李明哲,邵仕超,吳笑寒,梅紅偉,王黎明
(清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東 深圳 518000)
復(fù)合絕緣子耐污閃性能顯著優(yōu)于瓷、玻璃絕緣子,因此能有效降低污閃風(fēng)險(xiǎn)[1—3]。但長期運(yùn)行后,復(fù)合絕緣子會因電暈放電、紫外線等因素而出現(xiàn)老化,表現(xiàn)為憎水性下降、褪色、開裂等[4—6],閃絡(luò)電壓持續(xù)下降,甚至引發(fā)絕緣失效及污閃事故。
江蘇省鹽城市響水縣的某化工園區(qū)附近是一類典型的特殊工業(yè)粉塵地區(qū),特點(diǎn)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(fā),復(fù)合絕緣子運(yùn)行約1~2 a后即出現(xiàn)燒蝕,壽命顯著低于預(yù)期。
在這類特殊工業(yè)粉塵地區(qū),復(fù)合絕緣子的應(yīng)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(yùn)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(guān)[9—10],高鹽霧環(huán)境及化工污源將明顯降低附近絕緣子的閃絡(luò)電壓;三是高濕環(huán)境下,硅橡膠材料易發(fā)生劣化,引發(fā)憎水性分布不均[11]。因此,特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子容易發(fā)生老化,運(yùn)行壽命遠(yuǎn)低于預(yù)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(zhì)修飾表面,以降低材料表面能;另一種是在材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。一般將2種方法結(jié)合以制備超疏水涂層。超疏水涂層具備靜態(tài)接觸角優(yōu)異(>150°)、滑移角小(<10°)等優(yōu)點(diǎn),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(yōu)異的自清潔性能。同時(shí),超疏水涂層具備優(yōu)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(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子運(yùn)行壽命較短的問題。
在電力能源領(lǐng)域內(nèi),已經(jīng)深入研究了超疏水涂層在防覆冰領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用前景,通過人工閃絡(luò)試驗(yàn),研究了超疏水涂層的防污閃性能以及涂層在霧霾下的運(yùn)行性能[19—22]。但現(xiàn)有研究多針對超疏水涂層在實(shí)驗(yàn)室條件下的積污特性及閃絡(luò)特性,長期帶電運(yùn)行后超疏水涂層的老化性能及涂層對硅橡膠材料的保護(hù)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(yùn)行后的性能表現(xiàn)及應(yīng)用效果,文中選取江蘇鹽城響水縣德陳884線上運(yùn)行10個(gè)月的超疏水涂層,分析超疏水涂層在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的運(yùn)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(fù)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(nèi)部硅橡膠基體材料的保護(hù)能力,所得結(jié)果反映了特殊工業(yè)粉塵地區(qū)超疏水涂層的應(yīng)用效果,能為后續(xù)研究提供參考。
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(nèi)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(shí)刻安裝在德陳884線46號和47號桿塔運(yùn)行10個(gè)月。運(yùn)行前后的超疏水涂層復(fù)合絕緣子及運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子如圖1所示。
圖1 運(yùn)行前后超疏水涂層復(fù)合絕緣子Fig.1 Superhydrophobic coating composite insulator before operation and after operation
絕緣子污穢度檢測參照GB/T 26218.1—2010進(jìn)行,計(jì)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。
選取每支絕緣子相同位置的傘裙作為樣品進(jìn)行試驗(yàn),洗去自然污穢,按照DL/T 376—2010的規(guī)定測量其憎水性能及憎水性的減弱、恢復(fù)特性。
采用靜態(tài)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(jī)選取5個(gè)點(diǎn)測量其憎水角,取其平均值作為憎水角測量結(jié)果。超疏水涂層的憎水角測量過程中的一組典型測量結(jié)果如圖2所示。
圖2 超疏水涂層憎水角測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of contact angle of superhydrophobic coating
