不同类型RTV憎水性及闪络特性分析

黄青丹，尤金伟，宋浩永，吴培伟，张志劲，蒋兴良

(1. 广州供电局电力试验研究院，广州市 510000;2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 400044)



不同类型RTV憎水性及闪络特性分析

黄青丹1，尤金伟2，宋浩永1，吴培伟1，张志劲2，蒋兴良2

(1. 广州供电局电力试验研究院，广州市 510000;2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 400044)

室温硫化硅橡胶(room temperature vulcanized silicone rubber，RTV)具有很好的防污性能，在电力系统中已广泛应用，但不同类型的RTV涂料防污性能不同。测定了不同RTV涂料的静态接触角，并对RTV涂料污闪后的憎水性恢复特性以及交直流下的闪络特性进行了试验分析。试验结果表明，长效型RTV涂料(P-RTV)的憎水性大于高自洁型RTV涂料(S-RTV)；在同一污秽度下P-RTV污闪电压比S-RTV高，说明更强的憎水性意味着更高的防污性能。此外，沿面闪络会导致P-RTV涂料憎水性暂时性的部分丧失，污闪电压幅值下降11.1%～21.1%，此部分丧失一段时间后可恢复，而S-RTV涂料憎水性的丧失部分却是不可恢复的；RTV涂料表面均有不同程度灼烧痕迹且放电痕迹分布在与高压端相连的绝缘子下表面，这是导致表面防污性能下降的因素之一。直流电压下RTV涂料表面灼烧痕迹明显，抗漏电起痕性能较弱。P-RTV综合性能优于S-RTV，因此实际使用应优先考虑P-RTV。研究结果对RTV涂料的研制和使用具有一定的指导意义。

绝缘子；RTV涂料；静态接触角；憎水性；污闪电压；泄漏电流

0 引 言

随着我国大气污染的日益加剧、恶劣气候的频发及输电线路电压等级的提高，污秽条件下电气外绝缘问题日益突出，绝缘子污秽表面沿面闪络是输电线路外绝缘常见的问题。因为绝缘子裸露在空气中很容易受到自然界盐碱、工业污秽、灰尘、鸟粪等污染，在重污秽潮湿情况下，绝缘子表面被充分湿润形成连续水膜导电层，导致其电气绝缘性能大大下降，运行中很可能发生全面污秽闪络事故，从而造成严重的经济损失，通常为雷电灾害损失的数倍[1-4]。一般采用加强绝缘、定期清扫及涂覆憎水性涂料等多种措施来提高其绝缘性能。实践证明，RTV涂料能够显著提高瓷和玻璃绝缘子的耐污性能，在国内外输电线路外绝缘中已广泛使用[5-8]。文献[6]对运行多年RTV涂料绝缘子进行了憎水性测试和防污闪能力测试，结果表明试品憎水性有所下降，但在重污秽情况下其耐污闪能力好于无涂料绝缘子，显示出优异的耐污闪性能，这说明了RTV涂料对于提高绝缘子防污闪具有重要意义。

RTV涂料之所以能较大提高绝缘子防污性能，主要在于其具有优异的憎水性和特殊的憎水迁移性[9-14]。由于RTV涂料的憎水性使绝缘子表面不能形成连续覆盖的水膜，水份只能以小水珠的形式独立分布，因此能起到限制泄漏电流，提高闪络电压的作用；当绝缘子表层覆盖污秽时，RTV涂料具有的憎水迁移性会使其憎水性迁移到污秽层中，使污秽层具有憎水特性，水滴在污层中也不能形成连续覆盖水膜，同样起到提高绝缘子耐污性能的作用。因此可通过研究RTV涂料的憎水性来反应其耐污闪性能，憎水性的度量可采用国内外公认的静态接触角来表征。现阶段研究表明，沿面放电、电晕放电、酸碱性溶液的浸泡、受热、环境湿度等可导致RTV涂层憎水性的短暂下降甚至消失[15-17]，然而不同类型的RTV涂料，其组成成分和比例上的差异会导致污闪放电等因素对其憎水性、憎水迁移性、耐电起痕性的影响不同。目前对于绝缘子表面涂覆不同类型RTV在污闪下的憎水性恢复情况、交直流闪络特性及抗漏电起痕性研究较少。研究表明，RTV涂层表面沿面放电时，高温的电弧很容易将RTV表层灼伤而产生放电痕迹，这是造成其憎水性下降的主要原因[18-20]。对于直流来说，正极性电压下的放电痕迹比负极性严重，因而选择正极性直流电压完成试验[20]。

