陳曉春, 李洛琦，吳照國，鄭敏聰，王建國，周仲康

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大學，香港特別行政區(qū)；3. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

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掛網(wǎng)運行復合絕緣子傘裙性能研究

陳曉春1, 李洛琦2，吳照國3，鄭敏聰1，王建國3，周仲康1

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大學，香港特別行政區(qū)；3. 武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

摘要：針對復合絕緣子在各種環(huán)境因素和運行應力的作用下，其外絕緣材料高溫硫化硅橡膠會隨著運行時間的增加出現(xiàn)老化的問題，對4支運行后的復合絕緣子和1支新絕緣子的傘裙材料進行了硬度、憎水性、體積電阻率、表面電阻率和電氣強度的測量，以及熱重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)和掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope，SEM)檢測。試驗結果表明，復合絕緣子在長期運行后，其傘裙硬度增加，憎水性和電氣強度有所減弱，表面的有機聚合物含量變少，無機殘留物的含量相對增加，硅橡膠在氮氣氣氛中的熱穩(wěn)定性高于空氣氣氛中的熱穩(wěn)定性，SEM結果顯示，運行10年后傘裙表面孔洞直徑多小于5μm，而運行15年以上者則出現(xiàn)大于10μm的孔洞。

關鍵詞：復合絕緣子；傘裙材料；熱重分析；電鏡掃描；硬度；憎水性

復合絕緣子的外絕緣材料為高溫硫化硅橡膠，具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性，耐污性能好，污閃電壓高，同時也具有重量輕、免清掃、價格低等優(yōu)勢，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用[1-2]。但復合絕緣子長期在大氣環(huán)境中運行，不可避免地承受日照、濕度、溫差和污穢等各種環(huán)境因素的侵蝕，隨著時間的增加會出現(xiàn)外絕緣材料老化的問題[3-4]，從而影響絕緣子的正常運行，因此對其外絕緣材料的老化性能進行研究非常必要[5-7]。

本文選取安徽電網(wǎng)4支運行后的復合絕緣子和1支新絕緣子作為試樣，對其外絕緣材料進行了硬度、憎水性、電阻率和電氣強度的測量，熱重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)以及掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope，SEM)檢測，獲得了運行后復合絕緣子的材料老化特征，為復合絕緣子材料老化狀態(tài)的診斷和評估提供了參考依據(jù)。

1試驗

1.1試品

根據(jù)抽樣的具體情況，選取運行年限為5～15年的4支絕緣子(試樣編號為2—5)，運行地區(qū)的污穢等級較高，均為E1，復合絕緣子試樣具體信息見表1(編號1為新絕緣子)。

表1復合絕緣子試樣基本信息

試樣編號線路名稱廠家運行時間/a污穢等級1—X0—2敬瓶5901D15E13太胡745線H10E14盛繁2875Z10E15月獅459線Z6E1

1.2試驗內(nèi)容

本文主要側重研究復合絕緣子運行后傘裙材料的老化狀況和理化性能，因此選擇了憎水性、傘裙主要電氣性能、TGA及SEM檢測對以上試樣進行分析。

根據(jù)GB/T24622—2009《絕緣子表面濕潤性測量導則》，測試絕緣子憎水性的方法有接觸角法、表面張力法和噴水分級法。本試驗采用噴水分級法。具體操作步驟如下：首先將樣片放在與水平面成20°～30°的位置，將噴霧瓶噴嘴置于距樣片表面25cm處，每秒噴1次，持續(xù)20～30s，在噴霧結束10s內(nèi)完成拍照。

根據(jù)GB/T2011—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》，本次試驗采用A型邵氏硬度計，選擇試樣的不同位置(相距至少6mm)測量硬度值3次，取其平均值。

根據(jù)GB/T1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測定》，本文用Keithley的6517高阻儀對絕緣子傘裙材料進行體積電阻率和表面電阻率測試。

根據(jù)GB1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》，將所有測試樣品均用磨片機加工成2mm厚，誤差在±0.1mm內(nèi)，試驗前用無水乙醇將樣品表面清洗干凈，每個試樣測3個點，3個點的擊穿電壓值偏離中值(3個測量值的中間值)不應大于15%，否則重新試驗，取3個測量值的平均值作為該樣品的擊穿電壓值。

TGA實驗氣氛分別為氮氣和空氣，升溫速度為10 ℃/min；SEM采用Sinion200肖特基場發(fā)射掃描電鏡，加速電壓為10.0kV。

2結果與討論

2.1硅橡膠憎水性、硬度及主要電氣性能檢測

目前，復合絕緣子用硅橡膠材料的技術參數(shù)和檢測方法普遍參照DL/T376—2010《復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件》。相較于其他指標，憎水性能和電氣性能是影響復合絕緣子能否正常運行的關鍵因素[8-10]，因此本文對運行后復合絕緣子的傘裙進行了硬度、憎水性、交流與直流電氣強度、體積與表面電阻率等參數(shù)的測量。試驗結果見表2。

表2運行復合絕緣子傘裙主要性能參數(shù)測量結果

試樣編號憎水性等級硬度擊穿電場強度/(MV·m-1)交流直流體積電阻率/(Ω·m)表面電阻率/Ω1HC16523.3061.304.45×10142.31×10142HC47016.3842.702.90×10149.32×10133HC47118.3345.033.89×10131.69×10134HC37817.9541.537.21×10134.65×10135HC37919.2559.203.60×10136.93×1013

根據(jù)標準DL/T376—2010對硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定：邵氏硬度不小于50，體積電阻率不小于1.0×1012Ω·m，表面電阻率不小于1.0×1012Ω，交、直流擊穿電場強度應分別不小于20MV/m和30MV/m。由表2可知，運行后復合絕緣子傘裙的硬度均大于70，明顯比新樣品偏高；體積電阻率和表面電阻率比新樣品偏低，但仍滿足標準要求；復合絕緣子傘裙的直流擊穿電場強度在40～60MV/m之間，均滿足要求，但隨著運行年數(shù)的增加，直流和交流擊穿電場強度有逐漸降低的趨勢，尤其是運行后傘裙的交流擊穿場強均在20MV/m以下，已不滿足要求。

2.2TGA

TGA是高分子的常規(guī)表征手段，可用于表征結構相變，分析殘余單體和溶劑含量，用于添加劑的檢測和熱降解的研究[11]。為了研究運行后復合絕緣子硅橡膠傘裙的熱穩(wěn)定性和各組分的相對含量變化，對老化后的樣品進行了氮氣氣氛下的TGA。復合絕緣子傘裙的成分組成主要包括3個部分：高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子；低分子物質(zhì)，主要包括催化劑、硅烷偶聯(lián)劑、硫化劑、硅油以及硅氧烷小分子等；無機填料，主要是補強劑白炭黑SiO2和阻燃劑氫氧化鋁(aluminumtrihydrate，ATH)。在TGA實驗中， 220～350 ℃階段主要是低分子蒸發(fā)和Al(OH)3填料部分脫水階段，據(jù)有關文獻報道，ATH的熱分解失重主要發(fā)生在200～420 ℃，該階段Al2O3·3H2O的3個結晶水可以失去2.5個。350～600 ℃階段為高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子的熱分解損失質(zhì)量階段，該階段化學鍵如C—C、Si—O、Si—C開始斷裂，隨著溫度升高，高分子物質(zhì)分解加劇，熱降解速率也逐漸加大，在400～500 ℃區(qū)間，降解速率達到最大值。溫度大于700 ℃階段則僅剩無機殘渣，主要是ATH失去結晶水后形成的Al2O3以及在20～700 ℃內(nèi)幾乎不失重的白炭黑。

由于傘裙表面受到多種老化因素的作用，相較于傘裙內(nèi)部的材料，其老化程度應該更嚴重，因此對于這些運行老化的試品，分別選取了傘裙表面和傘裙內(nèi)部2個檢測點進行分析對比，將內(nèi)部的TGA曲線作為未老化或者輕微老化的參考依據(jù)，從而判斷老化后的硅橡膠表面發(fā)生了何種化學變化。運行后樣品的TGA結果雖然存在差別，但總體的變化趨勢是一致的，現(xiàn)以2號試樣為例(如圖1所示)，分析TGA的結果及其反映出的各類物質(zhì)的相對變化。

由圖1可知，試樣在200 ℃以前幾乎不失重，只有很小的質(zhì)量變化, 這可能是試樣中所含水分蒸發(fā)帶來的影響，主要是試樣表面吸附水的物理性逸出。表層硅橡膠在200～300 ℃出現(xiàn)第一個失重臺階，失重18.39%；300～450 ℃出現(xiàn)第二個失重臺階，失重11.27%。內(nèi)層硅橡膠在250～350 ℃出現(xiàn)第一個失重臺階，失重13.84%；350～500 ℃出現(xiàn)第二個失重臺階，失重35.64%。相較于內(nèi)層，表層在低溫區(qū)的失重大，在中溫區(qū)的失重小，高溫區(qū)殘留的無機物更多。這些現(xiàn)象說明表面的低分子物質(zhì)含量高于內(nèi)層，但有機聚合物高分子的含量低于內(nèi)層，因此硅橡膠分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴重。另外表層殘留了較高的ATH和白炭黑，相應地減少了硅橡膠的含量，導致中溫區(qū)的熱分解產(chǎn)物相對較少。

圖1　2號試樣的TGA曲線

為了研究硅橡膠傘裙在不同氣氛下的熱穩(wěn)定性，本文還對運行后的試樣(4號和5號)進行了氮氣和空氣氣氛下的熱重分析，一般來說，在氮氣氣氛下，硫化膠高分子在失重區(qū)主要是發(fā)生鏈斷反應；在空氣中加熱時，分子鏈、側基的斷裂及部分交聯(lián)會同時發(fā)生，熱分解過程更復雜。對比二者的TGA曲線，可進一步了解硅橡膠的熱分解特征。圖2為4號和5號試樣在兩種氣氛下的TGA曲線。

圖2　氮氣和空氣下硅橡膠的TGA曲線

由圖2可知，兩種氣氛下試樣在低溫區(qū)的第一個失重臺階的質(zhì)量損失基本相等，即低分子蒸發(fā)和填料脫水在兩種氣氛下的表現(xiàn)和進程大致相似。但空氣氣氛下，硅橡膠第二個失重區(qū)的起始溫度明顯提前，可見硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于側鏈中甲基的存在導致聚硅氧烷高分子在空氣中更易于被氧化；并且質(zhì)量損失較氮氣氣氛下的明顯減少，這可能與裂解產(chǎn)物和試樣在空氣中被氧化后質(zhì)量增重有關。

2.3SEM檢測

SEM是觀察和研究材料微觀形貌的重要方法，可以檢測固體試樣表面的形貌特征，如不均勻性、相分離、裂紋、缺陷等[12-13]。新試樣以及老化后部分試樣的SEM圖像如圖3至圖5所示。

圖3　1號新試樣SEM圖像

圖4　2號試樣SEM圖像

圖5　3號試樣SEM圖像

由圖3至圖5可以看出，新試樣的SEM圖像顯示樣片表面較為平整、光滑，結構均勻，填料填埋和包裹得很好。運行10年后，3號試樣表面變得粗糙且凹凸不平，開始出現(xiàn)大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直徑都在5μm以下，少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面，其中塊狀或顆粒狀突出物應為硅橡膠的無機填料，硅橡膠分子主鏈的斷裂等原因引起有機交聯(lián)網(wǎng)絡的破壞，從而導致其中的填充物暴露出來。運行15年后，嚴重老化的試樣表面出現(xiàn)大量裂紋(如圖4所示)，且孔洞和缺陷試樣的面積逐漸擴大，破損嚴重的部位出現(xiàn)直徑超過10μm的孔洞，硅橡膠表面被分裂為一個個凹凸不平的塊狀結構。SEM結果說明，隨著運行時間的增加，復合絕緣子的老化程度越明顯，可直觀地看出環(huán)境因素和各種運行應力對硅橡膠表面造成的老化影響。

3結論

從本文的試驗結果可以初步得到以下結論：

a) 隨著運行時間的增加，交流和直流擊穿電場強度有逐漸降低的趨勢，試樣的傘裙交流擊穿電場強度均在20MV/m以下，按照DL/T376—2010對硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定，已不滿足要求。

b) 運行后復合絕緣子傘裙的體積和表面電阻率隨運行時間的變化規(guī)律不明顯。

c) 相比于新試樣，運行后復合絕緣子傘裙的硬度均有上升，憎水性出現(xiàn)下降，但與運行時間的線性關系不明顯。

d)TGA試驗結果表明，運行15年后的復合絕緣子傘裙表面的有機聚合物高分子含量明顯減少，低分子物質(zhì)和無機殘留物的含量相對增加，因此表層硅橡膠大分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴重。硅橡膠在氮氣和空氣氣氛中低溫區(qū)的失重特征(主要是低分子蒸發(fā)和填料脫水)大致相似，但高分子聚合物的熱降解起始溫度明顯提前，可見硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低。

e)SEM結果顯示，新樣表面較為平整、光滑，填料填埋和包裹得很好。運行10年后的試樣表面開始出現(xiàn)大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直徑都在5μm以下，可見少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面。運行15后，試樣的孔洞和缺陷面積進一步擴大，破損嚴重的部位出現(xiàn)直徑超過10μm的孔洞，表面出現(xiàn)大量裂紋。

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Research on Shed Properties of Network Operating Composite Insulators

CHEN Xiaochun1, LI Luoqi2, WU Zhaoguo3, ZHENG Mincong1, WANG Jianguo3, ZHOU Zhongkang1

(1.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,Anhui230601,China; 2.TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKongSAR,China; 3.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

Abstract：InallusiontotheproblemofexternalinsulationmaterialnamedHTVofcompositeinsulatorsbeagingwithincreaseofrunningtimeundervariousenvironmentandoperationstressconditions,hardness,hydrophobicity,volumeresistivity,surfaceresistivityandelectricstrengthisrespectivelymeasuredforshedmaterialsoffourrunningcompositeinsulatorsandonenewinsulatoraswellasthermogravimetricanalysis(TGA)andscanningelectonmicroscope(SEM)detectioniscarriedout.Experimentalresultsindicatethatafterlong-termoperation,shedhardnessofthecompositeinsulatorincreases,hydrophobicityandelectricstrengthdecreases,contentofsurfaceorganicpolymerdiminishesandcontentofinorganicresiduesrelativelyincreases.Inaddition,itisdiscoveredthatheatstabilityofsiliconerubberinnitrogenatmosphereishigherthanthatinairatmosphere.SEMresultshowsthatdiametersofholesonthesurfaceofshedhavingrunningforabout10yearsaremostlylessthan5μmanddiametersofholesonthesurfaceofshedrunningforover15yearsarelargerthan10μm.

Keywords：compositeinsulator;shedmaterial;thermogravimetricanalysis(TGA);scanningelectonmicroscope(SEM);hardness;hydrophobicity

收稿日期：2016-04-26

基金項目：國網(wǎng)安徽省電力公司科技項目(52120514003R)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.019

中圖分類號：TM216

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)06-0104-05

作者簡介：

陳曉春(1982)，女，安徽巢湖人。工程師，理學博士，從事合成材料與應用方面的研究。

李洛琦(1995)，女，安徽合肥人。在讀本科生，從事電氣工程與自動化方面的研究。

吳照國(1990)，男，湖北黃岡人。在讀碩士研究生，從事高電壓與絕緣技術方面的研究。

(編輯闞杰)