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    運(yùn)行后的線路復(fù)合絕緣子表面憎水性研究

    2017-11-30 19:40:04劉志強(qiáng)張長征
    電瓷避雷器 2017年5期
    關(guān)鍵詞:污穢硅橡膠去離子水

    劉志強(qiáng),井 謙,張長征

    (西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司,西安710077)

    運(yùn)行后的線路復(fù)合絕緣子表面憎水性研究

    劉志強(qiáng),井 謙,張長征

    (西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司,西安710077)

    以運(yùn)行后的110 kV線路復(fù)合絕緣子為樣本,采用噴霧法和接觸角法,參照現(xiàn)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其表面進(jìn)行憎水性研究,著重考察去離子水和無水乙醇清洗表面后在四個(gè)不同特性階段下的憎水性狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明附著自然污穢的硅橡膠表面與無水乙醇清洗自然污穢后的硅橡膠表面表現(xiàn)出兩種截然不同的憎水性能,HC分級(jí)值能比較準(zhǔn)確反應(yīng)有老化現(xiàn)象的硅橡膠表面憎水性能,而靜態(tài)接觸角值對(duì)其基本無參考意義。最后針對(duì)運(yùn)行后的線路復(fù)合絕緣子憎水性測量,嘗試給出一些建議。

    線路復(fù)合絕緣子;憎水性;靜態(tài)接觸角;憎水性分級(jí);自然污穢

    0 引言

    與傳統(tǒng)瓷或玻璃絕緣子相比,復(fù)合絕緣子具有強(qiáng)度高、重量輕、濕污閃電壓高、運(yùn)行維護(hù)簡便、不易破碎等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展[1-4]。隨著超、特高壓線路的建設(shè)和運(yùn)行[5],越來越多的線路復(fù)合絕緣子入網(wǎng)運(yùn)行,但隨著現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)間的延長,復(fù)合絕緣子表面在運(yùn)行過程中會(huì)受到電暈、紫外線、霧霾等的交叉作用而發(fā)生老化[6],特別是最近幾年霧霾嚴(yán)重,污染天氣數(shù)占比增加,表面積污程度超過遷移性能所承受范圍,可能會(huì)導(dǎo)致憎水性能下降,甚至完全失去憎水性能,無法保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[7]。因此當(dāng)入網(wǎng)后的復(fù)合絕緣子經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后,需要抽檢考察絕緣子的機(jī)械和絕緣性能,看是否能繼續(xù)滿足運(yùn)行需要。表面憎水性能是其中重要的一項(xiàng)參考指標(biāo)[8],因此運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子表面憎水性試驗(yàn)結(jié)果是否能準(zhǔn)確反應(yīng)表面真實(shí)狀態(tài)尤為重要。

    筆者從事的絕緣子檢測工作多年,由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中沒有專門針對(duì)運(yùn)行過后的復(fù)合絕緣子憎水性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,所以在實(shí)際檢驗(yàn)中也是經(jīng)常依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而進(jìn)行,但經(jīng)過日常檢測經(jīng)驗(yàn)的積累,發(fā)現(xiàn)這并不能完全適應(yīng)實(shí)際情況需要。本文以一個(gè)具有代表性的樣品進(jìn)行實(shí)列分析。

    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19519-2014[9]、GB/T 24622-2009[10]和DL/T 810-2012[11],評(píng)估復(fù)合絕緣子表面憎水性能的主要方法有接觸角法、表面張力法和噴霧法,考慮到表面張力法中使用的溶劑對(duì)人可能有傷害,目前國內(nèi)試驗(yàn)室中應(yīng)用最多的是噴霧法和接觸角法。

    筆者采用噴霧法和接觸角法,參照現(xiàn)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子表面進(jìn)行憎水性研究,著重考察使用去離子水和無水乙醇清洗表面后在四個(gè)不同特性階段下的憎水性狀態(tài),針對(duì)運(yùn)行后的線路復(fù)合絕緣子的憎水性測量,并給出一些建議。