本文以3片串XP-70绝缘子为研究对象，通过测定RTV涂料表面水珠的静态接触角，比较其憎水性；在大型人工气候室中进行人工污秽试验，测量2种RTV涂料的耐交直流污闪特性。根据试验结果分析了RTV涂料发生污闪后憎水性恢复能力、交直流污闪特性、耐漏电起痕性以及泄漏电流与耐电起痕性的关系，研究结果对RTV涂料的研制和使用具有一定的指导意义。

1 憎水性分析

1.1 憎水性的测定

研究表明静态接触角可以有效表征材料的憎水性能，对RTV涂料憎水性的测定采用较为广泛认同的滴座法[16]进行测定。滴座法的基本原理是利用高倍显微镜对涂料表层水滴拍照，再运用特定算法计算水滴的静态接触角，水滴图像如图1所示。图中圆弧代表水滴在RTV涂层表面时的轮廓，运用特定算法找到空气、水滴和RTV涂层交界面处的水滴表面切线，该切线与RTV涂层之间的夹角θ，即为静态接触角。由此可知，当水滴大小相同时，静态接触角θ越大，水滴与涂层表面的接触面积就越小，因而其憎水性越好。通常认为θ>90°时，RTV涂层具有较好的憎水性。

图1 静态接触角Fig.1 Static contact angle

1.2 憎水性试验结果分析

试验选取同一厂家的S-RTV和P-RTV涂料作为试品，均匀涂覆于30 mm×100 mm×5 mm的试片，涂覆厚度为0.3 mm，阴干48 h。试品经预处理后进行涂污，盐密和灰密分别为0.1 mg/cm2，0.5 mg/cm2。涂污后的试品置于实验室标准环境条件下的防尘容器内进行憎水性迁移，迁移时间为4 d。模拟污秽阴干后按照标准对试片进行定量喷洒去离子水雾，并对2种RTV涂层表面水滴分布进行拍照观察，如图2所示。从图2中可知，水滴在RTV表面均以大小不同分散的水珠形式存在，没有形成连续覆盖的水膜，说明RTV涂层具有特有的憎水性和憎水迁移性。但是2种RTV涂层表面水珠大小及分散程度有差异。S-RTV表面水珠大小差异较大，除少数水珠较大以外，大多数以较小水珠存在；而P-RTV表面水珠大小较均匀，多数以较大水珠存在，且分散程度比S-RTV更小。

图2 水滴在RTV表面的分布Fig.2 Distribution of water-drop on RTV surface

为提高精度，选择体积为4～7μL的水珠[16]，采用专用仪器对其静态接触角进行测定，每个试品需测10个水珠的静态接触角，记录2个试品20个测量点的最小值、平均值及最大值。测量数据如表1所示。

表1 静态接触角θ

Table 1 Static contact angleθ(°)

从表1中可知：

(1)在硅藻土模拟污秽情况下，2种涂料静态接触角均大于90°，表明其具有较好的憎水性和憎水迁移性。

(2)P-RTV的静态接触角大于S-RTV的静态接触角，最小值高出3.3°，最大值高出8.9°，平均值高出6.3°，表明P-RTV具有更好的憎水性；但S-RTV静态接触角的分散性较小，最大值与最小值仅相差0.5°，而P-RTV静态接触角分散性较大，最大值与最小值相差6.1°。试验结果表明P-RTV的憎水性能好于S-RTV的憎水性能。

2 试品、试验装置与试验方法

2.1 试品

试品选用标准普通绝缘子XP-70，涂覆RTV绝缘子的结构如图3所示，其结构参数如表2所示。其中：H为绝缘子的结构高度；D为盘径；L为绝缘子的爬电距离，单位均为mm；f为绝缘子的形状因素。试验时用NaCl模拟可溶物的等值盐密，用硅藻土模拟不可溶物质。

图3 XP-70试品绝缘子结构Fig.3 Structure of insulator XP-70表2 XP-70绝缘子主要结构参数Table 2 Main structure parameters of insulator XP-70

2.2 试验装置

人工污秽试验是在重庆大学大型多功能人工气候室进行的。大型多功能人工气候室能够模拟雾、降雨、覆冰和高海拔等多种复杂气候环境，其直径为7.8 m，净高为11.6 m，并配套有每小时产生1.5 t蒸汽的低压锅炉提供蒸汽雾。试验电源由YDTW-900 kVA/150 kV 试验变压器提供，其输入电压为0～10.5 kV，输出电压为0～150 kV，最大短路电流为75 A，满足IEC标准对染污绝缘子交流闪络试验电源的要求[21-23]，具体交流试验接线原理图如图4所示。直流污秽试验时只需将整流硅堆与滤波电容器串入R0左端即可，闪络时电压纹波系数小于3%，满足IEC标准对直流污秽试验相关的要求[23]。

