高湿度地区配网带电作业绝缘工器具的憎水涂层研究

高湿度地区配网带电作业绝缘工器具的憎水涂层研究

曾志添 邹祁武 祝炳炎 马大亮 劳国威 宁文保 邓子成 何智远

清远市电创电力工程安装有限公司 广东 清远 511517

摘要：配网带电作业用绝缘工器具的表面状态对其泄漏电流和沿面放电具有重要影响，目前纳米技术和材料改性技术在增强绝缘材料表面性能方面得到了广泛应用，本文采用纳米超疏水涂料对绝缘操作杆、绝缘板和绝缘遮蔽罩等不同材质的带电作业工器具表面进行处理。结果表明：超疏水性涂层对环氧树脂和聚乙烯等绝缘工器具的表面憎水性都有明显的改进作业，可为带电作业工器具在潮湿条件下的应用提供参考和依据。

关键字：带电作业工器具 纳米超疏水涂料 憎水性

引言

目前我国全社会用电量已居世界首位，配电网建设投入不断加大，配电网发展取得显著成效，但用电水平相对国际先进水平仍有差距，城乡区域发展不平衡，供电质量有待改善。10kV配网带电作业是减少计划停电和提升供电可靠性的重要技术手段^[1]，可有效提高用电服务质量，目前在广东电网得到了广泛应用，如2016年清远供电局开展带电作业11374次，户均平均停电时间为195分钟，而美国、德国等发达国家近几年的户均停电时间大约在20分钟~80分钟左右。

随着带电作业的蓬勃开展，配网带电作业的设备结构紧凑，作业空间狭小，对作业工器具、人员素质以及环境等都提出了严格的要求，在我国南方地区，局部地区天气状况多变，在作业过程中遭遇降雨等状况常有发生，对人员和设备的安全带来了潜在威胁。

高湿度和降雨不仅会影响到空气间隙的绝缘强度，对绝缘工器具的沿面放电电压有重要影响，特别是绝缘工器具表面存在污秽时，绝缘强度下降尤为明显，甚至闪络、击穿，直接危及带电作业人员的人身安全和设备安全。因而国内外的一些带电作业标准和规范中对绝缘杆类工器具的吸水性和淋雨试验都有相关的试验要求，一般主要考虑泄漏电流水平和淋雨条件下的沿面闪络电压。胡毅等^[2]针对蚕丝绝缘绳耐潮性能差,研制出了在干燥、潮湿两种状态下都具有良好的电气绝缘性能聚乙烯防潮阻燃绝缘绳，耐各种恶劣气候,性能好,经改性后提高了阻燃性；郝旭东等^[3]针对带电作用绝缘绳索受潮问题 ,对天然蚕丝、锦纶和高强(TBO)丝进行表面处理 ,使绝缘绳具有良好的防潮功能；杨骥仁等^[4]则提出利用硅橡胶材料的憎水性和密封性来包覆带电作业工器具来提升防潮和雨雾条件下的绝缘特性；胡水莲^[5]等和方华等^[6]，通过绝缘操作杆加硅橡胶护套和伞裙来提升绝缘操作杆在淋雨条件下的泄漏电流水平，确保不超过1mA。目前采用硅橡胶和纳米技术对绝缘工器具表面处理是改进绝缘工器具表面绝缘性能的重要技术手段。针对目前高湿度和多降雨地区，带电作业工器具的电气性能急剧下因此，绝缘工器具表面的绝缘状态及其憎水性对沿面放电具有重要影响，研制一种具有清洁和涂抹功能的超疏水性涂料具有重要意义。本文通过对比不同憎水性涂料对带电作业绝缘工器具表面憎水性的影响，评估新型超疏水性涂料在带电作业绝缘工器具防雨性能提升中的应用的可行性。

样品及憎水性测试方法

试品情况

试验所用ZXL-CSS超疏水型纳米自清洁涂料, 如图1所示，该产品为无色透明液体，牢固度高，无毒无污染，在经处理的物体表面形成一层高密度稳固的纳米超疏水透明薄膜。试验用绝缘子遮蔽罩为聚乙烯等类绝缘工器具，试验用绝缘板和绝缘操作杆均为环氧树脂类绝缘工器具。

图1 超疏水纳米涂料 图2 绝缘子遮蔽罩

图3 绝缘操作杆 图4 绝缘板

试品处理方法

将足够的液体倒在高韧性的无纺布上，从上到下均匀擦在试品表面。将试品放置在光线较好的地方，待纳米自清洁涂料薄膜干燥后使用，放置24小时后进行憎水性测试。其中图4试验所用绝缘板，为了便于对比，对同一环氧树脂板，对其左边和右边分别进行了不同的喷涂操作。左边薄层表示对其喷涂三层厚度的疏水性涂层，右边厚层表示对其喷涂六层的疏水性涂层。在喷涂的试品晾干24h后，分别对绝缘操作杆，绝缘子遮蔽罩，绝缘板表面采用喷壶进行喷水分级法试验。

