楊 濤,顧志斌,孟 佳,李 玲,金正祥
(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213100)
片狀模塑料(Sheet Molding Compound,SMC)以其物理、化學(xué)、機(jī)械等方面的優(yōu)良性能,在電氣工業(yè)及通信工程中得到廣泛應(yīng)用。但其在高濕環(huán)境及電場(chǎng)作用下易碳化失效的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定[1-11]。本文通過(guò)改善SMC 絕緣材料在高濕環(huán)境下的耐污閃能力,并對(duì)涂層的機(jī)械性能和電氣性能進(jìn)行分析,為解決SMC絕緣材料在高濕環(huán)境及電場(chǎng)作用下易碳化失效的問(wèn)題提供一種方法。
污閃是指電氣設(shè)備絕緣表面附著的污穢物在潮濕條件下,其可溶物質(zhì)逐漸溶于水,在絕緣表面形成一層導(dǎo)電膜,使電氣設(shè)備絕緣表面的絕緣水平大大降低,在電力場(chǎng)作用下出現(xiàn)的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。根據(jù)污閃原理,其形成條件有兩個(gè):污穢或設(shè)備表面有連續(xù)的水帶;持續(xù)的電場(chǎng)。在設(shè)備運(yùn)行中,電場(chǎng)一直存在,所以要避免污閃的發(fā)生,只有讓設(shè)備表面不存在連續(xù)的水帶。研究發(fā)現(xiàn),目前市場(chǎng)上室溫硫化硅膠(Room Temperature Vulcanized Silicone Rubber, RTV)涂料及超疏水涂料均能改變材料表面憎水性,從而防止設(shè)備在高濕地區(qū)表面形成連續(xù)的水帶?,F(xiàn)對(duì)RTV及超疏水涂料采用憎水性、附著力及電氣試驗(yàn)等測(cè)試方法,探究不同涂層對(duì)SMC絕緣材料電氣性能的影響。
SMC絕緣梁樣品:尺寸及形狀如圖1所示,顏色為綠色。
圖1 SMC絕緣梁樣品Fig.1 SMC insulating sample
RTV 防污閃涂層:一種單組分室溫硫化液體有機(jī)硅涂料。
超疏水涂層:由納米單一有效晶型的特制材料復(fù)合而成,顏色為半透明。
SMC 絕緣梁屬異形結(jié)構(gòu)件,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,考慮到樣品涂覆的全面性及均勻性,采用浸涂工藝或噴涂工藝進(jìn)行涂覆。參照文獻(xiàn)[12]方法,樣品不同涂層厚度均定為(0.4±0.1)mm;涂覆采用噴涂工藝。
在高濕環(huán)境下,未做表面處理的SMC絕緣梁表面易形成流掛的水帶或附上一層水汽形成的水膜。此時(shí),在電場(chǎng)環(huán)境下,SMC絕緣梁易發(fā)生污閃、碳化等問(wèn)題,最終導(dǎo)致電氣絕緣不滿足要求。因此,使SMC絕緣梁表面具有憎水性是控制污閃形成的首要因素。
2.2.1 試驗(yàn)方法
考慮到樣品也會(huì)在高濕環(huán)境使用,故需測(cè)量樣品在高低溫循環(huán)后其表面涂層的憎水性。參照GB/T 2423.33—2012《環(huán)境試驗(yàn)第2 部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)N:溫度變化》[13],確定高低溫循環(huán)試驗(yàn)最高溫度55 ℃,最低溫度15 ℃,相對(duì)濕度80%,循環(huán)時(shí)間分別為24 h、48 h、72 h 及96 h。根據(jù)DL/T 627—2018《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料》[14],本文采用噴水分級(jí)法測(cè)量樣品的憎水性。
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果
噴涂RTV涂層樣品用A系列表示,噴涂超疏水涂層樣品記為B系列。高低溫循環(huán)試驗(yàn)之前,A和B系列樣品表面涂層的憎水性等級(jí)均為HC1級(jí),即樣品表面涂層的憎水性很強(qiáng)。在分別經(jīng)過(guò)24 h、48 h、72 h 及96 h 高低溫循環(huán)試驗(yàn)后,A 和B 系列樣品表面涂層的憎水性等級(jí)依舊為HC1級(jí),即高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后,兩種樣品表面涂層的憎水性均無(wú)變化且滿足要求。說(shuō)明這兩種涂層均可控制SMC 絕緣梁表面形成水帶,從而提高其耐污閃能力。
設(shè)備在安裝或運(yùn)輸過(guò)程中,SMC絕緣梁易發(fā)生磕碰、相對(duì)位移等問(wèn)題,故對(duì)其表面涂層的機(jī)械強(qiáng)度及附著力有一定的要求。因此對(duì)SMC 絕緣梁進(jìn)行附著力試驗(yàn)。
2.3.1 試驗(yàn)方法
SMC 絕緣梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,不適用剪切強(qiáng)度試驗(yàn)法,故采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》[15]中推薦的劃格法進(jìn)行測(cè)試。避免高濕環(huán)境影響涂層附著力。測(cè)量樣品在高低溫循環(huán)試驗(yàn)后其表面涂層的附著力。
2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果
高低溫循環(huán)試驗(yàn)后的劃格試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,高濕循環(huán)老化試驗(yàn)之前,A系列樣品表面涂層的附著力等級(jí)為0 級(jí),B 系列樣品表面涂層的附著力等級(jí)為1級(jí),即樣品表面涂層的附著力很強(qiáng),均滿足要求。在分別經(jīng)過(guò)24 h、48 h、72 h及96 h高低溫老化試驗(yàn)之后,兩種樣品表面涂層的附著力等級(jí)無(wú)變化。
