輸電線路防污閃涂料的關(guān)鍵技術(shù)探討

李隆基，吳明雷，王希林，王永福，賈志東

（1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384； 2. 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

輸電線路防污閃涂料的關(guān)鍵技術(shù)探討

李隆基1，吳明雷1，王希林2，王永福1，賈志東2

（1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384； 2. 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

對當(dāng)前架空輸電線路室溫硫化（Room Temperature Vulcanization，RTV）防污閃涂料現(xiàn)狀進行了分 析，研究RTV涂料在輸電線路防污閃中的關(guān)鍵技術(shù)，提出判斷RTV涂料壽命評估方法及復(fù)涂技術(shù)。總結(jié)RTV防污閃涂料在重污穢、高濕度條件下的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，解決防污閃涂料預(yù)測壽命、評估配置水平、復(fù)涂條件分析、復(fù)涂方法實施等關(guān)鍵技術(shù)問題。壽命評估與復(fù)涂技術(shù)可實現(xiàn)對不同電壓等級架空線路RTV涂料檢測分析，對提升線路外絕緣水平有重要的作用。

RTV；輸電線路；防污閃；壽命評估；復(fù)涂

引言

重工業(yè)發(fā)達地區(qū)空氣中雜質(zhì)和懸浮顆粒較多，增加了架空輸電線路絕緣子發(fā)生污閃的概率。RTV防污閃涂料作為一種有效的防污閃技術(shù)措施，已經(jīng)在我國很多地區(qū)廣泛使用并取得了顯著效果。但是RTV涂料作為有機高分子材料，在長期戶外運行條件下受到強電場、紫外線、冷熱溫度變化影響、酸雨侵蝕等作用，會不可避免地發(fā)生老化，出現(xiàn)起皮、粉化、褪色、脫落、憎水性下降等劣化現(xiàn)象，從而影響其防污閃效果。如果不及時采取措施進行處理，就會使得輸電線路絕緣子發(fā)生污閃的概率大大增加，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。

硅橡膠材料是由長鏈聚硅氧烷為基料，并添加白炭黑、氫氧化鋁等填料后與交聯(lián)劑反應(yīng)后交聯(lián)固化而成的材料。由于硅橡膠本身的特點以及生產(chǎn)過程中填料的添加，RTV防污閃涂料都具有獨特的憎水性、憎水恢復(fù)特性和耐電弧燒蝕能力。從材料內(nèi)部來說，使用基料的分子量大小及分子量分布、填料比表面積大小及在基料中的均勻分散程度、最終交聯(lián)程度的大小等因素都會對最終材料的運行特性和耐老化程度程度有所影響。再加上硅橡膠材料往往作為外絕緣材料使用，在長期的運行過程中會受到高場強、光照、雨水沖刷、污穢沉積等許多電氣應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力的作用，這些因素都會導(dǎo)致硅橡膠材料耐老化性能的下降。其可能表現(xiàn)出不同程度老化，特征為色澤消失、表面硬化、表面粉化、局部電弧燒蝕、憎水性減弱等。

當(dāng)絕緣子劣化出現(xiàn)較為嚴(yán)重的情況，如RTV大面積龜裂、憎水性消失、燒蝕嚴(yán)重等，則需立即復(fù)涂或更換。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)涂料發(fā)生老化、性能下降時，為保證電網(wǎng)的安全運行，需要在絕緣子表面重新涂覆RTV涂料。由于絕緣子表面原有涂層仍然存在，這就要求新的RTV防污閃涂料必須與原涂層可靠粘接。然而，不同的涂料的配方工藝不同，其物質(zhì)組分、動力粘度、交聯(lián)體系都存在較大差異，而且在長期的運行過程中，原有的涂料表面已經(jīng)積累了大量的污穢，涂層相互之間的粘接性能往往不能滿足電網(wǎng)安全運行的要求，在受到一定的外界剪切應(yīng)力或者侵蝕的作用時就有可能導(dǎo)致涂層的分離和剝落。同時，新舊涂層之間的污穢可能導(dǎo)致涂層內(nèi)部的缺陷，起到加速老化的作用，不利于新涂層的長期運行。

