復(fù)合絕緣子傘裙表面粗糙度對其憎水性影響研究

趙新澤　鮮于文玲　趙美云　楊志成

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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復(fù)合絕緣子傘裙表面粗糙度對其憎水性影響研究

趙新澤鮮于文玲趙美云楊志成

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：復(fù)合絕緣子表面憎水性是影響其抗污閃性能的重要因素．本文針對傘表面裙粗糙度對其憎水性的影響進(jìn)行了理論分析，并采用化學(xué)腐蝕和物理打磨試驗的方法進(jìn)一步研究了粗糙度對憎水性的影響．結(jié)果表明：腐蝕介質(zhì)會引起絕緣子表面粗糙度的變化，從而導(dǎo)致傘裙憎水性能的改變；表面粗糙度與表面組織結(jié)構(gòu)均對傘裙表面的憎水性能有明顯的影響，且在一定的范圍內(nèi)，表面粗糙度是主要影響因素．

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子；傘裙；粗糙度；憎水性

高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子的誕生，打破了只有有機(jī)材料(陶瓷、玻璃)才能制備絕緣子的現(xiàn)狀，因此越來越多的研究者開始研究復(fù)合絕緣子的性能．與傳統(tǒng)的瓷、玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子具有重量輕、強(qiáng)度高、耐污閃能力強(qiáng)、制造維護(hù)方便等優(yōu)點[1]，因此被廣泛應(yīng)用于電力輸電線路上．

目前我國掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子已超過600萬支(折算成110 kV)，已成為世界上使用復(fù)合絕緣子數(shù)量最多的國家[2]．但是復(fù)合絕緣子在長期運(yùn)行過程中，由于受電場、紫外線、污穢物等影響，會逐漸老化，導(dǎo)致其憎水性能下降甚至喪失．同時，復(fù)合絕緣子的老化會降低污閃電壓閾值，增加污閃機(jī)率，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3-4]．

目前，對復(fù)合絕緣子傘裙憎水性的研究主要側(cè)重于以下幾個方面[5-8]：憎水性的測量方法；運(yùn)行環(huán)境對憎水性的影響；憎水性與污閃之間的關(guān)系等．然而，關(guān)于傘裙表面微觀結(jié)構(gòu)對憎水性影響的研究相對較少．本文通過復(fù)合絕緣子傘裙老化試驗及粗糙度模擬試驗來研究傘裙表面微觀結(jié)構(gòu)對憎水性的影響，并采用掃描電子顯微鏡對傘裙表面微觀形貌進(jìn)行觀測和分析．

1理論基礎(chǔ)

水滴在固體平面鋪展開來時，在3個界面張力作用下達(dá)到平衡，并保持一定的形狀．其平衡方程為：

(1)

式(1)就是著名的Young方程，其中：δgs，δgl和δls分別為氣固相、氣液相和液固相的界面張力．Young方程中的接觸角是假定固體表面平坦、光滑、化學(xué)性質(zhì)均勻且沒有接觸角滯后效應(yīng)，同時認(rèn)為交界處的線張力可以忽略不計的理想狀態(tài)下的接觸角[9]．

在理想條件下，Young方程是成立的，能夠解釋三相接觸問題，其接觸角反映了固體的本質(zhì)特征，是唯一的，叫做本征接觸角．然而對實際表面而言，由于平整度不同、表面粗糙度不同、化學(xué)一致性不同，其接觸角并非唯一值，而是在兩個穩(wěn)定的角度之間．測量過程中，隨著水滴體積的持續(xù)增大，水滴和表面交界處的接觸線產(chǎn)生平移．剛開始移動時的接觸角即為前進(jìn)接觸角θa，如圖1(a)所示．增大完成后，水滴的體積開始減小，減小到不動時，水滴和表面交界處的接觸線會發(fā)生回縮，剛開始回縮時的接觸角稱為后退接觸角θr，如圖1(b)所示．

圖1　接觸角測量加減液滴圖

將一定質(zhì)量水滴滴于粗糙固體表面，達(dá)平衡時，接觸角為θ；當(dāng)加入少量水，固-液-氣三相接觸線保持不變，接觸角增大到θ1；反之如果抽取少量的液體，固-液-氣三相接觸線依然保持不變，但是接觸角減小到θ2，如圖2所示．此時3種狀態(tài)的力學(xué)平衡為：

圖2　接觸角的隨液滴體積變化

這明顯與實際不符．因此在固-液-氣三相的接觸線上引入一個新的附加張力f，它是由粗糙表面引起的，具有靜摩擦力的性質(zhì)，大小和方向均會變化．當(dāng)接觸角剛好等于Young接觸角時，f=0；當(dāng)接觸角大于Young接觸角，f和δsl方向一致且f必須小于fmax(當(dāng)θ1=θa時，取f=fmax)；當(dāng)接觸角小于Young接觸角，f和δsg方向一致且必須大于fmin(當(dāng)θ2=θr時，取f=fmin)．則此時的狀態(tài)滿足力學(xué)平衡條件為：

