中國新型涂料網訊：架空輸電線路裸露在自然環境中，在寒冷氣候地區，其安全運行很容易受到冰雪等氣候的影響［１－５］。覆冰對輸電線路的危害主要作用于輸電導線和絕緣子，體現為機械和電氣２種破壞方式。輸電導線覆冰后其質量會成倍增加，迎風阻力也同時增大，在覆冰融化過程中，覆冰的不均勻脫落會誘發導線舞動。這些后果不僅使桿塔的機械負荷增加，而且還會損壞連接金具和絕緣子，引發斷線、倒塔等事故。輸電線路上的絕緣子經過長時間的運行，一般在表面都會積累一定的污穢，且在覆冰后由于冰棱的橋接作用，絕緣子的泄漏距離大大縮短。當絕緣子上的冰雪融化時，容易造成絕緣子沿面覆冰閃絡。絕緣子的覆冰問題是外絕緣領域１個重要的研究方向。目前，針對導線的防覆冰措施較多［６］，電流融冰方案在電力系統部分地區的應用表明，其防覆冰效果較好。而在絕緣子防覆冰閃絡方面，缺乏有效的措施和方法，因此，研究解決輸電線路絕緣子覆冰閃絡問題具有重大的現實意義。

１ 絕緣子防覆冰閃絡措施分類

１．１ 機械除冰方法

由絕緣子覆冰閃絡特性可見，冰凌橋接造成的局部電場畸變［７］以及融冰期沿絕緣子串表面出現的連續導電通道是降低絕緣子閃絡電壓的主要原因。在電網運行上，目前針對線路絕緣覆冰閃絡問題主要從防止冰凌橋接角度考慮，主要措施有增加絕緣子串片數、使用大盤徑絕緣子隔斷冰凌、傾斜懸掛絕緣子串等。

機械除冰方法可分為直接破冰法（如人工敲擊）和利用震動或扭轉的除冰法。文獻［８］使用激光方法進行絕緣子除冰試驗，結果表明在一定功率激光的照射下其脫冰效果較為顯著，但由于高功率密度激光的能量較為集中，在除冰時，若使用不當則會造成絕緣子脫釉、炸裂和合成絕緣子燒蝕等損傷問題。另一方面，由于覆冰線路一般處在多山地區，道路交通困難，難以攜帶設備抵達現場進行快速和大面積的除冰工作；同時機械除冰需要一定能量和專用配套設備，而覆冰事故時常伴隨斷電，導致其除冰的有效范圍小。

１．２ 防覆冰材料方法

防冰、除冰材料方法主要有兩類：一類是集中在減弱冰層和附著表面間的化學鍵以及機械附著力方面進行除冰；另一類是阻止過冷卻水滴凍結的方法，主要是采用除雪劑等改變凝固點的材料，以及加熱的方法。隨著材料科學的發展，多種具有“憎冰性”的材料被開發出來，如特氟龍、聚二甲基硅氧烷等。熱力除冰有較長的研究歷史，如短路融冰等技術已有一定的應用，目前又出現了微波除冰、蒸汽除冰等新方法。

采用涂料的防冰方法基本不需要人工干預，減少了后期運行維護的難度和成本，故成為改善和解決絕緣子覆冰問題的研究熱點。對比不同涂料表面覆冰情況的研究結果表明，涂料表面性質對結冰量和形態有較為明顯的影響。憎水性防冰材料的防冰效果爭議較大，部分學者認為材料表面的憎水性與防冰效果之間有顯著的相關性，認為開發超憎水性材料是防冰材料的可行方向；而部分研究結果顯示材料表面接觸角與冰層附著力并無明顯關系［９］。文獻［１０－１１］提出冰層附著力和潤濕滯后性間有一定的聯系，在具有低潤濕滯后性的憎水性表面，覆冰附著力和接觸角成正比；在具有高潤濕滯后性的憎水性表面覆冰附著力較大，甚至可能接近親水性表面。

