超疏水絕緣涂層在直流電場下的積污特性和閃絡(luò)特性研究

田 雙，宋光輝，李文靜，王曉明，王 蝶

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

在持續(xù)大霧、小雨等潮濕天氣下，污穢的存在會使絕緣子表面絕緣強(qiáng)度降低，甚至形成導(dǎo)電通路，進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò)事故［1-4］。絕緣子表面污閃主要分為表面污穢沉積、污穢潤濕、干燥帶的形成及局部電弧的產(chǎn)生、放電嚴(yán)重完全閃絡(luò)4個階段［5-7］，減少絕緣表面污穢沉積、減輕污穢濕潤度可抑制積污和受潮兩個階段，從而有效預(yù)防污閃［8-11］。

受“荷葉效應(yīng)”啟發(fā)，學(xué)者們研究并制備出表面黏附力很小的超疏水涂層，即接觸角大于150°，滾動角小于10°的表面，具有微納二元復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，當(dāng)其表面張力小于水的表面張力時，水滴可以輕易滾動并帶走表面的灰塵，具有良好的自清潔［12-14］。近年來，學(xué)者對超疏水的制備及性能做了很多研究［15-17］，王曉明等人制備了氟硅樹脂納米復(fù)合超疏水涂層，并研究了電暈放電對其疏水性的影響，發(fā)現(xiàn)填料顆粒可以提高超疏水表面的耐電暈性能［18］。左志平等人制備了微納米交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超疏水涂層，雖然不能避免覆冰，但能夠有效延緩覆冰過程，提高交流閃絡(luò)電壓［19］。魏遠(yuǎn)等人研究了超疏水涂層在人工霧霾環(huán)境下的積污水平與泄漏電流變化規(guī)律，認(rèn)為超疏水涂層可以提高輸變電設(shè)備的絕緣性能［20］。學(xué)者們對超疏水涂層的制備方法、制備工藝、防覆冰性能研究較多，但對超疏水涂層的絕緣性能研究較少，研究超疏水絕緣涂層在直流電場下的積污特性和閃絡(luò)特性，具有重要意義。

設(shè)計(jì)超疏水絕緣涂層在直流電場下的人工積污試驗(yàn)和超聲水霧潤濕后的沿面閃絡(luò)試驗(yàn)，研究了超疏水絕緣涂層的積污特性和閃絡(luò)特性，為超疏水絕緣涂層在直流輸電線路等電網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

通過采用成膜物與粒子共混的方式制備超疏水涂料，采用自流平的方式澆在8 cm×10 cm玻璃片上，放入80 ℃烘箱干燥48 h，再放入120 ℃烘箱烘干24 h 后，得到超疏水絕緣涂層。為了對比超疏水絕緣涂層與其他涂層在積污特性和閃絡(luò)特性方面的差異，同時制備了RTV涂層和未涂覆涂層的玻璃樣片，所有試樣尺寸均為8 cm×10 cm。

超疏水絕緣涂層的接觸角在152°～156°之間，平均值為153.47°，滾動角在3°～5°之間，平均值為4°；RTV 涂層的接觸角在110°～116°之間，平均值為113.41°；玻璃試樣的接觸角在35°～50°之間，平均值為40.45°；玻璃與RTV 涂層的滾動角均大于90°，三種試樣表面的接觸角如圖1 所示，超疏水絕緣涂層的滾動序列圖如圖2所示。

圖1 三種試樣表面接觸角

圖2 超疏水絕緣涂層滾動序列圖

1.2 人工積污

在實(shí)驗(yàn)室搭建人工積污試驗(yàn)平臺，三種試樣分別進(jìn)行人工積污試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的污穢為硅藻土和氯化鈉的混合物，質(zhì)量比為5∶1。試驗(yàn)所用電源為100 kV/20 kVA 變壓器，負(fù)極性輸出。試驗(yàn)時，利用空壓機(jī)形成的負(fù)壓將污穢攜至積污箱。人工積污試樣放置如圖3所示。試驗(yàn)步驟為：

圖3 人工積污試樣放置示意

1）用球磨法將氯化鈉、粒徑2 000目的硅藻土按質(zhì)量比為1：5混合均勻，并在積污前放入120°C 烘箱中烘干30 min，以除去其從空氣中吸收的水分；

2）稱量試樣質(zhì)量；

3）將試樣放置于人工積污箱中，涂層與水平方向夾角為88°；

4）啟動高壓電源，使試樣處于場強(qiáng)為0.7 kV/cm的電場中；

5）啟動空壓機(jī)輸出0.45 MPa空氣，形成負(fù)壓，將污穢物吸至人工積污箱，呈霧狀吹出，自然沉降，每次積污時，污穢物質(zhì)量為12 g，每種涂層均積污5次；

6）關(guān)閉高壓電源后取出試樣，將試樣邊緣及背面污穢擦掉，稱量試樣質(zhì)量，試樣積污前后質(zhì)量差即為積污量；

7）將積污5 次后的三種涂層表面的污穢物用小毛刷掃下收集，進(jìn)行鹽密、灰密測量，分別將污穢物溶解于300 mL 電導(dǎo)率為13.13 μS/cm 的去離子水中，用直讀式激光鹽密灰密綜合測量儀測試灰密、鹽密。

1.3 閃絡(luò)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建人工超聲霧試驗(yàn)箱對三種試樣進(jìn)行潤濕。試驗(yàn)所用的水為去離子水，電導(dǎo)率為13.13 μS/cm，試驗(yàn)電源為100 kV/20 kVA 變壓器，電極采用圓柱電極，圓柱電極的直徑R為2.4 cm，兩個圓柱電極之間最短距離d為4.5 cm，試驗(yàn)中所有試樣均采用水平放置方式。電極在試樣表面的放置如圖4所示。試驗(yàn)步驟為：

圖4 電極在試樣表面的放置示意

1）將試樣水平放置于人工超聲霧試驗(yàn)箱；

2）開啟超聲霧發(fā)生器，以14.47 mL/（m3·min）的霧化量持續(xù)供霧，打開高壓電源，在兩個圓電極間施加7 kV直流電壓，即在直流電場下潤濕，持續(xù)10 min；

3）依次關(guān)閉高壓電源、超聲霧發(fā)生器，打開霧室，用相機(jī)記錄試樣表面狀態(tài)；

4）以1 kV/s 的速度勻速升壓，直至試樣表面發(fā)生閃絡(luò)，記錄閃絡(luò)電壓，即加壓過程中出現(xiàn)的最高電壓值，所有試樣只閃絡(luò)一次，用相機(jī)記錄試樣表面的閃絡(luò)過程，每種試樣重復(fù)3次試驗(yàn)后取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 人工積污試驗(yàn)結(jié)果對比

三種試樣在直流電場下積污量對比如圖5 所示，三種試樣積污后的鹽密、灰密對比如圖6 所示。從積污量上來看，玻璃涂層、RTV 涂層、超疏水絕緣涂層的積污量分別為23.11 mg、30.78 mg、18.52 mg，超疏水絕緣涂層的積污量最小，玻璃和RTV 涂層的積污量分別是超疏水絕緣涂層的1.25 倍和1.66 倍。從鹽密、灰密值來看，三種試樣在直流電場下，鹽密與灰密之比分別為1∶3.78、1∶3.17、1∶3.31，可見三種涂層對灰的吸附量要高于鹽分，但鹽密灰密比值幾乎相當(dāng)，RTV 涂層的鹽密、灰密值最高，超疏水絕緣涂層的鹽密、灰密值最低，明顯低于玻璃和RTV 涂層，表現(xiàn)出高自潔性。

圖5 三種試樣在直流電場下積污量對比

圖6 三種試樣積污后的鹽密、灰密對比

2.2 超聲水霧潤濕后的閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果對比

直流電場下三種試樣閃絡(luò)電壓對比如圖7 所示。由圖7 可知，玻璃涂層、RTV 涂層、超疏水絕緣涂層積污前閃絡(luò)電壓分別為17.30 kV、29.40 kV、30.70 kV，積污后的閃絡(luò)電壓分別為7.20 kV、20.65 kV、29.15 kV，其中，RTV 涂層有較強(qiáng)的遷移性，遷移96 h后閃絡(luò)電壓為24.95 kV。潔凈條件下的超疏水絕緣涂層和RTV 涂層的直流閃絡(luò)電壓相當(dāng)，均約為玻璃的1.7 倍；與潔凈狀態(tài)相比，經(jīng)過積污的超疏水絕緣涂層試品的閃絡(luò)電壓幾乎不變，而RTV 涂層的閃絡(luò)電壓值卻下降了29.8%，即使經(jīng)過96 h 遷移后該值仍下降了15.1%。

圖7 三種試樣在直流電場下閃絡(luò)電壓對比

潔凈狀態(tài)下，玻璃接觸角最小，潤濕后形成大片水膜，加壓過程中有明顯的水蒸氣，閃絡(luò)后形成多條干帶、濕帶。RTV 和超疏水絕緣涂層具有良好憎水性，在升壓過程中，均發(fā)生了小水珠團(tuán)聚成大水珠的現(xiàn)象，表現(xiàn)出很高的閃絡(luò)電壓；人工積污后，三種試樣閃絡(luò)過程如圖8 所示，相鄰閃絡(luò)過程時間間隔為1 s。玻璃表面由于污穢的存在，接觸角進(jìn)一步減小，兩個電極之間的水膜更加連續(xù)，加壓過程中涂層表面有大量的水蒸氣，閃絡(luò)電壓也隨之下降，僅7.20 kV，起弧到閃絡(luò)時間較長，持續(xù)數(shù)秒。RTV涂層積污后憎水性降低，加壓過程中水滴在電場力作用下變成長條狀，降低兩個電極之間的絕緣強(qiáng)度，閃絡(luò)電壓降低，閃絡(luò)后留下一條明顯的水帶，由于憎水遷移性的作用，96 h 后，RTV 表面憎水性有一定恢復(fù)，閃絡(luò)電壓隨之提高，閃絡(luò)過程約2 s，但其憎水遷移性有限，污穢潤濕后，使絕緣表面的絕緣強(qiáng)度降低，閃絡(luò)電壓低于潔凈狀態(tài)下閃絡(luò)電壓。超疏水涂層積污后表面憎水性沒有變化，仍然具有超疏水性，加壓過程中，由于水滴與污穢顆粒的黏附力大于與超疏水表面的黏附力［21］，水滴團(tuán)聚成大水滴，并在電場力作用下滾動，部分水滴滾落時帶走了涂層表面積聚的污穢物，增加了涂層的絕緣強(qiáng)度，從起弧到閃絡(luò)1 s內(nèi)完成，表現(xiàn)出較高的閃絡(luò)電壓。

圖8 三種試樣在直流電場下閃絡(luò)過程

通過試驗(yàn)可知，涂層的閃絡(luò)電壓與憎水性、污穢量、潤濕狀態(tài)有關(guān)，玻璃接觸角最小，潤濕后形成片狀水膜，閃絡(luò)電壓最低，人工積污后，接觸角進(jìn)一步減小，閃絡(luò)電壓也隨之降低；RTV 在潔凈狀態(tài)下，有良好的憎水性，因而有較高的閃絡(luò)電壓［22-24］，人工積污后接觸角減小，防污閃能力也隨之下降［25-26］，遷移96 h 后，閃絡(luò)電壓隨接觸角的恢復(fù)而增大，但仍然比潔凈狀態(tài)低；超疏水涂層在人工積污前后始終保持良好的超疏水性，積污量也最少，且水滴在電場力作用下滾落時帶走一部分污穢，因此具有最高的閃絡(luò)電壓。

3 結(jié)語

針對超疏水絕緣涂層的積污特性和閃絡(luò)特性進(jìn)行研究，通過對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在直流電場下，超疏水絕緣涂層的積污量明顯低于RTV 涂層和玻璃試樣；積污后，RTV 與玻璃試樣接觸角減小，但超疏水涂層仍然保持超疏水性，其閃絡(luò)電壓明顯高于RTV 涂層和玻璃。試驗(yàn)結(jié)果為超疏水絕緣涂層在電力設(shè)備的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。下一步將針對超疏水絕緣涂層在不同污穢成分下的防污閃性能展開進(jìn)一步的研究。