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(rèn)為傘裙內(nèi)部硅橡膠材料未老化。于是,取傘裙內(nèi)部與表面的材料進(jìn)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(jìn)行了傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)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(jìn)行了FTIR分析。使用熱失重分析儀(MDTC-EQ-M35-01)對樣品進(jìn)行了TGA。
選取在德陳884線46號和47號桿塔運(yùn)行10個(gè)月的復(fù)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(shí)取附近線路運(yùn)行了1 a以上的一支復(fù)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(jìn)行了測量,檢測結(jié)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(yùn)行時(shí)間較其他2支絕緣子更長;(2)近一年響水地區(qū)環(huán)境治理成效顯著,1號、2號絕緣子運(yùn)行環(huán)境要顯著優(yōu)于參考絕緣子。
對比涂有超疏水涂層的絕緣子與普通運(yùn)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(qiáng)的憎水性,水珠從其表面滑落的同時(shí)會帶走污穢,因此涂有超疏水涂層的絕緣子表現(xiàn)出較好的自潔性能。
參照DL/T 376—2010,測試了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存10個(gè)月的超疏水涂層(編號a)、運(yùn)行10個(gè)月的超疏水涂層(編號b)以及同樣環(huán)境條件下運(yùn)行10個(gè)月的普通硅橡膠復(fù)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(fù)性能,靜態(tài)接觸角測量結(jié)果如表2所示,噴水分級法測量結(jié)果如圖3—圖5所示。
圖3 憎水性能測試結(jié)果Fig.3 Test results of hydrophobicity
圖4 憎水性減弱特性測試結(jié)果Fig.4 Test results of reduction of hydrophobicity
圖5 憎水性恢復(fù)特性測試結(jié)果Fig.5 Test results of recovery of hydrophobicity
表2 憎水性能測試數(shù)據(jù)Table 2 Hydrophobicity test data
從憎水性測試結(jié)果看,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保存的超疏水涂層保持了極佳的憎水性能,憎水角可達(dá)140°,噴水30次后,其表面也僅有細(xì)密的小水珠,可歸入HC1級。而現(xiàn)場運(yùn)行10個(gè)月后的超疏水涂層憎水性能略有下降,但憎水角仍達(dá)到了137°,噴水30次后,表面出現(xiàn)了較大的水珠,可歸入HC1~2級。運(yùn)行10個(gè)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(yōu)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(yōu)異的憎水性,表面僅有細(xì)密的小水珠,分級為HC1~2。現(xiàn)場運(yùn)行了10個(gè)月后的超疏水涂層的靜態(tài)接觸角已下降至100°以下,表面也出現(xiàn)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(fù)合絕緣子的憎水角及分級水平均優(yōu)于超疏水涂層。這說明超疏水涂層在長時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)了老化,在遇到長時(shí)間的大霧天氣等惡劣氣象條件時(shí),可能會出現(xiàn)閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下靜置96 h后,3個(gè)樣品的憎水角都有了一定程度的恢復(fù),超疏水涂層達(dá)到HC1~2的優(yōu)異憎水性,而運(yùn)行后的超疏水涂層盡管接觸角顯著增大,但其分級結(jié)果依然不理想,僅恢復(fù)到了HC4~5級的水平,運(yùn)行后的普通絕緣子表現(xiàn)優(yōu)于運(yùn)行后的超疏水涂層,接觸角雖然比運(yùn)行后超疏水涂層略低,但噴水分級法達(dá)到了3~4級,分級測試結(jié)果優(yōu)于運(yùn)行后的涂層。
分析以上測試結(jié)果,盡管實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存的超疏水涂層憎水角未能達(dá)到150°,但其依然具備優(yōu)異的憎水性、憎水性減弱特性及憎水性恢復(fù)特性。運(yùn)行10個(gè)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(fù)特性都有了明顯下降,說明涂層在運(yùn)行過程中發(fā)生了老化。經(jīng)過認(rèn)真觀察,發(fā)現(xiàn)運(yùn)行后超疏水涂層的厚度明顯降低,表面形貌發(fā)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(yùn)行后凸起變稀疏,在噴水分級的過程中,凹陷區(qū)域容易積存水分,致使其表面憎水性迅速下降。
為了進(jìn)一步分析超疏水涂層在運(yùn)行前后的性能變化,對超疏水涂層及硅橡膠材料進(jìn)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(nèi)部硅橡膠的保護(hù)能力。
2.3.1 FTIR分析
