特殊工業粉塵地區絕緣子超疏水涂層應用效果研究

李明哲，邵仕超，吳笑寒，梅紅偉，王黎明

(清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518000)

0 引言

復合絕緣子耐污閃性能顯著優于瓷、玻璃絕緣子，因此能有效降低污閃風險[1—3]。但長期運行后，復合絕緣子會因電暈放電、紫外線等因素而出現老化，表現為憎水性下降、褪色、開裂等[4—6]，閃絡電壓持續下降，甚至引發絕緣失效及污閃事故。

江蘇省鹽城市響水縣的某化工園區附近是一類典型的特殊工業粉塵地區，特點是沿海且離化工污源較近，絕緣子表面污穢度高，污穢成分既有化工污穢又有高濃度的氯化鈉，污閃事故頻發，復合絕緣子運行約1～2 a后即出現燒蝕，壽命顯著低于預期。

在這類特殊工業粉塵地區，復合絕緣子的應用有部分局限：一是硅橡膠材料相比于瓷、玻璃更容易積累污穢，長期運行后表面污穢度高[7—8]；二是絕緣子表面污穢成分與污源密切相關[9—10],高鹽霧環境及化工污源將明顯降低附近絕緣子的閃絡電壓；三是高濕環境下，硅橡膠材料易發生劣化，引發憎水性分布不均[11]。因此，特殊工業粉塵地區復合絕緣子容易發生老化，運行壽命遠低于預期。

超疏水材料的原理通常有2種：一種是使用低表面能物質修飾表面，以降低材料表面能；另一種是在材料表面構建粗糙結構。一般將2種方法結合以制備超疏水涂層。超疏水涂層具備靜態接觸角優異(>150°)、滑移角小(<10°)等優點，因此水滴容易從其表面滑落[12—14]，并將污穢物帶離絕緣子表面，于是具備優異的自清潔性能。同時，超疏水涂層具備優良的耐電蝕損性能，其與硅橡膠材料配合有望解決特殊工業粉塵地區復合絕緣子運行壽命較短的問題。

在電力能源領域內，已經深入研究了超疏水涂層在防覆冰領域的應用，并取得了一系列成果[15—18]。近年來，也有研究人員注意到超疏水涂層在防污閃方面廣闊的應用前景，通過人工閃絡試驗，研究了超疏水涂層的防污閃性能以及涂層在霧霾下的運行性能[19—22]。但現有研究多針對超疏水涂層在實驗室條件下的積污特性及閃絡特性，長期帶電運行后超疏水涂層的老化性能及涂層對硅橡膠材料的保護能力方面尚無深入研究。

為了研究超疏水涂層在帶電線路長期運行后的性能表現及應用效果，文中選取江蘇鹽城響水縣德陳884線上運行10個月的超疏水涂層，分析超疏水涂層在特殊工業粉塵地區的運行效果及防污閃能力，通過污穢度測試、X射線光電子能譜分析、熱失重分析及傅里葉紅外光譜分析等分析了涂層與普通復合絕緣子積污特性的差異、涂層的憎水性性能、老化性能及涂層對內部硅橡膠基體材料的保護能力，所得結果反映了特殊工業粉塵地區超疏水涂層的應用效果，能為后續研究提供參考。

1 試樣選取及試驗方法

1.1 試樣選取

110 kV絕緣子由江蘇省鹽城市響水縣供電局提供，超疏水涂層由國內某廠家提供，2支絕緣子其中一支涂覆超疏水涂層，另一支不做任何處理，然后將2支絕緣子在同一時刻安裝在德陳884線46號和47號桿塔運行10個月。運行前后的超疏水涂層復合絕緣子及運行后的復合絕緣子如圖1所示。

圖1 運行前后超疏水涂層復合絕緣子Fig.1 Superhydrophobic coating composite insulator before operation and after operation

1.2 污穢度測量

絕緣子污穢度檢測參照GB/T 26218.1—2010進行，計算出等值鹽密(equivalent salt deposit density,ESDD)和灰密(non-soluble deposit density，NSDD)表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。

1.3 憎水性能測量

選取每支絕緣子相同位置的傘裙作為樣品進行試驗，洗去自然污穢，按照DL/T 376—2010的規定測量其憎水性能及憎水性的減弱、恢復特性。

采用靜態接觸角測量儀(Dataphysics-OCA20)測量絕緣子傘裙及超疏水涂層試片的憎水角，在試片表面隨機選取5個點測量其憎水角，取其平均值作為憎水角測量結果。超疏水涂層的憎水角測量過程中的一組典型測量結果如圖2所示。

圖2 超疏水涂層憎水角測量結果Fig.2 Measurement results of contact angle of superhydrophobic coating

1.4 微觀分析

由于硅橡膠材料的老化常常是由表及里的，老化層厚度多為微米級至毫米級，因此可認為傘裙內部硅橡膠材料未老化。于是，取傘裙內部與表面的材料進行微觀分析，可以得知傘裙表面材料的老化程度，文中主要進行了傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)分析及熱失重分析(thermogravimetric analyzer，TGA)。使用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet iS 50)對樣品進行了FTIR分析。使用熱失重分析儀(MDTC-EQ-M35-01)對樣品進行了TGA。