B为调压器；R0为保护电阻；T为变压器；H为高压穿墙套管；E为人工雾室；S为试品；F为电容分压器；C为泄漏电流检测装置。

图4 试验接线原理图

Fig.4 Wiring diagram of experiment principle

2.3 试验方法

以普通XP-70瓷绝缘子为研究对象，采用人工定量涂层法对绝缘子进行预染污。染污过程严格遵循规范标准，具体试验步骤如下[21-23]。

(1)试品的预处理：用去离子水对绝缘子反复冲洗并擦拭，保证试品表面清洁；如果绝缘子表面仍存在污物或油脂，可用干燥的脱脂棉沾取无水酒精对其擦拭清洁，直至绝缘子表面清洁。随后将绝缘子悬挂放置在绝缘子架上，阴干24 h后，对其分别涂覆S-RTV和P-RTV涂层，厚度0.3 mm，并置于防尘容器阴干48 h。

(2)试品染污方法：首先根据绝缘子染污所需的盐密、灰密以及绝缘子表面积参数，计算并称量出每只试品所需可溶物(NaCl)和不溶物(硅藻土)的质量。将其放在洁净的塑料杯中，随后用玻璃滴管吸取适量的去离子水(电导率<10 μS/cm)滴入塑料杯中，将污物进行充分搅拌并全部均匀地涂刷在试品表面上。

(3)雾的模拟：利用人工气候实验室进行雾的模拟。蒸汽锅炉每h能产生1.5 t的蒸汽，通过雾室底部周围均匀布置的多个放气孔均匀放出，放气孔离试品的距离>3.5 m，放气孔雾气出口方向是水平的，与试品绝缘子串轴心线成90°夹角，蒸汽雾速率为(0.05±0.01) kg/(h·m3)。刚开始湿润时试品的温度与试验室内周围温度的差范围为±2 ℃，雾室温度控制为<35 ℃，如果温度过高，则采用制冷系统加以控制。

试验时，通入蒸汽使绝缘子表面污层达到充分湿润，采用均匀升压法以一定的速率升高电压直至闪络。每次试验选择3串试品绝缘子(3片)，每串试品闪络4～5次，取其中与平均值误差<10%的3次试验结果作为污闪电压Uf，即

(1)

式中：Uf为绝缘子的平均污闪电压， kV；Ui为第i次污闪电压， kV；N为试验次数；σ为试验结果的相对标准偏差，%。

3 试验结果与分析

3.1 污闪后憎水性恢复特性分析

研究结果表明，RTV涂料能提高绝缘子闪络电压的根本原因在于其良好的憎水性和憎水迁移性，但RTV涂料发生污闪后，憎水性和憎水迁移性会有所改变。本文以XP-70绝缘子3片串为研究对象，测量绝缘子表面盐密为0.1 mg/cm2、灰密为0.5 mg/cm2下直流污闪后的憎水性恢复特性，因直流烧蚀最为严重，对涂层憎水性影响更大[20]。初次污闪试验后取下绝缘子，待其表面干燥后立即喷洒水滴测量其表面水珠的静态接触角；再用去离子水洗净自然晾干，3 d后再次涂污进行污闪试验并测量静态接触角，试验时每次加压4～5次，测量结果如图5、表3所示。

图5 XP-70绝缘子污闪电压值Fig.5 Pollution flashover voltage of insulator XP-70表3 绝缘子涂层表面静态接触角θ变化情况Table 3 Change of static contact angle θ of RTV coatings (°)

由图5和表3可知：

(1)XP-70涂覆RTV绝缘子闪络电压值相比于相同盐密和灰密情况下无RTV涂层均有较大的提高，无放电损伤初次试验时单片提高值在1倍以上，即使在放电损伤后也比无涂层至少高80%左右，表明RTV涂料具有较好的耐污闪能力，对于污秽严重地区是一个很好的选择。

(2)无论何种RTV，初次试验无放电损伤时初次闪络电压值较大，初次污闪后闪络电压有20%左右的下降，其原因在于第一次闪络中，电弧的高温使RTV涂层表面发生了氧化反应而失去憎水性[24]，憎水性的下降会导致RTV涂层表面形成连续覆盖的水膜，使得电导增大，泄漏电流增大，出现闪络电压减小的现象，表明污闪放电灼烧时间虽短，但也能使RTV失去憎水性。

