（材料学专业论文）绝缘子防污闪涂料的研制.pdf

硕5l ：学位论文 摘要 污闪是指 j 绝缘予表面积污而引起的破坏性沿面放电现象。随着输电容量的 彳断增大，输电电压等级的不断提高，以及我国环境状况的局部恶化，由于污闪 存在而引起的事故时有发生，严重威胁着电力输变线路系统的安全。防止和减少 污闪的发生已成为了维护电网安全运行的重要举措。 本文综述了人黾的科技文献，总结了各类绝缘子的污i 人j 状况，分析了污闪产 生的原因，提出了通过涂装涂料改变瓷绝缘子的界面性能，以提高其防污闪能力 的途径。论文主要一 作如下： 设计了独特的以丙烯酸树脂为基料的底漆，通过遴选硅烷偶联剂，使涂料在 瓷釉上的附着力达到了0 级到1 级，且耐热水性及耐化学性能良好。 采用溶液聚合法制备了底漆用的丙烯酸树脂，并用i r 和g p c 对其进行了表 征。讨论了引发剂浓度、单体浓度、反应温度、单体滴加速度及保温时问对树脂 的相对分子质嚣、粘度、转化率的影响。结果发现，在相同条件下，随着引发剂 浓度的增加，反应温度的升高，单体浓度的减少，丙烯酸树脂的相对分子质量呈 下降趋势。随着引发剂浓度的增加，单体浓度的减少，单体滴加时f h j 的延长，丙 烯酸树脂的粘度明显下降。随着引发剂浓度的增加，保温时问的延长，单体的转 化率逐渐增加。对合成的丙烯酸树脂进行红外光谱分析，发现合成树脂中没有出 现双键，说明单体己反应完全。 研制了以硅树脂为基料的防污闪面漆，得到了性能优良的防污闪涂料。涂料 的耐人工老化时间 l7 0 0 h ；介电强度为2 7 5 k v m m - - 2 9 2 k v m m ：防污闪试验中， 有防污闪涂层的绝缘子闪络电压比无涂层的绝缘子闪络电压提高了1 6 倍。同时 研究了涂料的憎水性，加入氟类助剂可有效改善涂料的憎水性，并用蜡粉解决了 硬质涂料的憎水迁移性问题。最后研究了涂料的憎水丧失性及憎水恢复性的情 况，结果较好。 所制备得涂料是一种硬质高韧性、自洁性良好的防污闪涂料，它解决了l 玎v 涂料材质较软，且易吸附灰尘而降低防污闪性能的不足。提出了通过出厂前工厂 化涂装，有利于保证产品质量。该涂料的进一步研究与开发，对解决绝缘子的污 闪问题具有重要的意义。 关键词：防污闪涂料；憎水性：憎水迁移性；附着力 绝缘了防污闪涂料的研制 a b s t r a c t p o l l u t i o nf l a s h o v e ri sad e v a s t a t i n g d i s c h a r g ea l o n gt h es u r f a c ec a u s e db y c o n t a m i n a t e da r e ao fi n s u l a t o r w i t ht h es h a r pi n c r e a s ei nt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y ，t h e i n c r e a s ei nt r a n s m i s s i o n v o l t a g e ，a n d t h e i n c r e a s i n gd e g r a d a t i o n i no u rl o c a l e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ea c c i d e n t sc a u s e d b yp o l l u t i o nf l a s h o v e ro c c u r e d f r e q u e n t l y ，t h u st h ed a m a g et op o w e rt r a n s m i s s i o nl i n es y s t e mw a se r r i b l e t op r e v e n t a n dr e d u c et h ep o l l u t i o nf l a s h o v e ri sa ni m p o r t a n tm e a s u r ef o rm a i n t a i n i n gt h es e c u r i t y o ft h ep o w e r g r i d i nt h i s p a p e r ，w es u m m a r i z e dal o to fs c i e n t i f i cl i t e r a t u r e ，s u m m e du pt h e p o l l u t i o nf l a s h o v e ra c c i d e n t so fv a r i o u si n s u l a t o r s ，a n da n a l y s e dt h ec a u s eo fp o l l u t i o n f l a s h o v e r ，p u tf o r w a r dt h ew a yt h a tu s e dc o a t i n g st oc h a n g et h ei n t e r f a c eo fp o r c e l a i n i n s u l a t o r st oi m p r o v ei t sa n t i - p o l l u t i o na b i l i t y t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： i td e s i g n e du n i q u ep r i m e ro fa c r y l i cr e s i n b a s e dm a t e r i a l s ，t h r o u g ht h ec h o i c eo f s i l a n ec o u p l i n ga g e n t ，t h ea d h e s i o no f c o a t i n gi nc e r a m i cg l a z ec a nr e a r c h0g r a d et o1 g r a d e ，a n dt o l e r a n c ei nh o tw a t e ra n dc h e m i c a lr e s i s t a n c ew a sg o o d a c r y l i cr e s i nw a sp r e p a r e db ys o l u t i o np o l y m e r i z a t i o na n dc h a r a c t e r e db yi ra n d g p c i td i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n ，m o n o m e rc o n c e n t r a t i o n ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，m o n o m e rd r o p p i n gt i m ea n dh o l d i n gt i m ef o rm o l e c u l a rw e i g h t ， v i s c o s i t ya n dc o n v e r s i o nr a t eo ft h er e s i n t h er e s u l ts h o w e dt h a tu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fi n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o na n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， t h er e d u c i n go fm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n ，r e l a t i v em o l e c u l a rm a s sw a sad o w n w a r d t r e n d w i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a t o r c o n c e n t r a t i o n ，t h er e d u c i n go fm o n o m e r c o n c e n t r a t i o n ，t h ep r o l o n g i n go fm o n o m e rd r o p p i n gt i m e ，t h ev i s c o s i t yo fr e s i n d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y w i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o na n dr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，t h ec o n v e r s i o nr a t ei n c r e a s e dg r a d u a l l y t h ei n f r a r e ds p e c t r ao fs y n t h e t i c r e s i ns h o w e dt h a tb o n dd i dn o t a p p e a ri nt h er e s i n ，m o n o m e rh a db e e nr e a c t e d c o m p l e t e l y a n t i 。