絕緣子半導(dǎo)電防冰涂料的應(yīng)用分析
中國(guó)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(dǎo)冰涂其安全運(yùn)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(duì)輸電線路的應(yīng)用危害主要作用于輸電導(dǎo)線和絕緣子，體現(xiàn)為機(jī)械和電氣２種破壞方式。分析輸電導(dǎo)線覆冰后其質(zhì)量會(huì)成倍增加，絕緣迎風(fēng)阻力也同時(shí)增大，半導(dǎo)冰涂在覆冰融化過(guò)程中，電防覆冰的應(yīng)用不均勻脫落會(huì)誘發(fā)導(dǎo)線舞動(dòng)。這些后果不僅使桿塔的分析機(jī)械負(fù)荷增加，而且還會(huì)損壞連接金具和絕緣子，絕緣引發(fā)斷線、半導(dǎo)冰涂倒塔等事故。電防輸電線路上的應(yīng)用絕緣子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，一般在表面都會(huì)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(dāng)絕緣子上的冰雪融化時(shí)，容易造成絕緣子沿面覆冰閃絡(luò)。絕緣子的覆冰問(wèn)題是外絕緣領(lǐng)域１個(gè)重要的研究方向。目前，
佛山凈美建筑材料有限公司針對(duì)導(dǎo)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(wèn)題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 １ 絕緣子防覆冰閃絡(luò)措施分類 １．１ 機(jī)械除冰方法 由絕緣子覆冰閃絡(luò)特性可見(jiàn)，冰凌橋接造成的局部電場(chǎng)畸變［７］以及融冰期沿絕緣子串表面出現(xiàn)的連續(xù)導(dǎo)電通道是降低絕緣子閃絡(luò)電壓的主要原因。在電網(wǎng)運(yùn)行上，目前針對(duì)線路絕緣覆冰閃絡(luò)問(wèn)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(pán)徑絕緣子隔斷冰凌、傾斜懸掛絕緣子串等。 機(jī)械除冰方法可分為直接破冰法（如人工敲擊）和利用震動(dòng)或扭轉(zhuǎn)的除冰法。文獻(xiàn)［８］使用激光方法進(jìn)行絕緣子除冰試驗(yàn)，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(shí)，若使用不當(dāng)則會(huì)造成絕緣子脫釉、炸裂和合成絕緣子燒蝕等損傷問(wèn)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(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速和大面積的除冰工作；同時(shí)機(jī)械除冰需要一定能量和專用配套設(shè)備，而覆冰事故時(shí)常伴隨斷電，導(dǎo)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(xué)鍵以及機(jī)械附著力方面進(jìn)行除冰；另一類是阻止過(guò)冷卻水滴凍結(jié)的方法，主要是采用除雪劑等改變凝固點(diǎn)的材料，以及加熱的方法。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，多種具有“憎冰性”的材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如特氟龍、聚二甲基硅氧烷等。熱力除冰有較長(zhǎng)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(yùn)行維護(hù)的難度和成本，故成為改善和解決絕緣子覆冰問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。對(duì)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(duì)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(zhēng)議較大，部分學(xué)者認(rèn)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(rèn)為開(kāi)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(wú)明顯關(guān)系［９］。文獻(xiàn)［１０－１１］提出冰層附著力和潤(rùn)濕滯后性間有一定的聯(lián)系，在具有低潤(rùn)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(rùn)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(dǎo)體材料提高絕緣子冰閃電壓 半導(dǎo)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(dǎo)體性質(zhì)的金屬氧化物釉層替代普通釉層。其優(yōu)點(diǎn)：有效改善絕緣子金具附近的電場(chǎng)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(cè)試［１３］結(jié)果表明，表面發(fā)熱功率為７．７５ｍＷ／ｃｍ２時(shí)，絕緣子表面溫度可升高５～６℃。在絕緣子染污受潮時(shí)，由于釉層具有一定導(dǎo)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(xiàn)［１４］通過(guò)試驗(yàn)得出半導(dǎo)體釉絕緣子表面電阻率為１０～３０Ｍω時(shí)，具有較好的防污和抑制電暈性能。 覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)表明，半導(dǎo)體釉絕緣子相對(duì)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(jì)算結(jié)果表明，半導(dǎo)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(shuō)明其防冰效果主要來(lái)自釉層均勻電場(chǎng)的作用，防止了覆冰和融冰過(guò)程的絕緣子局部電場(chǎng)畸變引發(fā)電弧。但半導(dǎo)體釉絕緣子也存在不足，其釉層涂料電阻的負(fù)溫度系數(shù)較大，當(dāng)絕緣子表面溫度升高時(shí)釉層電阻下降，泄漏電流進(jìn)一步升高，構(gòu)成了發(fā)熱功率的正反饋過(guò)程，因此釉層涂料存在熱穩(wěn)定性問(wèn)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(kāi)發(fā)方面，清華大學(xué)提出了１種結(jié)合憎水和發(fā)熱性的半導(dǎo)電防冰涂料［１７］。半導(dǎo)電防冰涂料以硅橡膠材料為基材，通過(guò)添加導(dǎo)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(lái)實(shí)現(xiàn)防覆冰。通過(guò)氣候室試驗(yàn)驗(yàn)證，半導(dǎo)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(dǎo)電防冰涂料的優(yōu)點(diǎn)是較好地保持涂層的防污閃能力；同時(shí)結(jié)合涂料表面發(fā)熱，促進(jìn)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(chǎng)的效果。 ３ 半導(dǎo)電防冰涂料的應(yīng)用效果 ３．１ 半導(dǎo)電防冰涂料對(duì)覆冰形態(tài)的影響 2010年底，廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院與清華大學(xué)合作開(kāi)展了半導(dǎo)電防冰涂料的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。在廣東北部的清遠(yuǎn)和韶關(guān)地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱粵北）的關(guān)廊線、陽(yáng)電線等幾條覆冰問(wèn)題比較嚴(yán)重的輸電線路進(jìn)行了半導(dǎo)電防冰涂料的涂刷工作。 ２０１０年１２月１３日至１６日，我國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)了第一輪大范圍的較強(qiáng)雨雪天氣，在冷空氣的影響下，１５日降溫達(dá)到最強(qiáng)，我國(guó)中央氣象臺(tái)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(hào)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(dǎo)電防冰涂料。從圖１的覆冰情況可見(jiàn)，涂刷半導(dǎo)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(cè) 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(duì)比可見(jiàn)，半導(dǎo)電防冰涂料絕緣子串的溫度高于ＲＴＶ涂料串，表明半導(dǎo)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(dǎo)電防冰涂料對(duì)絕緣子泄漏電流的影響 在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)施線路中的１１０ｋＶ陽(yáng)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(chǎng)采集數(shù)據(jù)如圖４所示，Ｌ１、Ｌ３相均應(yīng)用了半導(dǎo)電防冰涂料。 圖4 泄漏電流監(jiān)測(cè)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?cái)?shù)據(jù)來(lái)看，涂覆半導(dǎo)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(dǎo)電防冰涂料后線路運(yùn)行時(shí)的能量損耗很小。 泄漏電流的２個(gè)最高峰值為１１．２３ｍＡ和１７．６ｍＡ，分別出現(xiàn)在１月２０日８時(shí)４９分和１月２５日３時(shí)２８分，均為低溫高濕環(huán)境，其氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖５所示。Ｌ１相泄漏電流較高的幾個(gè)時(shí)刻及其相關(guān)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表１。 圖5 氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 表1 L1相泄漏電流較高時(shí)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(huì)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(cè)結(jié)果來(lái)看，應(yīng)用半導(dǎo)電防冰涂料后絕緣子的覆冰量明顯減小。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可觀測(cè)到絕緣子表面的溫度升高，證明了應(yīng)用半導(dǎo)電防冰涂料防冰的可行性，但未能達(dá)到完全阻止覆冰形成的目的。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中注意到，絕緣子串的配置方式會(huì)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(guò)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(wèn)題，也對(duì)半導(dǎo)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(huì)顯著影響絕緣子串表面電阻，進(jìn)而影響泄漏電流值。在同樣的涂刷厚度條件下，較大盤(pán)徑、片數(shù)較多的絕緣子串涂刷了半導(dǎo)電防冰涂料后，其表面發(fā)熱功率會(huì)相對(duì)較低。因此，在應(yīng)用研究上應(yīng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子串實(shí)際配置來(lái)進(jìn)行防冰涂料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)防冰所需的發(fā)熱功率設(shè)計(jì)防冰涂料的電阻率和涂刷厚度。由于現(xiàn)場(chǎng)施工工藝難以保障涂刷后絕緣子的表面電阻達(dá)到防冰要求，應(yīng)考慮在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用整串更換的方式，將事先涂刷好防冰涂料且測(cè)量各項(xiàng)參數(shù)達(dá)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(yùn)行時(shí)涂層中會(huì)有持續(xù)的泄漏電流通過(guò)。這種持續(xù)的能耗會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且涂料表面溫度在環(huán)境溫度較高時(shí)會(huì)有更大的升高，影響涂層的壽命。為解決這些問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)氣候環(huán)境對(duì)涂層防冰電流進(jìn)行開(kāi)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(wèn)題的１個(gè)研究方向。 相對(duì)于普通ＲＴＶ涂料，半導(dǎo)電防冰涂料的防冰涂層具有一定導(dǎo)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(guò)程中對(duì)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(fù)合絕緣子相結(jié)合，制成防冰絕緣子，可有效解決現(xiàn)場(chǎng)涂刷防冰涂料施工過(guò)程中的工藝差異引起的性能不穩(wěn)定現(xiàn)象。
