绝缘子半导电防冰涂料的应用分析
绝缘子半导电防冰涂料的应用分析
许志海１，彭向阳１，姚森敬１，徐晓刚１，贾志东２ （１．广东电网公司电力科学研究院，广东广州５１００８０；２．清华大学深圳研究生院，广东深圳５１８０５５） 摘要：针对绝缘子防覆冰闪络方面缺乏有效的措施和方法，也鲜有现场应用实例的状况，为此介绍了国内外采用涂料方法防范绝缘子覆冰问题的研究现状，并从防冰涂料对覆冰形态、绝缘子泄漏电流等方面的影响，分析了清华大学提出的１种结合憎水性和表面发热特性的有机半导体防覆冰涂料（以下简称半导电防冰涂料）的防冰原理的可行性。在广东北部清远、韶关地区的关廊线、阳电线等几条覆冰问题比较严重的输电线路进行的半导电防冰涂料冬季现场试验结果表明，半导电防冰涂料的防冰原理可行，其具有良好的防绝缘子串覆冰的效果。 关键词：绝缘子覆冰；半导电防冰涂料；泄漏电流；憎水性；焦耳热 中图分类号：ＴＭ７１４．３文献标志码：Ｂ文章编号：１００７－２９０Ｘ（２０１１）１２－００１４－０４ 架空输电线路裸露在自然环境中，在寒冷气候地区，其安全运行很容易受到冰雪等气候的影响［１－５］。覆冰对输电线路的危害主要作用于输电导线和绝缘子，体现为机械和电气２种破坏方式。输电导线覆冰后其质量会成倍增加，迎风阻力也同时增大，在覆冰融化过程中，覆冰的不均匀脱落会诱发导线舞动。这些后果不仅使杆塔的机械负荷增加，而且还会损坏连接金具和绝缘子，引发断线、倒塔等事故。输电线路上的绝缘子经过长时间的运行，一般在表面都会积累一定的污秽，且在覆冰后由于冰棱的桥接作用，绝缘子的泄漏距离大大缩短。当绝缘子上的冰雪融化时，容易造成绝缘子沿面覆冰闪络。绝缘子的覆冰问题是外绝缘领域１个重要的研究方向。目前，针对导线的防覆冰措施较多［６］，电流融冰方案在电力系统部分地区的应用表明，其防覆冰效果较好。而在绝缘子防覆冰闪络方面，缺乏有效的措施和方法，因此，研究解决输电线路绝缘子覆冰闪络问题具有重大的现实意义。 １绝缘子防覆冰闪络措施分类 １．１机械除冰方法 由绝缘子覆冰闪络特性可见，冰凌桥接造成的局部电场畸变［７］以及融冰期沿绝缘子串表面出现的连续导电通道是降低绝缘子闪络电压的主要原因。在电网运行上，目前针对线路绝缘覆冰闪络问题主要从防止冰凌桥接角度考虑，主要措施有增加绝缘子串片数、使用大盘径绝缘子隔断冰凌、倾斜悬挂绝缘子串等。 机械除冰方法可分为直接破冰法（如人工敲击）和利用震动或扭转的除冰法。文献［８］使用激光方法进行绝缘子除冰试验，结果表明在一定功率激光的照射下其脱冰效果较为显著，但由于高功率密度激光的能量较为集中，在除冰时，若使用不当则会造成绝缘子脱釉、炸裂和合成绝缘子烧蚀等损伤问题。另一方面，由于覆冰线路一般处在多山地区，道路交通困难，难以携带设备抵达现场进行快速和大面积的除冰工作；同时机械除冰需要一定能量和专用配套设备，而覆冰事故时常伴随断电，导致其除冰的有效范围小。 １．２防覆冰材料方法 防冰、除冰材料方法主要有两类：一类是集中在减弱冰层和附着表面间的化学键以及机械附着力方面进行除冰；另一类是阻止过冷却水滴冻结的方法，主要是采用除雪剂等改变凝固点的材料，以及加热的方法。随着材料科学的发展，多种具有“憎冰性”的材料被开发出来，如特氟龙、聚二甲基硅氧烷等。热力除冰有较长的研究历史，如短路融冰等技术已有一定的应用，目前又出现了微波除冰、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预，减少了后期运行维护的难度和成本，故成为改善和解决绝缘子覆冰问题的研究热点。对比不同涂料表面覆冰情况的研究结果表明，涂料表面性质对结冰量和形态有较为明显的影响。憎水性防冰材料的防冰效果争议较大，部分学者认为材料表面的憎水性与防冰效果之间有显著的相关性，认为开发超憎水性材料是防冰材料的可行方向；而部分研究结果显示材料表面接触角与冰层附着力并无明显关系［９］。文献［１０－１１］提出冰层附着力和润湿滞后性间有一定的联系，在具有低润湿滞后性的憎水性表面，覆冰附着力和接触角成正比；在具有高润湿滞后性的憎水性表面覆冰附着力较大，甚至可能接近亲水性表面。 ２基于憎水性和表面发热的绝缘子防冰技术 ２．１利用半导体材料提高绝缘子冰闪电压 半导体釉绝缘子是１种具有特别釉层的瓷绝缘子，其表面采用具有半导体性质的金属氧化物釉层替代普通釉层。其优点：有效改善绝缘子金具附近的电场畸变，减少了电晕放电产生的电磁干扰［１２］；具有一定的发热效果，可防止绝缘子表面污秽受潮。５００ｋＶ支柱绝缘子温升测试［１３］结果表明，表面发热功率为７．７５ｍＷ／ｃｍ２时，绝缘子表面温度可升高５～６℃。在绝缘子染污受潮时，由于釉层具有一定导电性，在局部干区位置可以抑制干区电弧形成，故防污性能较好。文献［１４］通过试验得出半导体釉绝缘子表面电阻率为１０～３０ＭΩ时，具有较好的防污和抑制电晕性能。 覆冰闪络试验表明，半导体釉绝缘子相对于普通绝缘子具有提高覆冰闪络电压的效果［１５］。覆冰层相变所需热量计算结果表明，半导体釉绝缘子表面１ｍＡ左右电流的发热量不能满足融冰的要求，这说明其防冰效果主要来自釉层均匀电场的作用，防止了覆冰和融冰过程的绝缘子局部电场畸变引发电弧。但半导体釉绝缘子也存在不足，其釉层涂料电阻的负温度系数较大，当绝缘子表面温度升高时釉层电阻下降，泄漏电流进一步升高，构成了发热功率的正反馈过程，因此釉层涂料存在热稳定性问题［１６］。
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２．２憎水性和表面发热的协同作用 在防冰涂料开发方面，清华大学提出了１种结合憎水和发热性的半导电防冰涂料［１７］。半导电防冰涂料以硅橡胶材料为基材，通过添加导电填料，使得硅橡胶材料具备一定的介质损耗转化为热量，提升了涂料表面温度，并结合涂料表面憎水性来实现防覆冰。通过气候室试验验证，半导电防冰涂料具有良好的防绝缘子串覆冰的效果；应用于绝缘子串后，可在保证良好的防污闪性能的基础上，减少绝缘子串的覆冰量［１８］。 半导电防冰涂料的优点是较好地保持涂层的防污闪能力；同时结合涂料表面发热，促进了憎水性在低温环境下的效果，具有优良的憎水性及憎水迁移性；还具有均匀电场的效果。 ３半导电防冰涂料的应用效果 ３．１半导电防冰涂料对覆冰形态的影响 2010年底，广东电网公司电力科学研究院与清华大学合作开展了半导电防冰涂料的现场试验研究。在广东北部的清远和韶关地区（以下简称粤北）的关廊线、阳电线等几条覆冰问题比较严重的输电线路进行了半导电防冰涂料的涂刷工作。 ２０１０年１２月１３日至１６日，我国南方地区出现了第一轮大范围的较强雨雪天气，在冷空气的影响下，１５日降温达到最强，我国中央气象台发布了暴雪黄色预警。图１为１７日关廊２２０ｋＶ线路６６塔小号侧耐张双串覆冰情况的红外照片。并联的２串绝缘子分别涂刷室温硫化硅橡胶（ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖｕｌｃａｎｉｚｅｄｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒ，ＲＴＶ）涂料和半导电防冰涂料。从图１的覆冰情况可见，涂刷半导电防冰涂料的绝缘子串伞边缘冰凌数量明显少于ＲＴＶ涂料串。
图1关廊线覆冰观测同一杆塔的红外热像如图２所示。在红外照片上沿每串绝缘子划一直线，绝缘子串沿线由高压端至接地端的温度变化曲线如图３所示。对比可见，半导电防冰涂料绝缘子串的温度高于ＲＴＶ涂料串，表明半导电防冰涂料起到了一定的表面加热效果。
图2-关廊线覆冰红外热像图 图3关廊线绝缘子串由高压端至接地端的温度变化曲线３．２半导电防冰涂料对绝缘子泄漏电流的影响 在现场试验实施线路中的１１０ｋＶ阳电线一基塔上安装了泄漏电流和气象监控装置。２０１１年１月至３月现场采集数据如图４所示，Ｌ１、Ｌ３相均应用了半导电防冰涂料。
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图4泄漏电流监测数据.