p o l l u t i o n f l a s h o v e r t o p c o a t s w e r e p r e p a r e d w i t hs i l i c o n e b a s e d m a t e r i a l s ，a n dg a i n e dt h eg o o da n t i - p o l l u t i o nf l a s h o v e rc o a t i n g s t h ea r t i f i c i a la g i n g t i m eo fc o a t i n g s 17 0 0 h ；t h ed i e l e c t r i cs t r e n g t hi s2 7 5 k v m m 2 9 2 k v m m ；f l a s h o v e r v o l t a g eo fi n s u l a t o rw i t hc o a t i n g sw a s1 6t i m e so ff l a s h o v e rv o l t a g eo fi n s u l a t o r w i t h o u tc o a t i n g s i tr e s e a r c h e dt h eh y d r o p h o b i c i t yo fc o a t i n g s ，t h ea d d i t i o no ff l u o r i d e 硕5l ：学位论文 a d d i t i v e sc a ni m p r o v et h eh y d r o p h o b i c i t ye f f e c t i v e l y ，a n dt h ew a xp o w e r sr e s o l v e dt h e h y d r o p h o b i c m i g r a t i o no fh a r dc o a t i n g s i ta l s or e s e a r c h e dt h el o s so fh y d r o p h o b i c i t y a n dt h er e c o v e r yo fh y d r o p h o b i c i t y t h er e s u l ti sg o o d t h ec o a t i n g sp r e p a r e di nt h i sp a p e ra r eh a r d ，h i g ht o u g h n e s s ，a n ds e l f - c l e a n i n g a n t i - p o l l u t i o nf l a s h o v e rc o a t i n g s ，i tr e s o l v e dt h ed e f i c i e n c i e so fs o f t ，e a s yt oa b s o r b d u s ta n dr e d u c i n gt h ea n t i p o l l u t i o nf l a s h o v e rp e r f o r m a n c ea b o u tr t vc o a t i n g s i ta l s o p u tf o r w a r di n d u s t r i a l i z e dp a i n t i n gb e f o r el e a v i n gt h ef a c t o r y i t sa d v a n t a g e o u st o e n s u r et h ep r o d u c tq u a l i t y f u r t h e rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h ea n t i p o l l u t i o n f l a s h o v e rc o a t i n g sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e s o v l i n gt h ep o l l u t i o nf l a s h o v e ro n s t i f a r c eo fi n s l i l a t o r s k e yw o r d s ：a n t i - p o l l u t i o nf l a s h o v e rc o a t i n g s ；h y d r o p h o b i c i t y ；h y d r o p h o b i c m i g r a t i o n ：a d h e s i o n i v 硕f j 学位论文 插图索引 图4 1引发剂用量与对树脂分子量的关系曲线2 8 图4 2 单体浓度与树脂分子量的关系曲线2 9 图4 3d t b p 的化学结构3 0 图4 4d t b p 的分解引发示意图3 0 图4 5反应温度与相对分子质量的关系曲线3 0 图4 6 引发剂浓度与树脂粘度的关系曲线3 l 图4 7 单体浓度与粘度的关系曲线3 2 图4 8 单体加料时间与粘度的关系曲线3 3 图4 9引发剂浓度与转化率的关系曲线3 3 图4 1 0 