专利名称:防绝缘子覆冰涂料及其制备方法
技术领域：
本发明属于高压外绝缘领域，涉及一种在绝缘子表面涂覆硅橡胶涂料以防范输电线路上绝缘子覆冰的方法，以及防绝缘子覆冰涂料的研制。
背景技术：
输电线路裸露在自然环境中，其安全运行与自然环境息息相关。随着气候条件的变化，输电线路经受着冷暖交替，风吹雨打的考验，不可避免地会产生一定程度上的影响和破坏。例如，日晒雨淋会造成导线的老化；电力设备外绝缘表面在运行过程中会逐渐积污，形成污闪；雷电会对架空输电线路产生雷电过电压等等。此外，输电线路的覆冰对输电线路造成很大的危害，最近几年尤为严重，引起越来越多的重视。
自从1932年美国首次出现输电线路覆冰事故以来，各国的输电线路冰害事故不断发生。在1998年1月，发生在加拿大的冰灾事故造成了包括735kV线路杆塔在内各电压等级线路1000多基铁塔和30000基本杆倒塌，累计170余万人中断供电达一周，仅魁北克省的直接经济损失就达10亿加元，间接损失超过30亿加元。
我国是覆冰事故较多的国家之一，输电线路绝缘子串发生覆冰闪络的地区包括东北辽宁，华北的山西、京津地区、内蒙和山东，西北的陕西，华中的豫鄂湘赣以及西南的云贵川等省(区)。我国西南有多条±500kV直流线路，如天(生桥)-广(州)线，三峡龙(泉)-政(平)线、三(峡)-广(东)线和贵(州)-广(东)线，这些线路都有部分穿越覆冰区。1996年冬，葛(洲坝)-南(桥)直流线路发生了多次线路保护动作，最终导致线路停运。经查，事故原因是直流线路在鄂东大别山区段的绝缘子串发生了严重覆冰造成的。1998年12月3日，在大雾气象条件下，山西阳泉地区4条220kV线路在2小时内共发生21次跳闸，系统几乎瓦解。造成这次事故的原因是悬垂绝缘子串在大雾天气条件下形成冰柱，冰柱在融化时造成跳闸。近年来冰灾事故越演越烈，2001年2月河南省发生大面积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故，在2004年12月21日至28日间500kV输电线路发生冰闪34次。2005年的春节，湖南省电网遭遇过去51年以来最严重的冰冻威胁。湖南省湘潭、长沙、岳阳等8个城市有多条220千伏及500千伏主干线覆冰，覆冰最厚处达七八十毫米，多处电线杆塔出现险情和倒塌。冰冻时间、覆盖范围、线路覆冰情况均为1954年以来最严重的一次。
目前防范绝缘子覆冰的有效措施非常有限，还没有一种措施能得到广泛的应用，主要的防范措施有以下两种(1)改变绝缘子的悬挂方式。悬垂的绝缘子串在伞盘的边缘处容易形成冰柱然后将绝缘子串短路。“V”型绝缘子串上所形成的冰柱是接近垂直于绝缘子串的轴向，不会减少泄漏距离。所以V型绝缘子串的冰闪电压要比悬垂绝缘子高得多。(2)改变绝缘子的组合方式为了防止绝缘子间的冰棱桥接，也可以采用特殊组合的绝缘子串。比较常见的组合是在两个大盘径的绝缘子之间接一片小盘径的绝缘子。小盘径的绝缘子由于完全被大盘径绝缘子遮盖，所以表面很难形成覆冰，而两个大盘径绝缘子的边缘间距也增加了一倍，也小容易被冰棱桥接。
发明内容本发明的目的是提供一种防绝缘子覆冰涂料，将该涂料涂覆于绝缘子表面，能大大减少绝缘子上的覆冰量并延缓覆冰的形成，有效地防范覆冰事故的发生，提高电力系统运行的稳定性。
本发明防绝缘子覆冰涂料是一种防绝缘子半导体憎水性涂料，主要研发思路是1.选择具有良好憎水性能的材料，例如硅橡胶，包括高温胶和室温胶；或者进行材料表面的处理，例如应用PTFE聚四氟乙烯粉末喷涂处理，改变表面能大小，等等，目的是降低绝缘子表面的表面能，减小材料表面与冰的粘附力。
2.涂层具有通电发热性能，提高涂层表面温度，延缓或者防止覆冰的形成。
本发明所提供的防绝缘子覆冰涂料，按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。根据线路所在不同地区的污秽环境，调整涂料中所添加的填料、溶剂与聚二甲基硅氧烷的配比。
聚二甲基硅氧烷的粘度为5000Pa·S-10000Pa·S。
有机溶剂可以是石油醚或溶剂汽油等。