但是當(dāng)水滴在固體表面的接觸角大于θa或者小于θr，系統(tǒng)的自由能沒有達(dá)到最小值，因此接觸角會自動變化，固體表面的鋪展面積隨之改變，達(dá)到前進(jìn)接觸角或者后退接觸角．

由以上分析可知，對接觸角的影響不僅取決于附加張力f，也取決于液體和固體表面的性質(zhì)，更取決于二者之間的相互作用．但是在實際硅橡膠傘裙的接觸角測量過程中，除由粗糙表面引起的附加張力f外，同一材料試樣中的其他因素均為定值．本文采用接觸角來表征材料表面的憎水性，探究絕緣子表面粗糙度對其憎水性的影響，其結(jié)果將對生產(chǎn)復(fù)合絕緣子廠家提供一定的指導(dǎo)意義．

2試驗與測量

2.1試驗方案

2.1.1傘裙腐蝕試驗

實際服役的絕緣子長期遭受酸堿的侵蝕，因此在試驗中，選取pH=2、pH=4、pH=7、pH=9、pH=11五種比較典型的酸堿值，來模擬復(fù)合絕緣子實際運(yùn)行的環(huán)境，分別采用H2SO4、NaOH和NaCl與純凈水按不同比例進(jìn)行配制得到．然后從全新的復(fù)合絕緣子傘裙上取下3 cm×3 cm×0.5 cm的傘裙樣片，用酒精擦拭干凈后，分別浸泡在配制好的溶液中，浸泡時間為8 d，試驗溫度為25℃，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，具體的試驗方案見表1．

表1　復(fù)合絕緣子腐蝕老化試驗方案

2.1.2傘裙片表面打磨試驗

粗糙度是固體表面微觀結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)，粗糙度的改變會導(dǎo)致表面憎水性的變化．本文通過砂紙打磨傘裙片，制作出與腐蝕試樣表面粗糙度值近似的試樣，比較腐蝕試驗與打磨得到的試樣接觸角，分析表面粗糙度對憎水性的影響．

首先，測量腐蝕試驗后的試樣表面粗糙度．然后通過手工打磨的形式，采用400、800、1 200 3種目數(shù)砂紙對全新的復(fù)合絕緣子表面進(jìn)行打磨．其中，400目的砂紙用于粗磨，800目的砂紙用于細(xì)磨，1200目的砂紙用于精磨．打磨過程中通過不同目數(shù)的砂紙以及打磨的周期次數(shù)來改變傘裙表面的粗糙度．為了與腐蝕試驗試樣的粗糙度一致，采用逐步逼近的方式，每打磨10次進(jìn)行一次粗糙度的測量，直到與腐蝕試驗的試樣粗糙度一致．

2.2試驗測量

2.2.1憎水性測量

將腐蝕后所得試樣表面用酒精清潔后，置于恒溫真空干燥箱中干燥24 h，采用JY-PHB型接觸角測量儀測量θa、θr．為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個樣片上選5個點進(jìn)行測量，結(jié)果取平均值．

2.2.2表面粗糙度測量

采用表面輪廓法測量表面粗糙度．采用TR110A的接觸式測量設(shè)備，在每個樣片選取5個點進(jìn)行測量，結(jié)果取平均值．試驗中，取樣長度l=800 μm，評定長度ln=5l．

3試驗結(jié)果及分析

3.1憎水性分析

對腐蝕試驗后的試樣采用接觸角測量儀測量其動態(tài)接觸角，測量結(jié)果見表2．

表2　不同pH值下的動態(tài)接觸角

從表2可知，當(dāng)pH=7時，θa=119.5°，θr=27.9°，接觸角明顯要大于其他pH值的接觸角，即對應(yīng)的憎水性能最好．這說明酸、堿性溶液對傘裙表面的腐蝕導(dǎo)致了憎水性的降低．

3.2傘裙表面粗糙度與憎水性分析

對化學(xué)腐蝕后的傘裙試樣進(jìn)行表面粗糙度Ra測量，測量數(shù)據(jù)見表3．

表3　化學(xué)腐蝕傘裙試樣粗糙度與憎水性

從表3中可知，pH=7時，前進(jìn)角與后退角均最大，而對應(yīng)的粗糙度最?。诖植诙萊a<12.31 μm時，接觸角越大，對應(yīng)的粗糙度越?。诖植诙萊a>12.31 μm以后，接觸角與粗糙度不再滿足此關(guān)系．