图４中数据有几处不连续为设备通信故障所致。从监控数据来看，涂覆半导电防冰涂料后，多数情况下各相泄漏电流值均小于１ｍＡ，表明应用半导电防冰涂料后线路运行时的能量损耗很小。 泄漏电流的２个最高峰值为１１．２３ｍＡ和１７．６ｍＡ，分别出现在１月２０日８时４９分和１月２５日３时２８分，均为低温高湿环境，其气象监测数据如图５所示。Ｌ１相泄漏电流较高的几个时刻及其相关气象监测数据见表１。
图5气象监测数据 表1L1相泄漏电流较高时刻及其气象数据由表１可以看出，泄漏电流峰值均出现在凌晨以及上午，２０１１年１月的数据为低温高湿环境，会有少量覆冰和凝结水出现。 ３．３防冰效果讨论 从本次观测结果来看，应用半导电防冰涂料后绝缘子的覆冰量明显减小。现场试验可观测到绝缘子表面的温度升高，证明了应用半导电防冰涂料防冰的可行性，但未能达到完全阻止覆冰形成的目的。在现场观测中注意到，绝缘子串的配置方式会影响其防覆冰效果。试用了防冰涂料的线路绝缘子串、不同的绝缘子片数以及大小伞插花配置形式，其防覆冰效果均有较大的不同。由于涂刷施工过程中出现了绝缘子涂覆不均、局部有损伤以及涂刷厚度不满足要求等问题，也对半导电防冰涂料的防覆冰效果产生影响。 由于利用泄漏电流发热的防冰方法受绝缘子表面电阻的影响较大，绝缘子串片数以及防冰涂料的涂刷厚度会显著影响绝缘子串表面电阻，进而影响泄漏电流值。在同样的涂刷厚度条件下，较大盘径、片数较多的绝缘子串涂刷了半导电防冰涂料后，其表面发热功率会相对较低。因此，在应用研究上应针对现厨缘子串实际配置来进行防冰涂料的优化设计，并根据防冰所需的发热功率设计防冰涂料的电阻率和涂刷厚度。由于现场施工工艺难以保障涂刷后绝缘子的表面电阻达到防冰要求，应考虑在现场施工时采用整串更换的方式，将事先涂刷好防冰涂料且测量各项参数达到要求的绝缘子串替换上塔。 ４结论与展望 基于表面发热技术的绝缘子防冰材料，挂网运行时涂层中会有持续的泄漏电流通过。这种持续的能耗会影响系统运行的经济性，而且涂料表面温度在环境温度较高时会有更大的升高，影响涂层的寿命。为解决这些问题，应根据气候环境对涂层防冰电流进行开断，提高涂层的应用性能。具有正电阻温度特性的材料［１９］和配置绝缘子表面电阻分布［２０］是解决这一问题的１个研究方向。 相对于普通ＲＴＶ涂料，半导电防冰涂料的防冰涂层具有一定导电性，为保证涂覆后整串绝缘子电压分布均匀，电阻需满足防冰性能和绝缘安全阈值的要求，在涂刷绝缘子过程中对涂层厚度和均匀性的要求更高，应在绝缘子挂网前预涂刷防冰涂料，或采用将防冰涂层技术与复合绝缘子相结合，制成防冰绝缘子，可有效解决现场涂刷防冰涂料施工过程中的工艺差异引起的性能不稳定现象。
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