导电填料的作用是使得涂料具有一定的导电发热性能，可以选用特导电炭黑，或乙炔炭黑。优选特导电炭黑，其氮吸附比表面积300m2/g，调整炭黑粉末的含量比例可以调整涂料的电导率，炭黑的含量比例越高涂料的导电性能越好。
氢氧化铝的作用是提高涂层的阻燃性能以及抗漏电起痕性能，其粉末颗粒表面进行了硅烷包覆处理。金属氧化物如氧化锌的作用是耐高温、抗氧化。
二氧化硅的细度为纳米级，表面进行了硅烷包覆处理，用于增强硅橡胶的机械性能。
硅烷偶联剂使得基胶进行交联反应，同时增加涂料的致密性和与玻璃的附着力。
上述防绝缘子覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤烘干所述组分中的粉末材料，按所述配比称量各组分材料备用；先将聚二甲基硅氧烷和溶剂放入分散机内搅拌分散0.2-0.8小时，使溶剂和聚二甲基硅氧烷充分融合；再将称量好的炭黑、碳纤维粉、氢氧化铝、二氧化硅和氧化锌加入正在搅拌胶料的分散机内，加完所有填料后继续分散0.2-0.8小时；然后将分散后的胶料放入篮式分散研磨机中研磨1-2小时，冷却；将研磨好的涂料加入真空搅拌反应釜中，搅拌0.2-0.5小时，将反应釜内压力保持到-0.7MPa，搅拌反应釜并放入硅烷偶联剂，停止搅拌，将反应釜内温度升至70℃时再启动搅拌机，升温到80℃后，保持8小时；然后冷却至室温，注氮排料，将涂料密封储存。
本发明还提供一种绝缘子，其特征在于绝缘子表面涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料层；所述防覆冰涂料，按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
本发明还提供一种新型的防绝缘子覆冰的方法，该方法是在绝缘子表面涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料；绝缘子运行在线路上的时候，泄漏电流流过涂层产生的焦耳热、场效应发热以及绝缘子本身的介质损耗将会使绝缘子表面升温，从而在低温的环境下有效阻止冰在绝缘子表面形成。
上述防绝缘子覆冰的方法中，防覆冰涂料可以采用以下配方的防覆冰涂料按重量计，该涂料含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
本发明防覆冰涂料为单组分RTV硅橡胶涂料，在空气中遇到湿气即可硫化成固体，将其涂覆在绝缘子表面后，在空气中硫化形成强度高、光滑的表面涂层，涂层的表面具有优良的憎水性能和比传统RTV涂料更强的憎水迁移性能。涂层表面能的大小直接影响到与冰的粘附力的大小，表面能越小，接触角越大，与冰的粘附力就越小。本涂料所形成的涂层表面具有比较低的表面能，接触角为90°-110°，即使在不加电压的情况下覆冰量也要比普通瓷绝缘子要小。由于涂层与冰的粘附力比较小，在绝缘子覆冰的情况下也能很容易使冰块脱落。
由于在涂料中加入一定的导电填料，涂层变成一科半导体材料，在微小泄漏电流的作用下具有良好的电热性能。当涂覆了本涂料的绝缘子运行在线路上的时候，将会有泄漏电流流过涂层，最大泄漏电流不超过1mA，涂层由泄漏电流产生的焦耳热、场效应发热以及绝缘子本身的介质损耗将会使绝缘子表面升温，从而能在低温的环境下有效阻止冰在绝缘子表面的形成。
本发明防覆冰涂料成本低廉，不仅具有原来RTV涂料所具有的防污闪性能，还能有效降低覆冰对输电线路上绝缘子的危害。而且，由于用涂料的方法防覆冰施工简单，无需进行任何线路改造，因此应用前景非常广阔。
图1为本发明防绝缘子覆冰涂料的制备流程图；图2为气候实验室模拟覆冰测试中，未涂覆涂料的绝缘子串的试验结果；图3为气候实验室模拟覆冰测试中，涂覆有实施例1涂料的绝缘子串的试验结果；图4为表面涂覆涂料的绝缘子剖面图。
具体实施方式本发明防绝缘子覆冰涂料，按重量计含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。涂料中所添加的填料主要成分有炭黑、氢氧化铝、碳纤维粉、二氧化硅、氧化锌，溶剂为石油醚或溶剂汽油。配比根据线路所在不同地区的污秽环境进行调整。本防覆冰涂料为单组分RTV硅橡胶涂料，在空气中遇到湿气即可硫化成固体。