為進(jìn)一步分析粗糙度與憎水性的關(guān)系，對物理打磨后的傘群試樣進(jìn)行憎水性測量，測量數(shù)據(jù)見表4．

表4　物理打磨傘裙試樣粗糙度與憎水性

將表3與表4繪成曲線圖，如圖3所示．從圖3可以看出，當(dāng)粗糙度Ra<12.24 μm時，接觸角隨著物理打磨傘裙試樣表面粗糙度的增大而減小，其驗證了腐蝕試驗中傘裙表面憎水性的下降是由粗糙度變化引起的．當(dāng)粗糙度Ra>12.24 μm時，接觸角與粗糙度也不再滿足此關(guān)系．但是對于物理打磨和化學(xué)腐蝕的傘群試樣，粗糙度接近時，憎水性卻存在差異，這是由于它們表面組織結(jié)構(gòu)不同．

圖3　不同粗糙度下的接觸角°

分析認(rèn)為在粗糙度Ra<12.31 μm時，對憎水性的影響以粗糙度為主，因此粗糙度增大，憎水性下降；在粗糙度Ra>12.31 μm時，對憎水性的影響則以表面組織結(jié)構(gòu)為主，導(dǎo)致了憎水性與粗糙度不再符合上述規(guī)律．

3.3表面形貌分析

用SEM分別對化學(xué)腐蝕后和物理打磨后的5個傘裙片進(jìn)行表面形貌分析，如圖4所示．

圖4　化學(xué)腐蝕(左)和物理打磨(右)傘裙表面形貌

從圖4中可以看出圖4(a1)試樣表面相對平整，表面粗糙度小，水滴不易浸潤，故其憎水性能最好．與圖4(a1)相比較，圖4(b1)表面出現(xiàn)了少量的孔洞和凸起，表面粗糙度增大，水滴的浸潤性變好，從而降低了其憎水性；圖4(c1)表面分層比較明顯，且伴有大量微小突起和孔洞，從而憎水性也進(jìn)一步降低．圖4(a2)、(b2)和(c2)表面變化趨勢與圖4(a1)、(b1)和(c1)一致，都表現(xiàn)為粗糙度增大，憎水性降低．圖4(d1)和(e1)的憎水性沒有隨著粗糙度的增大而降低，這與其表面組織結(jié)構(gòu)有關(guān)．圖4(d1)表面出現(xiàn)片狀分層，每層片狀結(jié)構(gòu)面積相對較大，因而局部區(qū)域光滑平整，因此導(dǎo)致其憎水性有了一定程度的上升；其中圖4(e1)表面出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)條狀凸起，尺寸大小不一，從而相對圖4(d1)，其憎水性又出現(xiàn)一定程度的下降．同樣，圖4(d2)和(e2)的憎水性也沒有隨著粗糙度的增大而降低，圖4(d2)表面凸起和凹坑分布均勻，且凸起相互連接，從而導(dǎo)致局部比較平整，因而導(dǎo)致其憎水性加強(qiáng)；圖4(e2)表面凸凹不平，粗糙度明顯增大，且整體形貌疏松多孔，此結(jié)構(gòu)易吸納水滴，因此其憎水性又出現(xiàn)下降．

4結(jié)論

本文通過化學(xué)腐蝕以及物理打磨試驗分別對傘

裙表面進(jìn)行處理，對處理后的試樣進(jìn)行粗糙度和接觸角測量，同時采用掃描電子顯微鏡對試樣的表面形貌進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)不同pH值的腐蝕介質(zhì)均會影響復(fù)合絕緣子傘裙的憎水性；相對于中性腐蝕介質(zhì)，酸性和堿性腐蝕介質(zhì)會降低傘裙的憎水性．

2)傘裙表面粗糙度和形貌均會影響其憎水性，在粗糙度小于某一臨界值時，傘裙表面粗糙度是影響憎水性的主要因素，粗糙度越大，憎水性越差；當(dāng)粗糙度超過某一臨界值時，傘裙表面形貌是影響憎水性的主要因素．

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[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-09-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金“力場-電場-腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下復(fù)合絕緣子的損傷機(jī)理與壽命評估”(NO:51475264)

通信作者：趙新澤(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為摩擦學(xué)．E-mail： xzzhao@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.017

中圖分類號：TH14

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0085-04

Study of Effect of Umbrella Skirt Surface Roughness on Hydrophobicity of Composite Insulator

Zhao Xinze Xianyu WenlingZhao MeiyunYang Zhicheng

(College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractComposite insulator with good hydrophobicity is an important reason to reduce insulator flashover. In this paper, the effect of the surface roughness of the umbrella skirt on its hydrophobicity is studied with theoretical analysis and the test of chemical corrosion and physical grinding. The results show that the corrosive medium causes the change of the surface roughness of the umbrella skirt, so as to change its hydrophobicity. The surface roughness and the structure of the umbrella skirt have obvious influence on its hydrophobicity; and within a certain range, the surface roughness is the main factors.

Keywordscomposite insulator；umbrella skirt；roughness；hydrophobicity