２ 基于憎水性和表面發熱的絕緣子防冰技術

２．１ 利用半導體材料提高絕緣子冰閃電壓

半導體釉絕緣子是１種具有特別釉層的瓷絕緣子，其表面采用具有半導體性質的金屬氧化物釉層替代普通釉層。其優點：有效改善絕緣子金具附近的電場畸變，減少了電暈放電產生的電磁干擾［１２］；具有一定的發熱效果，可防止絕緣子表面污穢受潮。５００ｋＶ支柱絕緣子溫升測試［１３］結果表明，表面發熱功率為７．７５ｍＷ／ｃｍ２時，絕緣子表面溫度可升高５～６℃。在絕緣子染污受潮時，由于釉層具有一定導電性，在局部干區位置可以抑制干區電弧形成，故防污性能較好。文獻［１４］通過試驗得出半導體釉絕緣子表面電阻率為１０～３０ＭΩ時，具有較好的防污和抑制電暈性能。

覆冰閃絡試驗表明，半導體釉絕緣子相對于普通絕緣子具有提高覆冰閃絡電壓的效果［１５］。覆冰層相變所需熱量計算結果表明，半導體釉絕緣子表面１ｍＡ左右電流的發熱量不能滿足融冰的要求，這說明其防冰效果主要來自釉層均勻電場的作用，防止了覆冰和融冰過程的絕緣子局部電場畸變引發電弧。但半導體釉絕緣子也存在不足，其釉層涂料電阻的負溫度系數較大，當絕緣子表面溫度升高時釉層電阻下降，泄漏電流進一步升高，構成了發熱功率的正反饋過程，因此釉層涂料存在熱穩定性問題［１６］。

２．２ 憎水性和表面發熱的協同作用

在防冰涂料開發方面，清華大學提出了１種結合憎水和發熱性的半導電防冰涂料［１７］。半導電防冰涂料以硅橡膠材料為基材，通過添加導電填料，使得硅橡膠材料具備一定的介質損耗轉化為熱量，提升了涂料表面溫度，并結合涂料表面憎水性來實現防覆冰。通過氣候室試驗驗證，半導電防冰涂料具有良好的防絕緣子串覆冰的效果；應用于絕緣子串后，可在保證良好的防污閃性能的基礎上，減少絕緣子串的覆冰量［１８］。

半導電防冰涂料的優點是較好地保持涂層的防污閃能力；同時結合涂料表面發熱，促進了憎水性在低溫環境下的效果，具有優良的憎水性及憎水遷移性；還具有均勻電場的效果。

３ 半導電防冰涂料的應用效果

３．１ 半導電防冰涂料對覆冰形態的影響

2010年底，廣東電網公司電力科學研究院與清華大學合作開展了半導電防冰涂料的現場試驗研究。在廣東北部的清遠和韶關地區（以下簡稱粵北）的關廊線、陽電線等幾條覆冰問題比較嚴重的輸電線路進行了半導電防冰涂料的涂刷工作。

２０１０年１２月１３日至１６日，我國南方地區出現了第一輪大范圍的較強雨雪天氣，在冷空氣的影響下，１５日降溫達到最強，我國中央氣象臺發布了暴雪黃色預警。圖１為１７日關廊２２０ｋＶ線路６６塔小號側耐張雙串覆冰情況的紅外照片。并聯的２串絕緣子分別涂刷室溫硫化硅橡膠（ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ ｓｉｌｉｃ ｏｎｅ ｒｕｂｂｅｒ，ＲＴＶ）涂料和半導電防冰涂料。從圖１的覆冰情況可見，涂刷半導電防冰涂料的絕緣子串傘邊緣冰凌數量明顯少于ＲＴＶ涂料串。

圖1 關廊線覆冰觀測

同一桿塔的紅外熱像如圖２所示。在紅外照片上沿每串絕緣子劃一直線，絕緣子串沿線由高壓端至接地端的溫度變化曲線如圖３所示。對比可見，半導電防冰涂料絕緣子串的溫度高于ＲＴＶ涂料串，表明半導電防冰涂料起到了一定的表面加熱效果。

圖2-關廊線覆冰紅外熱像圖

圖3 關廊線絕緣子串由高壓端至接地端的溫度變化曲線

３．２ 半導電防冰涂料對絕緣子泄漏電流的影響

在現場試驗實施線路中的１１０ｋＶ陽電線一基塔上安裝了泄漏電流和氣象監控裝置。２０１１年１月至３月現場采集數據如圖４所示，Ｌ１、Ｌ３相均應用了半導電防冰涂料。

圖4 泄漏電流監測數據.