2 試驗結果與分析

2.1 超疏水涂層的積污性能

選取在德陳884線46號和47號桿塔運行10個月的復合絕緣子及涂覆有超疏水涂層的同型號絕緣子各一支，同時取附近線路運行了1 a以上的一支復合絕緣子為參考絕緣子。

按GB/T 26218.1—2010對絕緣子表面污穢度進行了測量，檢測結果如表1所示。

表1 絕緣子污染物的等值鹽灰密Table 1 Equivalent salt density and grayscale of insulator contaminant mg·cm-2

參考絕緣子表面污穢度明顯高于其他2支絕緣子，主要有兩方面原因：(1)參考絕緣子運行時間較其他2支絕緣子更長；(2)近一年響水地區環境治理成效顯著，1號、2號絕緣子運行環境要顯著優于參考絕緣子。

對比涂有超疏水涂層的絕緣子與普通運行的絕緣子可以看出，涂覆超疏水涂層的絕緣子表面污穢度明顯更低，其ESDD僅為未涂涂層絕緣子63%左右，NSDD為未涂涂層絕緣子80%左右。這是由于超疏水涂層表面有著極強的憎水性，水珠從其表面滑落的同時會帶走污穢，因此涂有超疏水涂層的絕緣子表現出較好的自潔性能。

2.2 超疏水涂層的憎水性分析

參照DL/T 376—2010，測試了實驗室環境下保存10個月的超疏水涂層(編號a)、運行10個月的超疏水涂層(編號b)以及同樣環境條件下運行10個月的普通硅橡膠復合絕緣子(編號c)的憎水性能、憎水性減弱性能及憎水性恢復性能，靜態接觸角測量結果如表2所示，噴水分級法測量結果如圖3—圖5所示。

圖3 憎水性能測試結果Fig.3 Test results of hydrophobicity

圖4 憎水性減弱特性測試結果Fig.4 Test results of reduction of hydrophobicity

圖5 憎水性恢復特性測試結果Fig.5 Test results of recovery of hydrophobicity

表2 憎水性能測試數據Table 2 Hydrophobicity test data

從憎水性測試結果看，實驗室內保存的超疏水涂層保持了極佳的憎水性能，憎水角可達140°，噴水30次后，其表面也僅有細密的小水珠，可歸入HC1級。而現場運行10個月后的超疏水涂層憎水性能略有下降，但憎水角仍達到了137°，噴水30次后，表面出現了較大的水珠，可歸入HC1～2級。運行10個月的普通絕緣子的憎水性相較超疏水涂層絕緣子要略差，但依然保持了憎水角130°以上、HC2級的優異憎水性。

超疏水涂層在去離子水中浸泡96 h后，依然保持了優異的憎水性，表面僅有細密的小水珠，分級為HC1～2?，F場運行了10個月后的超疏水涂層的靜態接觸角已下降至100°以下，表面也出現了水帶和部分水膜，為HC5～6級，憎水性的減弱特性較差。普通復合絕緣子的憎水角及分級水平均優于超疏水涂層。這說明超疏水涂層在長時間運行后出現了老化，在遇到長時間的大霧天氣等惡劣氣象條件時，可能會出現閃絡風險。

在實驗室環境下靜置96 h后，3個樣品的憎水角都有了一定程度的恢復，超疏水涂層達到HC1～2的優異憎水性，而運行后的超疏水涂層盡管接觸角顯著增大，但其分級結果依然不理想，僅恢復到了HC4～5級的水平，運行后的普通絕緣子表現優于運行后的超疏水涂層，接觸角雖然比運行后超疏水涂層略低，但噴水分級法達到了3～4級，分級測試結果優于運行后的涂層。

分析以上測試結果，盡管實驗室環境下保存的超疏水涂層憎水角未能達到150°，但其依然具備優異的憎水性、憎水性減弱特性及憎水性恢復特性。運行10個月后的超疏水涂層僅能保持較好的憎水性，其憎水性的減弱和恢復特性都有了明顯下降，說明涂層在運行過程中發生了老化。經過認真觀察，發現運行后超疏水涂層的厚度明顯降低，表面形貌發生了變化。新涂覆的超疏水涂層表面密布微凸起，這種微觀形貌有助于提高其表面憎水性，但是運行后凸起變稀疏，在噴水分級的過程中，凹陷區域容易積存水分，致使其表面憎水性迅速下降。

2.3 超疏水涂層的微觀分析

為了進一步分析超疏水涂層在運行前后的性能變化，對超疏水涂層及硅橡膠材料進行了FTIR分析及TGA測試，分析了超疏水涂層的老化性能及涂層對內部硅橡膠的保護能力。

2.3.1 FTIR分析

實驗室環境下保存的超疏水涂層及運行后的超疏水涂層的FTIR分析結果如圖6所示。

圖6 超疏水涂層紅外光譜Fig.6 Infrared spectrum of superhydrophobic coating

結果表明，超疏水涂層主要有800 cm-1、1 000～1 100 cm-1、1 250 cm-1、2 950 cm-1、3 100～3 700 cm-1等幾處特征峰，運行前后超疏水涂層特征峰的位置沒有發生明顯改變，也沒有產生新的特征峰，但是主要的幾處特征峰的面積、峰高均有明顯縮小，尤其是3 100～3 700 cm-1處的幾個特征峰在老化后幾乎不可見。這說明超疏水涂料在經過10個月的運行后發生了明顯老化。

