納米複合塗層的防腐性能（納米複合塗層可有效抑制絕緣子表面的金屬粉塵吸附）

2023-04-16 20:03:15

高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）氣體絕緣傳輸線（Gas Insulated transmission Line, GIL）具有運行損耗小、輸送容量大等優異特性，在遠距離能源輸送方面優勢明顯。然而，氣體絕緣設備的頻繁故障已經對長期運行的在役設備造成巨大安全隱患。

據國家電網公司運行故障數據統計，由於GIL內部存在金屬異物而導致的故障佔比近70%。而且在故障氣室中通常以μm級（1～100μm）金屬粉塵為主，少有大尺寸且形狀理想的金屬微粒。金屬粉塵在電場極化作用下極易吸附在絕緣子表面，引發的放電行為可由不易探測的微弱放電逐步發展，最終形成絕緣子沿面的貫穿性放電，金屬粉塵是GIL中絕緣子絕緣失效的「元兇」。

現有研究指出，金屬粉塵吸附於絕緣子表面的動力學過程，與絕緣子表面的電荷分布特性關聯緊密，因此調控絕緣子表面電荷分布行為可能有助於粉塵治理，是抑制金屬粉塵吸附行為的潛在方法。目前，主要的表面電荷調控方法包括：絕緣子本體材料的納米摻雜修飾、表面氟化處理或等離子體處理以及絕緣子表面塗覆。

環氧樹脂與多數無機納米粒子具有良好的相容性且環氧基複合材料間易於粘結，因此在表面覆制納米複合塗層的方法具有天然優勢且易於付諸工程應用。其中，碳化矽（SiC）作為一種典型的非線性電導率無機填料，可使環氧樹脂複合材料電導率隨電場呈現自適應的特點，可同時實現沿面絕緣強度強化與微粒吸附抑制。

此外，由於μm級金屬粉塵質量小，通過調控塗層材料與金屬粉塵間的微觀相互作用力，降低材料間的本徵相互作用強度，也可能在抑制μm級粉塵吸附方面起到重要作用。納米二氧化鈦（nano-TiO2）因比表面積高，具有較低的表面能，能夠與各種材料可靠配合，並表現出獨特的自清潔特性。

雖然，基於表面塗層的電荷調控技術、自清潔材料製備技術已較為成熟，但少有分析其對金屬粉塵吸附行為抑制作用的有效性。通過引入納米複合塗層來抑制金屬粉塵吸附，可為減少由金屬粉塵引起的絕緣失效提供嶄新思路。

新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網江蘇省電力有限公司檢修分公司常州運維站的科研人員王靖瑞、李慶民、劉衡、王健、倪瀟茹，在2022年第12期《電工技術學報》上撰文，選用納米碳化矽（nano-SiC）和蒙脫土-納米二氧化鈦（MMT-nano-TiO2），分別從調控表面電荷和改善表面粘黏性能的角度，設計了兩種納米複合塗層。

圖1 納米複合塗層材料的製備方法

科研人員搭建了粉塵吸附觀測實驗平臺，研究了不同納米粒子及其摻雜比例對塗層表面金屬粉塵吸附分布的影響。進一步建立金屬粉塵受力分析模型，分析了金屬粉塵顆粒由啟舉、飛行到吸附三個階段的動力學過程，結合塗層表面電荷分布特徵、表面粘附特性與納米粒子濃度的關聯規律，揭示了納米複合塗層對金屬粉塵吸附行為的抑制機制。

圖2 金屬粉塵在不同塗層表面的典型分布

圖3 金屬粉塵顆粒的運動吸附機理

他們的研究結果表明：

1）金屬粉塵在絕緣子表面的吸附分布具有三大共性特徵：①金屬粉塵在絕緣子表面的累積吸附均呈弧形帶狀分布；②粉塵「主帶」下側靠近地電極部分基本不吸附金屬粉塵；③在「主帶」上、下兩側的粉塵集中程度逐漸降低並呈擴散狀。

2）金屬粉塵的運動吸附過程可劃分為啟舉、飛行和吸附三個階段。電場力是粉塵啟舉的驅動力；電場力和庫侖力主導了粉塵趨向塗層表面飛行運動過程，該過程與塗層表面電荷分布特性聯繫緊密，並決定了粉塵的帶狀分布模式；粘附力影響粉塵的碰撞吸附行為，待粉塵中的電荷完成遷移過程，粘附力與摩擦力維持粉塵穩定吸附。

3）粉塵吸附量與分布範圍主要取決於區域Ⅱ表面電荷積聚程度，同時受區域Ⅲ表面電荷造成的空間電場畸變影響。因兩種塗層中SEP4和MEP6表面電荷分布特性較優且電荷積聚量最少，因此其表麵粉塵分布範圍較小、吸附量較少。

4）摻入MMT-TiO2有效提升了MEP塗層的抗粘黏特性，而SiC使SEP塗層表面更易粘附粉塵。以環氧基體粘附功為參考，MEP粘附功整體較SEP塗層低10%左右，鑑於相同納米摻雜比例下兩種塗層表面電荷密度相差較小，使得MEP塗層抑制粉塵吸附的效果整體略優於SEP塗層，其中MEP6表現出最優的抑制粉塵吸附性能。

科研人員指出，由於絕緣介質表面不可避免地會積聚電荷，金屬粉塵的吸附行為是無法杜絕的。但通過在絕緣子表面引入適當的納米複合塗層，合理地抑制表面電荷積聚、提升表面抗粘黏特性，可有效抑制金屬粉塵的吸附，減小粉塵分布範圍及吸附量，進而有效降低金屬粉塵造成絕緣子沿面絕緣失效的風險。本研究的相關成果為提升絕緣子表面絕緣強度與絕緣可靠性提供了新的思路。

本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為「納米複合塗層對微米級金屬粉塵吸附行為的抑制作用」。本課題得到了國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。