沿海地区RTV涂层的老化研究

沿海地区RTV涂层的老化研究

王剑英1吴昊疆1蔡俊娥2陈诚1

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局广州510405；2.河北硅谷化工研究院河北邯郸057151）

摘要：本文主要介绍了海南地区输变电外绝缘设备面临的问题，以及RTV涂料在防污闪中的应用情况。并介绍了RTV防污闪的机理，研究了RTV涂层的老化原因，给出了重海盐污秽区域绝缘子选型方法。

关键词：RTV；污闪；老化

Abstract：Thispapermainlyintroducestheproblemsfacedbyexternalinsulationequipmentforpowertransmissionandtransformation,andtheapplicationofRTVcoatinginantipollutionflashoverinHainanarea.ThemechanismofRTVanti-pollutionflashoverisalsointroducedwhilethereasonofRTVcoatingisstudied.Then,themethodofselectinginsulatorinheavyseasaltpollutionareaisgiven.

Keywords：RTV;Pollutionflashover；aging

1沿海输变电外绝缘设备面临的问题

海南地区500kV电网运行经验表明，沿海台风、海水飞沫、海雾以及大量的混凝土结晶使得电气设备运行条件十分恶劣，极易因凝露而发生闪络。有些变电站不仅位于沿海地区，还地处盐碱地，包括工业及生活或污秽严重的地区，大量的风沙夹杂着碱性很强的红土及成份复杂的污秽物，不断地侵袭着电气设备，使得运行条件更加严峻，导致发生污秽闪络，严重威胁电网的安全稳定运行[1]。

沿海地区绝缘子积污主要有如下特点：（1）绝缘子积污水平受气象和地理影响因素显著；（2）绝缘子的最严重积污一般出现在台风或持续的大风期间；（3）绝缘子长期积污特性与快速积污特性存在明显的差异；（4）临近海岸的绝缘子配置主要取决于快速积污期的污秽水平。海南地区主要为南风和北方，经研究表明，积污主要由北风引起的，对交流系统而言，部分地区污秽度等级可达e级水平。

沿海地区绝缘子表面污秽主要是NaCl等可溶性盐成分和少量不溶性颗粒物，在潮湿环境下，污层的电导增大，泄漏电流增加，会产生局部放电，局部电弧是一个间歇的放电过程，这种间歇的放电状态可能持续相当长时间，当脏污和潮湿状态较严重时，局部电弧会逐步发展；当达到和超过临界状态时，电弧会贯穿两极，形成闪络。结合海南输电线路的周围环境分析，推测可能是以下因素导致了绝缘子爬电现象的发生：

1)从海边吹进来的水汽进入防护林后，滞留在防护林中，导致输电线路周围的空气中水蒸汽含量较大；同时由海风带来的污秽也会由于防护林而减速沉降。

2)从海边吹过来的含盐小水滴或海水泡沫在前进途中随着风向沉降在绝缘子和输电线路表面，白天因太阳直射而温度较高，含盐小水滴或海水泡沫水分蒸发使得含盐污秽牢牢吸附在绝缘子和输电线路表面。

3)晚上气温下降，盐在水中的溶解度也随之下降，海盐可能在此过程中结晶并随风向沉降在绝缘子表面，同时由于树林里空气绝对湿度较大，随着温度的下降，周围环境的相对湿度会不断增大达到饱和，从而使多余的水分凝结成水滴依附在绝缘子表面，使污层充分受潮。

2RTV涂料在国外电力系统中的应用

对RTV涂料在电力系统中应用的研究，国外已有几十年的历史，美国太平洋气体与电气公司（PacificGasandElectricCompany)在污染较严重的情况下，对66kV带电线路的瓷瓶表面涂以0.50mm厚的室温硫化硅橡胶涂层。经过6年后，发现尽管瓷瓶绝缘表面结了一层污垢，但憎水绝缘性能仍然很高[2]。

以美国爱达荷（Idaho）电力公司多恩（Donn）变电站为例，位于磷元素工厂和磷肥厂之间，周围空气充满了大量含电解质沉积物，严重污秽了设备，曾多次发生污闪事故，犹以每年11月至次年3月最严重，此期间内因污闪引发全站停电事故多达15至20次。在试用RTV涂料之前，采用过诸如高压水冲洗、涂刷周期性硅油等常规防污闪措施，但效果并不理想。该变电站于1983年第一次使用新型的RTV涂料，三年内将全站电磁设备都涂了这种RTV涂料。在此期间，凡是涂刷过该种涂料的绝缘子都没有发生过闪络或故障。根据多恩变电站三年以上的使用经历表明，新型RTV绝缘子涂料能长期并及时有效地防止绝缘子表面带电弧放电和闪络。

国外的成功案例表明，新型RTV涂料与现有的常规绝缘子防污闪方法比较，在节省运行维护成本方面具有很大的经济价值。在严重的污秽地区，涂刷RTV涂料可有效防止绝缘子闪络。由此可见，RTV涂料在电力系统经济性和稳定可靠运行方面具有十分光明的前景，积极改善现有RTV涂料或研发新型的RTV涂料具有十分重要的意义。

