绝缘子污秽成分分析与清洗剂去污机理研究_刘凯.pdf

高电压技术第 卷 第期 年月 日 ，绝缘子污秽成分分析与清洗剂去污机理研究刘凯，朱天容，刘庭，于萍，罗运柏（中国电力科学研究院，武汉 ；武汉大学电气工程学院，武汉 ；武汉大学化学与分子科学学院，武汉 ）摘要：为深入了解高压绝缘子污秽的组成和带电清洗剂对高压绝缘子表面污秽的去除机理，对高压绝缘子表面污秽进行了扫描电镜、红外光谱、射线衍射、射线荧光光谱和离子色谱分析，用接触角法研究了污秽粘附于绝缘子表面的作用力，测定了带电清洗剂和高压绝缘子的表面张力（）；通过杨氏和表面能方程，分别计算出粘附功、铺展系数和浸湿功。研究结果表明，污秽与绝缘子表面之间为 引力，无氢键形成。带电清洗剂表面张力较小，表明带电清洗剂能在被污染的绝缘子表面自发浸湿和铺展。在带电清洗剂的作用下，减小了污秽与绝缘子表面的 结合力，使污秽从绝缘子表面脱附下来。该研究对开发新的绝缘子带电清洗剂提供了实验与理论依据。关键词：高压绝缘子；污秽；成分分析；带电清洗剂；去污机理；表面张力 ：文章编号：（）基金资助项目：国家电网公司科技项目（）。（），（，；，；，）：（），（），（），（），：；引言由于环境污染问题，架空输电线路绝缘子积污就成为安全隐患。绝缘子长期暴露在空气中运行，其表面不可避免粘附固体、液体和气体污秽微粒，这些污秽一般具有导电性和吸湿性，在雾、露、毛毛雨、融雪等天气条件的共同作用下，会大大降低绝缘子的绝缘水平，增加绝缘子表面的泄露电流，以致在工作电压下也可能发生污秽闪络，造成停电事故。随着电力科学技术的发展，局部故障造成电网瓦解的可能性微乎其微，但当出现大批线路纷纷跳闸，发、变电站不断失电时，会不可避免地酿成电网瓦解的严重后果，大面积外绝缘污秽闪络就是造成这种灾难性事故的原因，闪络事故给我国电力系统造成了严重的经济损失。鉴于污秽闪络对电网安全的严重危害，国内外对绝缘子污秽、闪络和绝缘子清洗开展了大量研究。、李恒真、任绍梅、宋云海和冯斌 等分别对不同地区的绝缘子污秽成分进行研究，结果表明污秽主要成分为 和 。其中沿海地区污秽中可溶性成份是以 为主，而内陆主要成份是以 为主。詹清华总结了绝缘子污秽自然积污特性，表明绝缘子污秽与天气条件、绝缘子的形状、材质和串型等因素有关。王自力 等研究了绝缘子污闪的原因和规律，并提出了预防措施和对策。等通过仿真试验研究了绝缘子表面污秽累积的特性，评价了污秽闪络发生的可能性。梅红伟等研究了污秽中含糖量对变压站内绝缘子外绝缘性能的影响，给出了解决该变电站内绝缘子在低湿度下发生放电现象的具体措施及运行情况。朱正国、蒋琨、荣小平 等分别介绍了化学清洗剂对电力设备进行化学清洗的新方法，并与传统的带电水冲洗方法进行了比较。为了减小高压事故的发生，传统的方法主要为手持喷枪、直升飞机喷水、机器人遥控喷枪和固定水枪冲洗等，这些方法清理高压线路瓷瓶耗时费力，容易引起人为事故，机械清理高空作业困难。通过对绝缘子的带电清洗能有效去除绝缘子表面深层污秽，消除高压绝缘子事故的发生 。随着化学清洗剂在电力设备清洗方面的深入研究，各种电力设备带电清洗剂不断开发应用，但是对带电清洗剂对绝缘子污秽的去除机理研究较少。因此，本文主要研究了绝缘子污秽的化学成分和带电清洗剂对绝缘子表面污秽去除的机理，为带电清洗剂的研究开发提供了实验与理论依据。