因此從硅橡膠材料本身和其運行環(huán)境考慮，硅橡膠絕緣材料的性能與壽命評估、復(fù)涂工藝等都是較為復(fù)雜的工作。目前，真正適用于復(fù)合絕緣子硅橡膠絕緣材料的壽命評估方法及復(fù)涂工藝研究還不夠深入，完備的施工導(dǎo)則還沒有形成，故本文對RTV涂料應(yīng)用于架空輸電線路防污閃工作中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行研究，對架空輸電線路外絕緣設(shè)備應(yīng)用RTV防污閃涂料具有重要的現(xiàn)實意義。

1 RTV防污閃涂料性能測試

本文對采集的樣品進行一系列的宏觀試驗與微觀試驗，其中宏觀試驗方法包括表面狀態(tài)觀測、憎水性測試、涂層厚度測試、附著力測試、污穢度測試；微觀試驗方法包括傅里葉變換紅外光譜分析、掃描電鏡及電子能譜分析。

1.1 表面狀態(tài)觀測

表面狀態(tài)觀測是檢測RTV防污閃涂料運行性能最直接的方法。隨著運行年限的增加，RTV防污閃涂料的表面狀態(tài)會發(fā)生較明顯的變化。當(dāng)RTV防污閃涂料出現(xiàn)起皮、褪色、粉化、脫落等現(xiàn)象時，表明其性能已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)程度的劣化。

用絕緣子取樣布擦掉RTV涂層表面的污穢，所取污穢留作污穢度測量和成分分析，再進行表面狀態(tài)觀察。通過對試驗樣品帶有自然污穢以及去除污穢后的表面狀態(tài)進行觀測，觀測是否出現(xiàn)明顯的粉化和褪色現(xiàn)象，以及涂層起皮、脫落等情況。同時通過表面狀態(tài)的觀測，可以了解到試驗樣品最初的施工狀態(tài)，部分試驗樣品在最初施工時就存在涂覆不平整、漏涂、突起、掛絲等問題。

1.2 憎水性測試

憎水性狀態(tài)是防污閃涂料性能的一個很重要的方面，防污閃涂料被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，很重要的原因在于其良好的憎水性及憎水遷移性。因此，測量RTV涂料的表面憎水性，可以反映出防污閃涂料運行性能的好壞。一般而言，性能較好的防污閃涂料盡管已經(jīng)運行了一段時間，但是防污閃涂料仍可以保持較為良好的憎水狀態(tài)。而如果防污閃涂料運行一段時間后憎水性測量結(jié)果較差，說明涂料表面發(fā)生了一定程度的劣化，需要對其運行性能進行深入的跟蹤研究，防止發(fā)生危險。

目前測量憎水性使用較多的方法分別是噴水分級法（HC法）和靜態(tài)接觸角法（CA法）。靜態(tài)接觸角法是在被測表面滴一滴體積在4～7μl的水滴，然后對其進行拍照，再利用相應(yīng)的軟件測出水滴與界面之間的接觸角。這種方法測量準(zhǔn)確性高，對于憎水性的差別反映較為明顯，但是適用于實驗室條件下對于平板樣品的憎水性檢測，對于涂覆有防污閃涂料的絕緣子樣品來說則不太適用。噴水分級法是最早由瑞典輸電研究所發(fā)明的一種方法，測量時，利用能產(chǎn)生霧狀水滴的噴壺，以一定角度，向待測面按照每秒鐘一次的速率進行噴水，一般噴25次。然后根據(jù)水珠在待測面的情況，進行憎水性狀態(tài)的判斷。這一方法簡便易行，檢測方法直觀且可操作性強，因此，噴水分級法自其產(chǎn)生之后，被人們廣泛接受，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

1.3 涂層厚度測試

涂層厚度是衡量RTV涂料施凃質(zhì)量的重要指標(biāo)，過薄的RTV涂層對其長期運行有不利影響。選取方法因型式不同而存在差異，對于雙傘型絕緣子，在上傘上表面、下傘上表面和下傘下表面分別取測試涂層；對于防污型絕緣子，每片在上表面內(nèi)側(cè)、上表面外側(cè)和下表面分別取測量位置。用測厚規(guī)測量涂層厚度，若所取樣品部分區(qū)域有較厚的涂層凸起，則剔除這個位置，測量樣品中較為均勻部分的厚度。沿長條形的RTV涂層測試厚度，記錄測到的厚度最小值和最大值，并且求出厚度均值。

1.4 附著力測試

RTV防污閃涂料的附著力是其性能的一個重要方面，如果運行一段時間后涂料的附著力下降到一定程度，往往會發(fā)生防污閃涂料起皮、掉塊或者脫落現(xiàn)象。而一旦防污閃涂料與絕緣子之間因附著力下降而發(fā)生脫落，就意味著涂料已經(jīng)失去防污閃性能，絕緣子表面狀態(tài)將由憎水性變?yōu)橛H水性。