实施例1实施例1防绝缘子覆冰涂料，按重量计，含有107基胶(聚二甲基硅氧烷，粘度10000Pa·S)100份，石油醚(或溶剂汽油)150份，炭黑15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15份，二氧化硅3份，氧化锌3份和硅烷偶联剂7份。
聚二甲基硅氧烷俗称基胶，它是室温硫化硅橡胶的基础胶料，分子量10000-80000，属于羟基封端的聚二有机硅氧烷，在一定条件和交联剂的作用下可以发生交联反应，形成直链聚硅氧烷。
炭黑选用的是特导电炭黑，氮吸附比表面积300m2/g。
碳纤维粉是聚丙烯腈基碳纤维连续长丝通过特殊切割设备，切成数毫米长的短纤维研磨而成。
氢氧化铝的作用是提高了涂层的阻燃性能以及抗漏电起痕性能，粉末颗粒表面进行了硅烷包覆处理。
二氧化硅的细度为纳米级，表面进行了硅烷包覆处理，用于增强硅橡胶的机械性能。
参照图1，本涂料制备方法如下使用的主要设备为分散机、篮式分散研磨机、真空磁力搅拌反应釜、烘箱、真空压力泵和恒温液循环泵。
1)预处理将未进行包覆处理的粉末材料放入烘箱中放置1-2小时，温度110℃，以除去水分。称量基胶、溶剂，以及所需的各种组分材料，备用。
2)分散研磨将基胶和溶剂放入分散机内低速搅拌分散0.5小时，使溶剂和胶料充分融合。
使用加料漏斗，将每种粉末材料均匀地慢慢加入正在搅拌胶料的分散机内。加完所有填料后继续分散0.5小时。
将分散后的胶料放入篮式分散研磨机中进行研磨2小时，用恒温液循环泵进行冷却。使用涂料细度刮板测量涂料的细度，传统的RTV涂料使用三辊研磨机，细度为90-150μm，使用篮式分散研磨机后能达到20μm以下，涂料更加均匀，性能更加稳定。
研磨过程中可以加入溶剂调整涂料的粘度。
3)反应将研磨好的涂料加入真空搅拌反应釜中，搅拌0.5小时，用真空泵抽真空，使压力表显示的值保持在-0.7后，搅拌反应釜并放入硅烷偶联剂。(最初放入全部反应物时，先把搅拌机停下，等温度升到70℃时再启动搅拌机)升温到80℃。保持8小时，冷却至室温后，注氮排料。涂料密封储存。
实施例1防绝缘子覆冰涂料的基本性能测试结果见表1。
表1
气候实验室模拟覆冰测试将未涂覆涂料的绝缘子串和涂覆涂料的绝缘子串分别进行带电覆冰模拟试验，两组覆冰模拟试验条件完全相同，试验条件见表2，观察其最终的覆冰结果如图2和图3所示，其中图2中的绝缘子串未涂覆涂料，图3中的绝缘子串涂覆有实施例1的涂料。本试验在大型覆冰模拟气候试验室内进行。
从图2和图3中可以看到，未涂覆涂料的绝缘子串有冰棱形成，覆冰量明显要比涂覆涂料的绝缘子串多。经测试，未涂覆涂料的绝缘子串每片平均覆冰量为393g，涂覆涂料的绝缘子串为196g。在防冰涂层的作用下大大减少了覆冰的形成，并且有效地阻止了冰棱的形成，提高了绝缘子串的闪络电压。
表2
实施例2实施例2防绝缘子覆冰涂料，按重量计，含有107基胶(聚二甲基硅氧烷，粘度5000Pa·S)100份，石油醚(或溶剂汽油)100份，炭黑12份，碳纤维粉10份，氢氧化铝30份，二氧化硅3份，氧化锌3份和硅烷偶联剂7份。
该涂料适用于污秽比较重，盐密比较大的地区。该配方所配制的涂料在恶劣的环境条件下具有更好的耐电弧烧蚀性能和憎水迁移性能。实施例2所述涂料的制备方法与实施例1相同。
实施例2防绝缘子覆冰涂料的基本性能测试结果见表3。
表3
图4所示为一种涂覆有本发明防绝缘子覆冰涂料的绝缘子，包括陶瓷介质1、金属电极2和3、水泥4，在陶瓷介质1的内表面和外表面均涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料层；所述防覆冰涂料，按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
本发明所提供的防绝缘子覆冰的方法，是在绝缘子表面涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料；绝缘子运行在线路上的时候，泄漏电流流过涂层产生的焦耳热、场效应发热以及绝缘子本身的介质损耗将会使绝缘子表面升温，从而在低温的环境下有效阻止冰在绝缘子表面形成。
