一種新型表面處理劑提高電氣設(shè)備外絕緣防污閃性能的應(yīng)用技術(shù)研究

李曉剛，楊翠茹，劉上金，吳 葵，鄒新波，陳忠東

（1.廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510080； 2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

一種新型表面處理劑提高電氣設(shè)備外絕緣防污閃性能的應(yīng)用技術(shù)研究

李曉剛1，楊翠茹2，劉上金1，吳 葵1，鄒新波1，陳忠東2

（1.廣州粵能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510080； 2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

本文介紹一種新型的表面處理劑，主要針對(duì)運(yùn)行多年的電氣設(shè)備外絕緣進(jìn)行表面處理，提高其表面性能，以提高其防污閃能力。該表面處理劑能夠在清潔表面污穢的同時(shí)，提高外絕緣表面的防污閃性能。對(duì)于瓷或玻璃絕緣子，本研究通過(guò)表面處理以提高其憎水性和自清潔能力。對(duì)于硅橡膠材料制品（復(fù)合絕緣子、防污閃涂層、硅橡膠套管等），特別是憎水性減弱或喪失的硅橡膠制品，本研究通過(guò)表面處理以提高其憎水性和自清潔能力，從而提高其防污閃能力。

表面處理；憎水性；自清潔；防污閃

引言

運(yùn)行中的電氣設(shè)備長(zhǎng)期裸露在污穢的大氣中，其外絕緣表面（瓷、玻璃、復(fù)合絕緣子、防污閃涂層、硅橡膠套管等）將逐漸積聚污穢，在潮濕氣候條件下，污穢被濕潤(rùn)，表面導(dǎo)電性增強(qiáng)，泄露電流增大，使絕緣閃絡(luò)電壓降低，引起絕緣表面閃絡(luò)，故積污、受潮是影響電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行的主要隱患[1-6]。因此從限制積污、受潮角度來(lái)進(jìn)行限制以提高其防污閃能力。對(duì)于瓷或玻璃絕緣子，本研究通過(guò)表面處理以提高其憎水性和自清潔能力。對(duì)于硅橡膠材料制品（復(fù)合絕緣子、防污閃涂層、硅橡膠套管等），特別是憎水性減弱或喪失的硅橡膠制品，本研究通過(guò)表面處理以提高其憎水性和自清潔能力，進(jìn)而提高其防污閃能力。

本文將介紹一種新型的表面處理劑，該表面處理劑為低表面能、具有自清潔功能和良好憎水性涂層的多功能新型材料，以含氟基團(tuán)〔-(CF2)CF3〕和含羥基硅樹(shù)脂作為成膜物質(zhì)，利用氟材料表面能低、摩擦系數(shù)小、耐沾污性、耐化學(xué)品性、耐腐蝕性和有機(jī)硅材料良好的耐老化性能、絕緣性能、憎水性等性能。運(yùn)用核殼工藝，采用無(wú)機(jī)納米材料來(lái)雜化高分子材料，并輔與一定的助劑和有機(jī)溶劑的混合物制備而成。該表面處理劑有良好的去污清潔功效，可在處理過(guò)的物體表面形成一層納米級(jí)的涂層，而產(chǎn)生“荷葉效應(yīng)”。

1 試驗(yàn)

1.1 憎水性和憎水遷移性

為了觀察本文介紹的新型的表面處理劑（RS）的憎水性和憎水遷移性能，特設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：

試片準(zhǔn)備：①HTV硅橡膠片（東莞市高能電氣股份有限公司提供）（記為HTV），②噴涂RTV涂料（河北硅谷化工有限公司）的玻璃片（記為RTV），③噴涂RS的玻璃片（記為RS），④HTV硅橡膠片上涂敷RS（記為HTV+RS），⑤噴涂RTV涂料的玻璃片上涂敷RS（記為RTV+RS），⑥老化后的HTV硅橡膠片上涂敷RS（記為HTV（Aging）+RS），⑦老化后的RTV硅橡膠片上涂敷RS（記為RTV（Aging）+RS），涂污：按照NSDD為0.5mg/cm2硅藻土，ESDD為0.1 mg/cm2NaCl進(jìn)行定量涂污。

