超高压绝缘子功能涂层研究进展综述

作者及机构
本文由Chao Feng（第一作者，*State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute*）、Yungen Liu（*State Grid Zhuzhou Power Supply Company*）等合作完成，发表于2020年《IOP Conference Series: Earth and Environmental Science》期刊，会议论文编号ICAESEE 2019，DOI:10.¹⁰⁸⁸⁄₁₇₅₅-1315/446/2/022051。

研究背景与主题

本文聚焦超高压（UHV）输电线路绝缘子的功能涂层技术，系统综述了防污闪（anti-fouling flashover）和防覆冰（anti-icing）两类功能性涂层的最新研究进展。中国“西电东送”能源战略依赖UHV输电技术，但高海拔、重污染地区的恶劣环境导致绝缘子污闪和覆冰事故频发，威胁电网安全。开发适配环境条件的功能涂层成为提升UHV线路稳定性与经济性的关键技术。

主要观点与论据

1. 防污闪涂层的研究进展

防污闪涂层的核心目标是提升绝缘子表面疏水性（hydrophobicity）与自清洁能力。
- 纳米改性RTV涂层：Guo Kai等通过添加30%纳米SiO₂优化室温硫化硅橡胶（RTV），其水接触角达147°，AFM显示涂层微观结构更有序，显著降低污染物吸附（图1）。Jing Hai等开发的CaCO₃/SiO₂复合颗粒填充RTV涂层，接触角达165°，滚动角仅5°，污闪电压比普通RTV涂层提高28.6%（29.95 kV vs 23.29 kV）。
- 光催化涂层：Zhuang等提出TiO₂光催化涂层，通过紫外光分解污染物，同时改善绝缘子串电场分布。实验表明，TiO₂涂层的湿闪络电压较未涂层绝缘子提升15.7%（294 kV vs 254 kV）。
- 氟碳树脂涂层：Huang等开发的氟碳树脂基涂层引入纳米TiO₂抗紫外老化，体积电阻率达2.48×10¹⁰ Ω·m，击穿电压21.1 kV/mm，光洁度98%，兼具高电气性能与耐候性。
- 超疏水耐磨涂层：Yan等以甲基硅树脂（methyl silicone resin）为基材，制备微米-纳米二元结构的超疏水涂层（图2），静态接触角157.2°，滞后角2.3°。磨损试验（图3）及污闪测试表明，其污闪电压下降率仅17%，远低于普通RTV（30.9%）。

关键数据支持：
- 超疏水RTV涂层的临界泄漏电流（critical leakage current）仅84.7 mA，显著低于普通RTV（104 mA）和裸露玻璃绝缘子（1187.1 mA）。
- TiO₂涂层绝缘子的机电破坏负荷达104 kN，磨损量0.002 g，工频耐压>120 kV。

2. 防覆冰涂层的设计原理与技术

防覆冰涂层需解决极寒气候下绝缘子覆冰导致的跳闸、断线等问题，现有技术路线包括：
- 超疏水界面防冰：Zuo等开发的有机树脂/SiO₂涂层接触角161.1°，滚动角°。人工气候室模拟覆冰试验（-5℃）显示，涂层绝缘子覆冰重量仅为普通绝缘子的51%。
- 半导体电热防冰：Wei等提出“断路效应”（breaking effect）半导体涂层，通过泄漏电流焦耳热（Joule heating）融冰。实验条件下（-6℃、5 kV电压），涂层使覆冰面积减少50%，但仅对雾凇（rime ice）有效。
- 添加剂降冰点技术：Zhang等筛选有机金属化合物添加剂，通过水解反应释放小分子有机物降低冰点，动态可逆反应加速冰层融化。

局限性：半导体涂层在非覆冰工况下存在能耗问题。Wei等提出仅在下表面涂覆半导体硅橡胶的方案，-7℃试验中覆冰量显著减少，但需权衡防冰效果与能量损耗。

3. 结论与展望

1. 防污闪涂层通过提升疏水性与光催化自清洁能力，可降低污闪风险；超疏水耐磨涂层的长期稳定性是关键研究方向。
   
2. 防覆冰涂层需结合界面超疏水、电热效应与添加剂技术，未来需开发低能耗、广适性的复合涂层。
   

论文价值与亮点

• 系统性：首次全面总结UHV绝缘子功能涂层的制备方法、性能参数与应用条件。
  
• 技术创新：提出光催化TiO₂涂层、超疏水二元结构涂层等新型解决方案，并量化其电气与环境适应性指标。
  
• 应用导向：针对中国高海拔、重污染区域的实际需求，为电网安全运维提供技术参考。
  

资助项目：国家电网湖南电力公司科研项目（5216A01900H、52153219000F）。