曾磊磊， 張 宇， 曾 鑫， 李唐兵， 鄧志斌， 王 鵬， 萬 華， 徐碧川， 劉玉婷， 童 超， 童 濤， 徐 倩

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院， 南昌 330096； 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司， 南昌 330077)

0 引 言

20世紀50年代，采用三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯和混合橡膠等材料作為傘套材料的復合絕緣子問世[1-2]。70年代開始研制硅橡膠復合絕緣子[3]，由于硅橡膠特有的憎水性和憎水遷移性，大大提高了絕緣子的耐污閃性能，復合絕緣子逐漸被廣泛采用。我國于20世紀80年代初開始使用HTV復合絕緣子，得益于大面積污閃、大力發(fā)展直流輸電及特高壓輸電三大機遇，復合絕緣子在我國發(fā)展十分迅速，截至到2014年，我國110 kV及以上電壓等級的輸電線路上運行的復合絕緣子已經(jīng)突破700萬支，在投運的特高壓線路中，復合絕緣子的用量達到65%～70%[4-5]。

由于在運行過程中長期承受電場、機械應力，再加上復雜多變的氣候環(huán)境的作用，隨著運行年限的增加，復合絕緣子硅橡膠傘裙材料逐漸老化，導致潮氣入侵，引發(fā)局部放電與異常發(fā)熱，乃至于出現(xiàn)斷裂、掉串等嚴重后果[6-12]，威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，合理準確的評估復合絕緣子的老化狀態(tài)，從而對采取針對性的措施，比如立即更換或者加大巡檢力度等，就顯得十分必要。目前針對復合絕緣子老化狀態(tài)的評估方法眾多，各有其優(yōu)缺點，還沒有統(tǒng)一的標準和指標[13-18]。結合筆者研究成果，本研究從傳統(tǒng)和新的老化評估方法兩個方面，綜述了當前復合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評估進展，探討了復合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評估發(fā)展方向，以期給電力部門和生產(chǎn)廠家在評價和運維與更換決策時提供指導。

1 硅橡膠傘裙老化評估方法概況

復合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評估是輸電線路外絕緣的關鍵問題，受到了國內外學者的廣泛關注。早期傳統(tǒng)老化評估方法的研究主要集中在：通過現(xiàn)場觀察及在實驗室采用常規(guī)的傘套表面測試手段，評估其老化狀態(tài)，如：外觀檢查、憎水性測試及紅外熱成像等方法。近年來，研究人員認識到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學反應，在宏觀上會導致其不同組分質量的改變，在微觀上會引發(fā)表面微觀形貌、化學基團及內部陷阱參數(shù)的改變，由此衍生出了掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM)、熱重分析(Thermo gravimetric analysis，TGA)、傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)以及熱刺激電流測試(Thermally stimulated current，TSC)等方法來評估復合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)。

下面將結合筆者的研究成果，從傳統(tǒng)和新評估的方法兩個方面，具體介紹和分析上述方法的評估指標和優(yōu)缺點。

2 傳統(tǒng)老化評估方法分析

常用的老化評估方法主要為外觀檢查、噴水分級法(hydrophobicity class，HC)、靜態(tài)接觸角法和紅外成像法等。

2.1 外觀檢查

外觀檢查是電力部門最普遍的巡檢方法，運行人員在塔下利用肉眼、望眼鏡或者通過無人機載攝像機拍攝圖片或視頻來觀測。外觀檢查主要是查看復合絕緣子是否存在明顯的缺陷，比如：傘套粉化程度、是否存在裂紋、孔洞、破損；芯棒是否裸露、斷裂以及金具是否滑移。外觀檢查主要是對復合絕緣子劣化情況做一個基本的判斷，比較簡單易行，缺點是：外觀檢查作為一種粗糙的檢測手段，只能夠發(fā)現(xiàn)一些外部明顯、需要立即處理的缺陷，無法發(fā)現(xiàn)復合絕緣子內部缺陷。

2.2 噴水分級法

噴水分級法最早由瑞典輸電研究所(STRI，Swedish Transmission Research Institute)提出[19]，采用HC(hydrophobicity class)等級來表征試品的憎水性能，從HC1～HC7共7個等級被定義，等級越低說明憎水性能越好，其中HC3及以下為憎水性狀態(tài)，HC5及以上為親水性狀態(tài)。測試過程為：首先利用噴水壺向絕緣子表面灑水，然后通過目測觀察表面水滴狀態(tài)來判斷HC級別，若絕緣子表面為相互獨立、分布均勻的橢球狀的細小水珠，則說明HC等級低，為疏水狀態(tài)；反之，若表面為連續(xù)成片水膜，則說明HC等級高，為親水狀態(tài)。由于HC噴水分級法簡便易行，運維人員可直接手持噴壺登塔在線噴水，不需要停電，是目前現(xiàn)場復合絕緣子的老化評價中應用最為廣泛方法之一。某220 kV線路不同運行年限的復合絕緣子進行的HC分級結果[20]，見圖1。

圖1 復合絕緣子HC分級圖Fig.1 HC classification of composite insulator

由圖1可以明顯看出，運行5年的復合絕緣子HC為2，仍然保持良好的憎水性能，而運行10年以上的絕緣子憎水性大大降低，已經(jīng)為親水狀態(tài)，說明復合絕緣子的憎水性與運行年限存在著負相關關系，也即隨著運行年限的增加，復合絕緣子逐漸老化，憎水性越來越差。這表示HC分級法確實可以通過復合絕緣子憎水性的喪失來反映絕緣子的老化情況。然而，由于HC分級法是基于檢測人員的肉眼觀察來評定憎水等級，其檢測結果會受到主觀因素影響而出現(xiàn)一定誤差。

2.3 靜態(tài)接觸角法

為了克服HC分級法主觀判斷帶來的誤差，客觀準確的衡量材料表面的憎水狀態(tài)，靜態(tài)接觸角法應運而生[21]。接觸角是指水滴、試品交界處的切線與試品表面的夾角，見圖2。接觸角的大小表示了水滴的圓度，從而表征樣品的憎水性能，并且接觸角越大表明憎水性越好，大于90°為憎水狀態(tài)，小于90°為親水狀態(tài)。

圖2 接觸角示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle

圖3是使用JC2000D1型接觸角測量儀測得的某運行4年的復合絕緣子傘裙的接觸角圖片[22]。

圖3 復合絕緣子接觸角Fig.3 Contact angle of composite insulators

從圖3可以看出，該復合絕緣子的接觸角遠超90°，仍然保持較好的憎水性能。

靜態(tài)接觸角法相比噴水分級法，能夠更加準確、客觀的表征復合絕緣子憎水性能，但由于其測試條件更加嚴格，基本不能在現(xiàn)場使用。

2.4 紅外熱像法

復合絕緣子老化后，傘套絕緣電阻下降，內部氣隙導致局部放電，以及水分入侵引起反復極化等原因都可能造成復合絕緣子發(fā)熱[22,6]。因此，復合絕緣子是否發(fā)熱及發(fā)熱程度也將作為其老化評估的指標。紅外熱像法即是利用紅外熱像儀檢測絕緣子的發(fā)熱狀況[23-24]。筆者對運行不同年限的500 kV復合絕緣子施加運行電壓，并利用紅外熱像儀觀察發(fā)熱狀況，結果見圖4[25]。在左右兩邊各懸掛一支屏蔽復合絕緣子用以均勻電場，不對其進行分析。

圖4 紅外熱像圖Fig.4 Infrared thermography

圖4中，從左到右依次為：屏蔽絕緣子、運行2年絕緣子、運行5年絕緣子、新絕緣子、運行10年并發(fā)生斷裂絕緣(后文簡稱為斷裂絕緣子)和屏蔽絕緣子。由圖4可知，除去新復合絕緣子沒有發(fā)熱外，其余樣品均有明顯溫升，并且運行2年和5年樣品的發(fā)熱位置集中在高壓端，而斷裂絕緣子的發(fā)熱區(qū)域從斷裂處延伸至中部，絕緣子有將近一半的長度存在發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱區(qū)域遠大于其他樣品。此外，還得到了各樣品加壓過程中的溫升時域特性，見圖5。

圖5 溫升時域特性曲線Fig.5 Temperature rise time domain characteristic curve

因此，紅外熱成像法由于具有方便、快捷，可遠距離在線檢測等優(yōu)點，在電力部門已得到普遍應用。然而由于對流和輻射的不斷進行，只有發(fā)熱速率大于散熱速率，熱量累積才能表現(xiàn)為溫升，因此，紅外熱成像法對于導通性電阻致熱缺陷，或者顯著局部放電等嚴重缺陷具有較好的檢測效果，對于老化前期的復合絕緣子檢測效果不佳。

3 老化評估新方法分析

傳統(tǒng)方法主要研究復合絕緣子老化所引起的外在表現(xiàn)，如從外觀粉化、憎水性及發(fā)熱程度等方面入手，評估復合絕緣子的老化狀況。這些方法比較簡便、直觀，但未涉及復合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中的化學反應與微觀形貌、結構的改變，因而無法對材料老化進行量化分析與剩余壽命預測。近年來，研究人員認識到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學反應，在宏觀上會導致其不同組分質量的改變，在微觀上會引發(fā)表面微觀形貌、化學基團及內部陷阱參數(shù)的改變，由此衍生出了掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜分析以及熱刺激電流測試等方法。相較于傳統(tǒng)評估方法，新方法有更完備的理論支撐，使進一步量化與壽命評估成為可能。

3.1 掃描電鏡分析

SEM分析是一種常用的材料分析手段，能實現(xiàn)對材料的從幾十到幾萬倍放大，從而對材料的表面狀況進行微觀觀察。圖6為新試樣和運行10年復合絕緣子硅橡膠傘裙的SEM結果，放大倍數(shù)為2 000倍[26]。

從圖6可以看出，新試樣的SEM圖像表面平整、光潔，未見孔洞、裂紋和顆粒物，而運行10年的傘裙表面基本未見平整的區(qū)域，布滿了粉化聚集成團的顆粒物，且出現(xiàn)較寬、較深的裂紋，表示該樣品已嚴重老化。上述分析結果說明可通過SEM觀察硅橡膠傘裙表面狀況來判斷復合絕緣子的老化程度，表面裂紋數(shù)量越多、寬度越大、孔洞越密集、顆粒物越明顯，則其老化程度越高。為了能夠量化分析樣品的微觀形貌，文獻[22]指出，可利用Image-Pro Plus 6.0軟件測量SEM圖片中顆粒物及裂紋的幾何特征，從而得到樣品微觀形貌的量化參數(shù)。

圖6 掃描電鏡分析結果Fig.6 The results of SEM analysis

此外，由于每次SEM實驗只能分析一個微觀區(qū)域，其實驗結果存在一定的分散性，為了減小誤差，應該多測量幾個位置的SEM圖片。

3.2 熱重分析

HTV硅橡膠傘裙的主要成分包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、阻燃劑氫氧化鋁(ATH)和白炭黑二氧化硅，其中ATH的分解溫度為220 ℃～350 ℃，PDMS主要在350 ℃～570 ℃范圍內發(fā)生熱解，白炭黑的熔點為1 600 ℃[27]。而熱重分析實驗的溫度范圍為30 ℃～800 ℃，因此，在實驗過程中，主要發(fā)生ATH和PDMS的分解，并且第一階段的失重量表征ATH的含量，第二階段的是失重量表征PDMS的含量。筆者在實驗室對HTV硅橡膠進行濕熱老化，制備了老化不同時長的硅橡膠樣品，并將其與運行10年的硅橡膠傘裙(兩者配方一致)分別進行熱重分析實驗，實驗結果見圖7[26]。

圖7 熱重分析實驗結果Fig.7 The results of TG analysis

由圖7可知，濕熱老化0至26天樣品的第一階段失重量幾乎沒有差別，而運行老化10年樣品第一階段的失重量也遠低于濕熱老化樣品，說明濕熱老化過程中基本不會發(fā)生ATH的分解，而運行10年樣品的ATH已經(jīng)發(fā)生了嚴重的分解。此外，隨著濕熱老化時間的增加，各樣品第二階段的失重量逐漸降低，其中濕熱老化26天樣品第二階段的失重量與運行老化10年樣品的失重量趨于一致，說明濕熱老化與運行老化過程中均發(fā)生了PDMS分解，且裂解程度與老化時間正相關。

上述分析表明，熱重分析實驗得到硅橡膠傘裙的第一、第二階段的失重量，分別對應其不同組分的含量，可以作為量化評估復合絕緣子老化狀態(tài)的指標。

3.3 紅外光譜分析

熱重分析的結果表明，復合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中會發(fā)生PDMS和ATH的分解，由此將會導致材料中各化學基團的含量發(fā)生變化。因此，利用FTIR分析通過測量各基團的吸收峰或透光度，來評估樣品的老化狀態(tài)。

文獻[28]對相同配方的運行4年和庫存的800 kV 復合絕緣子硅橡膠傘裙進行FTIR分析，結果見圖8。

圖8 紅外光譜分析結果Fig.8 The results of FTIR analysis

由圖8可知，相比于庫存樣品，運行4年的硅橡膠傘裙未出現(xiàn)新的紅外特征吸收峰，表明在老化過程中沒有生成新的基團。此外，運行4年樣品的Si-O-Si、Si-CH3、-OH等基團吸收峰強均比庫存樣品低，說明老化過程中PDMS與ATH均發(fā)生分解，與熱重分析的結果一致。為了能夠量化FTIR的結果，可對FTIR曲線積分，求取各特征吸收峰的面積，作為量化參數(shù)，評估樣品的老化狀態(tài)。

3.4 熱刺激電流法

SEM的結果指出硅橡膠傘裙老化過程中會出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷結構，TG和FTIR的結果表明，硅橡膠傘裙老化過程中會發(fā)生PDMS和ATH的分解，這些表現(xiàn)均會增大樣品的陷阱數(shù)量與陷阱深度。因此，理論上可以利用樣品的陷阱特性參數(shù)來表征其老化狀態(tài)。文獻[29]利用熱刺激電流法表征復合絕緣子傘裙的老化狀態(tài)，其測試系統(tǒng)見圖9。

圖9 TSC測試系統(tǒng)Fig.9 TSC test system

熱刺激電流法的原理是對試品升溫至某一溫度T1，然后在T1下對其施加極化電場，保持該場強，利用液氮系統(tǒng)迅速降溫至T2，使試品內載流子凍結，撤除極化電場，再對試品線性升溫，激發(fā)剛剛被凍結的載流子形成電流，記錄該電流隨溫度變化的數(shù)據(jù)，即得到熱刺激電流曲線。

筆者利用熱刺激電流法測量濕熱老化不同時長的硅橡膠的陷阱特性。得到各樣品的熱刺激電流特性曲線見圖10[26]。

圖10 各樣品的TSC特性曲線Fig.10 TSC characteristic curves of samples

利用公式(1)、(2)[29]分析TSC曲線，得到各樣品的陷阱電荷量Q和陷阱能級E等特性參數(shù)，見圖11。

(1)

(2)

式中：I為熱刺激電流，pA；β為升溫速率，K/min；t1，t2分別為升溫始末時間，T1和T2分別為升溫始末溫度，K，本文分別為173 K和423 K；Tm為TSC曲線峰值電流對應的溫度，K；ΔT為TSC電流峰半峰值對應的溫度差；k為玻爾茲曼常數(shù)。

由圖11可知，陷阱電荷量和陷阱能級均隨濕熱老化時間增加而增大。陷阱電荷量增大，表示隨著老化時間增加，樣品的陷阱總數(shù)增大；陷阱能級增大表示陷阱深度增大，能容納的電荷數(shù)量增加，說明陷阱電荷量和陷阱能級均與老化時長正相關，可作為量化評估老化狀態(tài)的參數(shù)。

圖11 濕熱老化樣品的陷阱參數(shù)Fig.11 Trap parameters of hygrothermal aging samples

4 結 論

結合筆者的研究成果，從傳統(tǒng)和新的老化評估方法兩個方面，綜述了當前復合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評估進展。傳統(tǒng)方法主要涉及復合絕緣子老化引起的外在表現(xiàn)，包括外觀檢查、噴水分級法、靜態(tài)接觸角法及紅外熱像法等。這些方法比較簡便、直觀，但未涉及硅橡膠傘裙老化過程中化學組分的變化，無法對材料老化進行量化分析與剩余壽命預測。老化評估新方法包括掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜以及熱刺激電流法等。這些新方法主要研究了硅橡膠傘裙老化過程中的微觀形貌、組分質量、化學基團以及陷阱參數(shù)的變化，每種新方法均有對應的量化參數(shù)，使復合絕緣子硅橡膠傘裙老化評估的量化分析成為可能，將是今后的重點研究方向。