一种新型表面处理剂提高电气设备外绝缘防污闪性能的应用技术研究

李晓刚，杨翠茹，刘上金，吴 葵，邹新波，陈忠东

（1.广州粤能电力科技开发有限公司，广州 510080； 2.广东电网公司电力科学研究院，广州 510080）

一种新型表面处理剂提高电气设备外绝缘防污闪性能的应用技术研究

李晓刚1，杨翠茹2，刘上金1，吴 葵1，邹新波1，陈忠东2

（1.广州粤能电力科技开发有限公司，广州 510080； 2.广东电网公司电力科学研究院，广州 510080）

本文介绍一种新型的表面处理剂，主要针对运行多年的电气设备外绝缘进行表面处理，提高其表面性能，以提高其防污闪能力。该表面处理剂能够在清洁表面污秽的同时，提高外绝缘表面的防污闪性能。对于瓷或玻璃绝缘子，本研究通过表面处理以提高其憎水性和自清洁能力。对于硅橡胶材料制品（复合绝缘子、防污闪涂层、硅橡胶套管等），特别是憎水性减弱或丧失的硅橡胶制品，本研究通过表面处理以提高其憎水性和自清洁能力，从而提高其防污闪能力。

表面处理；憎水性；自清洁；防污闪

引言

运行中的电气设备长期裸露在污秽的大气中，其外绝缘表面（瓷、玻璃、复合绝缘子、防污闪涂层、硅橡胶套管等）将逐渐积聚污秽，在潮湿气候条件下，污秽被湿润，表面导电性增强，泄露电流增大，使绝缘闪络电压降低，引起绝缘表面闪络，故积污、受潮是影响电网设备安全运行的主要隐患[1-6]。因此从限制积污、受潮角度来进行限制以提高其防污闪能力。对于瓷或玻璃绝缘子，本研究通过表面处理以提高其憎水性和自清洁能力。对于硅橡胶材料制品（复合绝缘子、防污闪涂层、硅橡胶套管等），特别是憎水性减弱或丧失的硅橡胶制品，本研究通过表面处理以提高其憎水性和自清洁能力，进而提高其防污闪能力。

本文将介绍一种新型的表面处理剂，该表面处理剂为低表面能、具有自清洁功能和良好憎水性涂层的多功能新型材料，以含氟基团〔-(CF2)CF3〕和含羟基硅树脂作为成膜物质，利用氟材料表面能低、摩擦系数小、耐沾污性、耐化学品性、耐腐蚀性和有机硅材料良好的耐老化性能、绝缘性能、憎水性等性能。运用核壳工艺，采用无机纳米材料来杂化高分子材料，并辅与一定的助剂和有机溶剂的混合物制备而成。该表面处理剂有良好的去污清洁功效，可在处理过的物体表面形成一层纳米级的涂层，而产生“荷叶效应”。

1 试验

1.1 憎水性和憎水迁移性

为了观察本文介绍的新型的表面处理剂（RS）的憎水性和憎水迁移性能，特设计如下试验：

试片准备：①HTV硅橡胶片（东莞市高能电气股份有限公司提供）（记为HTV），②喷涂RTV涂料（河北硅谷化工有限公司）的玻璃片（记为RTV），③喷涂RS的玻璃片（记为RS），④HTV硅橡胶片上涂敷RS（记为HTV+RS），⑤喷涂RTV涂料的玻璃片上涂敷RS（记为RTV+RS），⑥老化后的HTV硅橡胶片上涂敷RS（记为HTV（Aging）+RS），⑦老化后的RTV硅橡胶片上涂敷RS（记为RTV（Aging）+RS），涂污：按照NSDD为0.5mg/cm2硅藻土，ESDD为0.1 mg/cm2NaCl进行定量涂污。