針對絕緣子上涂覆防污閃涂料的情況，特采用劃格法進行附著力的測量。劃格法是使用百格刀在試樣表面橫豎劃幾條垂直交叉的線，然后用軟毛刷沿對角線各五次刷去上面的物質(zhì)，利用放大鏡對交叉位置進行觀察，然后根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)進行附著力的定級。

1.5 污穢度測試

絕緣子運行一段時間后，總會在其表面積累一定的污穢，而積污則是發(fā)生污閃的第一個過程。積污量一般情況下，與絕緣子所處的運行環(huán)境有關(guān)，也與絕緣子的運行年限有關(guān)。運行環(huán)境越惡劣，運行時間越長，其表面積累的污穢越多，發(fā)生污閃的可能性也就越高。

絕緣子發(fā)生污閃，主要原因是由于其表面積累的污穢中含有可溶性鹽成分，在潮濕環(huán)境下，污穢中的可溶鹽成分逐漸受潮溶解，這就使得絕緣子表面部分區(qū)域的電阻降低，電導(dǎo)增加，使得這部分流過的泄漏電流增大。當(dāng)泄漏電流進一步增大時，往往在局部地區(qū)產(chǎn)生小的電弧，電弧對于絕緣子積污受潮的表面有一定的烘烤作用，在局部電弧的作用下，絕緣子表面形成干區(qū)，而干區(qū)的形成，使得局部電弧進一步發(fā)展，最終有可能導(dǎo)致整個絕緣子的閃絡(luò)。

1.6 紅外光譜分析

紅外光譜分析是利用紅外光譜對物質(zhì)分子進行的分析和鑒定的一種檢測手段。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。FTIR圖譜可以通過在不同波數(shù)的紅外光譜吸收來判斷是否含有特定的分子結(jié)構(gòu)。

每串取單片絕緣子，分3個不同位置取RTV樣品進行FTIR分析。取樣位置對應(yīng)涂層測厚的位置：如果傘形為XWP，在上傘上表面、下傘上表面、下傘下表面分別取樣，如果是防污型，在上表面內(nèi)側(cè)、上表面邊沿、下表面分別取樣。

1.7 掃描電鏡分析

取樣RTV涂層，液氮環(huán)境下將涂層脆斷，在掃描電鏡下觀察涂層界面，以此來判斷涂層的粘結(jié)性能。觀察脆斷形成的截面，判斷界面狀態(tài)是否良好，涂層粘結(jié)是否緊密、有無出現(xiàn)明顯的界面，并且觀察區(qū)域是否表現(xiàn)出連續(xù)相的特點。

2 RTV防污閃涂料壽命評估方法

2.1 色差變化分析

當(dāng)RTV涂層發(fā)生老化現(xiàn)象以后，往往會有非常明顯的變色現(xiàn)象。絕大部分涂層會發(fā)生褪色、粉化現(xiàn)象。對涂層顏色變化程度進行定量描述即可表征RTV材料的色差，從而對其老化程度進行表征。如果將物體的色彩看作一個三維線性空間，則可以用R、G、B作為空間的一組基底，進而將物體的色彩線性表出(見圖1）。

每種顏色都有其唯一對應(yīng)的顏色向量，不同顏色之間的色差則可以通過差向量的模表示。色差分析應(yīng)當(dāng)對每個樣品的內(nèi)層顏色和表層顏色差值進行，不同樣品之間的顏色差則不具有可比性。由于所參考白紙的RGB顏色向量差別很小，即其拍照條件穩(wěn)定性較好，故可進行色差分析。

圖1 RGB色彩空間

用樣品內(nèi)側(cè)的RGB色彩向量作為基礎(chǔ)向量，然后用上、下表面分別與其作差而得到差向量，即可用差向量的模來表征色差。計算公式如下：

為了便于現(xiàn)場使用并且防止拍攝條件不同可能帶來的顏色差異，針對現(xiàn)在使用最為廣泛的紅色RTV防污閃涂料，項目組設(shè)置了一組比色卡來表征硅橡膠絕緣材料的顏色變化。將硅橡膠材料的顏色變化設(shè)置成9個卡片并對應(yīng)1～9的顏色指數(shù)。根據(jù)顏色對比確定硅橡膠所屬的顏色指數(shù)，數(shù)值越大，則材料褪色越嚴(yán)重。所述涂層比色卡中規(guī)定的9種顏色用RGB色彩空間進行數(shù)值表示，如表1和圖2所示。