運行后普通絕緣子表面及內部紅外光譜的差異分析結果如圖7所示。

圖7 硅橡膠絕緣子紅外光譜Fig.7 Infrared spectrum of silicone rubber insulator

從普通絕緣子兩處低波數側(1 400～600 cm-1)紅外光譜可以看出，硅橡膠主鏈Si—O—Si、交聯基團中的Si—O以及Si—CH3中的C—H內外部吸收峰變化均不明顯，僅表現為表面吸收峰微弱下降(透過率升高)，因此該絕緣子有機主鏈成分和側鏈甲基的老化并不明顯。

高波數側(3 800～2 800 cm-1)紅外光譜可以看出，絕緣子表面的CH3的CH(2 960 cm-1附近)峰也未有明顯減弱，說明其側鏈基本無老化，但是材料表面硅橡膠OH的吸收峰有所減弱，變化情況比有機成分更加明顯。其原因可能是隨著運行過程中復合絕緣子表面出現過放電或高溫現象，導致阻燃劑氫氧化鋁流失，從而造成OH吸收峰強減小。

FTIR測試結果表明，運行10個月后，超疏水涂層出現了明顯老化，硅橡膠絕緣子雖也有部分老化，但老化程度較輕。

2.3.2 TGA測試

為了分析超疏水涂層對內部硅橡膠材料的保護效果，使用刮刀輕輕刮去超疏水涂層，對比了刮去表面涂層后暴露的硅橡膠材料與內部硅橡膠材料的熱失重曲線，同時對比了普通硅橡膠材料表面與內部的熱失重曲線，結果如圖8所示。

圖8 硅橡膠材料的熱失重曲線Fig.8 Thermogravimetric curves of silicone rubber material

硅橡膠主要組分包括有機硅、氫氧化鋁和白炭黑，3種主要組分的熱分解行為有較顯著區別。氫氧化鋁主要在220～320 ℃的溫度范圍內有吸熱分解，而有機硅的熱分解溫度范圍在350～570 ℃。利用有機硅、氫氧化鋁和白炭黑的熱分解溫度范圍不重疊的特點，對硅橡膠樣品進行高溫熱分解，測量樣品在一定溫度范圍內的熱失重率，可以較為精確地計算出硅橡膠內有機硅(含有機助劑)、氫氧化鋁和白炭黑(含穩定無機填料)含量。

依據經驗公式，對樣品中有機成分、氫氧化鋁及二氧化硅填料的質量分數進行了估算，結果如表3所示。

表3 硅橡膠組分含量Table 3 Component content of silicone rubber %

刮去超疏水涂層后的復合絕緣子的表面及內部的熱失重曲線基本重合，各組分的含量也未有明顯變化，證明超疏水涂層內部的硅橡膠材料未出現老化，說明超疏水涂層對內部的硅橡膠絕緣子材料起到了較好的保護作用。

普通絕緣子表面及內部的熱失重曲線存在明顯差異，組分含量計算結果表明，主要是表面材料的氫氧化鋁及白炭黑組分含量降低，這與FTIR測試結果一致。說明普通絕緣子在10個月的運行后出現了一定程度的老化。

3 結論

特殊工業粉塵地區對絕緣材料的憎水性、自潔性及耐電蝕損性能提出了較高的要求，因此超疏水涂層在特殊工業粉塵地區具備廣闊的應用前景，為了研究超疏水涂層在該地區的長期運行性能表現，文中以特殊工業粉塵地區運行的涂覆超疏水涂層的復合絕緣子為研究對象，研究了典型工業粉塵環境中超疏水涂層的長期運行性能表現，得到如下結論：

(1)超疏水涂層具備優異的憎水性及自清潔性，長時間運行后，超疏水涂層絕緣子表面ESDD較普通復合絕緣子低37%，NSDD低20%。超疏水涂層能顯著降低絕緣子表面污穢度。

(2)長時間運行后，超疏水涂層依然能保持優秀的憎水性，但由于涂層的破損及老化，其憎水性的減弱特性及恢復特性都有明顯降低。

(3)盡管長時間運行后超疏水涂層出現了明顯老化，但涂層對內部的絕緣材料起到了較好的保護作用，運行10個月后，涂層內部材料未發生明顯老化。

(4)盡管超疏水涂層能夠滿足特殊工業粉塵地區的運行性能要求，并且取得了良好的應用效果，但涂層老化速度較快，因此一定程度上限制了涂層的應用。電網企業應選用耐老化性能優異的超疏水涂層，以提高長期運行后涂層的憎水性減弱及恢復特性，降低運維壓力。