保温时间与单体转化率的关系曲线3 4 图4 1 1 丙烯酸树脂的红外光谱图3 5 图5 1液滴的接触角示意图3 7 图5 2 聚乙烯及聚四氟乙烯的分子结构4 2 v i l l 绝缘了防污闪涂 ：l 的研制 附表索引 表2 1底漆树脂实验用原料1 3 表2 2 涂料实验用原料1 4 表2 3实验所用主要仪器设备1 5 表2 4 底漆树脂配方15 表2 5附着力试验结果分级1 7 表2 6h c 分级法具体分级描述1 8 表3 1水性环氧涂料的附着力测试结果2 0 表3 2 水性环氧涂料的耐热水性及耐化学品性2 1 表3 3a 1 7 l 对环氧涂料附着力的影响一2 2 表3 4a 1 7 1 含量对水性环氧涂料附着力的影响2 3 表3 5绢云母对水性环氧涂料附着力的影响2 3 表3 6 丙烯酸涂料的附着力2 4 表3 7丙烯酸涂料的耐水性及耐化学品性2 4 表3 8 有机硅涂料的附着力2 5 表3 9 有机硅涂料的耐水性及耐化学品性2 5 表4 1不同引发剂的半衰期温度及最佳使用温度2 9 表4 2 涂料的综合性能3 5 表5 1有机硅涂膜的憎水性( o ) 3 8 表5 2 不同助剂对接触角的影响情况( o ) 3 9 表5 3不同助剂含量对涂料接触角的影响情况( o ) 4 0 表5 4 不同蜡粉对涂料憎水迁移前的影响( o ) 4 2 表5 5不同k w 5 l 含量对憎水迁移性的影响f 。) 4 3 表5 6 憎水迁移性对涂料的防污闪性能的影响情况4 4 表5 7 试品憎水丧失特性的试验研究( o ) 4 5 表5 8 涂膜憎水恢复性测试( o ) 4 6 表6 1防污闪涂料的性能检测5 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：千缸强旬 日期：矽彦年月蟛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：辛k 确1 向 导师签名 日期：孑年上月日 日期：1 0 0g 年5 月坫日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着工业的高速发展、输电容量的急剧增长，输变电设备电压等级的不断提 高，电力系统绝缘子污闪事故日益突出，污闪事故发生面较大，重合闸成功率降 低，往往会造成长时间停电，给用户造成惨重损失，给国民经济带来重大危害。 如何避免绝缘子的污闪事故是当前电力系统急待解决的问题之一。 闪络是指在高电压作用下，气体或液体介质沿绝缘表面发生的破坏性放电。 绝缘子闪络的类型主要有污闪、雨闪、冰闪、雷闪和操作闪络【l 】。污秽闪络，简 称污闪，是指聚积在绝缘子表面上的具有导电性能的污秽物质，在潮湿天气受潮 后，使绝缘子的绝缘水平大大降低，在正常运行下发生的闪络事故。在以上闪络 中，由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网总事故中占第二位，仅次于雷害事故， 但污闪事故造成的损失却是雷害事故的1 0 倍【2 训。 早在1 9 0 7 年意大利沿海附近一条2 5 k v 交流输电线路就发生了污闪事故。到 2 0 世纪5 0 年代，世界各国的污闪事故已是非常严重，如1 9 5 l 1 9 5 5 年英国1 3 2 k v 线路污闪事故率大于0 6 次( 1 0 0 k m a ) ；1 9 6 1 年日本发生了污闪事故1 6 2 次：1 9 6 9 年斯堪迪纳维亚5 0 - - 一4 0 0 k v 线路共计发生污闪事故4 0 0 多次；1 9 6 0 一1 9 7 0 年美国 和加拿大的工业和沿海污秽地区，1 2 5 0 0 k v 电网也相继发生了大量污闪事故【5 】。 2 0 世纪7 0 年代末期以来，我国各大电网相继发生大面积污闪事故，据不完 全统计，1 9 7 9 1 9 8 5 年间发生污闪事故8 8 6 次，1 9 8 6 1 9 8 7 年间发生污闪事故5 7 7 次，电能损失4 6 6 7 万k w h ，东北、华北、华东的5 0 0 k v 线路自投运以来多次发 生闪络事故，其中华北和东北的线路污闪跳闸率分别高达1 2 3 5 次( 1 0 0 k m a ) 和1 0 次( 1 0 0 k m a ) 。1 9 9 0 年1 月到3 月，华北地区出现大面积污闪事故，ll o k v 至5 0 0 k v 线路9 3 条段跳闸，其中4 6 条线路停运，共发生1 8 2 基故障塔，2 2 8 串绝缘子闪 络。7 座2 2 0 k v ，8 座1 l o k v 变电站全部、部分或瞬时停电，故障约3 6 处。1 9 9 2 年1 月2 2 日到2 5 日，四川川西北部电网发生较大面积污闪，在持续大雾中相继 有3 座2 2 0 k v 变电站1 1 只支柱瓷瓶、1 3 条线、4 7 基杆塔、7 1 串瓷瓶，3 个变电 站1 1 只支柱瓷瓶闪络：随后1 月3 1 日，川南电网向家岭电站又多次闪络。