2.2 紅外光譜分析

采用衰減全反射傅里葉紅外光譜法（ATR-FTIR）對所取樣片暴露于空氣的一面進行測試，得紅外光譜圖，同時對RTV內(nèi)層進行相同分析作為輕微老化的參照。根據(jù)所得的紅外光譜圖，得出1 008 cm-1吸收峰的峰值和786 cm-1吸收峰的峰值與1 008 cm-1吸收峰的峰值的比值，判定涂料的老化程度。步驟如下：

1）取樣。樣片大小為6～7 mm×6～7 mm，取樣的位置如圖3所示。

圖中1、2、3為三個具有代表性的RTV涂層位置，應(yīng)當(dāng)對三個位置的涂層都進行取樣并進行紅外光譜分析。

2）測試。采用衰減全反射傅里葉紅外光譜法對步驟1）所取樣片暴露于空氣的一面進行測試，得紅外光譜圖，所述測試的掃描波數(shù)范圍為4 000 cm-1～400 cm-1。

表1 RGB色彩空間數(shù)值區(qū)間

圖2 RGB比色卡（紅色）

圖3 紅外光譜取樣部位

3）根據(jù)步驟2）所得的紅外光譜圖，比較RTV表面與內(nèi)層的譜圖差異，并關(guān)注786 cm-1吸收峰的峰值與1 008 cm-1吸收峰的峰值的比較，判定涂料的老化程度。

若1 008 cm-1吸收峰和786 cm-1吸收峰的峰值均較強，而且786 cm-1吸收峰不低于1 008 cm-1吸收峰，則判定涂料老化程度較低，運行性能良好；

若1 008 cm-1吸收峰和786 cm-1吸收峰的峰值均較強，與內(nèi)層RTV吸收比相近，但是786 cm-1吸收峰低于1 008 cm-1吸收峰，則判定涂料老化程度較高，運行性能較差；

若1 008 cm-1吸收峰和786 cm-1吸收峰的峰值相比于內(nèi)層RTV有明顯下降，則判定涂料老化程度高，運行性能差，無法滿足運行要求。

4）對整個絕緣子表面防污閃涂料老化程度的判斷應(yīng)當(dāng)綜合3個位置的分析結(jié)果。絕緣子表面的防污閃涂料的老化程度應(yīng)當(dāng)由老化程度最高的樣品決定。

3 RTV防污閃涂料復(fù)涂工藝方法

3.1 RTV涂層之間的粘結(jié)性能

在極干燥環(huán)境（相對濕度＜10 %）下，RTV涂料不容易進行交聯(lián)和偶聯(lián)反應(yīng)；在有水的情況下，水珠或者水膜可能在新舊RTV之間起到隔離作用，影響其粘結(jié)性能?；谝陨峡紤]，設(shè)置了惡劣環(huán)境（極干燥、有水珠、有水膜），在這種情況下進行RTV的復(fù)涂，待新的RTV涂層完全固化后，將其放入120#汽油中24 h，觀察其外觀形態(tài)。RTV涂層在有機溶劑中會發(fā)生溶脹變形，如果和底層RTV粘結(jié)不緊，可能會出現(xiàn)涂層起皮脫落（見圖4）。

試驗發(fā)現(xiàn)，在極干燥（相對濕度＜10%）的情況下復(fù)涂，基本不影響兩層RTV涂層的粘結(jié)，只是其截線會變得明顯，用手術(shù)刀無法從截線處將兩涂層分離；當(dāng)表面有水珠和水膜的時候，會直接影響新涂層的粘結(jié)和其表面形態(tài)，溶脹24 h后有明顯的局部起皮，用手術(shù)刀可以將部分涂層剝離。惡劣的天氣條件不利于復(fù)涂施工，起霧、凝露、降水、降雪等高濕天氣可能會造成涂層界面粘接不可靠，在這些天氣下嚴(yán)禁RTV防污閃涂料的復(fù)涂施工。

本文以玻璃試片和RTV涂層為研究對象，在實驗室細致研究了RTV涂層之間的粘結(jié)性能。分別設(shè)置實驗條件為涂層間無污穢、輕污穢、重污穢，污穢成分細分為鹽成分和灰成分，在24 h溶脹、長時間水浸泡、長時間高濕度環(huán)境等典型惡劣環(huán)境中作用，并通過掃描電鏡觀察RTV涂層界面的性能（見圖5）。

圖4 溶脹試驗

圖5 RTV復(fù)涂夾層影響

結(jié)果表明：表面有水珠/水膜時，直接影響RTV涂層間的粘結(jié)；應(yīng)避免在有霧、有雨雪、凝露或濕度過大的情況下進行復(fù)涂施工。夾層污穢中的鹽成分吸水/吸濕性強，在有水的環(huán)境下使涂層界面分離；為了保證涂層間的良好粘結(jié)，應(yīng)清理原涂層表面的污穢。

3.2 RTV夾層的污穢影響（見圖6）

當(dāng)RTV夾層中的鹽分水浸情況下吸水或者在高濕度環(huán)境下吸潮后，會導(dǎo)致涂層膨脹形成局部“水泡”，RTV表面出現(xiàn)不規(guī)則起泡，將“水泡”解剖后可以看到重結(jié)晶的NaCl晶體。同時，涂層內(nèi)部也會相應(yīng)形成孔洞。涂層夾層間有鹽成分（尤其是溶解度大、吸濕性強的鹽），鹽分長期的吸水過程對涂層內(nèi)部和表面會造成破壞，對其長期運行非常不利。

綜合以上分析可以看出，夾層污穢中的鹽成分對復(fù)涂RTV涂層的運行性能影響較大，因此對沿海污源、化工廠污源等鹽密比例高的地方，尤其應(yīng)注意在復(fù)涂操作前將原涂層表面污穢清理干凈。

3.3 RTV涂料復(fù)涂施工

RTV防污閃涂料復(fù)涂施工，是一項復(fù)雜而又系統(tǒng)的工程。其包括主要內(nèi)容有涂料的選用、天氣情況的分析、涂覆工具的選擇、是否進行復(fù)涂的判定、絕緣子表面的清潔、噴涂過程的實施及復(fù)涂工程的驗收。

4 結(jié)論

本文對當(dāng)前架空輸電線路RTV防污閃涂料現(xiàn)狀進行了分析，研究RTV防污閃涂料在輸電線路防污閃中的關(guān)鍵技術(shù)，提出判斷RTV涂料壽命評估方法及復(fù)涂技術(shù)。簡要總結(jié)現(xiàn)有RTV防污閃涂料在架空輸電線路絕緣子在重污穢、高濕度條件下的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，解決防污閃涂料預(yù)測壽命、評估配置水平、分析復(fù)涂條件、實施復(fù)涂方法等技術(shù)問題。用于提升輸電線路外絕緣配置水平及防污閃技術(shù)措施，其壽命評估與復(fù)涂技術(shù)可實現(xiàn)對不同電壓等級架空線路RTV涂料檢測分析；同時，該方法在綜合評估方式、測試精度等方面都具有更突出的優(yōu)勢，在重要架空輸電線路上，特別是應(yīng)用RTV涂料的特高壓交直流線路，對提升線路外絕緣水平有更重要的作用。

圖6 不同位置場強分布

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Study on Key Techniques of Anti-pollution Flash-over Coating in Transmission Line

LI Long-ji1, WU Ming-lei1, WANG Xi-lin2, WANG Yong-fu1, JIA Zhi-dong2
(1. State Grid Tianjin Electric Power Research Institute, Tianjin 300384; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

The current situation of RTV anti-pollution flash-over coating is analyzed in this paper, which is used on overhead transmission lines. Key technologies of RTV coating in transmission line anti-pollution flash-over are researched, and it makes judgments RTV coating life assessment and recoating techniques. This paper summarizes the important technical links of RTV coating under heavy contamination and high humidity conditions, and it solves the life assessment, the configuration level evaluation, the re-coating condition analysis, the re-coating method implementation, and other key technical issues. Life assessment and re-coating technology enable the detection and analysis of RTV coatings on different voltage levels overhead transmission lines, and play an important role in enhancing the external insulation level of transmission lines.

room temperature vulcanization; transmission lines; anti-pollution flash-over; life assessment; re-coating

TM855

A

1004-7204（2015）04-0012-06

李隆基（1986-），男，工程師，主要從事高電壓輸電技術(shù)、外絕緣技術(shù)、新能源發(fā)電及數(shù)字控制技術(shù)研究。