張文文，王勝輝，李炳康，馬康，張啟哲，律方成

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

0 引言

硅橡膠因具有優(yōu)異的電氣絕緣性、耐候性、耐電暈性能等，被廣泛用作電力系統(tǒng)絕緣材料[1]。應(yīng)用于我國(guó)航空航天領(lǐng)域的氟硅橡膠材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異，逐漸被用作環(huán)境較惡劣地區(qū)的電氣絕緣材料[2]。近年來，隨著我國(guó)遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸電工程的不斷發(fā)展，經(jīng)過氣候極寒地區(qū)的輸電線路不斷增加[3-4]，這些地區(qū)的冬季極端溫度可低至-59℃，并且低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此，研究硅橡膠與氟硅橡膠材料在極寒溫度下的性能變化規(guī)律對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。

目前，已有學(xué)者對(duì)硅橡膠和氟硅橡膠的性能展開研究。文獻(xiàn)[3]研究了氫氧化鋁含量不同的硅橡膠材料在+20～-60℃環(huán)境中，直流擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，硅橡膠材料的直流擊穿電壓呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[5]研究了氫氧化鋁含量不同的硅橡膠在0～-60℃低溫環(huán)境中的直流沿面閃絡(luò)特性,發(fā)現(xiàn)其沿面閃絡(luò)電壓隨著溫度的降低呈線性升高；文獻(xiàn)[6]研究了低溫下絕緣材料的沿面閃絡(luò)特性，分析得到了電極放電間隙距離不同時(shí)的閃絡(luò)特性規(guī)律；文獻(xiàn)[7]研究了-20～-60℃低溫環(huán)境對(duì)硅橡膠絕緣材料憎水性的影響，得出硅橡膠材料靜態(tài)接觸角隨低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[8]研究了-20～-80℃環(huán)境溫度下拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，得出在-20～-80℃內(nèi)，硅橡膠的拉伸強(qiáng)度隨溫度的降低逐漸增大的結(jié)論；文獻(xiàn)[9]研究了硅橡膠在0～-40℃低溫環(huán)境中的溫度頻率特性，發(fā)現(xiàn)干凍（時(shí)間最長(zhǎng)為120 h）和覆冰后冰凍的樣品放置于常溫環(huán)境25～168 h后，其工頻介電參數(shù)仍大于未經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間低溫冷凍的樣品初始值。由上述對(duì)橡膠材料低溫性能的研究可知，低溫會(huì)對(duì)橡膠材料的性能產(chǎn)生一定的影響。

本研究通過人工模擬-50℃的極寒環(huán)境，將硅橡膠與氟硅橡膠材料在該極寒環(huán)境中冷凍150～1 050 h，測(cè)量擊穿電壓、最大拉力、拉伸強(qiáng)度、硬度及表面形貌隨冷凍時(shí)間的變化趨勢(shì)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)兩種材料的電氣性能及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究?jī)煞N材料在極寒環(huán)境中的性能，以期為極寒地區(qū)電力系統(tǒng)絕緣材料的選擇提供一定的工程參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣采用經(jīng)高溫硫化工藝制成的硅橡膠及氟硅橡膠試片，符合DL/T 376—2010技術(shù)條件。根據(jù)各參數(shù)測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測(cè)試要求，將試片切割成3種規(guī)格：①60 mm×60 mm×2 mm的試樣，用于擊穿電壓及硬度的測(cè)試；②用1型裁刀將試片裁成啞鈴狀試樣，用于拉伸性能的測(cè)試；③6 mm×6 mm×2 mm的試樣，用于表面形貌的測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)量?jī)x器

低溫試驗(yàn)箱由上海悅洽實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為DW-50-80L，該試驗(yàn)箱的溫度可調(diào)范圍是0～-50℃，溫控精度為±2℃，溫度顯示精度為0.1℃。該試驗(yàn)箱可達(dá)到GB/T 2423.1—2001的低溫要求。

工頻交流耐壓試驗(yàn)裝置由湖北儀天成電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為YTC10/50J，額定電壓為AC 50 kV，額定容量為10 kVA，該試驗(yàn)裝置可滿足絕緣材料在工頻高壓下的絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)。

萬能試驗(yàn)機(jī)由上海拓豐儀器科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為KY-DS5Y，該萬能試驗(yàn)機(jī)的最大試驗(yàn)力為5 000 N，橫梁位移測(cè)量精度分辨率高于0.002 5 mm，試驗(yàn)速度范圍為1～500 mm/min，無級(jí)調(diào)速，速度控制精度優(yōu)于±1%。

邵氏硬度計(jì)由北京吉泰科技檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為L(zhǎng)X-A，該硬度計(jì)的量程為100 HA，誤差為±1 HA，壓陣行程為2.5 mm，硬度計(jì)的測(cè)針為適用于測(cè)量橡膠、合成橡膠等低中硬度材料的A型平頭測(cè)針，針頭尺寸為Ф0.79 mm。