圖４中數據有幾處不連續為設備通信故障所致。從監控數據來看，涂覆半導電防冰涂料后，多數情況下各相泄漏電流值均小于１ｍＡ，表明應用半導電防冰涂料后線路運行時的能量損耗很小。

泄漏電流的２個最高峰值為１１．２３ｍＡ和１７．６ｍＡ，分別出現在１月２０日８時４９分和１月２５日３時２８分，均為低溫高濕環境，其氣象監測數據如圖５所示。Ｌ１相泄漏電流較高的幾個時刻及其相關氣象監測數據見表１。

圖5 氣象監測數據

表1 L1相泄漏電流較高時刻及其氣象數據

由表１可以看出，泄漏電流峰值均出現在凌晨以及上午，２０１１年１月的數據為低溫高濕環境，會有少量覆冰和凝結水出現。

３．３ 防冰效果討論

從本次觀測結果來看，應用半導電防冰涂料后絕緣子的覆冰量明顯減小�，F場試驗可觀測到絕緣子表面的溫度升高，證明了應用半導電防冰涂料防冰的可行性，但未能達到完全阻止覆冰形成的目的。在現場觀測中注意到，絕緣子串的配置方式會影響其防覆冰效果。試用了防冰涂料的線路絕緣子串、不同的絕緣子片數以及大小傘插花配置形式，其防覆冰效果均有較大的不同。由于涂刷施工過程中出現了絕緣子涂覆不均、局部有損傷以及涂刷厚度不滿足要求等問題，也對半導電防冰涂料的防覆冰效果產生影響。

由于利用泄漏電流發熱的防冰方法受絕緣子表面電阻的影響較大，絕緣子串片數以及防冰涂料的涂刷厚度會顯著影響絕緣子串表面電阻，進而影響泄漏電流值。在同樣的涂刷厚度條件下，較大盤徑、片數較多的絕緣子串涂刷了半導電防冰涂料后，其表面發熱功率會相對較低。因此，在應用研究上應針對現場絕緣子串實際配置來進行防冰涂料的優化設計，并根據防冰所需的發熱功率設計防冰涂料的電阻率和涂刷厚度。由于現場施工工藝難以保障涂刷后絕緣子的表面電阻達到防冰要求，應考慮在現場施工時采用整串更換的方式，將事先涂刷好防冰涂料且測量各項參數達到要求的絕緣子串替換上塔。

４ 結論與展望

基于表面發熱技術的絕緣子防冰材料，掛網運行時涂層中會有持續的泄漏電流通過。這種持續的能耗會影響系統運行的經濟性，而且涂料表面溫度在環境溫度較高時會有更大的升高，影響涂層的壽命。為解決這些問題，應根據氣候環境對涂層防冰電流進行開斷，提高涂層的應用性能。具有正電阻溫度特性的材料［１９］和配置絕緣子表面電阻分布［２０］是解決這一問題的１個研究方向。

相對于普通ＲＴＶ涂料，半導電防冰涂料的防冰涂層具有一定導電性，為保證涂覆后整串絕緣子電壓分布均勻，電阻需滿足防冰性能和絕緣安全閾值的要求，在涂刷絕緣子過程中對涂層厚度和均勻性的要求更高，應在絕緣子掛網前預涂刷防冰涂料，或采用將防冰涂層技術與復合絕緣子相結合，制成防冰絕緣子，可有效解決現場涂刷防冰涂料施工過程中的工藝差異引起的性能不穩定現象。