图1为清洁试片表面憎水角大小，从测试结果可知，RS憎水性与RTV相当，稍强于HTV；RS涂刷在清洁HTV试片后可以明显提升其憎水性，但是对RTV影响不明显，基本与原状相当；HTV+RS、RTV+RS试片表面憎水性与只涂敷RS的表面憎水性相当，说明RS覆盖的硅橡胶表面，其表面极性以及表面形态由RS决定，硅橡胶对表面性态影响较小。这是因为RS材料低表面能以及荷叶表面形态是造成憎水性改善的主要因素。

图1 清洁试片表面憎水角

图2为不同材料表面染污后表面憎水角变化情况，从图中可知：

1）憎水迁移性能：RTV ＞ HTV ＞ RTV+RS ＞ HTV+RS＞ RS；

2）对比清洁试片表面憎水性同迁移之后憎水性发现，RTV、HTV发生明显憎水迁移，其憎水性由于硅橡胶内部非极性低分子量硅橡胶链（LMW）覆盖在凹凸不平的污秽表面造成的荷叶效应使得污秽表面憎水性明显增强。RTV憎水迁移性能强于HTV是因为HTV内部偶联程度相对较高，对LMW的迁移有一定的阻碍；

3）覆盖有RS的硅橡胶表面也发生了憎水迁移，但是迁移程度减弱，可以认为RS阻碍了硅橡胶对污秽的憎水迁移。同时与清洁试片表面对比发现憎水性基本相当，适当减弱。这一现象机理上可以从系统能量最小化以及凝聚与吸附理论进行解释：迁移减弱一方面可以认为是由于RS具有相对较低表面能且与硅橡胶直接接触，LMW向RS迁移强度较之污秽减弱。同时从物质结构层面来说，RS为氟硅材料，内部构成较为致密，活性较低，本身不含有活性小分子物质，因此对LMW的迁移造成一定的阻碍作用；

图2 各材料表面染污后表面憎水角变化情况

4）RS没有发生憎水迁移，即污秽并未获得憎水性，并且积污试片表面憎水性相较清洁状态减弱，究其原因在于试片表面被亲水性的污秽所覆盖，其憎水性的恢复依赖于污秽的干燥以及RS表面存在的集灰效应。

1.2 滚动角测量及自清洁效果分析

通过不同绝缘表面污秽的滚动角测量，以分析不同绝缘表面与污秽结合力的大小，进而比较不同绝缘表面的自清洁效果，并对自清洁的机理进行解释。

1.2.1 滚动角测量

本试验中的滚动角定义为：憎水性材料表面水珠开始发生滚动所对应的材料倾斜角，如图3所示。

本试验中测量了不同绝缘表面在清洁状态、染污迁移前以及经过5天憎水迁移之后的滚动角，测量结果如图4所示。

由此可以得出：

1）洁净状态下除RTV（5.8°）以外其他试片滚动角相当（23°左右），说明被RS覆盖的试片表面其憎水性由RS决定，基底材料几乎不造成影响。另外RTV明显极小的滚动角说明其憎水性更强，水珠更易脱落。

图3 滚动角定义

图4 滚动角测量结果

2）染污后迁移前滚动角整体增大，说明亲水性污秽的存在阻碍了水珠的滚落。这主要是因为此时水珠更多是以滑动的方式包裹着亲水性污秽下行，污秽完全被包裹于水珠当中（如图5所示），水珠中污秽量随其下行而逐渐增多（集灰效应自清洁过程），因此滑行阻力增大，滚动角增大。

3）憎水迁移之后的硅橡胶材料表面滚动角明显下降，这是因为污秽获得了憎水性，试片表面由于荷叶效应，憎水性增强。另外，由于憎水性污秽无法被水珠包裹，而是粘覆在水珠外表面，因此水珠下行过程中集灰效应减弱，来自污秽的阻力下降。同时水珠此时外表面包裹有憎水性污秽物质，其下行方式由原来的滑行变为滚动下行，并且沾有憎水性污秽的水珠表面能下降，同试片之间结合力减弱。