1 9 9 4 年1 月1 日，四川华萤山电厂2 2 0 k v 华代东线因大雾发生污闪，闪络电流以侵入 波方式进入电厂升压站，因变压器中性点接地线腐蚀断裂致使闪络电流未能顺利 通过地网散流，导致整个电厂与电力系统解裂，不仅机组报废，同时造成四川电 网大面积停电，造成上千万的直接经济损失和不可估量的社会损失。1 9 9 6 年1 2 绝缘子防污闪涂料的研制 月2 7 日 - 3 0 日华东地区出现罕见大雾，5 0 0 k v 线路有1 2 条发生污闪跳闸共7 8 次，2 4 条2 2 0 k v 线路发生污闪，发生多起因零值绝缘子炸裂，导线落地事故，造 成巨大损失，发生污闪事故的均是瓷绝缘子串。1 9 9 7 年2 月2 6 日 2 7 日陕西电 网发生大面积污闪，造成渭南地区东部和商洛地区全部停电，系统甩负荷4 1 0 m w ， 同时对输变电设备损害严重，发生污闪的输电线路3 3 0 k v 、2 2 0 k v 各2 条，1 1 0 k v 线路5 条，发生污闪的变电站3 3 0 k v 有2 座，1 l o k v 有3 座，事故都是发生在瓷 绝缘子上。1 9 9 0 年以来福建省2 2 0 k v 线路共发生1 5 0 次污闪跳闸事故，仅1 9 9 6 年1 月1 4 日至2 月1 5 日一个月期间福建莆田、泉州、石狮等地2 2 0 k v 线路就发 生污闪跳闸7 0 次。1 9 9 7 年元旦前后华东，华北，山东等地因污闪造成2 2 0 k v 以 上线路2 3 起导线落地，3 起导线落在塔窗上的严重事故。进入2 l 世纪，国内几 大电网相继多次发生了大面积的污闪事故。2 0 0 1 年2 月，北方出现历史上罕见的 持续大雾天气，辽中电网、河北省南部电网、京津唐电网、河南省北部电网、山 东省烟威电网相继发生大面积污秽闪络事故，共计6 6 - 5 0 0 k v 线路、3 4 座变电站 跳闸9 7 2 次。2 0 0 2 年1 月，湖南省常德地区受大雾影响，5 0 0 k v 五岗线、葛岗线 和岗云线先后发生污秽闪络事故。2 0 0 3 年2 月，担负“西电东送”重要通道的5 0 0 k v 阳淮线中阳东i i 线、i 线相继发生绝缘子覆冰闪络事故【5 】，2 0 0 8 年1 月，全国多 个地方发生5 0 年不遇的罕见冰灾，发生了多起绝缘子覆冰闪络事故，给国民经济 造成了重大的损失。 电力系统污闪事故涉及范围大、停电时间长，严重威胁着输变电设备的安全， 给国民经济带来重大的损失。虽然采取了许多防污闪措施来抑制污闪的发生，但 污闪事故并未从电力系统中消失，随着大气质量和环境的日益恶化，污闪事故依 然发生，特别是2 0 世纪9 0 年代以来我国电力系统较大规模区域性的污闪事故日 益频繁发生，即我国电力的安全运行仍承受着大面积污闪的风险，因此，研究和 解决绝缘子的污闪问题，是当前电力系统急待解决的问题之一。 1 2 绝缘子发展状况 目前，在电力系统输变电设备中，有瓷绝缘子、玻璃绝缘子和有机复合绝缘 子三种不同材质的绝缘子。传统瓷绝缘子由于其固有的缺陷和弱点正逐渐丧失其 主导地位嘲；钢化玻璃绝缘子因具有“零值自破，及自洁性较好的突出优点【7 1 而得到 广泛的应用：而有机复合绝缘子以体积小、重量轻、强度高、耐污秽和清扫维护 方便等优点成为输变电设备的新一代产品，显示出比瓷、玻璃绝缘子独特的优势 地位m 1 。 1 2 1 瓷绝缘子 自上世纪初瓷质绝缘子的出现，人们已认识到瓷具有优越的耐电性和耐候性， 硕士学位论文 此外瓷绝缘子还具有很好的稳定性、很高的机械强度和低廉的原材料成本，因而 瓷质绝缘子在输变电设备中广泛地采用。这种局面延续至今近个世纪。 随着电网输电电压的提高和容量的增大，瓷质绝缘子的缺点逐渐暴露出来。 它制造工艺复杂，高温焙烧，因此耗能较大，产品笨重易碎，属脆性材料，它抗 压强度很高，但抗拉和抗弯强度很差；此外瓷表面是亲水性的，因而其抗污闪能 力较差，这在环境日益恶化的情况下，显得尤为突出。由于瓷质绝缘子结构设计 决定，附件间是通过水泥浇装的，多种材料热膨胀系数不同，且差异较大，界面 极易产生缝隙，在雷电和操作过电压的冲击下，绝缘子中不规则处极易产生热效 应，继而被击穿。瓷质盘形绝缘材料在生产过程中较易形成许多微裂纹，在较高 机械力反复作用下，瓷质上的裂纹会发展成裂缝，成为低值甚至零值的绝缘子( 低 值、零值绝缘子是指失去其应有绝缘性能的绝缘子，它的绝缘电阻用2 5 0 0 v 及以 上摇表摇测时电阻在3 0 0 m f l 以下) ，在一定的条件下，当绝缘子通过较大的电流 时将引起低值和零值绝缘子爆炸，造成导线落地的恶性事故。因此线路需定期测 低值或零值绝缘子并清扫污秽，耗费大量财力和人力，运行维护费用昂贵【6 】。 1 2 2 玻璃绝缘子 钢化玻璃绝缘子的突出优点是“零值自破”，因此它在易受大面积严重污染的 电网中大量使用，效果良好，运行维护方便，深受用户欢迎。但由于生产玻璃绝 缘子所需的生产设备复杂、投资大、技术高，能耗比陶瓷更高，企业不多，但产 量大【7 】o “零值自破是钢化玻璃绝缘子优于其它绝缘子最显著的特点。自破是指钢 化不良的产品受机械、电气、冷热等负荷的冲击，便自行破碎的现象。