    1 憎水性測試方法

    1.1 試驗(yàn)設(shè)備

    接觸角測量設(shè)備型號(hào)為JC2000D4,憎水性HC分級(jí)測量設(shè)備型號(hào)為Motic SMZ-168。

    試驗(yàn)條件:環(huán)境溫度:21.0℃~23.0℃;相對(duì)濕度:60%~70%;大氣壓力:97.6kPa~98.0kPa,使用的溶液為去離子水。

    1.2 試驗(yàn)樣品及測量方法

    樣品為某電力公司送檢的在自然環(huán)境中運(yùn)行5年的110 kV線路棒形懸式復(fù)合絕緣子,傘裙為高溫硫化硅橡膠,從中任選一只絕緣子,參照國標(biāo)GB/T 19519-2014、GB/T 24622-2009和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 810-2012,割取10只硅橡膠樣品,編號(hào)1~10,尺寸長寬高約為70 mm×60 mm×2.9~6.0 mm。

    在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(溫度20℃~25℃,相對(duì)濕度40%~70%)將所有樣品預(yù)處理,預(yù)處理的條件和時(shí)間依據(jù)國標(biāo)GB/T 19519-2014進(jìn)行,憎水性測試分為通常特性、減弱特性、恢復(fù)特性、遷移特性四個(gè)階段。

    1~10號(hào)樣品先只用去離子水清洗表面附著的灰塵雜質(zhì),測量所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù),這里的遷移特性程序與通常特性程序相似,只是在不同的編號(hào)樣品上進(jìn)行。然后1~10號(hào)樣品經(jīng)無水乙醇清洗表面附著的自然污穢,再用去離子水清洗表面,然后再次進(jìn)行所有試驗(yàn)項(xiàng)目測量。

    該憎水性測量方法選用靜態(tài)接觸角法(CA法)和噴水分級(jí)法(HC法),兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),綜合利用兩者方法可以對(duì)樣品的表面憎水性有更準(zhǔn)確和精確的認(rèn)知判斷。每個(gè)樣品的靜態(tài)接觸角值為測量5次的平均值。噴水分級(jí)法中要求噴嘴距樣品25 cm,方向盡可能垂直于樣品表面,樣品與水平面呈20°~30°傾角,每秒噴水1次,共25次,噴水后表面有水分留下,分級(jí)HC值的讀取判斷應(yīng)在噴水結(jié)束后的30 s以內(nèi)完成,分級(jí)HC值的評(píng)定通過與國標(biāo)GB/T 24622-2009中分級(jí)文字描述和標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)比而判據(jù)。

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 去離子水與無水乙醇清洗表面后的HC分級(jí)對(duì)比分析

    圖1為去離子水與無水乙醇清洗表面后不同特性階段的HC分級(jí)值,從圖中可以看出在通常特性階段下,采用去離子水清洗樣品表面后,通過噴水分級(jí)法判斷,除了3號(hào)樣品為HC3級(jí)外,其余樣品均為HC2級(jí),說明該線路棒形懸式復(fù)合絕緣子經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行后的自然污穢憎水遷移性能較好,但并不是完全均質(zhì)化。而采用無水乙醇清洗樣品表面后,該5個(gè)樣品分級(jí)值均為HC3級(jí)。清洗掉硅橡膠表面自然污穢后,憎水性分級(jí)狀態(tài)一致,只是在HC3級(jí)狀態(tài)內(nèi)液滴的離散狀態(tài)、不規(guī)則形狀有少許不同,表明雖然這5片硅橡膠樣品分布在不同的位置,但在同樣的環(huán)境條件、運(yùn)行時(shí)間下,硅橡膠材料表面的憎水性能基本接近。

    在減弱特性階段下,去離子水清洗樣品表面后的憎水性分級(jí)為HC3級(jí)或HC4級(jí),而無水乙醇清洗樣品表面后的憎水性分級(jí)除4號(hào)樣品為HC4級(jí)外,其余均為HC5級(jí),表明在去離子水中浸泡96 h后,表面憎水性能下降明顯。在恢復(fù)特性階段下,從憎水性HC分級(jí)值上可以得出,去離子水清洗樣品表面后的憎水性恢復(fù)性能要明顯高于無水乙醇清洗后的憎水性恢復(fù)性能。在遷移特性階段下,附著自然污穢的表面所表現(xiàn)出來的憎水性遷移性能要明顯優(yōu)于人工污穢的憎水性遷移性。

    圖2為去離子水清洗表面后不同特性階段的典型HC分級(jí)圖。從圖中可以看出,去離子水清洗硅橡膠表面的灰塵雜質(zhì)后,表面只附著運(yùn)行過程中日積月累的自然污穢,但自然污穢分布并不完全均勻,目測看分布有多有少,有厚有薄,這也導(dǎo)致了樣品表面的液滴呈現(xiàn)出不同的離散狀態(tài),以致憎水性分級(jí)值也不盡相同。

    圖3為無水乙醇清洗表面后不同特性階段的典型HC分級(jí)圖,從圖中可以看出,當(dāng)用無水乙醇全部清洗樣品表面附著的自然污穢后,除了個(gè)別局部點(diǎn)外,硅橡膠表面顯現(xiàn)出本身應(yīng)有的色澤,反應(yīng)出硅橡膠材料本身所應(yīng)有的性能,雖然這些傘裙樣品分布在復(fù)合絕緣子不同的位置上,但運(yùn)行環(huán)境相同,且經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行后,硅橡膠材料本身的性能衰減程度相當(dāng),表面憎水性分級(jí)表現(xiàn)較為一致。圖中硅橡膠材料本身老化程度嚴(yán)重,所表現(xiàn)出的憎水性能較差,尤其是減弱特性和人工污穢遷移性能。

    圖1 去離子水與無水乙醇清洗表面后不同特性階段的HC分級(jí)值Fig.1 The HC of different stages cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute

    圖2 去離子水清洗表面后不同特性階段的典型HC分級(jí)圖Fig.2 The typical HC images of different stages cleaned by deionized water

    圖3 無水乙醇清洗表面后不同特性階段的典型HC分級(jí)圖Fig.3 The typical HC image sof different stages cleaned by ethyl alcohol absolute

    2.2 去離子水與無水乙醇清洗表面后的靜態(tài)接觸角對(duì)比分析

    圖4為去離子水與無水乙醇清洗表面后不同特性階段的靜態(tài)接觸角,從圖中可以看出,兩者清洗樣品表面后,樣品表面在不同特性階段的靜態(tài)接觸角都較高,在前三個(gè)特性階段,總體上附著自然污穢的硅橡膠表面的靜態(tài)接觸角值要稍高于硅橡膠本身呈現(xiàn)的靜態(tài)接觸角。值得注意的是,兩者清洗樣品表面后的靜態(tài)接觸角值在減弱特性和恢復(fù)特性階段雖有降低,但并沒有表現(xiàn)出像HC分級(jí)性能那樣下降明顯,這表明在對(duì)已經(jīng)發(fā)生老化硅橡膠材料來說,依據(jù)靜態(tài)接觸角這一技術(shù)參數(shù),不能很準(zhǔn)確地表征硅橡膠材料的憎水性能。在遷移特性階段,兩者處理后的靜態(tài)接觸角相差不大,比較相近。

    從不同特性階段下的曲線波動(dòng)大小還可以看出,去離子水清洗表面后的靜態(tài)接觸角值波動(dòng)范圍較大,特別是在減弱特性階段,最大值與最小值差達(dá)約11°,而無水乙醇清洗后的表面靜態(tài)接觸角在相同的特性階段雖然也不完全一致,但相對(duì)而言,其波動(dòng)就比較小。

    圖4 無水乙醇與去離子水清洗表面后不同特性階段的靜態(tài)接觸角Fig.4 The static contact angle images of different stages cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute

    圖5為去離子水清洗表面后不同特性階段的典型靜態(tài)接觸角圖。由于硅橡膠表面附著自然污穢分布不均勻,經(jīng)過一定時(shí)間的去離子水浸泡預(yù)處理后,自然污穢與硅橡膠表面的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不同程度的減弱,造成整體上遷移能力降低,且降低程度有高有低。此外,靜態(tài)接觸角本身反應(yīng)的是表面某一點(diǎn)或局部的表面憎水性能,受測量局部的表面粗糙度和幾何結(jié)構(gòu)影響較大,具有較高的波動(dòng)性,在這兩種影響因素作用下,更會(huì)導(dǎo)致自然污穢遷移后的硅橡膠表面的靜態(tài)接觸值不均勻,波動(dòng)較大。

    圖5 去離子水清洗表面后不同特性階段的典型靜態(tài)接觸角圖Fig.5 The typical static contact angle images of different stages cleaned by deionized water

    圖6為無水乙醇清洗表面后不同特性階段的典型靜態(tài)接觸角圖分級(jí)圖。利用無水乙醇清洗硅橡膠表面的自然污穢后,其呈現(xiàn)出本身應(yīng)有的材料性能。由于樣品運(yùn)行的環(huán)境條件狀況基本一致,樣品表面老化程度接近,表面粗糙度大小相當(dāng),造成了其表面靜態(tài)接觸角雖有些許上下波動(dòng),但從整體上看并波動(dòng)不大。

    圖6 無水乙醇清洗表面后不同特性階段的典型靜態(tài)接觸角圖分級(jí)圖Fig.6 The typical static contact angle images of different stages cleaned by ethyl alcohol absolute

    2.3 實(shí)際運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子表面憎水性的分析討論

    試驗(yàn)中,兩種清洗方法得到兩種截然不同的憎水性能,自然污穢在硅橡膠材料表面經(jīng)過遷移后,憎水性能往往優(yōu)于其發(fā)生老化后本身的憎水性。依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn),得出的試驗(yàn)結(jié)果是硅橡膠本身的憎水性能,以此結(jié)果來衡量硅橡膠表面的憎水性能,確定復(fù)合絕緣子是否能繼續(xù)運(yùn)行,容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。然而在實(shí)際檢驗(yàn)中還曾遇見過其它狀況,由于復(fù)合絕緣子運(yùn)行的環(huán)境條件狀況、時(shí)間長短、污穢化學(xué)成分等不同,附著自然污穢的硅橡膠表面的憎水性表現(xiàn)不如其本身的憎水性能,或者兩者表現(xiàn)的憎水性接近,因此很難用統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)定指導(dǎo)憎水性試驗(yàn)預(yù)處理方法,這就需要根據(jù)實(shí)際情況而決定。

    通過前兩小節(jié)的討論分析可知,接觸角的大小可以表明硅橡膠表面憎水性狀態(tài)在一定程度上的優(yōu)劣,但卻不能準(zhǔn)確判斷其處于何種憎水性等級(jí)水平[12]。項(xiàng)目組研究認(rèn)為在其他測試條件固定時(shí),硅橡膠表面的粗糙度是影響固體表面接觸角的主要因素,其對(duì)靜態(tài)接觸角的影響機(jī)理,目前國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)此還沒有統(tǒng)一的定論,但是當(dāng)測量表面呈現(xiàn)出憎水性傾向時(shí),利用Wenzel模型可以解釋硅橡膠發(fā)生老化后,表面粗糙度增加,會(huì)使靜態(tài)接觸角值增大[13]。一般來說,經(jīng)過運(yùn)行過后的復(fù)合絕緣子,其硅橡膠表面都會(huì)發(fā)生不同程度的老化,在這種情況下進(jìn)行憎水性試驗(yàn)時(shí),靜態(tài)接觸角不能真實(shí)反映表面憎水性狀態(tài),其值大小反應(yīng)不了憎水性能水平高低,基本無參考意義。因此針對(duì)運(yùn)行過后復(fù)合絕緣子的憎水性檢驗(yàn),結(jié)合日常經(jīng)驗(yàn),筆者有三點(diǎn)建議:

    1)與送檢客戶充分溝通,了解客戶委托復(fù)合絕緣子憎水性試驗(yàn)的目的,是考察硅橡膠材料本身的憎水性能或老化程度,還是檢測復(fù)合絕緣子在實(shí)際運(yùn)行過程中的憎水性表現(xiàn),根據(jù)不同的需求,選擇不同的預(yù)處理方法,以期達(dá)到不同的試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

    2)當(dāng)對(duì)附著自然污穢的硅橡膠表面進(jìn)行憎水性測量時(shí),應(yīng)當(dāng)采用一些必要的措施,在前期初步預(yù)判,判斷清洗自然污穢前后的憎水性能優(yōu)劣程度,在實(shí)際試驗(yàn)過程中建議以憎水性能表現(xiàn)差的為測量條件;

    3)HC分級(jí)值是能比較準(zhǔn)確反應(yīng)老化硅橡膠表面的憎水性能,在試驗(yàn)過程中應(yīng)以測量HC分級(jí)為主,靜態(tài)接觸角為輔。

    3 結(jié)論

    筆者以運(yùn)行后的110 kV線路復(fù)合絕緣子為樣本,采用噴霧法和接觸角法,參照現(xiàn)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子表面進(jìn)行憎水性研究,著重考察去離子水和無水乙醇清洗表面后在四個(gè)不同特性階段下的憎水性狀態(tài),結(jié)論如下:

    1)附著自然污穢的硅橡膠表面與無水乙醇清洗自然污穢后的硅橡膠表面表現(xiàn)出兩種截然不同的憎水性能,以文中選取的樣品為例,自然污穢在硅橡膠材料表面經(jīng)過遷移后,憎水性能優(yōu)于其本身的憎水性;

    2)對(duì)運(yùn)行過后的復(fù)合絕緣子進(jìn)行憎水性試驗(yàn)時(shí),靜態(tài)接觸角不能真實(shí)反映表面憎水性狀態(tài),其值大小基本無法反應(yīng)憎水性能水平高低。HC分級(jí)值是能比較準(zhǔn)確反應(yīng)老化硅橡膠表面的憎水性能,在試驗(yàn)過程中應(yīng)以測量HC分級(jí)為主,靜態(tài)接觸角為輔;

    3)對(duì)運(yùn)行過后的復(fù)合絕緣子進(jìn)行憎水性試驗(yàn)時(shí),不適宜用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)作統(tǒng)一規(guī)定,需區(qū)別對(duì)待。

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    The Study on the Hydrophobicity of Post-Service Line Composite Insulator

    LIU Zhiqiang,JING Qian,ZHANG Changzheng
    (Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Xi′an 710077,China)

    The surface hydrophobicity is one of the important parameters of safety for line composite insulator.Based on the sample of post-service 110 kV line composite insulator,with reference to the cur?rent test standard,this article adopts the spray method and contact angle method to study the hydrophobic?ity of line composite insulator,focusing on the hydrophobic state of the four different stages of the surface cleaned by deionized water and ethyl alcohol absolute.The result indicates that the silicone rubber sur?face cleaned by ethyl alcohol absolute and the one covered by natural dirt shows distinct hydrophobicity.The hydrophobicity class(HC)could reflect the hydrophobicity of the aging silicone rubber surface,on the contrary,the value of the static contact angle indicated no positive significance.The last part of the article tries to put forward some suggestions for the post service of measurement of the hydrophobicity of line composite insulator.

    line composite insulator;hydrophobicity;static contact angle,HC;natural dirt

    10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.032

    2017-02-23

    劉志強(qiáng)(1979—),男,工程師,從事高壓電器和絕緣子試驗(yàn)。

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