试验条件与方法 材料和仪器高压陶瓷绝缘子（型号：）和绝缘子污秽由中国电力科学研究院提供，分别从个不同位置取样，命名为 避，避，和 ；带电清洗剂为某化工公司提供；正癸烷（分析纯）由国药集团化学试剂有限公司生产；石油醚（分析纯）沸程为 ，由天津市富宇精细化工有限公司生产。扫描电子显微镜（，），生产厂家为荷兰 公司；变换红外光谱仪（），生产厂家为美国 公司；射线衍射仪（，），生产厂家为德国布鲁克 有限公司；射线荧光光谱分析（，），生产厂家为德国布鲁克 有限公司；离子色谱仪（），生产厂家为美国戴安公司；接触角仪（）和表面张力仪（），生产厂家为德国 公司；紫外分光光度计（），生产厂家为日本岛津公司。试验方法）污秽有机物质量分数的测定取一定质量的不同污秽与洁净的坩埚（质量），于 煅烧，拿出放置于干燥箱中，冷却，称其质量，并计算出煅烧前后的质量损失率。）污秽中油脂质量分数的测定取一定质量的污秽于石油醚（）中浸泡，抽滤，取滤液用石油醚定容至 ，用紫外分光光度计于 波长测其吸光度值，详见 。）污秽可溶物的测定取一定质量的污秽溶于超纯水中，加热至 促进物质的溶解，抽滤，取滤过液用超纯水定容至 ，然后用离子色谱仪分析其阴阳离子的含量。）污秽的 和 分析对绝缘子表面污秽取样后进行制样，然后用 和 分析仪进行测量，分析其化学组成。）绝缘子表面接触角和表面张力的测定将绝缘子表面敲破，取 小块绝缘子表面洗净，然后将洁净的和未进行处理过的绝缘子用接触角仪 测定其接触角和表面张力。）带电清洗剂表面张力的测定带电清洗剂采用简单蒸馏进行馏分切割，采用表面张力仪 测定液体的表面张力。试验结果与讨论 污秽的表面形貌与化学组成分析 污秽的表面形貌分析为了研究绝缘子表面污秽的形貌、分布及其在绝缘子陶瓷表面的厚度与结合情况，对其进行了 分析，试验结果如图所示。由图（）和（）可见，绝缘子表面污秽由杂乱排列的结晶状物质紧密堆积，有空隙存在。由图（）和（）的绝缘子污秽截面图可以看出，积污后的绝缘子有层结构：绝缘子陶瓷本体、涂料 和污秽。其中，污秽与绝缘子表面涂料结合紧密，仅靠水洗或者人工擦洗很难将其彻底清洗干净。涂料厚度约为 ，污秽在表面的厚度约为。污秽煅烧前后的外观形态和质量损失率为了测定污秽中有机物的含量，对污秽进行煅烧，试验结果如表所示。刘凯，朱天容，刘庭，等绝缘子污秽成分分析与清洗剂去污机理研究表 污秽煅烧后的质量损失率 样品 质量损失率 避 避 由表结果可见，污秽中有机物主要为碳、动植物的油脂和矿物油，其质量分数为 左右。污秽中油脂的质量分数试验结果表明，滤液在 处的紫外吸收光谱有最大吸收。测得滤液的吸光度 ，根据标准曲线计算得到，污秽中含油脂为 ，占污秽总质量的 。污秽中有机物的红外光谱分析对绝缘子污秽组成进行红外光谱分析，结果如图所示。由图可见，污秽在 有较大的红外吸收峰，主要为 键伸缩振动引起。因此，污秽的主要成分为 。污秽的 分析对绝缘子表面的污秽进行射线衍射分析（），试验结果如图所示。图为污秽的 图谱，根据 数据和标准 的 图谱（标准图谱卡片号 ）进行对比，匹配度高达 。表明污秽的主要成分为 ，进一步验证了红外光谱的分析推测结果。污秽中无机物的 分析对绝缘子污秽组分进行射线荧光光谱分析（）分析，结果见表。由表可以看出，污秽主要含有十几种物质，其中，的含量最高，占污秽质量的 左右，的含量次之。污秽的其它成分主要为、和。污秽中水溶性无机物成分分析污秽中水溶性无机物可能的成分有阳离子 、和阴离子、和 等，其质量分数采用离子色谱法进行测定，试验结果如表所示。由表可见，污秽物可溶性的阴离子，离子质量分数最低，为 ；质量分数高于其它种阴离子，达到 ；对于阳离子，质量分数最高，达到了 。因此，污秽中水溶性无机物的主要成分为 。图 绝缘子污秽的 图谱 图 污秽 图谱 图 污秽的 图谱 带电清洗剂的性质及其清洗结果 带电清洗剂的理化性质对带电清洗剂进行了蒸馏并分析其成分，试验结果如表所示。表结果表明，助洗剂的沸程在 ，不易燃，挥发性强，助洗剂约占带电清洗剂的 （体积分数）；非离子表面活性剂，沸点较高，颜色为淡黄高电压技术 ，（）表 污秽中的无机物质量分数 物质名称无机物质量分数 污秽原样污秽烧结后 表 污秽中水溶性无机物的成分与质量分数 离子名称绝缘子污秽质量分数 离子名称绝缘子污秽质量分数 色，约占 （体积分数）。带电清洗剂中的主要活性成分为助洗剂和非离子表面活性剂。带电清洗剂对绝缘子表面的清洗效果用带电清洗剂对绝缘子表面进行清洗，试验结果如图所示。由图见，带电清洗剂对绝缘子（）表面污秽有较好的清洗作用，但是清洗剂喷洒到绝缘子表面后，需要借助外力擦洗才能将污秽彻底清洗掉。带电清洗剂对绝缘子表面污秽的去污机理 绝缘子表面接触角为研究绝缘子和污秽之间的表面作用力，分别测定了水和正癸烷在其表面的接触角，试验结果如图和表所示。图为水和正癸烷在绝缘子清洁表面与被污染表面的接触角照片，试验结果表明，绝缘子上表面疏水性较强。表 带电清洗剂的基本性质 带电清洗剂参数低沸点物质高沸点物质沸程 体积 （约占 ）颜色无色黄色闪点不易燃不易燃图 带电清洗剂对绝缘子清洗效果图谱 图 水和正庚烷在绝缘子表面的接触角 表 水和正癸烷与绝缘子表面的接触角 （）绝缘子表面清洁的绝缘子（正面）污染的绝缘子（正面）清洁的绝缘子（反面）污染的绝缘子（反面）接触角（）水 正癸烷 刘凯，朱天容，刘庭，等绝缘子污秽成分分析与清洗剂去污机理研究从表 可 知，水 在 其 表 面 上 的 接 触 角 可 达 ，而下表面粗糙度大，表面接触角小，容易被润湿。绝缘子表面累积污秽后，表面的疏水性增加，接触角增加到 和 ，则润湿性能降低，污秽表面变得更加疏水，污秽容易聚沉，并再度沉积于绝缘子表面。而对于正癸烷，接触角接近于，即非极性的物质能完全润湿沾污的绝缘子表面。对于疏水表面上的非极性污秽，比在亲水表面上的污秽更不易去除。绝缘子的表面张力、色散力和极性力根据绝缘子表面接触角结果，采用 方法，计算出绝缘子表面能，其结果如表所示。由表结果可见，未污染绝缘子的上、下表面的表面张力分别为 和 ，表面主要表现为色散力；绝缘子被污染后，上、下表面的表面张力都降低到 ，一般洗涤剂能够很好的润湿积污后的绝缘子。带电清洗剂在绝缘子表面的接触角为了研究带电清洗剂对绝缘子表面润湿性能，测定了带电清洗剂在绝缘子表面的接触角，试验结果如表所示。由表可见，带电清洗剂对绝缘子表面的接触角都为，在滴上清洗剂的短时间内都能铺展和润湿绝缘子表面污秽。带电清洗剂的表面张力表面张力是表面活性剂重要的物理化学性质，而表面活性剂又是带电清洗剂中的主要成分，表面张力表征的是带电清洗剂收缩表面的能力。大多数洗涤作用优良的清洗剂，均具有较低的表面张力和油 水界面张力。带电清洗剂的表面张力测试结果如表所示。根据固体表面润湿的原理，对于一定的固体表面，较低的表面张力的液体有较好的润湿性能，从而才有可能进一步起洗涤作用。从表结果可见，带电清洗剂中的助洗剂的表面张力最小为 ，活性剂的表面张力为 ，清洗剂的表面张力介于两者之间，为 。清洗剂的表面张力较小，有助于清洗剂的润湿性能。带电清洗剂对绝缘子污秽的去污机理表面张力与洗涤作用的关系符合一定规律。污秽的非极性较强，则污秽与表面活性剂碳氢键之间的 引力而发生吸附，污秽与表面一般无氢键形成。表 绝缘子的表面张力、色散力和极性力 ，绝缘子表面清洁的绝缘子（正面）污染的绝缘子（正面）清洁的绝缘子（反面）污染的绝缘子（反面）表面张力 色散力 极性力 表 带电清洗剂在绝缘子表面的接触角 绝缘子表面清洁的上表面污染的上表面清洁的下表面污染的下表面接触角（）带电清洗剂助洗剂活性剂 表 带电清洗剂的表面张力 物质带电清洗剂助洗剂活性剂表面张力 （）洗涤剂能否润湿（浸湿）污秽或者绝缘子表面，可以从固体表面的铺展或浸湿是否来考虑。从图可以看出，杨氏方程 （）。（）式中，为接触角。粘附功、铺展系数和浸湿功 为：；（）；（）。（）式中，为粘附功；为铺展系数；为浸湿功，体现了固体与液体间粘附的能力；为固体的表面张力；为液体表面张力；为固液界面的表面张力，其单位均为 。对于同一体系，。因此，凡能自行铺展的体系，其润湿过程都可以自动进行。固体表面能对体系润湿特性的影响都是通过浸湿功来起作用的。其规律是气固界面张力越大、固液界面张力越小，也就是粘附张力越大，越有利于润湿。根据式（）（），分别计算出、和，结果如表所示。高电压技术 ，（）图 杨氏方程示意图 表 带电清洗剂对绝缘子表面污秽的粘附功、浸湿功和铺展系数 ，界面粘附功浸湿功铺展系数带电清洗剂污染后上表面 带电清洗剂污染后下表面 助洗剂污染后上表面 活性剂污染后上表面 由表结果可见，。根据热力学第定律，在恒温恒压条件下，的过程为自发的过程，为沾湿发生的条件，说明带电清洗剂可以在有污秽的绝缘子表面沾湿，越大表示带电清洗剂和绝缘子污秽表面结合越牢。由于表面活性剂碳氢键与污秽发生吸附，使得表面活性剂的极性基朝向绝缘子表面和空气，降低了污秽与绝缘子表面的 结合力，从而使污秽从绝缘子表面脱落。表结果还表明，和，带电清洗剂和助洗剂能够在有污秽的绝缘子表面自动浸湿或者铺展。然而，单一使用表面活性剂时，说明该物质不能自动在污秽表面润湿或铺展，需要借助低沸点的助洗剂的共同作用，才能对污秽起到润湿作用。因此，带电清洗剂中有助洗剂和表面活性剂的存在，使得带电清洗剂在固 液界面和溶液表面发生吸附，和值减小，导致值更小，更容易使带电清洗剂在表面铺展。结论）和 结果表明，高压绝缘子表面污秽样品中主要成分为难溶性 和 。且 结果表明，这种硅垢结构致密，与绝缘子表面的 涂料紧密结合，垢质特殊，极难清洗。水溶性无机物组成主要为 。）带电清洗剂的主要成分为助洗剂和表面活性剂。其中，助洗剂的沸点较低，为 ，不易燃，挥发性强，约占带电清洗剂的 （体积分数）；带电清洗剂中的表面活性剂为非离子表面活性剂，沸点较高，颜色为淡黄色，占 （体积分数）。）洁净的绝缘子表面为疏水性，绝缘子表面积污秽后，表面疏水性增加，表明污秽的非极性较强。污秽与绝缘子、污秽与表面活性剂碳氢键之间因 引力而发生吸附，污秽与表面无氢键形成。）带电清洗剂表面张力较小，沾湿为自发过程，表明带电清洗剂能在有污秽的绝缘子表面沾湿、自发浸湿和铺展。）带电清洗剂中有助洗剂和表面活性剂，带电清洗剂中的非极性碳氢键与污秽发生吸附，使得表面活性剂的极性基朝向绝缘子表面和空气，降低了污秽与绝缘子表面的 结合力，从而使污秽从绝缘子表面脱落。参考文献 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