在高濕氣候環(huán)境下,未經(jīng)過(guò)表面處理的SMC絕緣梁其表面易形成水膜,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,SMC絕緣梁表面積污,污穢與水膜相結(jié)合,絕緣梁耐污閃的能力直線下降。但SMC絕緣梁經(jīng)表面處理后,依靠涂層的憎水性及憎水性遷移特性,樣品表面或污穢表面難以形成水膜,可有效提高耐污閃能力。
2.4.1 試驗(yàn)方法
在SMC 絕緣梁樣品上進(jìn)行涂污。涂污方法參照GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》[16]和DL/T 810—2002《±500 kV 直流棒形懸式復(fù)合絕緣子技術(shù)條件》[17]。
SMC 絕緣梁污穢試驗(yàn)需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用工況,根據(jù)電極安裝形式可分為兩種試驗(yàn)。電極安裝形式有兩種,形式一:SMC 絕緣梁水平放置在絕緣墊上,試驗(yàn)時(shí)電極夾在絕緣梁上下兩側(cè);形式二:SMC絕緣梁豎直放置在絕緣墊上,試驗(yàn)時(shí)電極放置在絕緣梁上下兩端,如圖2所示。
圖2 電極安裝形式Fig.2 Electrode installation form
2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果
在接近實(shí)際工況的環(huán)境下進(jìn)行污穢試驗(yàn)測(cè)試,即環(huán)境濕度在75%左右,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1—表4。由表1、表2 可知,未噴RTV 的絕緣梁涂污后,其局部放電值(以下簡(jiǎn)稱局放)超過(guò)量程且電暈聲很大;噴RTV 的絕緣梁涂污后,形式一局放沒(méi)有變化,形式二局放有一定增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn),噴RTV的絕緣梁的耐污閃能力有了較大的提升,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
表1 采用電極安裝形式一的噴RTV后污穢試驗(yàn)1)Tab.1 Contamination test after spraying RTV with electrode installation form 1pC
表2 采用電極安裝形式二的噴RTV后污穢試驗(yàn)1)Tab.2 Contamination test after spraying RTV with electrode installation form 2pC
由表3、表4可知,未噴超疏水的絕緣梁涂污后,其局放超過(guò)量程,且電暈聲很大;噴超疏水的絕緣梁涂污后,其局放超過(guò)量程,且電暈聲很大。對(duì)比發(fā)現(xiàn),噴超疏水的絕緣梁局放均不滿足要求,故超疏水涂層在實(shí)際工況下,不能有效提高絕緣梁的耐污閃能力,不滿足實(shí)際需求。
表3 采用電極安裝形式一的噴超疏水后污穢試驗(yàn)1)Tab.3 Pollution test after superhydrophobic spraying with electrode installation form 1pC
表4 采用電極安裝形式二的噴超疏水后污穢試驗(yàn)1)Tab.4 Pollution test after superhydrophobic spraying with electrode installation form 2pC
從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),同樣具備憎水性及憎水遷移性涂料,在貼近實(shí)際工況環(huán)境下進(jìn)行污穢試驗(yàn),超疏水涂料的局放較大,RTV 涂料無(wú)局放或局放較小,其主要原因是超疏水涂料是由納米單一有效晶型的特制材料復(fù)合而成,而RTV涂料中加入了用于提高涂料的強(qiáng)度及耐電弧能力的填料。
本文通過(guò)改變材料表面憎水性的方法將涂層附著于SMC 絕緣梁表面,并模擬實(shí)際工況,對(duì)樣品進(jìn)行相關(guān)的機(jī)械及電氣試驗(yàn),得出以下結(jié)論。
(1)RTV 和超疏水兩種涂層均具有較強(qiáng)的憎水性,憎水性等級(jí)為HC1級(jí);高低溫循環(huán)試驗(yàn)后,其憎水性等級(jí)無(wú)變化,兩種涂層均能有效阻止絕緣梁表面在高濕環(huán)境下形成水帶。
(2)RTV 和超疏水兩種涂層具有較強(qiáng)的附著力,附著力等級(jí)≤1 級(jí);高低溫循環(huán)試驗(yàn)后,其附著力等級(jí)無(wú)變化,滿足絕緣梁轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝需求。
(3)樣品表面涂層需具有較強(qiáng)的憎水性遷移特性,涂污后,其污穢表面也應(yīng)具有一定的憎水性。這樣即使在污穢較大的高濕地區(qū),涂層也能有效阻止絕緣梁表面在高濕環(huán)境下形成水帶,提高其耐污閃能力。超疏水涂層不滿足該種工況,RTV涂層滿足該種工況。
由以上結(jié)論可知,RTV 涂層與SMC 絕緣梁結(jié)合,其電氣性能及機(jī)械性能均滿足實(shí)際需求,且能有效果提高其耐污閃能力,故可以在工程上進(jìn)行應(yīng)用??紤]到RTV 涂層本身在戶外高濕環(huán)境下的運(yùn)行壽命不是很理想,故RTV與SMC絕緣梁結(jié)構(gòu)件結(jié)合后,雖然是在室內(nèi)使用,仍需長(zhǎng)期跟蹤其實(shí)際運(yùn)行狀況,研究其壽命老化的評(píng)估方法。