在长期挂 线运行过程中，当玻璃表面电阻降低，介质损耗提高，泄漏电流增大，产生温升 时，易导致热击穿而自破。钢化玻璃绝缘子自破后失去伞盘，很容易被巡视发现， 无需登杆检测，从而减轻了工人体力劳动，节省了线路维修工作量。对运行中的 玻璃绝缘子不用进行绝缘检测，从而可免除因天气变化因素，对检测工作中所产 生的错误判断而造成的假零值绝缘子。自破后，钢化玻璃绝缘子残存强度仍能满 足6 0 的负荷，并且不掉线，为更换新绝缘子提供了方便条件。此外，玻璃绝缘 子还具有机电性能优良，不易劣化等优点，且由于玻璃绝缘子是半透明的，所以 表面积污易于发现，可及时掌握清扫周期【6 9 j 。 玻璃绝缘子与瓷或有机复合绝缘子相比，也有缺点：反映玻璃绝缘子质量水 平的重要指标为“自破率”，维护人员最担心的也是“自破”，玻璃绝缘子自投运以 来，发现了几种有规律的自破现象：投运初期，自破率偏高一些，然后逐年下降， 玻璃绝缘子是不老化的，它的使用寿命取决于绝缘子金属附件的寿命，运行实践 也证明了这一点。夏秋季节交替或日温差较大的月份，及严重污秽区的玻璃绝缘 绝缘了防污闪涂料的研制 子自破率偏高些。导线截面大的或用作耐张串的玻璃绝缘子，其自破率比导线截 面小的或用作直线串的要高【6 j 。这也限制了玻璃绝缘子在超高压线路中的使用。 1 2 - 3 有机复合绝缘子 我国电网于2 0 世纪8 0 年代初开始使用有机复合绝缘子【l 们。而在中国迅猛发 展于上世纪9 0 年代中期【1 1 , 1 2 】。目前，复合绝缘子在输变电设备中的应用已十分广 泛。 有机复合绝缘子主要有以下优点：( 1 ) 机械性能优越。由于心棒由环氧玻璃 纤维制成，其扩张强度为普通钢的1 5 倍，是高强瓷的3 - - 4 倍，轴向拉力特别强， 并具有较强的吸振能力，抗震阻尼性能很高。( 2 ) 抗污闪性能好。下雨时在合成 绝缘子的伞形波纹表面不会沾湿形成水膜，而是呈水珠状滴落，不易构成导电通 道，其污闪电压较高，为瓷绝缘子的3 倍。( 3 ) 耐电蚀性优异。绝缘子表面漏电 闪络形成不可逆性劣变起痕现象，一般标准为不低于4 5 级( 即4 5 k v ) ，而合成 绝缘子为6 7 级。( 4 ) 结构稳定性好。一般瓷悬式绝缘子是内胶装配结构，由于 电化腐蚀，运行中会产生低零值绝缘电阻。而合成绝缘子为外胶装配结构，其内 心为实心棒绝缘材料，不存在劣化和击穿，不会出现零值绝缘子，因而在运行过 程中不需要检零值。除此之外，有机复合绝缘子还具有体积小、重量轻、易安装 和清扫维护方便等优点。有机复合绝缘子凭借其优点成为输变电设备的新一代产 品，显示出比瓷、玻璃绝缘子的独特优势地位。目前使用有机复合绝缘子可有效 地遏制了污闪，因此多年来有机复合绝缘子已在我国大力推广应用【6 l 引。 有机复合绝缘子与瓷绝缘子相比，也有其缺点：一方面有机复合绝缘子优良 的防污性能是不可置疑的，但耐雷性能较差。主要是由于其伞裙直径较小，干弧 距离小于瓷( 或玻璃) 绝缘子亦即耐雷水平小于同长度的瓷或玻璃绝缘子的耐雷水 平；另一方面有机复合绝缘子是有机材料制成的，有机材料的老化速度比瓷等无 机材料快得多。国产早期的有机复合绝缘子中已发现一些运行过的绝缘子伞裙弹 性减弱，易撕裂、干湿闪电压差值增大，这表明硅橡胶表面材质起了变化，所以 运行部门十分关注有机复合绝缘子的有效寿命，但是目前缺乏有效数据说明其有 机材料的老化寿命，端部连接强度变化也一直是大家所关心的重点问题之一1 6 l 引。 1 3 污闪原因分析 污闪事故是闪络事故中最为严重的。因此，人们对污秽绝缘子闪络特性及闪 络机理的研究非常重视，并开展了大量的研究工作，取得了一些研究成果1 5 2 4 1 。 避免污闪事故的直接措施就是尽可能地提高绝缘子的耐污闪性能，要采取防 污闪措施，首先需要了解绝缘子污秽闪络发生的原因。 1 3 1 绝缘子污闪过程 硕士学位论文 运行的绝缘子在自然环境中，长期遭受工业污秽和自然污秽的污染，在干燥 条件下，污秽尘埃的电阻很大，绝缘性能不会降低，但在雾、露、毛毛雨等空气 湿度较大的情况下，绝缘表面的污物受潮湿润后，污物中的可溶物质会逐渐溶于 水中，在绝缘表面形成一层导电膜，再加上绝缘表面的泄漏距离较小，湿污层的 电阻较小，因而会出现较强烈的放电现象。泄漏电流的焦耳热效应会使污秽层的 水分蒸发，由于绝缘子各个部分污秽层分布的几何尺寸不一样，钢帽、钢脚附近 或支持绝缘子的杆径处，几何尺寸较小，电流密度较大，焦耳热效应显著，首先 形成相对其他部分的干燥区。由于干燥区电位显著提高，而其他潮湿区的电位较 低，当高电位场强达到临界时，该处就会对低电位放电，在这种条件下跨越干区 的放电形式称为电弧放电，电弧呈黄红色并做频繁伸缩的树枝状，放电通道中的 温度可增高至热游离的程度。而对应的泄漏电流脉冲值则较大，可达数十或数百 m a 。若此时污秽层再继续受潮，局部小电弧越强烈，相应的泄漏电流值越大，就 会逐步向沿面发展，形成整个沿面放电，电弧由黄红色树枝状变为耀眼的青白色 闪光，并伴有巨大的声响，导致污闪事故【2 5 , 2 6 l 。 由此可见，绝缘子的污秽闪络，取决于以下四个阶段的发生和发展。即【2 7 ，2 8 】： ( 1 ) 绝缘子表面的染污过程。( 2 ) 绝缘子表面污层湿润的过程。( 3 ) 干燥带形成 和局部电弧过程。( 4 ) 局部电弧发展贯穿两极的过程。 1 3 1 1 绝缘子表面的积污 绝缘子表面沉积的污秽，来源于该地大气环境的污染( 包括远方传送来的) ，也 受大气条件的影响( 例如，风吹和雨淋) ，还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着 密切的关系。长期的运行经验表明，城市工业区及大气污染严重的地区，一般绝 缘子表面的积污也多。工业规模愈大，对周围影响的范围也愈大。中国电力科学 院等单位研究表明，对于大气扩散和传送能力强的地区，大城市工业污染扩散对 电力系统污染的影响范围可达2 0 - - 3 0 k m 以上。一般来说，距工业污染源愈远， 影响愈弱，绝缘子表面积污的盐密值也逐渐减少。据重点工业城市对4 4 条输电线 路上绝缘子表面沉积污秽的盐密值统计，其值可用下式表达 e 皿圮声彳矿批 ( 1 1 ) 式中e s d d 绝缘子表面污秽物盐密值，m g c m z ； l 距污源的距离，m ： a ，b 常数。 特别是大气污染比较严重地区的浓雾，对绝缘子表面的污染也是明显的。研 究表明，城市工业区的浓雾的雾水电导率可达2 0 0 0 1 t s c m 左右，一次来雾可稳定 地维持数小时。城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可达数百至 绝缘了防污闪涂料的研制 1 0 0 0 9 s c m 以上。雾对绝缘子表面的实际污染在北京地区的清河和草桥两个试验站 进行了实测，其结果是，一次大、中型雾8 l o h ，绝缘子表面盐密值可增加 o o l m g c m 2 左右。人工模拟试验表明，当雾水电导率为2 0 0 0 9 s c m 时，x p 1 6 0 绝 缘子，受雾6 l o h ，盐密值可增加o 0 3 - 0 0 4 m g c m 2 。雾水电导率为2 0 0 0 9 s c m 的雾可使设备的污闪电压比蒸馏水雾下降2 0 左右。如果雨、雪中含有较高的电 导率物质，则对绝缘子有增加污染的作用。如果是大雨，则又有洗涤绝缘子使其 净化的作用，某地1 0 月份( 雨季后) 测得的绝缘子表面盐密值，普遍比同年3 月份( 无 雨积污期) 低，雨水的冲洗效果都很明显，平均冲洗效率为2 8 。 由上所述，大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。固体微粒 中直径较大者，在重力作用下垂直降落。直径较小的微粒呈悬浮状态，也在绝缘 子周围运动着。绝缘子表面污秽的积聚，一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面 的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。 微粒在绝缘子表面上的沉积，受风力、重力、电场力的作用，其中风力是最 主要的。重力只对直径较大的微粒起作用，且主要影响污染源附近的绝缘子的上 表面。微粒在交流电场中作振荡运动，作用在中性微粒上的电场力指向电力线密 集的一端。空气运动的速度和绝缘子的外形决定了绝缘子表面附近的气流特性， 在不形成涡流的光滑表面附近( 例如，x w p 2 双层伞型和x m p 草帽型) ，微粒运动 速度快，从而减少了它们降落在绝缘子表面的可能性。反之，下表面具有高棱和 深槽的绝缘子表面附近则易形成涡流，使气流速度下降，创造了污秽沉积的有利 条件。 由于风力对绝缘子表面积污起主要作用，因此，有风、无风及风大、风小均 对微粒的沉积影响较大，也直接影响绝缘子上、下表面积污的差别。另外，绝缘 子表面的光洁度等也影响微粒在其表面的附着。因此，新的、光洁度良好的绝缘 子与留有残余污秽的或者表面粗糙的绝缘子相比，其沉积污秽的速度应该是不同 的。 1 3 1 2 污层的湿润 大多数污物在干燥状态下是不导电的，该状态下绝缘子放电电压和洁净干燥 时非常接近。大、中雨有利于污秽的冲洗。冰雪不能使污秽受潮，因此这两种潮 湿气象条件不会引起绝缘子的污秽闪络。只有在易使绝缘子表面污秽受潮湿润而 又不会流失的气象条件下，使污秽层表面的电阻变小，耐受电压水平降低，才有 可能引起绝缘子的污秽闪络，其中闪络电压降低的程度与污层的电导率有关。 污秽绝缘子表面的湿润可由小雨、雾、露、融冰、融雪等潮湿天气直接产生， 也可由相对湿度、绝缘子表面与周围空气的温差等条件产生。相对湿度增高，绝 缘子表面附着的电解质会吸潮、湿润。开始吸湿的相对湿度因电解质的种类而异， 硕士学位论文 取决于电解质水溶液的饱和蒸汽压，例如盐的开始吸湿相对湿度为7 5 左右，氯 的流入，均可导致吸湿。绝缘子表面的吸湿量随相对湿度、温差、附盐密度的增 高而增大。 华北电力科学研究院统计了1 9 7 0 - - - 1 9 8 3 年间华北地1 1 0 - - 2 2 0 k v 线路污闪跳 闸，其中雾天气下的污闪占7 6 4 ，毛毛雨占9 7 。这些气象条件之所以容易发 生污闪，是因为它们能够使污层充分湿润，使污层中的电解质完全溶解，但又不 致污层被冲掉。因此，污层的电导最大，污闪电压最低。 1 3 1 3 干燥区和局部电弧的产生 在绝缘子表面污秽受潮后，污秽层表面电阻率降低，沿面泄漏电流增大，泄 露电流的焦耳热效应会使绝缘子表面水分蒸发。在绝缘子伞盘直径较小的部位泄 露电流的密度较大，如在悬式绝缘子的钢帽、钢脚附近，泄漏电流的焦耳热效应 首先使这些区域产生局部干燥区。干燥区具有很高的表面电阻，又可限制泄漏电 流，使其他表面污层继续受潮，承受的电压逐渐下降，而钢帽、钢脚附近的干燥 区承受大部分的工作电压，使沿绝缘子表面的电压分布随之发生变化。干燥区承 受的较高电压，产生局部放电。当泄漏电流被干燥区表面污秽的高电阻限制到很 小值或中断后，泄漏电流对污秽的烘干作用终止，大气中的潮湿空气使干燥区污 秽重新湿润。而在某个场强较高处又会出现新的污秽干燥区。产生新的局部放电。 局部污秽干燥区表面电弧的高温使干燥区范围扩大，当局部干燥区表面承受的电 压提高到无法承受时，干燥区表面击穿、电弧熄灭。在潮湿环境中绝缘子又继续 受潮，新的干燥区和局部电弧又会产生，如此不断循环发展。 1 3 1 4 电弧迅速发展直至贯通绝缘子表面而完成闪络过程 在三个过程中的这种间歇性放电现象的发生和发展是随机的、不稳定的。局 部放电发展直至闪络或表面充分干燥后使电弧熄灭、放电停止，取决于绝缘子表 面的污秽量、外施电压等条件。 当条件合适，绝缘子表面脏污严重、污秽受潮充分，沿绝缘子表面流过的电 流较大，间歇性的局部放电现象越强烈，局部放电电弧会沿绝缘子表面伸展，出 现跨区域的局部放电长电弧，最终电弧迅速发展，直至贯通绝缘子表面，从而完 成闪络过程。 瓷、玻璃绝缘子污秽闪络的充分与必要条件是运行电压、污秽物质、潮湿， 三者缺一不可，而干燥区的出现是污秽绝缘子表面局部放电发展的必要条件。 1 3 2 绝缘子冰闪过程 冰闪即为覆冰闪络，覆冰( i c i n g ) 一词，由d e nh a r t o g 自1 9 3 2 年采用【2 9 1 ， 包括覆冰和积雪两种情况。上世纪9 0 年代，加拿大及其他一些国家都报道了因覆 绝缘子防污闪涂料的研制 冰绝缘子的闪络而引起的许多事故【3 0 - 3 4 1 。这些国家也投入了大量的技术力量对覆 冰进行观测及研究，但迄今为止，关于输电线路覆冰机理、绝缘子串覆冰后的闪 络特性等许多问题仍未解决。 在冬季大雾天气下，雾气在绝缘子上面冷凝结冰，冰层厚度可达5 m m ，甚至 几个厘米，使绝缘子表面被冰层覆盖，有时发生冰凌桥接现象，绝缘子覆冰或被 冰凌桥接后，会使得泄露距离缩短，绝缘强度下降，融冰时，绝缘子表面电阻大 大降低，极易形成闪络事故，闪络发展过程中持续电弧烧伤绝缘子，绝缘子绝缘 强度进一步降低，这个过程被称为冰闪【35 1 。冰闪己逐步成为危害电力系统安全的 关键问题之一。 当0 时融冰水电导率一定时，覆冰绝缘子的交流最低闪络电压随绝缘子串 的覆冰量的增加而下降。 ( 1 ) 当覆冰较轻时，绝缘子表面冰层薄，裙边无冰凌或冰凌很短，“冰凌一 伞裙”之间空气间隙与绝缘子表面电阻并未因覆冰而明显变化，最低闪络电压与未 覆冰时没有明显差异。 ( 2 ) 当覆冰量增加时，表面冰层也加厚，泄漏电流因表面电子降低而增大； 同时，冰凌增长使“冰凌一伞裙”间空气间隙缩短，为电弧桥空气间隙提供了条件， 最低闪络电压随之降低。如果覆冰量增加冰造成“冰凌一伞裙”间空气间隙的放电 电压小于沿爬电路径的放电电压时，最低闪络电压将明显降低。 ( 3 ) 当覆冰量增加，导致冰凌桥接绝缘子串部分伞裙或全部伞裙时，放电路 径为冰凌湿润表面，最低冰闪电压趋于稳定。在这种情况下即使覆冰继续加剧， 仅增加表面覆冰厚度桥接伞裙的冰凌数量，为电弧提供更多的放电通道，在这种 覆冰程度饱和状态下，最低闪络电压几乎保持一致。 在覆冰季节，覆冰地区大气中的污秽物积聚在绝缘子表面是在覆冰前污秽物 就已沉积在运行的绝缘子表面；二是在冻结前或捕获空气中的导电杂质粒子，即 过冷却水在冻结前被污染，对于后一种情况，水滴已捕获或溶解的导电粒子在冻 结过程中即冻结时水滴中杂质会被排释在冰晶体外表面。无论哪种积污方式，在 融冰过程中，冰体或冰晶体表面的水膜都会很快溶解污秽物中的电解质，提高融 冰水或冰面水膜的导电率，降低覆冰绝缘子的闪络电压【36 1 。因此，绝缘子覆冰是 一种特殊的污秽形式，这不仅是因为冰闪是由于冰中含有污秽导电杂质造成子和 污秽绝缘子的交流耐受电压和闪络机理也是相似的。 绝缘子的结冰期一般不会对电力系统的安全运行造成严重危险，大多数覆冰 绝缘子闪络事故都发生在融冰期；这是由于温度低，冰不易融化，冰与绝缘子表 面难以形成溶解导电杂质。绝缘子最容易发生事故的温度在3 2 。c 1 3 5 】。 8 硕上学位论文 1 4 防污闪措施 因此人们采取了许多措施来防止污闪的发生，许多使用者对这些措施也十分 熟悉。多年来也建立了许多理论模型来对瓷绝缘子的污闪性能进行评价【3 7 4 1 1 。我 国从上世纪6 0 年代初开展防污闪工