1.2.2 自清洁效果

在上一试验中分别测量了憎水迁移前后染污试片表面滚动角，在这一过程中水珠的下滑会将路径中的部分污秽包裹带走，这就是试片通过水珠滑落实现的一个自清洁过程，下面就各试片表面污秽在憎水迁移前后的自清洁效果进行对比评价。

由图6可以看到，在老化的RTV表面涂敷RS后，其自清洁效果更好，也说明RS更适合用于老化的RTV的表面修复。

图5 集灰效应

由图7可以看到，在玻璃表面涂敷RS后，其自清洁效果更好，说明RS对于玻璃表面的自清洁效果更佳。

通过观察可以发现：

1）各试片憎水迁移之前自清洁性能基本相当，表面污秽清洁后基本没有残留，其中正常RTV的清洁效果最差，分析认为原因在于RTV中LMW活性强，憎水迁移发生较快，因此粘附了相对较多污秽。

2）憎水迁移之后试片自清洁性能均有下降，老化RTV+RS及玻璃+RS迁移后自清洁能力基本与迁移之前相当。可以看出迁移后自清洁能力基本上同试片憎水迁移能力负相关，这说明自清洁性能的变差以及污秽的积累是由于憎水迁移使得污秽获得憎水性，增大了其同试片之间结合力，同时荷叶状表面憎水性增强，憎水性污秽无法被水珠包裹，而是轻轻粘接在水珠外表面，因此水珠下行过程中清洁效应减弱。同时水珠此时外表面包裹有憎水性污秽物质，其下行方式由原来的滑行变为滚动下行，并且沾有憎水性污秽的水珠表面能下降，同试片之间结合力减弱，使得来自污秽的阻力下降，水珠快速滚落，清洁效果进一步恶化。

图6 染污RTV及老化RTV涂覆RS表面迁移前后自清洁效果

图7 染污RS、玻璃表面迁移前后自清洁效果

3）老化RTV+RS表面无论从憎水迁移性还是自清洁方面均与玻璃+RS相当，因此可以近似认为严重老化的RTV表面经RS清洁之后，在短期之内其表面属性表现为RS的自清洁性能，可以实现对其绝缘性能的提升。但是随着时间的推移，老化硅橡胶仍然能够表现出憎水迁移性，而憎水迁移的发生将使得具有憎水性污秽覆盖于RS表面，原有表面属性将会发生变化，并最终转向完全依赖憎水迁移性来实现防污闪。但是相比较原先依靠酒精清洁老化绝缘子而言，RS可以延缓污秽的二次积聚，并且F-Si高键能结构也能对硅橡胶起到一定保护作用，提升其抗老化性能。

经过上面的分析可知，现场中观察认为硅橡胶易沾灰并非由于硅橡胶迁移前在极性以及表面能等方面同污秽结合力大，这点可以从滚动角测量结果看出，在未发生迁移时硅橡胶表面滚动角较小，并且自清洁效果与RS相当，且优于玻璃。

2 对运行的绝缘子表面进行处理

1）对于复合绝缘子：施工时，先用毛巾或抹布先对瓷绝缘子表面进行常规清洁。必须保证被施工设备的表面处于干燥状态，用干净的毛巾或抹布沾多功能绝缘子防护剂RS对绝缘子进行表面处理，沾多功能绝能绝缘子防护剂时，以打湿毛巾或抹布为宜。

图8、9为对复合绝缘子进行表面清洁处理的过程及结果，图10为处理前后的表面憎水性状态。

图8 对复合绝缘子进行表面清洁处理

2）对于玻璃或瓷绝缘子：施工时，先用毛巾或抹布先对玻璃或瓷绝缘子表面进行常规清洁；必须保证被施工设备的表面处于干燥状态，用干净的毛巾或抹布沾多功能绝缘子防护剂RS对绝缘子进行表面处理，沾多功能绝能绝缘子防护剂时，以打湿毛巾或抹布为宜；或采用自喷灌包装的多功能绝缘子防护剂RS对绝缘子进行表面喷涂处理。可以进行两遍的施工（抹涂或喷涂），以达到更好的效果，如图11表明，处理后憎水性等级达到HC1级。

