍＡ，分別出現(xiàn)在１月２０日８時４９分和１月２５日３時２８分，均為低溫高濕環(huán)境，其氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖５所示。Ｌ１相泄漏電流較高的幾個時刻及其相關(guān)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)見表１。 圖5 氣象監(jiān)測數(shù)據(jù) 表1 L1相泄漏電流較高時刻及其氣象數(shù)據(jù) 由表１可以看出，泄漏電流峰值均出現(xiàn)在凌晨以及上午，２０１１年１月的數(shù)據(jù)為低溫高濕環(huán)境，會有少量覆冰和凝結(jié)水出現(xiàn)。 ３．３ 防冰效果討論 從本次觀測結(jié)果來看，應(yīng)用半導電防冰涂料后絕緣子的覆冰量明顯減小。現(xiàn)場試驗可觀測到絕緣子表面的溫度升高，證明了應(yīng)用半導電防冰涂料防冰的可行性，但未能達到完全阻止覆冰形成的目的。在現(xiàn)場觀測中注意到，絕緣子串的配置方式會影響其防覆冰效果。試用了防冰涂料的線路絕緣子串、不同的絕緣子片數(shù)以及大小傘插花配置形式，其防覆冰效果均有較大的不同。由于涂刷施工過程中出現(xiàn)了絕緣子涂覆不均、局部有損傷以及涂刷厚度不滿足要求等問題，也對半導電防冰涂料的防覆冰效果產(chǎn)生影響。 由于利用泄漏電流發(fā)熱的防冰方法受絕緣子表面電阻的影響較大，絕緣子串片數(shù)以及防冰涂料的涂刷厚度會顯著影響絕緣子串表面電阻，進而影響泄漏電流值。在同樣的涂刷厚度條件下，較大盤徑、片數(shù)較多的絕緣子串涂刷了半導電防冰涂料后，其表面發(fā)熱功率會相對較低。因此，在應(yīng)用研究上應(yīng)針對現(xiàn)場絕緣子串實際配置來進行防冰涂料的優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)防冰所需的發(fā)熱功率設(shè)計防冰涂料的電阻率和涂刷厚度。由于現(xiàn)場施工工藝難以保障涂刷后絕緣子的表面電阻達到防冰要求，應(yīng)考慮在現(xiàn)場施工時采用整串更換的方式，將事先涂刷好防冰涂料且測量各項參數(shù)達到要求的絕緣子串替換上塔。 ４ 結(jié)論與展望 基于表面發(fā)熱技術(shù)的絕緣子防冰材料，掛網(wǎng)運行時涂層中會有持續(xù)的泄漏電流通過。這種持續(xù)的能耗會影響系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，而且涂料表面溫度在環(huán)境溫度較高時會有更大的升高，影響涂層的壽命。為解決這些問題，應(yīng)根據(jù)氣候環(huán)境對涂層防冰電流進行開斷，提高涂層的應(yīng)用性能。具有正電阻溫度特性的材料［１９］和配置絕緣子表面電阻分布［２０］是解決這一問題的１個研究方向。 相對于普通ＲＴＶ涂料，半導電防冰涂料的防冰涂層具有一定導電性，為保證涂覆后整串絕緣子電壓分布均勻，電阻需滿足防冰性能和絕緣安全閾值的要求，在涂刷絕緣子過程中對涂層厚度和均勻性的要求更高，應(yīng)在絕緣子掛網(wǎng)前預(yù)涂刷防冰涂料，或采用將防冰涂層技術(shù)與復合絕緣子相結(jié)合，制成防冰絕緣子，可有效解決現(xiàn)場涂刷防冰涂料施工過程中的工藝差異引起的性能不穩(wěn)定現(xiàn)象。