憎水性测试方法

憎水性的测试方法主要有喷水分级法和静态接触角法^[7]。喷水分级法是瑞典STRI提出的一种被简单且被广泛应用的憎水性测试方法，其具体方法是：用普通喷壶对试品表面喷洒水雾，观察试品表面水珠的分布情况，利用分级判据，对比标准图片，得出试品的憎水性。具体来讲，喷水分级法将材料的憎水性分为为HC1～HC7七个等级，其中HC1级对应憎水性最好的状态，HC1～HC3为憎水性状态，HC4为中间过渡状态，HC5～HC7为亲水状态，HC7则对应完全亲水性的表面。憎水性分级标准如表1所示。

表1 憎水性分级标准

静态接触角法是通过测量固体表面平衡水珠的接触角来反映材料表面的憎水性状态的方法，可通过静态接触角测量仪器、测量显微镜或照相的方式来测量静态接触角的大小。测试时，将一个水滴滴在表面水平的复合绝缘材料上，在空气、水和复合绝缘材料的交界点做水滴表面切线，该切线与绝缘材料表面的夹角 即为静态接触角。通常认为：静态接触角大于等于90°时，表面呈憎水性，而当静态接触角小于90°时，表面呈亲水性。该方法需要严格的试验环境，所用试品为平板样品，并且在用于粗糙或被污染的表面憎水性的评价时，接触角会有明显的迟滞现象。

因此本文选择喷水分级法展开试验，通过涂有纳米超疏水性涂料后水珠的形状来判断憎水性的变化。

试验结果及分析

有无层涂层对绝缘工器具憎水性能的影响

（a）有涂层表面 （b）无涂层表面

图5遮蔽罩表面有无涂层憎水性对比

（a）有涂层表面 （b）无涂层表面

图6 绝缘操作杆表面有无涂层水滴形状

由图5试验结果：在无涂层的表面进行憎水性试验，憎水性等级为HC4,表面存在分离的水珠和水膜，为中间过渡状态；在有涂层的表面进行憎水性试验，憎水等级为HC2，表面仅存在分离的水珠，达到憎水性状态，憎水等级明显得到提升。

由图6试验结果：无涂层的绝缘操作杆表面水滴已经铺展开来，接触角较低，而在有涂层的表面水珠很圆，呈现较高的接触角，达到超疏水状态。

因为纳米尺寸［（1~100）×10^-9m］凹状表面可以吸附气体分子，这就形成纤维表面和聚乙烯表面的气体隔离层，使水和潮气无法跟纤维表面和聚乙烯表面接触，一旦接触，由于水本身的张力作用立即形成“珠”或由“珠”滚成“球”急速溜出表面，无法在纤维表面和聚乙烯表面铺展、浸润，即使压浸在水深30cm的水下15min保持良好的防水性能，显现出极其优异的憎水防潮性能。

不同涂层厚度对绝缘工器具憎水性能的影响

（a）薄层憎水性 （b）厚层憎水性

图7 绝缘板不同厚度涂层的憎水性

由图7试验结果：在不同厚度涂层的表面进行憎水性试验，薄层的憎水性等级为HC3，而厚层的憎水性等级为HC1，喷有超疏水性涂料的绝缘板表面的水珠存分散状且无水膜存在，且随着涂层厚度的增加憎水性能也随着增加，呈现较高的静态接触角。因此对绝缘板表面喷有疏水性涂料可以提高其表面的憎水性等级。

由于绝缘工器具表面存在一些微型的加工缺陷、毛刺或刮伤，这些因素都会改变材料的表面能，导致材料的憎水性降低。而涂层的厚度大于这类缺陷时，绝缘工器具的憎水性就会逐渐增加，并且会逐渐趋近饱和。

结论

超疏水性涂层的厚度对绝缘操作杆、绝缘板类工器具表面增水性的改进有重要影响，涂层越厚，憎水性改进效果越好；

超疏水性涂层对环氧树脂和聚乙烯等绝缘工器具的表面的水珠分布分散且无水膜存在，呈现较高的静态接触角，有效改善了绝缘工器具表面憎水性；

采用防水防潮防霉类超疏水性涂层，对乙烯类和环氧树脂类绝缘工器的表面喷有疏水性涂料可以提高其表面的憎水性等级，可以有效提升带电作业工器具的绝缘性能。

参考文献

[1] 胡毅,刘凯,彭勇,等.带电作业关键技术研究进展与趋势[J].高电压技术,2014,40(07):1921-1931.

[2] 胡毅.带电作业用防潮阻燃绝缘绳的研究[J].中国电力,1993(07):45-48.

[3] 郝旭东,岳乔,王国春.带电作业用防潮绝缘绳的研制[J].东北电力技术,2003(10):17-19.

[4] 杨骥仁.硅橡胶材料在带电作业工具中的应用[J].高电压技术,1993(03):96.

[5] 胡水莲,陈伟明,张锦秀.带电作业防雨操作杆的研制[J].上海电力,2006(02):213-215.

[6] 方华,苏伟,周军,等.10kV配电线路雨天带电临时搭接引线[J].电世界,2011,52(10):4-6.

[7] 许竟,高波,宋臻杰,等.不同环境因素对复合绝缘子憎水性影响的研究[J].高压电器,2018,54(02):103-109.