半導(dǎo)體防覆冰RTV涂料設(shè)計(jì)研究

房震宇，陳 飛，孟旭東

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

半導(dǎo)體防覆冰RTV涂料設(shè)計(jì)研究

房震宇，陳 飛，孟旭東

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114001)

目前輸電線路上所應(yīng)用的絕緣子防污閃的涂料主要是室溫硫化硅RTV橡膠涂料。絕緣子涂覆RTV涂料后，不但提高了絕緣子表面的憎水性，其表面積聚的污層也獲得不同程度的憎水性，然而當(dāng)涂層被冰層覆蓋后會(huì)失去憎水性。基于此，提出在具有一定防冰效果的憎水性基礎(chǔ)上，把硅橡膠涂料改性為半導(dǎo)體涂料，其具有憎水特性和半導(dǎo)電特性兩大特點(diǎn)，直接涂覆在瓷絕緣子表面即可形成防覆冰涂層。憎水特性可減小冰層與材料表面的粘附力及覆冰密度，并改變覆冰的形態(tài)，但不能延緩或防止覆冰。

防覆冰;半導(dǎo)體RTV;憎水性防冰

近年來(lái)，全世界各地的輸電線路均遭受了覆冰帶來(lái)的危害。相對(duì)電力系統(tǒng)遭遇的其它自然災(zāi)害，持續(xù)的覆冰氣候常帶來(lái)更嚴(yán)重的后果，輕則發(fā)生冰閃，重則導(dǎo)致桿塔倒塌，線路斷線，甚至電網(wǎng)癱瘓。如何有效地減少絕緣子上冰閃的發(fā)生，阻止絕緣子上冰柱的橋接，提高絕緣子覆冰閃絡(luò)電壓，這些已成為亟需解決的難題［1］。

覆冰對(duì)輸電線路的危害主要包括［2］:

a.絕緣子串覆冰后相鄰傘盤(pán)會(huì)被冰棱橋接，絕緣子的泄漏距離大大縮短，而且冰水的電導(dǎo)率比較高，極易造成冰閃;

b.輸電線路和桿塔覆冰后，超過(guò)設(shè)計(jì)極限機(jī)械承重能力，造成斷線倒塔事故;

c.導(dǎo)線覆冰后，導(dǎo)線迎風(fēng)阻力變大，不均勻脫冰引發(fā)導(dǎo)線跳躍，造成相間短路故障。

目前輸電線路上所應(yīng)用的絕緣子防污閃涂料主要是室溫硫化硅 (Room Temperature Vulcanized，RTV)橡膠涂料。絕緣子涂覆RTV涂料后，可提高絕緣子表面的憎水性，其表面積聚的污層也獲得不同程度的憎水性，即涂料具有較好的憎水遷移性［3］。憎水性良好的涂層表面積聚的水分較少，不會(huì)形成連續(xù)的水膜，然而當(dāng)涂層被冰層覆蓋后失去了憎水性，就與普通瓷絕緣子無(wú)異。因此，僅僅利用憎水性防冰很難奏效。本文提出在具有一定防冰效果的憎水特性基礎(chǔ)上，把硅橡膠涂料改性成半導(dǎo)體涂料，將這種涂料涂覆在絕緣子表面，涂料固化后形成防絕緣子覆冰涂層。涂層具有優(yōu)良的憎水特性及半導(dǎo)電特性［4］。

1 半導(dǎo)體RTV涂料防覆冰機(jī)理

半導(dǎo)體RTV涂料防覆冰機(jī)理如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體RTV涂料防覆冰機(jī)理

半導(dǎo)體硅橡膠具有較強(qiáng)的憎水性，憎水性越強(qiáng)，涂層表面與冰雪之間的粘附力就越小，絕緣子上的覆冰容易脫落。水在憎水性表面存在的形態(tài)不是連續(xù)的水膜，而是獨(dú)立的小水珠，而且大部分降落在涂層表面的水珠會(huì)自行滑落，大大減少了覆冰量［5］。殘留在表面的水珠在0℃以下將會(huì)凍結(jié)成一個(gè)個(gè)小冰塊，冰塊的不斷堆積形成冰層。但這些小冰塊間存在大量的空氣間隙，因此，所形成冰層的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比水膜所形成冰層的密度要小，冰層密度的減小減少了涂層表面的覆冰量［6］。

半導(dǎo)體硅橡膠所形成的涂層具有一定的導(dǎo)電性能，但不會(huì)破壞絕緣子的絕緣性，半導(dǎo)電特性使得涂層的防冰效果顯著提高。提高其表面泄漏電流，利用電流所產(chǎn)生的焦耳熱增加表面發(fā)熱量，提高表面的溫度。表面溫度的提高延緩了表面覆冰的形成，如果表面溫度能穩(wěn)定在0℃以上，將能完全阻止覆冰的形成。半導(dǎo)電涂層同時(shí)也使絕緣子串上的電壓分布更加均勻，減少閃絡(luò)發(fā)生的概率［7］。

2 涂覆半導(dǎo)體RTV絕緣子的發(fā)熱機(jī)理

應(yīng)用半導(dǎo)體RTV涂層涂覆絕緣子，由于涂層具有半導(dǎo)電特性，因此降低了陶瓷絕緣子兩極之間的絕緣電阻，在通電運(yùn)行時(shí)，涂層流過(guò)泄漏電流產(chǎn)生焦耳熱，提高絕緣子的表面溫度。絕緣子本身的陶瓷介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗發(fā)熱。在保證絕緣子的絕緣性能條件下，提高絕緣子的發(fā)熱有利于防止表面覆冰的形成［8］。

絕緣子的總發(fā)熱量Q主要由4部分組成，可表示為

式中:QC為介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的發(fā)熱量;QI為瓷體內(nèi)部穿透性泄漏電流所引起的發(fā)熱;QS為表面爬電泄漏電流所引起的發(fā)熱;QT為涂層的發(fā)熱量，主要為泄漏電流產(chǎn)生的焦耳熱。

介質(zhì)損耗發(fā)熱QC是指任何電介質(zhì)在電壓作用下都存在的功率損耗，包括有偶極子極化、夾層極化等引起的極化損耗，以及有介質(zhì)的電導(dǎo)引起的電導(dǎo)損耗。絕緣子的介質(zhì)損耗發(fā)熱可表示為

式中:U為絕緣子極間電壓;ω為運(yùn)行頻率;Co為絕緣子極間電容;tanδ為介質(zhì)損耗正切角。

對(duì)于陶瓷絕緣子來(lái)說(shuō)，介質(zhì)損耗角的正切值tanδ約為0.015～0.025，取陶瓷絕緣子的極間電容C=50 pF。正常絕緣子的介質(zhì)損耗發(fā)熱較小，并且絕緣子運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)損耗基本不變，可以提高涂層的發(fā)熱量使得絕緣子的表面溫度上升。如果能通過(guò)改進(jìn)涂料的配方調(diào)整涂層的發(fā)熱量，就可以使絕緣子的表面溫度保持0℃以上，延緩或阻止覆冰的形成。

絕緣子串中單片絕緣子的簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示。絕緣子串中共有n片絕緣子，其中，第i個(gè)絕緣子的極間電容為Ci，假設(shè)C1=C2=…=Cn=Co。RX為絕緣子等效電阻。

片絕緣子的簡(jiǎn)化等效電路

根據(jù)戴維南定理，如果A、B兩點(diǎn)開(kāi)路，A、B間的電壓為第i片絕緣子上的極間電壓Ui。當(dāng)A、B兩點(diǎn)短路時(shí)，A、B間的阻抗為其余n-1個(gè)極間電容Co串聯(lián)再與Ci并聯(lián)，等效電容為CD=Ci圖3可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單片絕緣子的簡(jiǎn)化等效電路。

單片絕緣子的簡(jiǎn)化等效電路

則RX=XD。當(dāng)RX=XD時(shí)，即當(dāng)絕緣子的絕緣電阻等于等值容抗值時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率P達(dá)到最大值。

當(dāng)絕緣子表面涂覆了一層半導(dǎo)體涂層后，相當(dāng)于并聯(lián)了1個(gè)涂層的等效電阻，另外，RC是介質(zhì)損耗的等效電阻。絕緣子的等效電阻RX為涂層等效電阻RT和介質(zhì)損耗等效電阻RC并聯(lián)。涂覆涂層后單片絕緣子的等效電路如圖4所示。

式中:介質(zhì)損耗等效電阻RC=1/ωCotanδ，正常的陶瓷絕緣子RC為2 000～4 000 MΩ。

涂覆涂層后單片絕緣子等效電路

當(dāng)潔凈的瓷絕緣子表面涂覆了具有半導(dǎo)體特性的防覆冰硅橡膠涂層后，介質(zhì)損耗等效電阻RC遠(yuǎn)大于RT，因此RX≈RT。這時(shí)絕緣子的發(fā)熱集中在盤(pán)面，提高了絕緣子表面的溫度。QT遠(yuǎn)大于QC。對(duì)于1個(gè)瓷體完整、表面潔凈的涂料絕緣子，QI和QS也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于QT。因此，總發(fā)熱量Q≈QT。涂層的等效電阻是由涂層的體積電阻率決定的，直接決定了QT的大小。因此在涂覆了防覆冰涂層后，涂層的體積電阻率是絕緣子總發(fā)熱量Q的主要影響因素。

3 結(jié)論

本文提出了半導(dǎo)體涂料的防冰機(jī)理，其具有憎水特性和半導(dǎo)電特性兩大特點(diǎn)，直接涂覆在瓷絕緣子表面即可形成防覆冰涂層。憎水特性可以減小冰層與材料表面的粘附力以及覆冰密度，并改變覆冰的形態(tài)，但不能延緩或防止覆冰。涂層的體積電阻率是絕緣子總體發(fā)熱量的主要影響因素。通過(guò)調(diào)整涂層的體積電阻率可使絕緣子獲得較大的發(fā)熱量。

半導(dǎo)體硅橡膠的防覆冰作用主要體現(xiàn)在電熱效應(yīng)方面。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)電填料在半導(dǎo)體硅橡膠內(nèi)的比例及分布，能夠?qū)Π雽?dǎo)體硅橡膠的體積電阻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得絕緣子表面在涂覆半導(dǎo)體硅橡膠并完全固化后，絕緣子表面的泄漏電流被控制在一定范圍內(nèi)變化，從而產(chǎn)生較好的電熱效應(yīng)。如果泄漏電流較小，會(huì)因其帶來(lái)的熱效應(yīng)較弱而不能起到相應(yīng)的防覆冰效果，但是在泄漏電流較大的情況下，會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的電能損耗。所以，需要通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體硅橡膠的體積電阻率改變流過(guò)絕緣子表面的泄漏電流大小，找到臨界泄漏電流值，使其既能滿足防覆冰方面的需要，還能將電能損耗控制在較低的水平。為了得到臨界泄漏電流值，將在進(jìn)一步工作中對(duì)絕緣子表面的電熱效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

［1］ 孫 羽，王秀麗.冰災(zāi)天氣下輸電網(wǎng)覆冰閃絡(luò)跳閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.東北電力技術(shù)，2013，34(9):1-8.

［2］ 張宏志.大面積導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)事故的調(diào)查與分析 ［J］.東北電力技術(shù)，2001，22(12):15-19.

［3］ 丁善昆，王洪福.涂RTV絕緣子的耐污閃能力試驗(yàn) ［J］.東北電力技術(shù)，1996，17(1):44-48.

［4］ 郎振國(guó)，劉 良，徐寶臣.通遼地區(qū)輸電線路發(fā)生覆冰舞動(dòng)原因及對(duì)策 ［J］.東北電力技術(shù)，2006，27(11):48-52.

［5］ 張紅先，陸佳政，彭繼文，等.2008～2009年湖南電網(wǎng)覆冰統(tǒng)計(jì)分析［J］.湖南電力，2009，29(5):32-35.

［6］ 李 強(qiáng).2008年雨雪冰凍災(zāi)害分析及對(duì)電網(wǎng)的啟示 ［J］.電力建設(shè)，2008，51(6):18-21.

［7］ 陳 松.瀘州地區(qū)輸電線路覆冰的防范與處理措施 ［J］.四川電力技術(shù)，2008，22(11):47-54.

［8］ 胡世征.劣化絕緣子的發(fā)熱機(jī)理及熱象特征 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1997，41(10):44-46.

Study on the Design for RTV Coatings of Semiconducting Anti Icing

FANG Zhen-yu，CHEN Fei，MENG Xu-dong
(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

At present，the application of insulator anti pollution flashover coating of transmission line is mainly the room temperature vulcanized(RTV)silicone rubber coating.Insulator coated with RTV paint not only enhances the hydrophobicity on the surface of the insulator，but also obtains the hydrophobicity of pollution layer of its surface.The coating loses hydrophobicity when it surfaces covered by ice.This paper puts forward the silicone rubber coating modified into semiconductor coating based on hydrophobicity with antiicing effect which has two characteristics of hydrophobic properties and semi conductive properties.Hydrophobic properties can reduce the adhesion between surface ice and materials，as well as density of ice coating，but not delay or prevent icing.

Anti icing;Semiconductor RTV;Hydrophobic anti icing

TM216

A

1004-7913(2015)11-0031-03

房震宇 (1981—)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事工程建設(shè)、電網(wǎng)運(yùn)行新材料研究。

2015-09-07)