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存的超疏水涂層及運(yùn)行后的超疏水涂層的FTIR分析結(jié)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(jié)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(yùn)行前后超疏水涂層特征峰的位置沒有發(fā)生明顯改變,也沒有產(chǎn)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(gè)特征峰在老化后幾乎不可見。這說明超疏水涂料在經(jīng)過10個(gè)月的運(yùn)行后發(fā)生了明顯老化。
運(yùn)行后普通絕緣子表面及內(nèi)部紅外光譜的差異分析結(jié)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(shù)側(cè)(1 400~600 cm-1)紅外光譜可以看出,硅橡膠主鏈Si—O—Si、交聯(lián)基團(tuán)中的Si—O以及Si—CH3中的C—H內(nèi)外部吸收峰變化均不明顯,僅表現(xiàn)為表面吸收峰微弱下降(透過率升高),因此該絕緣子有機(jī)主鏈成分和側(cè)鏈甲基的老化并不明顯。
高波數(shù)側(cè)(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(cè)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(jī)成分更加明顯。其原因可能是隨著運(yùn)行過程中復(fù)合絕緣子表面出現(xiàn)過放電或高溫現(xiàn)象,導(dǎo)致阻燃劑氫氧化鋁流失,從而造成OH吸收峰強(qiáng)減小。
FTIR測試結(jié)果表明,運(yùn)行10個(gè)月后,超疏水涂層出現(xiàn)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(nèi)部硅橡膠材料的保護(hù)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(nèi)部硅橡膠材料的熱失重曲線,同時(shí)對比了普通硅橡膠材料表面與內(nèi)部的熱失重曲線,結(jié)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(jī)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(qū)別。氫氧化鋁主要在220~320 ℃的溫度范圍內(nèi)有吸熱分解,而有機(jī)硅的熱分解溫度范圍在350~570 ℃。利用有機(jī)硅、氫氧化鋁和白炭黑的熱分解溫度范圍不重疊的特點(diǎn),對硅橡膠樣品進(jìn)行高溫?zé)岱纸?,測量樣品在一定溫度范圍內(nèi)的熱失重率,可以較為精確地計(jì)算出硅橡膠內(nèi)有機(jī)硅(含有機(jī)助劑)、氫氧化鋁和白炭黑(含穩(wěn)定無機(jī)填料)含量。
依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,對樣品中有機(jī)成分、氫氧化鋁及二氧化硅填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了估算,結(jié)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(fù)合絕緣子的表面及內(nèi)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(nèi)部的硅橡膠材料未出現(xiàn)老化,說明超疏水涂層對內(nèi)部的硅橡膠絕緣子材料起到了較好的保護(hù)作用。
普通絕緣子表面及內(nèi)部的熱失重曲線存在明顯差異,組分含量計(jì)算結(jié)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(jié)果一致。說明普通絕緣子在10個(gè)月的運(yùn)行后出現(xiàn)了一定程度的老化。
特殊工業(yè)粉塵地區(qū)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(yè)粉塵地區(qū)具備廣闊的應(yīng)用前景,為了研究超疏水涂層在該地區(qū)的長期運(yùn)行性能表現(xiàn),文中以特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的涂覆超疏水涂層的復(fù)合絕緣子為研究對象,研究了典型工業(yè)粉塵環(huán)境中超疏水涂層的長期運(yùn)行性能表現(xiàn),得到如下結(jié)論:
(1)超疏水涂層具備優(yōu)異的憎水性及自清潔性,長時(shí)間運(yùn)行后,超疏水涂層絕緣子表面ESDD較普通復(fù)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(shí)間運(yùn)行后,超疏水涂層依然能保持優(yōu)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(fù)特性都有明顯降低。
(3)盡管長時(shí)間運(yùn)行后超疏水涂層出現(xiàn)了明顯老化,但涂層對內(nèi)部的絕緣材料起到了較好的保護(hù)作用,運(yùn)行10個(gè)月后,涂層內(nèi)部材料未發(fā)生明顯老化。
(4)盡管超疏水涂層能夠滿足特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的運(yùn)行性能要求,并且取得了良好的應(yīng)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(yīng)用。電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)選用耐老化性能優(yōu)異的超疏水涂層,以提高長期運(yùn)行后涂層的憎水性減弱及恢復(fù)特性,降低運(yùn)維壓力。