半导体防覆冰RTV涂料设计研究

房震宇，陈 飞，孟旭东

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114001)

半导体防覆冰RTV涂料设计研究

房震宇，陈 飞，孟旭东

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114001)

目前输电线路上所应用的绝缘子防污闪的涂料主要是室温硫化硅RTV橡胶涂料。绝缘子涂覆RTV涂料后，不但提高了绝缘子表面的憎水性，其表面积聚的污层也获得不同程度的憎水性，然而当涂层被冰层覆盖后会失去憎水性。基于此，提出在具有一定防冰效果的憎水性基础上，把硅橡胶涂料改性为半导体涂料，其具有憎水特性和半导电特性两大特点，直接涂覆在瓷绝缘子表面即可形成防覆冰涂层。憎水特性可减小冰层与材料表面的粘附力及覆冰密度，并改变覆冰的形态，但不能延缓或防止覆冰。

防覆冰;半导体RTV;憎水性防冰

近年来，全世界各地的输电线路均遭受了覆冰带来的危害。相对电力系统遭遇的其它自然灾害，持续的覆冰气候常带来更严重的后果，轻则发生冰闪，重则导致杆塔倒塌，线路断线，甚至电网瘫痪。如何有效地减少绝缘子上冰闪的发生，阻止绝缘子上冰柱的桥接，提高绝缘子覆冰闪络电压，这些已成为亟需解决的难题［1］。

覆冰对输电线路的危害主要包括［2］:

a.绝缘子串覆冰后相邻伞盘会被冰棱桥接，绝缘子的泄漏距离大大缩短，而且冰水的电导率比较高，极易造成冰闪;

b.输电线路和杆塔覆冰后，超过设计极限机械承重能力，造成断线倒塔事故;

c.导线覆冰后，导线迎风阻力变大，不均匀脱冰引发导线跳跃，造成相间短路故障。

目前输电线路上所应用的绝缘子防污闪涂料主要是室温硫化硅 (Room Temperature Vulcanized，RTV)橡胶涂料。绝缘子涂覆RTV涂料后，可提高绝缘子表面的憎水性，其表面积聚的污层也获得不同程度的憎水性，即涂料具有较好的憎水迁移性［3］。憎水性良好的涂层表面积聚的水分较少，不会形成连续的水膜，然而当涂层被冰层覆盖后失去了憎水性，就与普通瓷绝缘子无异。因此，仅仅利用憎水性防冰很难奏效。本文提出在具有一定防冰效果的憎水特性基础上，把硅橡胶涂料改性成半导体涂料，将这种涂料涂覆在绝缘子表面，涂料固化后形成防绝缘子覆冰涂层。涂层具有优良的憎水特性及半导电特性［4］。

1 半导体RTV涂料防覆冰机理

半导体RTV涂料防覆冰机理如图1所示。

图1 半导体RTV涂料防覆冰机理

半导体硅橡胶具有较强的憎水性，憎水性越强，涂层表面与冰雪之间的粘附力就越小，绝缘子上的覆冰容易脱落。水在憎水性表面存在的形态不是连续的水膜，而是独立的小水珠，而且大部分降落在涂层表面的水珠会自行滑落，大大减少了覆冰量［5］。残留在表面的水珠在0℃以下将会冻结成一个个小冰块，冰块的不断堆积形成冰层。但这些小冰块间存在大量的空气间隙，因此，所形成冰层的密度远远比水膜所形成冰层的密度要小，冰层密度的减小减少了涂层表面的覆冰量［6］。

半导体硅橡胶所形成的涂层具有一定的导电性能，但不会破坏绝缘子的绝缘性，半导电特性使得涂层的防冰效果显著提高。提高其表面泄漏电流，利用电流所产生的焦耳热增加表面发热量，提高表面的温度。表面温度的提高延缓了表面覆冰的形成，如果表面温度能稳定在0℃以上，将能完全阻止覆冰的形成。半导电涂层同时也使绝缘子串上的电压分布更加均匀，减少闪络发生的概率［7］。

2 涂覆半导体RTV绝缘子的发热机理

应用半导体RTV涂层涂覆绝缘子，由于涂层具有半导电特性，因此降低了陶瓷绝缘子两极之间的绝缘电阻，在通电运行时，涂层流过泄漏电流产生焦耳热，提高绝缘子的表面温度。绝缘子本身的陶瓷介质在强电场中也会产生介质损耗发热。在保证绝缘子的绝缘性能条件下，提高绝缘子的发热有利于防止表面覆冰的形成［8］。

绝缘子的总发热量Q主要由4部分组成，可表示为

式中:QC为介质损耗所产生的发热量;QI为瓷体内部穿透性泄漏电流所引起的发热;QS为表面爬电泄漏电流所引起的发热;QT为涂层的发热量，主要为泄漏电流产生的焦耳热。

介质损耗发热QC是指任何电介质在电压作用下都存在的功率损耗，包括有偶极子极化、夹层极化等引起的极化损耗，以及有介质的电导引起的电导损耗。绝缘子的介质损耗发热可表示为

式中:U为绝缘子极间电压;ω为运行频率;Co为绝缘子极间电容;tanδ为介质损耗正切角。

对于陶瓷绝缘子来说，介质损耗角的正切值tanδ约为0.015～0.025，取陶瓷绝缘子的极间电容C=50 pF。正常绝缘子的介质损耗发热较小，并且绝缘子运行时的介质损耗基本不变，可以提高涂层的发热量使得绝缘子的表面温度上升。如果能通过改进涂料的配方调整涂层的发热量，就可以使绝缘子的表面温度保持0℃以上，延缓或阻止覆冰的形成。

