專利名稱:防絕緣子覆冰涂料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于高壓外絕緣領域，涉及一種在絕緣子表面涂覆硅橡膠涂料以防范輸電線路上絕緣子覆冰的方法，以及防絕緣子覆冰涂料的研制。
背景技術：
輸電線路裸露在自然環境中，其安全運行與自然環境息息相關。隨著氣候條件的變化，輸電線路經受著冷暖交替，風吹雨打的考驗，不可避免地會產生一定程度上的影響和破壞。例如，日曬雨淋會造成導線的老化；電力設備外絕緣表面在運行過程中會逐漸積污，形成污閃；雷電會對架空輸電線路產生雷電過電壓等等。此外，輸電線路的覆冰對輸電線路造成很大的危害，最近幾年尤為嚴重，引起越來越多的重視。
自從1932年美國首次出現輸電線路覆冰事故以來，各國的輸電線路冰害事故不斷發生。在1998年1月，發生在加拿大的冰災事故造成了包括735kV線路桿塔在內各電壓等級線路1000多基鐵塔和30000基本桿倒塌，累計170余萬人中斷供電達一周，僅魁北克省的直接經濟損失就達10億加元，間接損失超過30億加元。
我國是覆冰事故較多的國家之一，輸電線路絕緣子串發生覆冰閃絡的地區包括東北遼寧，華北的山西、京津地區、內蒙和山東，西北的陜西，華中的豫鄂湘贛以及西南的云貴川等省(區)。我國西南有多條±500kV直流線路，如天(生橋)-廣(州)線，三峽龍(泉)-政(平)線、三(峽)-廣(東)線和貴(州)-廣(東)線，這些線路都有部分穿越覆冰區。1996年冬，葛(洲壩)-南(橋)直流線路發生了多次線路保護動作，最終導致線路停運。經查，事故原因是直流線路在鄂東大別山區段的絕緣子串發生了嚴重覆冰造成的。1998年12月3日，在大霧氣象條件下，山西陽泉地區4條220kV線路在2小時內共發生21次跳閘，系統幾乎瓦解。造成這次事故的原因是懸垂絕緣子串在大霧天氣條件下形成冰柱，冰柱在融化時造成跳閘。近年來冰災事故越演越烈，2001年2月河南省發生大面積覆冰倒桿和絕緣子覆冰閃絡事故，在2004年12月21日至28日間500kV輸電線路發生冰閃34次。2005年的春節，湖南省電網遭遇過去51年以來最嚴重的冰凍威脅。湖南省湘潭、長沙、岳陽等8個城市有多條220千伏及500千伏主干線覆冰，覆冰最厚處達七八十毫米，多處電線桿塔出現險情和倒塌。冰凍時間、覆蓋范圍、線路覆冰情況均為1954年以來最嚴重的一次。
目前防范絕緣子覆冰的有效措施非常有限，還沒有一種措施能得到廣泛的應用，主要的防范措施有以下兩種(1)改變絕緣子的懸掛方式。懸垂的絕緣子串在傘盤的邊緣處容易形成冰柱然后將絕緣子串短路。“V”型絕緣子串上所形成的冰柱是接近垂直于絕緣子串的軸向，不會減少泄漏距離。所以V型絕緣子串的冰閃電壓要比懸垂絕緣子高得多。(2)改變絕緣子的組合方式為了防止絕緣子間的冰棱橋接，也可以采用特殊組合的絕緣子串。比較常見的組合是在兩個大盤徑的絕緣子之間接一片小盤徑的絕緣子。小盤徑的絕緣子由于完全被大盤徑絕緣子遮蓋，所以表面很難形成覆冰，而兩個大盤徑絕緣子的邊緣間距也增加了一倍，也小容易被冰棱橋接。
發明內容本發明的目的是提供一種防絕緣子覆冰涂料，將該涂料涂覆于絕緣子表面，能大大減少絕緣子上的覆冰量并延緩覆冰的形成，有效地防范覆冰事故的發生，提高電力系統運行的穩定性。
本發明防絕緣子覆冰涂料是一種防絕緣子半導體憎水性涂料，主要研發思路是1.選擇具有良好憎水性能的材料，例如硅橡膠，包括高溫膠和室溫膠；或者進行材料表面的處理，例如應用PTFE聚四氟乙烯粉末噴涂處理，改變表面能大小，等等，目的是降低絕緣子表面的表面能，減小材料表面與冰的粘附力。
2.涂層具有通電發熱性能，提高涂層表面溫度，延緩或者防止覆冰的形成。
本發明所提供的防絕緣子覆冰涂料，按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。根據線路所在不同地區的污穢環境，調整涂料中所添加的填料、溶劑與聚二甲基硅氧烷的配比。
聚二甲基硅氧烷的粘度為5000Pa·S-10000Pa·S。
有機溶劑可以是石油醚或溶劑汽油等。
導電填料的作用是使得涂料具有一定的導電發熱性能，可以選用特導電炭黑，或乙炔炭黑。優選特導電炭黑，其氮吸附比表面積300m2/g，調整炭黑粉末的含量比例可以調整涂料的電導率，炭黑的含量比例越高涂料的導電性能越好。
氫氧化鋁的作用是提高涂層的阻燃性能以及抗漏電起痕性能，其粉末顆粒表面進行了硅烷包覆處理。金屬氧化物如氧化鋅的作用是耐高溫、抗氧化。
二氧化硅的細度為納米級，表面進行了硅烷包覆處理，用于增強硅橡膠的機械性能。
硅烷偶聯劑使得基膠進行交聯反應，同時增加涂料的致密性和與玻璃的附著力。
上述防絕緣子覆冰涂料的制備方法，包括以下步驟烘干所述組分中的粉末材料，按所述配比稱量各組分材料備用；先將聚二甲基硅氧烷和溶劑放入分散機內攪拌分散0.2-0.8小時，使溶劑和聚二甲基硅氧烷充分融合；再將稱量好的炭黑、碳纖維粉、氫氧化鋁、二氧化硅和氧化鋅加入正在攪拌膠料的分散機內，加完所有填料后繼續分散0.2-0.8小時；然后將分散后的膠料放入籃式分散研磨機中研磨1-2小時，冷卻；將研磨好的涂料加入真空攪拌反應釜中，攪拌0.2-0.5小時，將反應釜內壓力保持到-0.7MPa，攪拌反應釜并放入硅烷偶聯劑，停止攪拌，將反應釜內溫度升至70℃時再啟動攪拌機，升溫到80℃后，保持8小時；然后冷卻至室溫，注氮排料，將涂料密封儲存。
本發明還提供一種絕緣子，其特征在于絕緣子表面涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料層；所述防覆冰涂料，按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
本發明還提供一種新型的防絕緣子覆冰的方法，該方法是在絕緣子表面涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料；絕緣子運行在線路上的時候，泄漏電流流過涂層產生的焦耳熱、場效應發熱以及絕緣子本身的介質損耗將會使絕緣子表面升溫，從而在低溫的環境下有效阻止冰在絕緣子表面形成。
上述防絕緣子覆冰的方法中，防覆冰涂料可以采用以下配方的防覆冰涂料按重量計，該涂料含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
本發明防覆冰涂料為單組分RTV硅橡膠涂料，在空氣中遇到濕氣即可硫化成固體，將其涂覆在絕緣子表面后，在空氣中硫化形成強度高、光滑的表面涂層，涂層的表面具有優良的憎水性能和比傳統RTV涂料更強的憎水遷移性能。涂層表面能的大小直接影響到與冰的粘附力的大小，表面能越小，接觸角越大，與冰的粘附力就越小。本涂料所形成的涂層表面具有比較低的表面能，接觸角為90°-110°，即使在不加電壓的情況下覆冰量也要比普通瓷絕緣子要小。由于涂層與冰的粘附力比較小，在絕緣子覆冰的情況下也能很容易使冰塊脫落。
由于在涂料中加入一定的導電填料，涂層變成一科半導體材料，在微小泄漏電流的作用下具有良好的電熱性能。當涂覆了本涂料的絕緣子運行在線路上的時候，將會有泄漏電流流過涂層，最大泄漏電流不超過1mA，涂層由泄漏電流產生的焦耳熱、場效應發熱以及絕緣子本身的介質損耗將會使絕緣子表面升溫，從而能在低溫的環境下有效阻止冰在絕緣子表面的形成。
本發明防覆冰涂料成本低廉，不僅具有原來RTV涂料所具有的防污閃性能，還能有效降低覆冰對輸電線路上絕緣子的危害。而且，由于用涂料的方法防覆冰施工簡單，無需進行任何線路改造，因此應用前景非常廣闊。
圖1為本發明防絕緣子覆冰涂料的制備流程圖；圖2為氣候實驗室模擬覆冰測試中，未涂覆涂料的絕緣子串的試驗結果；圖3為氣候實驗室模擬覆冰測試中，涂覆有實施例1涂料的絕緣子串的試驗結果；圖4為表面涂覆涂料的絕緣子剖面圖。
具體實施方式本發明防絕緣子覆冰涂料，按重量計含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。涂料中所添加的填料主要成分有炭黑、氫氧化鋁、碳纖維粉、二氧化硅、氧化鋅，溶劑為石油醚或溶劑汽油。配比根據線路所在不同地區的污穢環境進行調整。本防覆冰涂料為單組分RTV硅橡膠涂料，在空氣中遇到濕氣即可硫化成固體。
實施例1實施例1防絕緣子覆冰涂料，按重量計，含有107基膠(聚二甲基硅氧烷，粘度10000Pa·S)100份，石油醚(或溶劑汽油)150份，炭黑15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15份，二氧化硅3份，氧化鋅3份和硅烷偶聯劑7份。
聚二甲基硅氧烷俗稱基膠，它是室溫硫化硅橡膠的基礎膠料，分子量10000-80000，屬于羥基封端的聚二有機硅氧烷，在一定條件和交聯劑的作用下可以發生交聯反應，形成直鏈聚硅氧烷。
炭黑選用的是特導電炭黑，氮吸附比表面積300m2/g。
碳纖維粉是聚丙烯腈基碳纖維連續長絲通過特殊切割設備，切成數毫米長的短纖維研磨而成。
氫氧化鋁的作用是提高了涂層的阻燃性能以及抗漏電起痕性能，粉末顆粒表面進行了硅烷包覆處理。
二氧化硅的細度為納米級，表面進行了硅烷包覆處理，用于增強硅橡膠的機械性能。
參照圖1，本涂料制備方法如下使用的主要設備為分散機、籃式分散研磨機、真空磁力攪拌反應釜、烘箱、真空壓力泵和恒溫液循環泵。
1)預處理將未進行包覆處理的粉末材料放入烘箱中放置1-2小時，溫度110℃，以除去水分。稱量基膠、溶劑，以及所需的各種組分材料，備用。
2)分散研磨將基膠和溶劑放入分散機內低速攪拌分散0.5小時，使溶劑和膠料充分融合。
使用加料漏斗，將每種粉末材料均勻地慢慢加入正在攪拌膠料的分散機內。加完所有填料后繼續分散0.5小時。
將分散后的膠料放入籃式分散研磨機中進行研磨2小時，用恒溫液循環泵進行冷卻。使用涂料細度刮板測量涂料的細度，傳統的RTV涂料使用三輥研磨機，細度為90-150μm，使用籃式分散研磨機后能達到20μm以下，涂料更加均勻，性能更加穩定。
研磨過程中可以加入溶劑調整涂料的粘度。
3)反應將研磨好的涂料加入真空攪拌反應釜中，攪拌0.5小時，用真空泵抽真空，使壓力表顯示的值保持在-0.7后，攪拌反應釜并放入硅烷偶聯劑。(最初放入全部反應物時，先把攪拌機停下，等溫度升到70℃時再啟動攪拌機)升溫到80℃。保持8小時，冷卻至室溫后，注氮排料。涂料密封儲存。
實施例1防絕緣子覆冰涂料的基本性能測試結果見表1。
表1
氣候實驗室模擬覆冰測試將未涂覆涂料的絕緣子串和涂覆涂料的絕緣子串分別進行帶電覆冰模擬試驗，兩組覆冰模擬試驗條件完全相同，試驗條件見表2，觀察其最終的覆冰結果如圖2和圖3所示，其中圖2中的絕緣子串未涂覆涂料，圖3中的絕緣子串涂覆有實施例1的涂料。本試驗在大型覆冰模擬氣候試驗室內進行。
從圖2和圖3中可以看到，未涂覆涂料的絕緣子串有冰棱形成，覆冰量明顯要比涂覆涂料的絕緣子串多。經測試，未涂覆涂料的絕緣子串每片平均覆冰量為393g，涂覆涂料的絕緣子串為196g。在防冰涂層的作用下大大減少了覆冰的形成，并且有效地阻止了冰棱的形成，提高了絕緣子串的閃絡電壓。
表2
實施例2實施例2防絕緣子覆冰涂料，按重量計，含有107基膠(聚二甲基硅氧烷，粘度5000Pa·S)100份，石油醚(或溶劑汽油)100份，炭黑12份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁30份，二氧化硅3份，氧化鋅3份和硅烷偶聯劑7份。
該涂料適用于污穢比較重，鹽密比較大的地區。該配方所配制的涂料在惡劣的環境條件下具有更好的耐電弧燒蝕性能和憎水遷移性能。實施例2所述涂料的制備方法與實施例1相同。
實施例2防絕緣子覆冰涂料的基本性能測試結果見表3。
表3
圖4所示為一種涂覆有本發明防絕緣子覆冰涂料的絕緣子，包括陶瓷介質1、金屬電極2和3、水泥4，在陶瓷介質1的內表面和外表面均涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料層；所述防覆冰涂料，按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
本發明所提供的防絕緣子覆冰的方法，是在絕緣子表面涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料；絕緣子運行在線路上的時候，泄漏電流流過涂層產生的焦耳熱、場效應發熱以及絕緣子本身的介質損耗將會使絕緣子表面升溫，從而在低溫的環境下有效阻止冰在絕緣子表面形成。
其防覆冰涂料可以采用上述實施例1配方的涂料、或者實施例2配方的涂料、或者采用其它具有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料。
在絕緣子表面涂覆防覆冰涂料是一種新型的防冰措施，經過大量實驗室模擬覆冰試驗證明，防覆冰涂料具有明顯的防冰性能，大大減少絕緣子上的覆冰量并延緩覆冰的形成，而且使用操作簡單，無需進行線路改造，價格低廉，具有極大的經濟效益，為解決困擾電力系統多年的覆冰問題打開了突破口。
權利要求
1.一種防絕緣子覆冰涂料，其特征在于按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
2.根據權利要求
1所述的防絕緣子覆冰涂料，其特征在于所述有機溶劑是石油醚或溶劑汽油。
3.根據權利要求
1所述的防絕緣子覆冰涂料，其特征在于所述導電填料是特導電炭黑，其氮吸附比表面積為300m2/g。
4.根據權利要求
1所述的防絕緣子覆冰涂料，其特征在于所述碳纖維粉是聚丙烯腈基碳纖維連續長絲通過切割設備切成數毫米長的短纖維，再研磨而成的。
5.根據權利要求
1所述的防絕緣子覆冰涂料，其特征在于所述二氧化硅細度為納米級。
6.權利要求
1所述防絕緣子覆冰涂料的制備方法，其特征在于包括以下步驟烘干所述組分中的粉末材料，按所述配比稱量各組分材料備用；先將聚二甲基硅氧烷和溶劑放入分散機內攪拌分散0.2-0.8小時，使溶劑和聚二甲基硅氧烷充分融合；再將稱量好的炭黑、碳纖維粉、氫氧化鋁、二氧化硅和氧化鋅加入正在攪拌膠料的分散機內，加完所有填料后繼續分散0.2-0.8小時；然后將分散后的膠料放入籃式分散研磨機中研磨1-2小時，冷卻；將研磨好的涂料加入真空攪拌反應釜中，攪拌0.2-0.5小時，將反應釜內壓力保持到-0.7MPa，攪拌反應釜并放入硅烷偶聯劑，停止攪拌，將反應釜內溫度升至70℃時再啟動攪拌機，升溫到80℃后，保持8小時；然后冷卻至室溫，注氮排料，將涂料密封儲存。
7.一種涂覆有權利要求
1所述涂料的絕緣子，其特征在于絕緣子表面涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料層；所述防覆冰涂料，按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
8.一種防絕緣子覆冰的方法，其特征在于在絕緣子表面涂覆有良好憎水性能和通電發熱性能的防覆冰涂料；絕緣子運行在線路上的時候，泄漏電流流過涂層產生的焦耳熱、場效應發熱以及絕緣子本身的介質損耗將會使絕緣子表面升溫，從而在低溫的環境下有效阻止冰在絕緣子表面形成。
9.根據權利要求
8所述的防絕緣子覆冰的方法，其特征在于所述防覆冰涂料采用權利要求
1所述防覆冰涂料，按重量計，該涂料含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅或氧化銻3份，硅烷偶聯劑7份。
專利摘要
一種防絕緣子覆冰涂料及其制備方法，該涂料按重量計，含有聚二甲基硅氧烷100份，有機溶劑100～150份，導電填料12～15份，碳纖維粉10份，氫氧化鋁15～30份，二氧化硅3份，氧化鋅3份和硅烷偶聯劑7份。將該涂料涂覆于絕緣子表面，能大大減少絕緣子上的覆冰量并延緩覆冰的形成，有效地防范覆冰事故的發生，提高電力系統運行的穩定性。根據線路所在不同地區的污穢環境，調整涂料中的填料、溶劑與聚二甲基硅氧烷的配比。本防覆冰涂料成本低廉，不僅具有原來RTV涂料所具有的防污閃性能，還能有效降低覆冰對輸電線路上絕緣子的危害。由于用涂料的方法防覆冰施工簡單，無需進行任何線路改造，因此應用前景非常廣闊。
文檔編號C09D5/00GK1995251SQ200610064503
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日
發明者賈志東, 廖偉焱, 王黎明, 關志成 申請人:清華大學深圳研究生院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan