岳文香，陳威，黃文定，程廣軍

（1.新安天玉有機硅有限公司，廣東清遠 511500；2.華南理工大學，廣州 510000）

高溫硫化（HTV）硅橡膠具有優(yōu)良的疏水性、抗污性能和機械強度。作為復合絕緣子的外殼材料，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用。目前，中國電網(wǎng)已應用復合絕緣子近1 000 萬只[1]。然而，隨著運行年限的增加，HTV 硅橡膠材料在電暈、紫外線輻射、鹽霧和濕度等因素的影響下會逐漸劣化，失去原有的疏水性和抗污染性能。

研究表明，復合絕緣子受高溫、高濕和高鹽度的綜合作用，更容易發(fā)生嚴重老化，在亞熱帶季風氣候下的沿海地區(qū)較為典型[2]。到目前為止，研究人員已經(jīng)做了很多相關的工作。FERNANDO等研究了硅橡膠絕緣子在沿海和內(nèi)陸熱帶環(huán)境下的老化，發(fā)現(xiàn)長期現(xiàn)場暴露產(chǎn)生的絕緣子老化弱于鹽霧室老化[3]。LIU 等研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽霧持續(xù)時間和鹽霧電導率的增加，泄漏電流增大，閃絡電壓降低[4]。CUI 等評價了沉積層電導率與環(huán)境相對濕度的關系，電暈放電是加速HTV 硅橡膠材料老化的重要因素之一[5]，然而在多因素條件下鹽霧對HTV硅橡膠電暈老化性能的影響研究還比較少。

本研究利用電暈時效系統(tǒng)模擬了HTV 硅橡膠材料的劣化過程。采用高鹽度模擬沿海環(huán)境作為影響HTV 硅橡膠材料電暈老化過程的主要因素。測試結束后，通過疏水性、表面電阻率和介電性能進一步評價多因素老化對材料的影響。

1 實驗部分

1.1 老化測試系統(tǒng)設置

以鹽沉積水平為變量，研究強電暈環(huán)境下HTV 硅橡膠材料的電性能。老化實驗系統(tǒng)由恒溫恒濕鹽霧老化單元和高溫高濕電暈老化單元組成，鹽霧老化裝置采用YWX/Q-150 鹽霧實驗箱產(chǎn)生微小的鹽滴，將密而厚的鹽霧均勻噴灑在樣品表面，模擬沿海地區(qū)的鹽霧氣候。選用的鹽水溶液氯化鈉的質量濃度32 g/L，最大噴灑體積流量2.5 mL/h，腔內(nèi)最高溫度150 ℃。電暈老化裝置由交流穩(wěn)壓器（0～220 V，50 Hz）、實驗變壓器（最大輸出電壓50 kV）、阻水器（限流器，30 k）、電容分壓器（AC100 kV，分壓器比1 000∶1，電容367 pF）組成。2 個針板電極裝置置于恒溫恒濕室中，室內(nèi)溫濕度由HS-100L 恒溫恒濕室精確控制，箱體內(nèi)最高溫度150 ℃，最大相對濕度（RH）%。針電極分為12 個方形區(qū)域，每個區(qū)域下放置1 個樣品，最多可放置12 個樣品，兩針間距5 mm，針長20 mm，針尖與樣品表面之間的氣隙6 mm。

1.2 樣本測試

HTV 硅橡膠試樣尺寸為70 mm×70 mm×2.5 mm，以表層鹽層水平為主要影響因素，分別設置了3 個鹽層水平?？紤]到沿海地區(qū)的極端高溫為44.1 ℃，鹽霧老化單元和電暈老化單元的實驗溫度設置為50 ℃。

以中國亞熱帶季風區(qū)沿海環(huán)境條件為實驗參考。設置RH為50%。大部分沿海城市污染程度集中在三級以下，以二級居多，少數(shù)城市甚至達到四級。根據(jù)現(xiàn)場運行情況，鹽層液位設置為：0.1 mg/cm2（二級）、0.26 mg/cm2（三級）、1 mg/cm2（四級）。針板電極起暈電壓4 kV，擊穿電壓18 kV。當電壓上升到16.5 kV 時，電暈放電足夠強，因此選擇該電壓作為實驗的施加電壓。考慮到HTV 硅橡膠的自然污染物積累過程和疏水特性，實驗分為10個電暈老化周期，每個周期24 h。

測試前，用乙醇清洗樣品表面，然后在空氣中干燥2 h以上。1個周期分為3個階段：第1階段鹽霧老化階段（0－2 h），將樣品均勻浸泡在鹽霧中，沉降一段時間后，測得鹽沉積水平分別達到設定的II/III/IV級，模擬沿海地區(qū)清晨高溫重鹽霧環(huán)境下絕緣子的自然結垢；第2階段疏水回收階段（2－6 h），樣品在50%的RH 干燥條件下進行處理，待溫度和濕度逐漸穩(wěn)定后進行電暈老化實驗，通過這種方式，薄霧消散和絕緣子的表面逐漸干燥，疏水性暫時恢復；第3階段電暈老化階段（6－24 h）。經(jīng)過上述預處理后，在恒溫恒濕的針板電極上給樣品通電，模擬絕緣子表面沉積物引起電場畸變和電暈老化的過程。

加速老化時間最長可達10 d（10個周期）。每個循環(huán)結束后，取出樣品，用乙醇擦拭，模擬降雨沖刷表面，然后變干。對其疏水性、表面電阻率和介電性能進行了測試。當每個周期結束后測量，樣品進入下1個周期。

1.3 疏水性測試

用JY-82接觸角測量儀對每個樣品的靜態(tài)接觸角測量10 次，取平均作為最終結果。如果樣品的平均靜態(tài)接觸角大于90°，則樣品的疏水性良好。1組樣品處理1個循環(huán)后，應立即測量靜態(tài)接觸角。

1.4 表面電阻率測試

樣品置于三電極系統(tǒng)中，3個電極由不銹鋼制成，頂部和底部電極上覆蓋一層導電橡膠，以確保良好的表面接觸。有效測量區(qū)域由底部電極確定，保護環(huán)與地連接，為表面泄漏電流提供通路。將整個系統(tǒng)放入1個屏蔽盒中，以減少外界的干擾。溫度設為室溫，RH 設為50%，三電極系統(tǒng)電壓設定為1 kV。采用靜電計測量表面電阻率，每個樣品的測量時間設為2 min。采用極性改變法，施加一個正偏置電壓，然后在規(guī)定的延遲時間后測量電流。將極性反轉，重復幾次，然后根據(jù)電流測量結果計算出電阻。該方法可以有效地消除背景電流對樣品的影響。

1.5 介電性能測試

采用DIRANA 介電響應分析儀識別頻率0.1 mHz～5 kHz 內(nèi)的介電損耗和介電常數(shù)。在25 ℃、30%RH條件下測定樣品的介電性能。

2 結果與討論

2.1 疏水性

未處理HTV 硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角為100°。圖1 所示，RH 為50%條件下不同鹽層水平的樣品的靜態(tài)接觸角。

圖1 RH為50%時的靜態(tài)接觸角Fig 1 Static contact angles of samples at RH of 50%

由圖1可知，經(jīng)電暈老化處理后的硅橡膠樣品具有親水性，接觸角小于90°。隨著表面含鹽量的增加，靜接觸角呈下降趨勢。電暈老化是一個復雜的化學和物理過程。電場在硅橡膠表面起著2個重要的作用：1）通過電暈放電和光化學反應產(chǎn)生高能粒子，切斷聚合物的側鏈，導致甲基或氫的活化，形成自由基；第2）空氣中的氧氣被激活，變成臭氧，自由基和臭氧會導致硅橡膠中聚二甲基硅氧烷分子鏈交聯(lián)，宏觀表現(xiàn)為表面硬化，疏水性下降[6]。本研究樣品表面的鹽沉積會加速腐蝕過程；鹽層的堆積，電場畸變可能更嚴重，加劇了地表侵蝕。

2.2 表面電阻率

由圖2可知，隨著電暈老化時間的增加，表面電阻率呈下降趨勢。在相同的老化時間下，表面電阻率由大到小分別對應二、三、四級，隨著老化時間的增加，表面電導率呈下降趨勢。電暈放電可以產(chǎn)生一些本征導電粒子，以提高表面電導率。此外，電暈放電引起的表面裂紋和孔洞的增加改變了硅橡膠表面的微觀結構，使水分子、空氣和鹽沉積很容易滲透到淺層，增加了載流子含量和表面電導率。

圖2 RH為50%時的表面電阻率Fig 2 Surface resistivity of samples at RH of 50%

2.3 介電性能

在RH為50%條件下電暈10 d后，測量了相對介電常數(shù)ε'和介電損耗角tanδ。提取50 Hz 下的介電特性tanδ和ε'，以反映硅橡膠樣品的老化程度，結果如表1和圖3、圖4所示。

表1 50 Hz下樣品的tan δ和ε'Tab 1 Tan δ and ε'of samples at 50 Hz

圖3 RH為50%時的tan δ-fFig 3 Tan δ-f curve of samples at RH of 50%

圖4 RH為50%時的ε'-fFig 4 ε'-f curve of samples at RH of 50%

由表1 可知，tanδ和ε'與鹽層和老化時間呈正相關。

由圖3 可知，tanδ-f曲線的高頻段（≥1 kHz）反映硅橡膠材料的取向極化損耗，中低頻（＜1 kHz）傾向于反映電導損耗。Tanδ-f曲線在低頻區(qū)差異較大，在高頻區(qū)差異較小。

由圖4 可知，ε'-f曲線高頻段（≥1 kHz）反映了轉向極化，低頻段（＜1 kHz）反映了界面極化。硅橡膠經(jīng)電暈時效后，表面可逐漸形成無機氧化硅交聯(lián)層，阻止低分子量物質向表面擴散，從而導致老化分層和界面極化增強。而電暈時效只影響材料的淺表面，對整體影響不大。因此，ε'-f曲線的低頻波段存在較大差異。

3 結 論

研究了鹽霧對HTV 硅橡膠電暈老化性能的影響，測試了樣品的疏水性、表面電阻率和介電性能。研究結論為：

1）表面鹽沉積的增加會加劇硅橡膠材料的電暈老化性能。老化程度可以通過疏水性、表面電阻率和介電性能來表征；

2）電暈放電會在硅橡膠材料的淺層產(chǎn)生微結構缺陷。在老化過程中，水分和鹽分會滲入淺層，導致表面電阻率下降；

3）介電特性（tanδ和ε'）與鹽層水平呈正相關。鹽沉積主要影響介質在低頻（＜1 kHz）的電導損失和界面極化，在高頻（≥1 kHz）的極化特征中影響不大。