掃描電鏡由德國(guó)卡爾-蔡司公司生產(chǎn)，型號(hào)為G300，該掃描電鏡的最高放大倍數(shù)可達(dá)100萬倍。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣預(yù)處理

將硅橡膠與氟硅橡膠試樣分別分為8組，共計(jì)16組，每組中均有3種不同規(guī)格的試樣，各規(guī)格試樣均有10片。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前用去離子水清洗試樣并用無水乙醇對(duì)其進(jìn)行擦拭，然后將試樣放入干燥箱，待其完全干燥后進(jìn)行試驗(yàn)。

設(shè)置低溫試驗(yàn)箱的溫度恒定為-50℃，預(yù)運(yùn)行24 h確保試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到要求后，將清潔的試樣放入低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行低溫冷凍，冷凍時(shí)間分別為0、150、300、450、600、750、900、1 050 h。冷凍結(jié)束后，將試樣取出并在25℃環(huán)境中靜置2 h，待試樣溫度恢復(fù)至室溫后，開始測(cè)試各參數(shù)，每個(gè)參數(shù)取5個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3.2 擊穿電壓測(cè)試

試驗(yàn)電極選用棒板電極，將試樣放置在板電極上，調(diào)整棒電極的位置，使其尖端剛好接觸試樣上表面，保證棒電極尖端不會(huì)導(dǎo)致試樣變形，然后將棒電極上端固定。為防止棒電極沿試片表面與板電極發(fā)生沿面閃絡(luò)，需在容器中倒入硅油至液面剛好接觸試片側(cè)面，利用工頻交流耐壓試驗(yàn)裝置快速均勻升壓直至試樣擊穿。因試樣被擊穿后，其絕緣性能不能自恢復(fù)，故試樣不重復(fù)利用。每個(gè)冷凍時(shí)間的一組試樣經(jīng)10次試驗(yàn)后，剔除偏差較大的數(shù)據(jù)，取有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3.3 拉伸性能測(cè)試

將試樣對(duì)稱地夾在拉力機(jī)的上、下夾持器上，以保證拉力均勻地分布在橫截面上。將夾持器的移動(dòng)速度設(shè)置為500 mm/min，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)并連續(xù)觀測(cè)試樣長(zhǎng)度和力的變化，直至試樣被拉斷，如果試樣不是在狹窄處斷裂，則舍棄此次測(cè)量數(shù)據(jù)[10]。

1.3.4 硬度及表面形貌測(cè)試

將試樣放置在平整堅(jiān)硬的平面上，將硬度計(jì)的壓針垂直壓入試樣并在1 s內(nèi)讀取數(shù)值[11]。

測(cè)試表面形貌前，對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，然后在真空中用掃描電鏡將試樣表面放大500倍，觀察試樣的表面形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 低溫冷凍對(duì)試樣擊穿電壓的影響

試樣的擊穿電壓隨低溫冷凍時(shí)間的變化曲線如圖1所示。

圖1 擊穿電壓隨低溫冷凍時(shí)間的變化Fig.1 Breakdown voltage changes with low temperature freezing time

由圖1可知，隨著低溫冷凍時(shí)間由0 h增加至300 h，硅橡膠與氟硅橡膠的擊穿電壓大幅提高，低溫冷凍時(shí)間大于300 h后，氟硅橡膠的擊穿電壓緩慢上升，硅橡膠的擊穿電壓基本不變。氟硅橡膠低溫冷凍1 050 h后的擊穿電壓比未經(jīng)過低溫冷凍的試樣提高了45%，且氟硅橡膠的擊穿電壓始終高于硅橡膠的擊穿電壓。

經(jīng)低溫冷凍后兩種橡膠材料的擊穿電壓均有所提高，其原因是低溫會(huì)使橡膠分子間的結(jié)晶度增加[8,12]，分子間的距離減小，導(dǎo)致電子自由程縮短，進(jìn)而減小了電子發(fā)生碰撞電離的概率。氟硅橡膠的擊穿電壓始終較高的主要原因是氟原子具有極強(qiáng)的電負(fù)性，它可以限制電子的離域能力，從而使含氟材料的電氣絕緣性能提高[13]。

2.2 低溫冷凍對(duì)試樣拉伸性能的影響

對(duì)兩種材料的啞鈴型試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，作出試樣被拉斷時(shí)的最大拉力如圖2所示。

圖2 試樣被拉斷時(shí)的最大拉力隨低溫冷凍時(shí)間的變化Fig.2 The change of maximum force when the sample is pulled off with low temperature freezing time

根據(jù)最大拉力計(jì)算拉伸強(qiáng)度[10]，如式（1）所示。

式（1）中：TS為拉伸強(qiáng)度，MPa；Fm為記錄的最大拉力，N；W為裁刀狹窄部分的寬度，mm；t為試驗(yàn)長(zhǎng)度部分的厚度，mm。本文啞鈴型試樣由1型裁刀切割而成，裁刀W為6 mm，試樣試驗(yàn)長(zhǎng)度部分的厚度為2 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制拉伸強(qiáng)度的變化曲線如圖3所示。由圖2～3可知，隨著低溫冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種試樣的最大拉力及拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。氟硅橡膠的拉伸強(qiáng)度變化平穩(wěn)且數(shù)值高于硅橡膠，表明氟硅橡膠的抗拉伸性能更好。其原因是低溫冷凍后，分子運(yùn)動(dòng)能力下降，側(cè)基、鏈節(jié)等不易活動(dòng)[14]，試樣體積收縮，分子之間的距離減小，從而使得分子間的作用力增大，故拉斷試樣時(shí)需要更大的力，拉伸強(qiáng)度明顯增加。

圖3 拉伸強(qiáng)度隨低溫冷凍時(shí)間的變化Fig.3 Tensile strength changes with low temperature freezing time

2.3 低溫冷凍對(duì)試樣硬度的影響

試樣硬度隨低溫冷凍時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知，兩種橡膠材料的硬度幾乎沒有變化，表明低溫冷凍后試樣的硬度在室溫下可快速恢復(fù)。氟硅橡膠的硬度值始終低于硅橡膠的硬度值，說明氟硅橡膠的彈性更好。

圖4 硬度隨低溫冷凍時(shí)間的變化Fig.4 Hardness changes with low temperature freezing time

2.4 低溫冷凍對(duì)試樣表面形貌的影響

為了更好地了解低溫冷凍后試樣的表面狀態(tài)，通過掃描電鏡將低溫冷凍0、300、750、1 050 h的氟硅橡膠試樣表面放大500倍，SEM形貌如圖5所示。由圖5可知，低溫冷凍0 h的試樣表面完好，沒有缺陷；隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，分子收縮，導(dǎo)致試樣表面局部應(yīng)力增大，冷凍300 h的試樣表面出現(xiàn)了少量的淺裂紋；當(dāng)冷凍時(shí)間增加至750 h時(shí)，試樣表面裂紋增多，且出現(xiàn)了明顯的孔洞；當(dāng)冷凍時(shí)間達(dá)到1 050 h時(shí)，試片表面的裂紋長(zhǎng)度及深度明顯增大。結(jié)果表明低溫冷凍會(huì)導(dǎo)致試樣表面出現(xiàn)裂紋及孔洞，但是由于擊穿電壓、拉伸強(qiáng)度均與低溫冷凍時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，并且SEM探針的深度僅有幾十微米，故認(rèn)為試樣表面的裂紋及孔洞的深度極小，對(duì)試樣的電氣性能及力學(xué)性能影響較小。

圖5 表面形貌隨低溫冷凍時(shí)間的變化Fig.5 Surface morphology changes with low temperature freezing time

綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在-50℃的極寒環(huán)境中，隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，硅橡膠與氟硅橡膠各項(xiàng)性能都有所提升，并且氟硅橡膠表現(xiàn)出的性能比硅橡膠更加穩(wěn)定。主要原因是硅橡膠側(cè)甲基中的C-H鍵鍵能小、易斷裂，而氟硅橡膠側(cè)鏈中的C-F鍵鍵能較大，穩(wěn)定性強(qiáng)[14-15]。因此，為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以考慮將氟硅橡膠用于極寒地區(qū)的電氣絕緣材料。

3 結(jié)論

（1）低溫冷凍時(shí)間由0 h增加至300 h，硅橡膠與氟硅橡膠的擊穿電壓大幅提高，冷凍時(shí)間大于300 h時(shí)，氟硅橡膠的擊穿電壓緩慢上升，硅橡膠的擊穿電壓基本不變。氟硅橡膠冷凍1 050 h后的擊穿電壓比未經(jīng)過冷凍的試樣提高了45%，且氟硅橡膠的擊穿電壓始終高于硅橡膠的擊穿電壓。

（2）硅橡膠與氟硅橡膠的最大拉力及拉伸強(qiáng)度都隨冷凍時(shí)間的增加而增大。氟硅橡膠的拉伸強(qiáng)度變化平穩(wěn)且數(shù)值基本高于硅橡膠，表明氟硅橡膠具有更好的抗拉伸性能。

（3）硅橡膠及氟硅橡膠的硬度幾乎不隨冷凍時(shí)間變化，表明低溫冷凍后兩種橡膠材料的硬度在室溫下可快速恢復(fù)。氟硅橡膠的硬度值始終低于硅橡膠，說明氟硅橡膠的彈性更好。

（4）低溫冷凍300 h的試片表面存在少量的淺裂紋；當(dāng)冷凍時(shí)間增至750 h時(shí)，試片表面裂紋增多，且出現(xiàn)了明顯的孔洞；冷凍時(shí)間達(dá)到1 050 h時(shí)，試片表面的裂紋長(zhǎng)度及深度明顯增大。