圖1為清潔試片表面憎水角大小，從測(cè)試結(jié)果可知，RS憎水性與RTV相當(dāng)，稍強(qiáng)于HTV；RS涂刷在清潔HTV試片后可以明顯提升其憎水性，但是對(duì)RTV影響不明顯，基本與原狀相當(dāng)；HTV+RS、RTV+RS試片表面憎水性與只涂敷RS的表面憎水性相當(dāng)，說(shuō)明RS覆蓋的硅橡膠表面，其表面極性以及表面形態(tài)由RS決定，硅橡膠對(duì)表面性態(tài)影響較小。這是因?yàn)镽S材料低表面能以及荷葉表面形態(tài)是造成憎水性改善的主要因素。

圖1 清潔試片表面憎水角

圖2為不同材料表面染污后表面憎水角變化情況，從圖中可知：

1）憎水遷移性能：RTV ＞ HTV ＞ RTV+RS ＞ HTV+RS＞ RS；

2）對(duì)比清潔試片表面憎水性同遷移之后憎水性發(fā)現(xiàn)，RTV、HTV發(fā)生明顯憎水遷移，其憎水性由于硅橡膠內(nèi)部非極性低分子量硅橡膠鏈（LMW）覆蓋在凹凸不平的污穢表面造成的荷葉效應(yīng)使得污穢表面憎水性明顯增強(qiáng)。RTV憎水遷移性能強(qiáng)于HTV是因?yàn)镠TV內(nèi)部偶聯(lián)程度相對(duì)較高，對(duì)LMW的遷移有一定的阻礙；

3）覆蓋有RS的硅橡膠表面也發(fā)生了憎水遷移，但是遷移程度減弱，可以認(rèn)為RS阻礙了硅橡膠對(duì)污穢的憎水遷移。同時(shí)與清潔試片表面對(duì)比發(fā)現(xiàn)憎水性基本相當(dāng)，適當(dāng)減弱。這一現(xiàn)象機(jī)理上可以從系統(tǒng)能量最小化以及凝聚與吸附理論進(jìn)行解釋：遷移減弱一方面可以認(rèn)為是由于RS具有相對(duì)較低表面能且與硅橡膠直接接觸，LMW向RS遷移強(qiáng)度較之污穢減弱。同時(shí)從物質(zhì)結(jié)構(gòu)層面來(lái)說(shuō)，RS為氟硅材料，內(nèi)部構(gòu)成較為致密，活性較低，本身不含有活性小分子物質(zhì)，因此對(duì)LMW的遷移造成一定的阻礙作用；

圖2 各材料表面染污后表面憎水角變化情況

4）RS沒(méi)有發(fā)生憎水遷移，即污穢并未獲得憎水性，并且積污試片表面憎水性相較清潔狀態(tài)減弱，究其原因在于試片表面被親水性的污穢所覆蓋，其憎水性的恢復(fù)依賴于污穢的干燥以及RS表面存在的集灰效應(yīng)。

1.2 滾動(dòng)角測(cè)量及自清潔效果分析

通過(guò)不同絕緣表面污穢的滾動(dòng)角測(cè)量，以分析不同絕緣表面與污穢結(jié)合力的大小，進(jìn)而比較不同絕緣表面的自清潔效果，并對(duì)自清潔的機(jī)理進(jìn)行解釋。

1.2.1 滾動(dòng)角測(cè)量

本試驗(yàn)中的滾動(dòng)角定義為：憎水性材料表面水珠開(kāi)始發(fā)生滾動(dòng)所對(duì)應(yīng)的材料傾斜角，如圖3所示。

本試驗(yàn)中測(cè)量了不同絕緣表面在清潔狀態(tài)、染污遷移前以及經(jīng)過(guò)5天憎水遷移之后的滾動(dòng)角，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

由此可以得出：

1）潔凈狀態(tài)下除RTV（5.8°）以外其他試片滾動(dòng)角相當(dāng)（23°左右），說(shuō)明被RS覆蓋的試片表面其憎水性由RS決定，基底材料幾乎不造成影響。另外RTV明顯極小的滾動(dòng)角說(shuō)明其憎水性更強(qiáng)，水珠更易脫落。

圖3 滾動(dòng)角定義

圖4 滾動(dòng)角測(cè)量結(jié)果

2）染污后遷移前滾動(dòng)角整體增大，說(shuō)明親水性污穢的存在阻礙了水珠的滾落。這主要是因?yàn)榇藭r(shí)水珠更多是以滑動(dòng)的方式包裹著親水性污穢下行，污穢完全被包裹于水珠當(dāng)中（如圖5所示），水珠中污穢量隨其下行而逐漸增多（集灰效應(yīng)自清潔過(guò)程），因此滑行阻力增大，滾動(dòng)角增大。