(3)3 d后试验，初次污闪时S-RTV的闪络电压并未恢复，与无损伤初次试验的平均电压相当，甚至有所下降，但仍高于无涂层80%左右，说明其仍具有憎水性，只是憎水性遭到部分不可恢复性破坏；而P-RTV在3 d初次闪络电压值与无损伤初次试验时闪络电压值相比较，相差较小，说明其憎水性恢复特性更好。无涂层串初次闪络与初次闪络后的电压值变化较小，是由于污秽少量流失造成的。

(4)对静态接触角变化情况的测量结果表明在污闪放电之后RTV的憎水性会下降，但其恢复能力却有差异，S-RTV憎水性几乎没有恢复，但仍具有憎水性；P-RTV的憎水性基本能完全恢复且憎水性较强。

3.2 交直流闪络特性分析

不同RTV在交流和直流电压下的闪络特性存在差异，因此进行了3片串XP-70绝缘子在盐密为0.03、0.05、0.1、0.2和0.3 mg/cm2的交直流污闪实验，取灰盐比为5，每组分别做3串，实验数据如图6所示。

图6 XP-70绝缘子污闪电压值Fig.6 Pollution flashover voltage of insulator XP-70

由试验结果可知：

(1)无论在直流电压还是交流电压下，P-RTV的污闪电压均比S-RTV的污闪电压高(交直流均高约10%)，表明憎水性强的RTV涂料比憎水性弱的RTV涂料耐污闪能力更强，憎水性能很好地度量RTV涂料的耐污闪能力。

(2)对于同一种RTV涂料来说，交流污闪电压高于直流污闪电压，高出约10%；这是由于交流情况下的电压幅值周期性变化存在电弧熄灭与重燃，而直流情况下，电压值基本保持不变，因此水分中离子在直流作用下定向移动，形成放电通道，造成沿面闪络。

(3)在盐密较小的情况下，随着盐密的增加，交直流污闪电压下降速度均较快；当盐密增加到0.1 mg/cm2以后，随着盐密的增加，交直流闪络电压下降速度减慢并趋于水平。这是因为绝缘子表面吸附水滴有限，能溶解的盐分也有限，盐密较低时，增加的盐分全部溶解，使绝缘子表面电导率大大降低；当盐密较大时，水滴中能溶解的盐分趋于饱和，因此绝缘子表面电导率只有略微下降，使得污闪电压随盐密变化呈现趋于水平的现象。

3.3 污闪中绝缘子漏电起痕性分布特性

RTV涂层能提高绝缘子的耐污闪电压，但这也对其抗电起痕性提出了更高的要求，因此对其交直流电压污秽闪络下的耐漏电起痕性进行了分析。图7为绝缘子(3片串，盐密为0.1 mg/cm2、灰密为0.5 mg/cm2)在交直流电压下沿面污秽闪络后的放电痕迹，图7中黑色痕迹即为放电痕迹。实验后观察发现：3片试品中与高压端相连的绝缘子下表面有明显放电痕迹，这是由于高压端的局部场强较大，在绝缘子下表面形成稳定局部电弧，沿面放电产生的高温导致RTV涂层被严重灼伤。

由图7可知：

(1)在污闪过程中，放电痕迹几乎全部出现在与高压端相连的绝缘子下表面，其他绝缘子均无放电痕迹，说明此处最易被灼伤，实际运用中应重视与高压端直接相连的绝缘子下表面抗电起痕性，对该处绝缘子可采取加厚涂层等措施。

图7 抗电起痕性对比图Fig.7 Comparison of dielectric tracking performance

(2)2种涂层中放电痕迹在钢脚处均最为明显，说明钢脚处在污闪过程中温度最高，最易对涂层造成损伤。钢脚是电弧的起始点，此处最先形成电弧，放电持续时间较长。实际应用中应采取适当措施提高钢脚处的抗电起痕性。

(3)2种涂料在沿面闪络中均会出现表面灼烧的放电痕迹，且直流情况下的放电痕迹比交流下的放电痕迹明显，说明在直流污闪下，涂层表面烧伤更严重，这是由于在直流电压下沿面闪络的放电无过零点，因此其电弧不易熄灭，使RTV表面持续保持较高温度。

3.4 污闪中漏电起痕性与泄漏电流的关系

泄漏电流值[1]是表征绝缘子闪络的特征量，通过测量临界电流值是分析绝缘子特性的重要手段，放电痕迹的产生与泄漏电流的焦耳热息息相关，RTV涂料中的硅橡胶分子受热易分解，使其表面憎水性暂时性下降。图8记录了绝缘子串(3片涂覆S-RTV，盐密为0.1 mg/cm2)发生交流污闪时的泄漏电流波形，据此可得出闪络过程中的泄漏电流及其持续时间。测得泄漏电流IL交直流下的平均值及持续时间t如表4所示。