图9 处理前后表面对比

图10 处理前后的表面憎水性状态

3 结论

RS表面具有较强的憎水性，涂敷RS的硅橡胶表面，其表面极性以及表面形态由RS决定，因此也具有较强的憎水性，这一特征决定RS可用于憎水性减弱或丧失的硅橡胶制品的表面改性，以提高表面憎水性。

通过RTV+RS表面污秽憎水性以及HTV+RS表面污秽憎水性试验可以发现，在二者表面的污秽中均有憎水性物质迁移出来，也说明RS涂敷在RTV或HTV表面，并没有使硅橡胶的憎水迁移性能丧失，但是减弱了憎水迁移的速度。但是与硅橡胶表面相比，涂敷RS后的表面具有了自清洁能力。RS更适合于老化的HTV以及RTV的表面憎水性丧失的情况，RS的涂敷将有助于绝缘表面重新具有憎水性，且有自清洁能力。

通过RS表面污秽憎水性发现，RS具有憎水性，但不具备憎水迁移性，涂敷在玻璃绝缘子上，虽然没有憎水迁移能力，但能够提高表面憎水性，而且表面还具有了自清洁能力。

[1] 关志成，王绍武，梁曦东，王黎明，范炬. 我国电力系统绝缘子污闪事故及其对策[J].高电压技术, 2000, 26(6): 37-39.

[2] 李宝泉，王伟. 输变电设备综合性防污闪措施[J].河北电力技术, 2002, 21(2): 33-36.

[3] 陈原，张章奎，岳乔. 以RTV涂料作为永久性反污措施的可行性研究[J].华北电力技术, 2001, 12: 3-4.

[4] 吴光亚，蔡炜．复合绝缘中存在及研究的问题[J].高电压技术, 2000, 26（4）：25-27.

[5] 贾志东，关志成. 室温硫化硅橡胶涂料的老化性能及寿命分析[J] ．高电压技术，1997，23（3）：56-58.

[6] 汪涛，马建国，张致，等．室温硫化硅橡胶防污涂料使用寿命的试验研究[J].电网技术，1999， 23（4）：19-20.

Study on the Novel Surface Treatment Agent Improving the Capacity of Antipollution Flashover of Outdoor Insulation of Electrical Equipments

LI Xiao-gang1，YANG Cui-ru2, LIU Shang-jin1, WU kui1, ZOU Xin-bo1，CHEN Zhong-dong2
（1. Guangdong Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangzhou 510080；2. Guangdong Grid Electric Power Research Institute, Guangzhou 510080）

This paper introduces a novel surfacet reatment agent, which is used to treat the surface of outdoor insulation of electrical equipments. The technology to improve the capacity of anti pollution flashover was resear ched as a novel measure of anti pollution flashover. The sur facet reatment agent can clean the surface contamination and improve the capacity of anti pollution flashover at the same time. For porcelain or glass insulators, the novel surface treatment agent can improve the surface hydrophobicity and self-cleaning capacity. For the silicone rubber products (e.g., composite insulators, anti pollution flashover coating, silicone rubber casing, etc.), especially, for the silicone rubber products whose hydrophobicity had weakened or lost, the surface hydrophobicity and self-cleaning capacity were improved after treating the surface, so that the capacity of anti pollution flashover was improved.

surface treatment; hydrophobicity; self-cleaning; anti pollution flashover

TM89;TQ340.6

A

1004-7204（2014）03-0011-05

李晓刚(1979—)，男，本科，工程师，研究方向为高电压试验技术及外绝缘技术。