复合绝缘子伞裙表面粗糙度对其憎水性影响研究

赵新泽　鲜于文玲　赵美云　杨志成

(三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌　443002)



复合绝缘子伞裙表面粗糙度对其憎水性影响研究

赵新泽鲜于文玲赵美云杨志成

(三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：复合绝缘子表面憎水性是影响其抗污闪性能的重要因素．本文针对伞表面裙粗糙度对其憎水性的影响进行了理论分析，并采用化学腐蚀和物理打磨试验的方法进一步研究了粗糙度对憎水性的影响．结果表明：腐蚀介质会引起绝缘子表面粗糙度的变化，从而导致伞裙憎水性能的改变；表面粗糙度与表面组织结构均对伞裙表面的憎水性能有明显的影响，且在一定的范围内，表面粗糙度是主要影响因素．

关键词：复合绝缘子；伞裙；粗糙度；憎水性

高温硫化硅橡胶复合绝缘子的诞生，打破了只有有机材料(陶瓷、玻璃)才能制备绝缘子的现状，因此越来越多的研究者开始研究复合绝缘子的性能．与传统的瓷、玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有重量轻、强度高、耐污闪能力强、制造维护方便等优点[1]，因此被广泛应用于电力输电线路上．

目前我国挂网运行的复合绝缘子已超过600万支(折算成110 kV)，已成为世界上使用复合绝缘子数量最多的国家[2]．但是复合绝缘子在长期运行过程中，由于受电场、紫外线、污秽物等影响，会逐渐老化，导致其憎水性能下降甚至丧失．同时，复合绝缘子的老化会降低污闪电压阈值，增加污闪机率，降低电力系统运行的可靠性[3-4]．

目前，对复合绝缘子伞裙憎水性的研究主要侧重于以下几个方面[5-8]：憎水性的测量方法；运行环境对憎水性的影响；憎水性与污闪之间的关系等．然而，关于伞裙表面微观结构对憎水性影响的研究相对较少．本文通过复合绝缘子伞裙老化试验及粗糙度模拟试验来研究伞裙表面微观结构对憎水性的影响，并采用扫描电子显微镜对伞裙表面微观形貌进行观测和分析．

1理论基础

水滴在固体平面铺展开来时，在3个界面张力作用下达到平衡，并保持一定的形状．其平衡方程为：

(1)

式(1)就是著名的Young方程，其中：δgs，δgl和δls分别为气固相、气液相和液固相的界面张力．Young方程中的接触角是假定固体表面平坦、光滑、化学性质均匀且没有接触角滞后效应，同时认为交界处的线张力可以忽略不计的理想状态下的接触角[9]．

在理想条件下，Young方程是成立的，能够解释三相接触问题，其接触角反映了固体的本质特征，是唯一的，叫做本征接触角．然而对实际表面而言，由于平整度不同、表面粗糙度不同、化学一致性不同，其接触角并非唯一值，而是在两个稳定的角度之间．测量过程中，随着水滴体积的持续增大，水滴和表面交界处的接触线产生平移．刚开始移动时的接触角即为前进接触角θa，如图1(a)所示．增大完成后，水滴的体积开始减小，减小到不动时，水滴和表面交界处的接触线会发生回缩，刚开始回缩时的接触角称为后退接触角θr，如图1(b)所示．

图1　接触角测量加减液滴图

将一定质量水滴滴于粗糙固体表面，达平衡时，接触角为θ；当加入少量水，固-液-气三相接触线保持不变，接触角增大到θ1；反之如果抽取少量的液体，固-液-气三相接触线依然保持不变，但是接触角减小到θ2，如图2所示．此时3种状态的力学平衡为：

图2　接触角的随液滴体积变化

这明显与实际不符．因此在固-液-气三相的接触线上引入一个新的附加张力f，它是由粗糙表面引起的，具有静摩擦力的性质，大小和方向均会变化．当接触角刚好等于Young接触角时，f=0；当接触角大于Young接触角，f和δsl方向一致且f必须小于fmax(当θ1=θa时，取f=fmax)；当接触角小于Young接触角，f和δsg方向一致且必须大于fmin(当θ2=θr时，取f=fmin)．则此时的状态满足力学平衡条件为：

但是当水滴在固体表面的接触角大于θa或者小于θr，系统的自由能没有达到最小值，因此接触角会自动变化，固体表面的铺展面积随之改变，达到前进接触角或者后退接触角．

由以上分析可知，对接触角的影响不仅取决于附加张力f，也取决于液体和固体表面的性质，更取决于二者之间的相互作用．但是在实际硅橡胶伞裙的接触角测量过程中，除由粗糙表面引起的附加张力f外，同一材料试样中的其他因素均为定值．本文采用接触角来表征材料表面的憎水性，探究绝缘子表面粗糙度对其憎水性的影响，其结果将对生产复合绝缘子厂家提供一定的指导意义．