3RTV防污闪机理

RTV涂料是以具有羟基封端的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为基胶，与交联剂、催化剂相配合，可以在常温下交联而形成的三维网状结构。PDMS分子结构的主链由硅原子与氧原子交替排列组成，侧链是对称分布的甲基（部分甲基可能被其它有机基团所取代而改性），其分子结构如图1所示。硅橡胶宏观性能的4个主要特征为甲基基团之间小分子作用力、硅氧主链的柔顺性、硅氧键能和硅氧主链的局部离子特性。围绕硅氧主链紧密排列的非极性甲基基团向表面取向，屏蔽了Si-O键的强极性作用，使得硅橡胶表现出优异的憎水性。另外在硅橡胶中不同程度地含有未交链的低分子量硅氧烷链段，它的存在对合成绝缘子憎水性的迁移与恢复有重要的影响。目前，关于硅橡胶憎水迁移特性的解释比较流行的是小分子迁移理论，即认为硅橡胶材料中含有一定量的未交联的憎水性小分子硅氧烷(lowmolecularweight，LMW)，能向污层扩散并被污层吸附，使得污层获得憎水性；从而使得污层不易受潮，并且表面的水滴相互分离不形成连续的水膜，沿面泄漏电流大大低于同等污秽度下瓷绝缘子的泄漏电流，有利于提高复合绝缘子的污闪电压。实践证明RTV防污闪憎水涂料有非常好的防污闪效果，已在我国大面积推广。

图1PDMS分子结构简式

4RTV涂层老化及失效原因分析

RTV涂层受自然因素的影响，不可避免的要发生老化，自然因素包括阳光、雨水、空气中的盐份颗粒、酸碱性气体、气候冷热交替、风速等，紫外辐照使硅橡胶有硬化、填充物外露的趋势，碱性物质会加剧硅橡胶降解；特定环境因素即电场环境，如电晕放电、局部高温、臭氧等，局部放电是加剧硅橡胶伞群老化的重要原因:①产生的带电粒子撞击硅橡胶表面，使有机硅橡胶分子的主链断裂，发生解聚或变成低分子;②局部放电使设备表面局部温度上升，高温又诱发硅橡胶材料化学分解;③局部放电产生的活性气体O3、NO、NO2等的氧化作用和氧化物产生的H+的腐蚀作用，能使硅橡胶材料加速劣化，形成线型或环状小分子。RTV涂层中的颜料、填料会从网络结构中分离出来，产生粉化等现象,特别是O3能破坏硅氧主键、导致硅橡胶拉伸强度等机械性能显著下降;④局部放电产生的紫外线或Ｘ射线的中长波部分会导致硅橡胶材料分解、解聚[3-5]。

RTV涂层微观结构分析，可以将其分为硅橡胶分子主链断裂和侧链自由基破坏两个方面。硅橡胶侧链为有机基团，氧化机理是典型的自由基氧化机理，有机基团活性高，容易发生老化，这是硅橡胶老化的主要原因。主链为Si-O-无机结构，氧化机理相对复杂，目前研究表明，Si-O主链以解扣降解的方式进行，同时伴随无规则断裂降解，氧化产物为硅醇基，硅橡胶分子链断裂，涂层结构被破坏，使外部能量可以直接作用分子主链，同时断裂的分子链失去了对填料的保护等，涂层老化诱发众多微观结构变化，最终导致材料电气、理化性能低于运行标准。

另一方面，沿海地区的海雾以及城市工业区的浓雾，其雾水的电导率高，会导致绝缘子快速积污，并可能对复合绝缘子憎水性能产生影响。有研究对沿海某地的春季海雾的特性分析发现，雾水电导率的变化范围可达2296190µS/cm，文献[6]研究表明：染污的硅橡胶试片在高电导率雾中受潮，会使得污层的导电物质累积增加，并导致表面的憎水性逐步下降。雾流量以及受潮时间相同时，雾水的电导率越高，憎水性下降的幅度越大。高电导率雾导致污层的电导率提高，而污层憎水性能下降后，污层的受潮速度则明显加快。表面憎水性能因高电导率雾的作用而下降后，染污硅橡胶在受潮期间的泄漏电流幅值有显著增加，外绝缘性能出现了明显下降，导致RTV涂层进一步老化。另外，涂覆RTV涂料时空气湿度过高，RTV涂层与基材的粘结效果会受到影响；长期水浸泡会破坏RTV涂层与基材的粘结。因此，沿海地区的高湿气候对RTV涂层与基材的粘结是不利的。

5RTV涂料失效判断

(1)RTV涂膜起皱，龟裂或剥离脱落。

(2)涂层的憎水性及憎水迁移性下降到HC级或丧失，且不能恢复，接触角小于90°，污层受潮时表面出现连续水膜。

(3)在恶劣气象条件下，出现强烈的刷状放电。

6重海盐污秽区域绝缘子的选型

海盐污秽是快速积污的，属于“瞬时污秽”范畴，在绘制污区分布图时，尽管等值附盐密度值和非可溶沉积物密度值很低，但在很短的时间内，绝缘子表面会由于盐雾的作用由低电导状态转变为高电导状态，引起绝缘子闪络。因此仅通过等值附盐密度和非可溶沉积物密度并不能完全反映当地的污秽程度，建议引入新的参数，如现场等值盐度在海盐污秽较为严重的地区，绝缘子选型方法有两种：一是增大爬电距离，二是使用具有优良的憎水性绝缘子。经研究试验，氟改性硅橡胶在有机硅橡胶的基础上引进了F原子，使其具有了优异的电绝缘性、憎水性、憎水迁移性、耐候性和防污闪等特性，可大大解决污秽地区输变电设备的外绝缘问题。

有机氟聚合物（如聚四氟乙烯）由于其碳氟（C-F）的高键能和特殊的分子结构，在耐高温、抗紫外线耐大气老化、超低表面能憎水憎油、耐溶剂抗腐蚀等方面比有机硅橡胶都更胜一筹。见下表：