绝缘子串中单片绝缘子的简化等效电路如图2所示。绝缘子串中共有n片绝缘子，其中，第i个绝缘子的极间电容为Ci，假设C1=C2=…=Cn=Co。RX为绝缘子等效电阻。

片绝缘子的简化等效电路

根据戴维南定理，如果A、B两点开路，A、B间的电压为第i片绝缘子上的极间电压Ui。当A、B两点短路时，A、B间的阻抗为其余n-1个极间电容Co串联再与Ci并联，等效电容为CD=Ci图3可进一步简化为单片绝缘子的简化等效电路。

单片绝缘子的简化等效电路

则RX=XD。当RX=XD时，即当绝缘子的绝缘电阻等于等值容抗值时，绝缘子的发热功率P达到最大值。

当绝缘子表面涂覆了一层半导体涂层后，相当于并联了1个涂层的等效电阻，另外，RC是介质损耗的等效电阻。绝缘子的等效电阻RX为涂层等效电阻RT和介质损耗等效电阻RC并联。涂覆涂层后单片绝缘子的等效电路如图4所示。

式中:介质损耗等效电阻RC=1/ωCotanδ，正常的陶瓷绝缘子RC为2 000～4 000 MΩ。

涂覆涂层后单片绝缘子等效电路

当洁净的瓷绝缘子表面涂覆了具有半导体特性的防覆冰硅橡胶涂层后，介质损耗等效电阻RC远大于RT，因此RX≈RT。这时绝缘子的发热集中在盘面，提高了绝缘子表面的温度。QT远大于QC。对于1个瓷体完整、表面洁净的涂料绝缘子，QI和QS也远远小于QT。因此，总发热量Q≈QT。涂层的等效电阻是由涂层的体积电阻率决定的，直接决定了QT的大小。因此在涂覆了防覆冰涂层后，涂层的体积电阻率是绝缘子总发热量Q的主要影响因素。

3 结论

本文提出了半导体涂料的防冰机理，其具有憎水特性和半导电特性两大特点，直接涂覆在瓷绝缘子表面即可形成防覆冰涂层。憎水特性可以减小冰层与材料表面的粘附力以及覆冰密度，并改变覆冰的形态，但不能延缓或防止覆冰。涂层的体积电阻率是绝缘子总体发热量的主要影响因素。通过调整涂层的体积电阻率可使绝缘子获得较大的发热量。

半导体硅橡胶的防覆冰作用主要体现在电热效应方面。通过调节导电填料在半导体硅橡胶内的比例及分布，能够对半导体硅橡胶的体积电阻率进行调节，使得绝缘子表面在涂覆半导体硅橡胶并完全固化后，绝缘子表面的泄漏电流被控制在一定范围内变化，从而产生较好的电热效应。如果泄漏电流较小，会因其带来的热效应较弱而不能起到相应的防覆冰效果，但是在泄漏电流较大的情况下，会给电力系统带来严重的电能损耗。所以，需要通过调节半导体硅橡胶的体积电阻率改变流过绝缘子表面的泄漏电流大小，找到临界泄漏电流值，使其既能满足防覆冰方面的需要，还能将电能损耗控制在较低的水平。为了得到临界泄漏电流值，将在进一步工作中对绝缘子表面的电热效应进行评估。

［1］ 孙 羽，王秀丽.冰灾天气下输电网覆冰闪络跳闸风险评估［J］.东北电力技术，2013，34(9):1-8.

［2］ 张宏志.大面积导线覆冰舞动事故的调查与分析 ［J］.东北电力技术，2001，22(12):15-19.

［3］ 丁善昆，王洪福.涂RTV绝缘子的耐污闪能力试验 ［J］.东北电力技术，1996，17(1):44-48.

［4］ 郎振国，刘 良，徐宝臣.通辽地区输电线路发生覆冰舞动原因及对策 ［J］.东北电力技术，2006，27(11):48-52.

［5］ 张红先，陆佳政，彭继文，等.2008～2009年湖南电网覆冰统计分析［J］.湖南电力，2009，29(5):32-35.

［6］ 李 强.2008年雨雪冰冻灾害分析及对电网的启示 ［J］.电力建设，2008，51(6):18-21.

［7］ 陈 松.泸州地区输电线路覆冰的防范与处理措施 ［J］.四川电力技术，2008，22(11):47-54.

［8］ 胡世征.劣化绝缘子的发热机理及热象特征 ［J］.电网技术，1997，41(10):44-46.

Study on the Design for RTV Coatings of Semiconducting Anti Icing

FANG Zhen-yu，CHEN Fei，MENG Xu-dong
(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

At present，the application of insulator anti pollution flashover coating of transmission line is mainly the room temperature vulcanized(RTV)silicone rubber coating.Insulator coated with RTV paint not only enhances the hydrophobicity on the surface of the insulator，but also obtains the hydrophobicity of pollution layer of its surface.The coating loses hydrophobicity when it surfaces covered by ice.This paper puts forward the silicone rubber coating modified into semiconductor coating based on hydrophobicity with antiicing effect which has two characteristics of hydrophobic properties and semi conductive properties.Hydrophobic properties can reduce the adhesion between surface ice and materials，as well as density of ice coating，but not delay or prevent icing.

Anti icing;Semiconductor RTV;Hydrophobic anti icing

TM216

A

1004-7913(2015)11-0031-03

房震宇 (1981—)，男，硕士，高级工程师，从事工程建设、电网运行新材料研究。

2015-09-07)