其防覆冰涂料可以采用上述实施例1配方的涂料、或者实施例2配方的涂料、或者采用其它具有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料。
在绝缘子表面涂覆防覆冰涂料是一种新型的防冰措施，经过大量实验室模拟覆冰试验证明，防覆冰涂料具有明显的防冰性能，大大减少绝缘子上的覆冰量并延缓覆冰的形成，而且使用操作简单，无需进行线路改造，价格低廉，具有极大的经济效益，为解决困扰电力系统多年的覆冰问题打开了突破口。
权利要求
1.一种防绝缘子覆冰涂料，其特征在于按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
2.根据权利要求
1所述的防绝缘子覆冰涂料，其特征在于所述有机溶剂是石油醚或溶剂汽油。
3.根据权利要求
1所述的防绝缘子覆冰涂料，其特征在于所述导电填料是特导电炭黑，其氮吸附比表面积为300m2/g。
4.根据权利要求
1所述的防绝缘子覆冰涂料，其特征在于所述碳纤维粉是聚丙烯腈基碳纤维连续长丝通过切割设备切成数毫米长的短纤维，再研磨而成的。
5.根据权利要求
1所述的防绝缘子覆冰涂料，其特征在于所述二氧化硅细度为纳米级。
6.权利要求
1所述防绝缘子覆冰涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤烘干所述组分中的粉末材料，按所述配比称量各组分材料备用；先将聚二甲基硅氧烷和溶剂放入分散机内搅拌分散0.2-0.8小时，使溶剂和聚二甲基硅氧烷充分融合；再将称量好的炭黑、碳纤维粉、氢氧化铝、二氧化硅和氧化锌加入正在搅拌胶料的分散机内，加完所有填料后继续分散0.2-0.8小时；然后将分散后的胶料放入篮式分散研磨机中研磨1-2小时，冷却；将研磨好的涂料加入真空搅拌反应釜中，搅拌0.2-0.5小时，将反应釜内压力保持到-0.7MPa，搅拌反应釜并放入硅烷偶联剂，停止搅拌，将反应釜内温度升至70℃时再启动搅拌机，升温到80℃后，保持8小时；然后冷却至室温，注氮排料，将涂料密封储存。
7.一种涂覆有权利要求
1所述涂料的绝缘子，其特征在于绝缘子表面涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料层；所述防覆冰涂料，按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
8.一种防绝缘子覆冰的方法，其特征在于在绝缘子表面涂覆有良好憎水性能和通电发热性能的防覆冰涂料；绝缘子运行在线路上的时候，泄漏电流流过涂层产生的焦耳热、场效应发热以及绝缘子本身的介质损耗将会使绝缘子表面升温，从而在低温的环境下有效阻止冰在绝缘子表面形成。
9.根据权利要求
8所述的防绝缘子覆冰的方法，其特征在于所述防覆冰涂料采用权利要求
1所述防覆冰涂料，按重量计，该涂料含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌或氧化锑3份，硅烷偶联剂7份。
专利摘要
一种防绝缘子覆冰涂料及其制备方法，该涂料按重量计，含有聚二甲基硅氧烷100份，有机溶剂100～150份，导电填料12～15份，碳纤维粉10份，氢氧化铝15～30份，二氧化硅3份，氧化锌3份和硅烷偶联剂7份。将该涂料涂覆于绝缘子表面，能大大减少绝缘子上的覆冰量并延缓覆冰的形成，有效地防范覆冰事故的发生，提高电力系统运行的稳定性。根据线路所在不同地区的污秽环境，调整涂料中的填料、溶剂与聚二甲基硅氧烷的配比。本防覆冰涂料成本低廉，不仅具有原来RTV涂料所具有的防污闪性能，还能有效降低覆冰对输电线路上绝缘子的危害。由于用涂料的方法防覆冰施工简单，无需进行任何线路改造，因此应用前景非常广阔。
文档编号C09D5/00GK1995251SQ200610064503
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月27日
发明者贾志东, 廖伟焱, 王黎明, 关志成 申请人:清华大学深圳研究生院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan