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(guó)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(huì)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(rùn)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(gè)階段［5-7］，減少絕緣表面污穢沉積、減輕污穢濕潤(rùn)度可抑制積污和受潮兩個(gè)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(dòng)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(shí)，水滴可以輕易滾動(dòng)并帶走表面的灰塵，具有良好的自清潔［12-14］。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)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(shù)脂納米復(fù)合超疏水涂層，并研究了電暈放電對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)下的人工積污試驗(yàn)和超聲水霧潤(rùn)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(guò)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(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)，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(shí)，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(dòng)高壓電源，使試樣處于場(chǎng)強(qiáng)為0.7 kV/cm的電場(chǎng)中；

5）啟動(dòng)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(shí)，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(cè)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(cè)量?jī)x測(cè)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(duì)三種試樣進(jìn)行潤(rùn)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(gè)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(kāi)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(kāi)高壓電源，在兩個(gè)圓電極間施加7 kV直流電壓，即在直流電場(chǎng)下潤(rùn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(duì)比

三種試樣在直流電場(chǎng)下積污量對(duì)比如圖5 所示，三種試樣積污后的鹽密、灰密對(duì)比如圖6 所示。從積污量上來(lái)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(lái)看，三種試樣在直流電場(chǎng)下，鹽密與灰密之比分別為1∶3.78、1∶3.17、1∶3.31，可見(jiàn)三種涂層對(duì)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(chǎng)下積污量對(duì)比

圖6 三種試樣積污后的鹽密、灰密對(duì)比

2.2 超聲水霧潤(rùn)濕后的閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

直流電場(chǎng)下三種試樣閃絡(luò)電壓對(duì)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(guò)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(guò)96 h 遷移后該值仍下降了15.1%。

圖7 三種試樣在直流電場(chǎng)下閃絡(luò)電壓對(duì)比

潔凈狀態(tài)下，玻璃接觸角最小，潤(rùn)濕后形成大片水膜，加壓過(guò)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(guò)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(guò)程如圖8 所示，相鄰閃絡(luò)過(guò)程時(shí)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(gè)電極之間的水膜更加連續(xù)，加壓過(guò)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(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)數(shù)秒。RTV涂層積污后憎水性降低，加壓過(guò)程中水滴在電場(chǎng)力作用下變成長(zhǎng)條狀，降低兩個(gè)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(guò)程約2 s，但其憎水遷移性有限，污穢潤(rùn)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(méi)有變化，仍然具有超疏水性，加壓過(guò)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(chǎng)力作用下滾動(dòng)，部分水滴滾落時(shí)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(chǎng)下閃絡(luò)過(guò)程

通過(guò)試驗(yàn)可知，涂層的閃絡(luò)電壓與憎水性、污穢量、潤(rùn)濕狀態(tài)有關(guān)，玻璃接觸角最小，潤(rùn)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(chǎng)力作用下滾落時(shí)帶走一部分污穢，因此具有最高的閃絡(luò)電壓。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(guò)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在直流電場(chǎng)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(duì)超疏水絕緣涂層在不同污穢成分下的防污閃性能展開(kāi)進(jìn)一步的研究。