图8 绝缘子泄漏电流示意图Fig.8 Leakage current of insulator表4 泄漏电流IL及其持续时间tTable 4 Leakage current IL and its duration t

从表4中可知：

(1)2种RTV涂料均表现出交流闪络泄漏电流及持续时间小于直流闪络泄漏电流和持续时间。因此，直流情况下的涂层表面电弧烧蚀程度更严重，这与3.3节中图7观察结果一致。

(2)S-RTV交直流泄漏电流均比P-RTV的大，相比较并不明显；但持续时间却短一些，交流持续时间相差不大，直流持续时间相差0.525 s，因此直流下P-RTV比S-RTV多放电约0.5 s，这也是图7(d)中放电痕迹较明显的原因。

(3)放电起痕性不仅与泄漏电流大小有关，还与其持续时间t以及电压类型有关，但总体呈现直流下放电起痕性较明显，实际应用中应关注直流污闪下的RTV耐漏电起痕性。

4 结 论

(1)RTV涂料的憎水性能较好地反应其耐污闪能力，但在污闪之后，不同的RTV涂料憎水性恢复特性差异较大，在实际应用中应重视。

(2)RTV涂料均能较大提高绝缘子在交直流下的耐污闪电压，但相同情况下交流的污闪电压值比直流高，这与常规瓷绝缘子的规律是一致的。

(3)不同的RTV涂料抗电起痕性有所差别，但总体呈现直流情况下抗电起痕性较弱的特性，因此实际应用中应关注直流情况下的RTV涂层烧蚀。此外，RTV涂层放电痕迹只出现在与高压端相连的绝缘子下表面，并且其钢脚处最易被灼伤。关于RTV漏电起痕性的深层原因还需进一步研究。

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(编辑：张媛媛)

Hydrophobicity and Flashover Characteristics Analysis of Various Types of RTV

HUANG Qingdan1, YOU Jinwei2,SONG Haoyong1, WU Peiwei1, ZHANG Zhijin2, JIANG Xingliang2

(1. Electrical Power Test & Research Institute of Guanzhou Power Supply Bureau, Guanzhou 510000, China;2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China)

Room temperature vulcanized silicone rubber (RTV) has good antifouling properties, which has been widely used in the power system, but different types of RTV coatings’ antifouling performances are unlike. Static contact angle of different RTV coatings were determined and the hydrophobicity recovery properties after pollution flashover and AC/DC flashover characteristics were tested and analyzed. The test results show that the hydrophobicity of long-acting RTV coating (P-RTV) is stronger than that of high self-cleaning RTV coating (S-RTV); and under the same pollution degree, the pollution flashover voltage of P-RTV is higher than that of S-RTV, which shows stronger hydrophobicity means higher antifouling performance. In addition, surface flashover can cause the temporary loss of P-RTV hydrophobicity, which will lead flashover voltage amplitude decreasing 11.1 %-21.1%, while the loss of S-RTV coatings’ hydrophobicity is unrecoverable. The surfaces of RTV coatings all have burning marks in varying degrees distributed on the lower surface of the insulator connected with the high voltage, which is one of the factors causing anti-pollution performance decreasing. And the signs of burning on RTV surface are more obvious under DC voltage; its dielectric tracking performance is poor. Moreover, the comprehensive performance of P-RTV is better than that of S-RTV, so the priority of actual application should be given to P-RTV. The result has a certain guiding significance to the development and use of RTV coatings.

insulator; RTV coating; static contact angle; hydrophobicity; pollution flashover voltage; leakage current

国家创新研究群体基金(51321063)。

TM 216

A

1000-7229(2015)05-0045-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.008

2015-03-12

2015-03-30

黄青丹(1982)，男，理学硕士，高级工程师，研究方向为化学成分分析；

尤金伟(1989)，男，硕士研究生，研究方向为输电线路外绝缘技术；

宋浩永(1985)，男，工学硕士，助理工程师，研究方向为低压电器；

吴培伟(1991)，男，助理工程师，研究方向为输电线路外绝缘技术；

张志劲(1976)，男，博士、教授、博士生导师，研究方向为输电线路外绝缘及其绝缘配合；

蒋兴良(1961)，男，博士、教授、博士生导师，研究方向为输电线路外绝缘技术及电网防冰技术。

Project Supported by the Funds for Innovative Research Groups of China (51321063).