2试验与测量

2.1试验方案

2.1.1伞裙腐蚀试验

实际服役的绝缘子长期遭受酸碱的侵蚀，因此在试验中，选取pH=2、pH=4、pH=7、pH=9、pH=11五种比较典型的酸碱值，来模拟复合绝缘子实际运行的环境，分别采用H2SO4、NaOH和NaCl与纯净水按不同比例进行配制得到．然后从全新的复合绝缘子伞裙上取下3 cm×3 cm×0.5 cm的伞裙样片，用酒精擦拭干净后，分别浸泡在配制好的溶液中，浸泡时间为8 d，试验温度为25℃，在标准大气压下进行，具体的试验方案见表1．

表1　复合绝缘子腐蚀老化试验方案

2.1.2伞裙片表面打磨试验

粗糙度是固体表面微观结构的外在体现，粗糙度的改变会导致表面憎水性的变化．本文通过砂纸打磨伞裙片，制作出与腐蚀试样表面粗糙度值近似的试样，比较腐蚀试验与打磨得到的试样接触角，分析表面粗糙度对憎水性的影响．

首先，测量腐蚀试验后的试样表面粗糙度．然后通过手工打磨的形式，采用400、800、1 200 3种目数砂纸对全新的复合绝缘子表面进行打磨．其中，400目的砂纸用于粗磨，800目的砂纸用于细磨，1200目的砂纸用于精磨．打磨过程中通过不同目数的砂纸以及打磨的周期次数来改变伞裙表面的粗糙度．为了与腐蚀试验试样的粗糙度一致，采用逐步逼近的方式，每打磨10次进行一次粗糙度的测量，直到与腐蚀试验的试样粗糙度一致．

2.2试验测量

2.2.1憎水性测量

将腐蚀后所得试样表面用酒精清洁后，置于恒温真空干燥箱中干燥24 h，采用JY-PHB型接触角测量仪测量θa、θr．为保证测量结果的准确性，在每个样片上选5个点进行测量，结果取平均值．

2.2.2表面粗糙度测量

采用表面轮廓法测量表面粗糙度．采用TR110A的接触式测量设备，在每个样片选取5个点进行测量，结果取平均值．试验中，取样长度l=800 μm，评定长度ln=5l．

3试验结果及分析

3.1憎水性分析

对腐蚀试验后的试样采用接触角测量仪测量其动态接触角，测量结果见表2．

表2　不同pH值下的动态接触角

从表2可知，当pH=7时，θa=119.5°，θr=27.9°，接触角明显要大于其他pH值的接触角，即对应的憎水性能最好．这说明酸、碱性溶液对伞裙表面的腐蚀导致了憎水性的降低．

3.2伞裙表面粗糙度与憎水性分析

对化学腐蚀后的伞裙试样进行表面粗糙度Ra测量，测量数据见表3．

表3　化学腐蚀伞裙试样粗糙度与憎水性

从表3中可知，pH=7时，前进角与后退角均最大，而对应的粗糙度最小．在粗糙度Ra<12.31 μm时，接触角越大，对应的粗糙度越小．而在粗糙度Ra>12.31 μm以后，接触角与粗糙度不再满足此关系．

为进一步分析粗糙度与憎水性的关系，对物理打磨后的伞群试样进行憎水性测量，测量数据见表4．

表4　物理打磨伞裙试样粗糙度与憎水性

将表3与表4绘成曲线图，如图3所示．从图3可以看出，当粗糙度Ra<12.24 μm时，接触角随着物理打磨伞裙试样表面粗糙度的增大而减小，其验证了腐蚀试验中伞裙表面憎水性的下降是由粗糙度变化引起的．当粗糙度Ra>12.24 μm时，接触角与粗糙度也不再满足此关系．但是对于物理打磨和化学腐蚀的伞群试样，粗糙度接近时，憎水性却存在差异，这是由于它们表面组织结构不同．

图3　不同粗糙度下的接触角°

分析认为在粗糙度Ra<12.31 μm时，对憎水性的影响以粗糙度为主，因此粗糙度增大，憎水性下降；在粗糙度Ra>12.31 μm时，对憎水性的影响则以表面组织结构为主，导致了憎水性与粗糙度不再符合上述规律．

3.3表面形貌分析

用SEM分别对化学腐蚀后和物理打磨后的5个伞裙片进行表面形貌分析，如图4所示．

图4　化学腐蚀(左)和物理打磨(右)伞裙表面形貌

从图4中可以看出图4(a1)试样表面相对平整，表面粗糙度小，水滴不易浸润，故其憎水性能最好．与图4(a1)相比较，图4(b1)表面出现了少量的孔洞和凸起，表面粗糙度增大，水滴的浸润性变好，从而降低了其憎水性；图4(c1)表面分层比较明显，且伴有大量微小突起和孔洞，从而憎水性也进一步降低．图4(a2)、(b2)和(c2)表面变化趋势与图4(a1)、(b1)和(c1)一致，都表现为粗糙度增大，憎水性降低．图4(d1)和(e1)的憎水性没有随着粗糙度的增大而降低，这与其表面组织结构有关．图4(d1)表面出现片状分层，每层片状结构面积相对较大，因而局部区域光滑平整，因此导致其憎水性有了一定程度的上升；其中图4(e1)表面出现不规则的细条状凸起，尺寸大小不一，从而相对图4(d1)，其憎水性又出现一定程度的下降．同样，图4(d2)和(e2)的憎水性也没有随着粗糙度的增大而降低，图4(d2)表面凸起和凹坑分布均匀，且凸起相互连接，从而导致局部比较平整，因而导致其憎水性加强；图4(e2)表面凸凹不平，粗糙度明显增大，且整体形貌疏松多孔，此结构易吸纳水滴，因此其憎水性又出现下降．

4结论

本文通过化学腐蚀以及物理打磨试验分别对伞

裙表面进行处理，对处理后的试样进行粗糙度和接触角测量，同时采用扫描电子显微镜对试样的表面形貌进行分析，得出以下结论：

1)不同pH值的腐蚀介质均会影响复合绝缘子伞裙的憎水性；相对于中性腐蚀介质，酸性和碱性腐蚀介质会降低伞裙的憎水性．

2)伞裙表面粗糙度和形貌均会影响其憎水性，在粗糙度小于某一临界值时，伞裙表面粗糙度是影响憎水性的主要因素，粗糙度越大，憎水性越差；当粗糙度超过某一临界值时，伞裙表面形貌是影响憎水性的主要因素．

参考文献：

[1]关志成，彭功茂，王黎明，等．复合绝缘子的应用及关键技术研究[J]．高压技术，2011，37(3)：513-519．

[2]汪沨，张盈利，李锰，等．高压直流复合绝缘子空间电荷积聚的仿真[J]．高压电器，2014，50(10)：9-14．

[3]Ali M， Hackam R． Recovery of Hydrophobicity of HTV Silicone Rubber after Accelerated Aging in Saline Solutions [J]． IEEE Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(3)： 842-852．

[4]刘毓，蒋兴良，舒立春，等．复合绝缘子伞裙结构特征参数对其冰闪特性的影响[J]．电工技术学报，2014，29(8)：319-326．

[5]徐志钮，律方成，赵鹏，等．拟合方法用于硅橡胶静态接触角的测量[J]．高电压技术，2009，25(10)：2475-2480．

[6]徐志钮，律方成，张翰韬，等．影响硅橡胶静态接触角测量结果的相关因素分析[J]．高电压技术，2012，38(1)：147-156．

[7]白欢，胡建林，李剑，等．应用动态接触角评判复合绝缘子憎水性等级的研究[J]．高电压技术，2010，36(12)：3021-3027．

[8]王成江，李如锋，郝为，等．电瓷绝缘子破损对整串场强电位分布的影响研究[J]．三峡大学学报：自然科学版，2013，35(6)：54-58．

[9]胡世豪，梁金生，孙冬燕，等．表面自由能对陶瓷釉面易洁性的影响[J]．硅酸盐学报，2008，36(9)：1282-1287．

[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-09-25

基金项目：国家自然科学基金“力场-电场-腐蚀介质联合作用下复合绝缘子的损伤机理与寿命评估”(NO:51475264)

通信作者：赵新泽(1962-)，男，教授，博士生导师，研究方向为摩擦学．E-mail： xzzhao@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.017

中图分类号：TH14

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0085-04

Study of Effect of Umbrella Skirt Surface Roughness on Hydrophobicity of Composite Insulator

Zhao Xinze Xianyu WenlingZhao MeiyunYang Zhicheng

(College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractComposite insulator with good hydrophobicity is an important reason to reduce insulator flashover. In this paper, the effect of the surface roughness of the umbrella skirt on its hydrophobicity is studied with theoretical analysis and the test of chemical corrosion and physical grinding. The results show that the corrosive medium causes the change of the surface roughness of the umbrella skirt, so as to change its hydrophobicity. The surface roughness and the structure of the umbrella skirt have obvious influence on its hydrophobicity; and within a certain range, the surface roughness is the main factors.

Keywordscomposite insulator；umbrella skirt；roughness；hydrophobicity