3）憎水遷移之后的硅橡膠材料表面滾動(dòng)角明顯下降，這是因?yàn)槲鄯x獲得了憎水性，試片表面由于荷葉效應(yīng)，憎水性增強(qiáng)。另外，由于憎水性污穢無(wú)法被水珠包裹，而是粘覆在水珠外表面，因此水珠下行過(guò)程中集灰效應(yīng)減弱，來(lái)自污穢的阻力下降。同時(shí)水珠此時(shí)外表面包裹有憎水性污穢物質(zhì)，其下行方式由原來(lái)的滑行變?yōu)闈L動(dòng)下行，并且沾有憎水性污穢的水珠表面能下降，同試片之間結(jié)合力減弱。

1.2.2 自清潔效果

在上一試驗(yàn)中分別測(cè)量了憎水遷移前后染污試片表面滾動(dòng)角，在這一過(guò)程中水珠的下滑會(huì)將路徑中的部分污穢包裹帶走，這就是試片通過(guò)水珠滑落實(shí)現(xiàn)的一個(gè)自清潔過(guò)程，下面就各試片表面污穢在憎水遷移前后的自清潔效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

由圖6可以看到，在老化的RTV表面涂敷RS后，其自清潔效果更好，也說(shuō)明RS更適合用于老化的RTV的表面修復(fù)。

圖5 集灰效應(yīng)

由圖7可以看到，在玻璃表面涂敷RS后，其自清潔效果更好，說(shuō)明RS對(duì)于玻璃表面的自清潔效果更佳。

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)：

1）各試片憎水遷移之前自清潔性能基本相當(dāng)，表面污穢清潔后基本沒(méi)有殘留，其中正常RTV的清潔效果最差，分析認(rèn)為原因在于RTV中LMW活性強(qiáng)，憎水遷移發(fā)生較快，因此粘附了相對(duì)較多污穢。

2）憎水遷移之后試片自清潔性能均有下降，老化RTV+RS及玻璃+RS遷移后自清潔能力基本與遷移之前相當(dāng)。可以看出遷移后自清潔能力基本上同試片憎水遷移能力負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明自清潔性能的變差以及污穢的積累是由于憎水遷移使得污穢獲得憎水性，增大了其同試片之間結(jié)合力，同時(shí)荷葉狀表面憎水性增強(qiáng)，憎水性污穢無(wú)法被水珠包裹，而是輕輕粘接在水珠外表面，因此水珠下行過(guò)程中清潔效應(yīng)減弱。同時(shí)水珠此時(shí)外表面包裹有憎水性污穢物質(zhì)，其下行方式由原來(lái)的滑行變?yōu)闈L動(dòng)下行，并且沾有憎水性污穢的水珠表面能下降，同試片之間結(jié)合力減弱，使得來(lái)自污穢的阻力下降，水珠快速滾落，清潔效果進(jìn)一步惡化。

圖6 染污RTV及老化RTV涂覆RS表面遷移前后自清潔效果

圖7 染污RS、玻璃表面遷移前后自清潔效果

3）老化RTV+RS表面無(wú)論從憎水遷移性還是自清潔方面均與玻璃+RS相當(dāng)，因此可以近似認(rèn)為嚴(yán)重老化的RTV表面經(jīng)RS清潔之后，在短期之內(nèi)其表面屬性表現(xiàn)為RS的自清潔性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其絕緣性能的提升。但是隨著時(shí)間的推移，老化硅橡膠仍然能夠表現(xiàn)出憎水遷移性，而憎水遷移的發(fā)生將使得具有憎水性污穢覆蓋于RS表面，原有表面屬性將會(huì)發(fā)生變化，并最終轉(zhuǎn)向完全依賴憎水遷移性來(lái)實(shí)現(xiàn)防污閃。但是相比較原先依靠酒精清潔老化絕緣子而言，RS可以延緩污穢的二次積聚，并且F-Si高鍵能結(jié)構(gòu)也能對(duì)硅橡膠起到一定保護(hù)作用，提升其抗老化性能。

經(jīng)過(guò)上面的分析可知，現(xiàn)場(chǎng)中觀察認(rèn)為硅橡膠易沾灰并非由于硅橡膠遷移前在極性以及表面能等方面同污穢結(jié)合力大，這點(diǎn)可以從滾動(dòng)角測(cè)量結(jié)果看出，在未發(fā)生遷移時(shí)硅橡膠表面滾動(dòng)角較小，并且自清潔效果與RS相當(dāng)，且優(yōu)于玻璃。

2 對(duì)運(yùn)行的絕緣子表面進(jìn)行處理

1）對(duì)于復(fù)合絕緣子：施工時(shí)，先用毛巾或抹布先對(duì)瓷絕緣子表面進(jìn)行常規(guī)清潔。必須保證被施工設(shè)備的表面處于干燥狀態(tài)，用干凈的毛巾或抹布沾多功能絕緣子防護(hù)劑RS對(duì)絕緣子進(jìn)行表面處理，沾多功能絕能絕緣子防護(hù)劑時(shí)，以打濕毛巾或抹布為宜。

圖8、9為對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行表面清潔處理的過(guò)程及結(jié)果，圖10為處理前后的表面憎水性狀態(tài)。

圖8 對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行表面清潔處理

2）對(duì)于玻璃或瓷絕緣子：施工時(shí)，先用毛巾或抹布先對(duì)玻璃或瓷絕緣子表面進(jìn)行常規(guī)清潔；必須保證被施工設(shè)備的表面處于干燥狀態(tài)，用干凈的毛巾或抹布沾多功能絕緣子防護(hù)劑RS對(duì)絕緣子進(jìn)行表面處理，沾多功能絕能絕緣子防護(hù)劑時(shí)，以打濕毛巾或抹布為宜；或采用自噴灌包裝的多功能絕緣子防護(hù)劑RS對(duì)絕緣子進(jìn)行表面噴涂處理。可以進(jìn)行兩遍的施工（抹涂或噴涂），以達(dá)到更好的效果，如圖11表明，處理后憎水性等級(jí)達(dá)到HC1級(jí)。

圖9 處理前后表面對(duì)比

圖10 處理前后的表面憎水性狀態(tài)

3 結(jié)論

RS表面具有較強(qiáng)的憎水性，涂敷RS的硅橡膠表面，其表面極性以及表面形態(tài)由RS決定，因此也具有較強(qiáng)的憎水性，這一特征決定RS可用于憎水性減弱或喪失的硅橡膠制品的表面改性，以提高表面憎水性。

通過(guò)RTV+RS表面污穢憎水性以及HTV+RS表面污穢憎水性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在二者表面的污穢中均有憎水性物質(zhì)遷移出來(lái)，也說(shuō)明RS涂敷在RTV或HTV表面，并沒(méi)有使硅橡膠的憎水遷移性能喪失，但是減弱了憎水遷移的速度。但是與硅橡膠表面相比，涂敷RS后的表面具有了自清潔能力。RS更適合于老化的HTV以及RTV的表面憎水性喪失的情況，RS的涂敷將有助于絕緣表面重新具有憎水性，且有自清潔能力。

通過(guò)RS表面污穢憎水性發(fā)現(xiàn)，RS具有憎水性，但不具備憎水遷移性，涂敷在玻璃絕緣子上，雖然沒(méi)有憎水遷移能力，但能夠提高表面憎水性，而且表面還具有了自清潔能力。

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Study on the Novel Surface Treatment Agent Improving the Capacity of Antipollution Flashover of Outdoor Insulation of Electrical Equipments

LI Xiao-gang1，YANG Cui-ru2, LIU Shang-jin1, WU kui1, ZOU Xin-bo1，CHEN Zhong-dong2
（1. Guangdong Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangzhou 510080；2. Guangdong Grid Electric Power Research Institute, Guangzhou 510080）

This paper introduces a novel surfacet reatment agent, which is used to treat the surface of outdoor insulation of electrical equipments. The technology to improve the capacity of anti pollution flashover was resear ched as a novel measure of anti pollution flashover. The sur facet reatment agent can clean the surface contamination and improve the capacity of anti pollution flashover at the same time. For porcelain or glass insulators, the novel surface treatment agent can improve the surface hydrophobicity and self-cleaning capacity. For the silicone rubber products (e.g., composite insulators, anti pollution flashover coating, silicone rubber casing, etc.), especially, for the silicone rubber products whose hydrophobicity had weakened or lost, the surface hydrophobicity and self-cleaning capacity were improved after treating the surface, so that the capacity of anti pollution flashover was improved.

surface treatment; hydrophobicity; self-cleaning; anti pollution flashover

TM89;TQ340.6

A

1004-7204（2014）03-0011-05

李曉剛(1979—)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)技術(shù)及外絕緣技術(shù)。