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•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。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。涂料•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。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。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１０～３０Ｍ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•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。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。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。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。