現(xiàn)場復合絕緣子老化特征的研究

郝 永，李 巍

(華電內蒙有限公司卓資發(fā)電分公司，內蒙古烏蘭察布012300)

0 引言

由于復合絕緣子具有重量輕、防污閃、易維護等優(yōu)點在輸電線路上得到了廣泛應用。復合絕緣子屬于聚合物材料，它們的性能在運行過程中會隨著外界應力和物理化學的作用而發(fā)生老化和劣化，如在電場、紫外輻射、濕度和溫度等環(huán)境下的傘裙和護套材料粉化、蝕損、憎水性和抗撕裂強度的降低。為了延長復合絕緣子掛網(wǎng)運行時間，應研究現(xiàn)場老化復合絕緣子的各項性能［1－5］。因此，本文對現(xiàn)場老化的復合絕緣子進行老化特征分析，分析導致老化的主要因素，為今后復合絕緣子的設計以及運行維護提供參考。

1 絕緣子串的電場仿真計算

本文以現(xiàn)場運行老化的硅橡膠復合絕緣子作為研究對象。該絕緣子為1支500 kV棒形懸式復合絕緣子，現(xiàn)場運行時間10 a以上，當?shù)氐乩憝h(huán)境污穢等級為I級。絕緣子由67個等徑傘組成，全長為3.9 m，每個傘的直徑為165 mm，相鄰傘的間距為34 mm，芯棒直徑為31 mm，其簡化結構如圖1所示。

圖1 復合絕緣子結構示意圖

首先，根據(jù)實際物理結構進行ANSYS電場建模仿真計算。由于建立模型時適當?shù)貙δＰ瓦M行簡化，不會對整體計算結果的精度造成很大影響，因此只建立該復合絕緣子的二維簡化模型。表1為ANSYS建模計算時對應材料的參數(shù)設置，圖2為其整串絕緣子電場分布計算結果。

表1 模型計算的參數(shù)

圖2 絕緣子串電場分布云圖

從圖2可以看出，高壓端部的金具處的尖端處存在較大的電場強度，這是由于建模時采用尖角導致的，實際絕緣子串沒有過于明顯的尖端，故不會存在特別大的電場。對于傘裙和護套等硅橡膠材料而言，底部高壓端處的電場強度明顯比中部的電場強度要高，并且較高強度電場的范圍也比接地端處的要大。圖3為電場強度沿絕緣子串傘群中間位置的分布情況。

圖3 絕緣子串的電場分布

從圖3可以明顯看出，絕緣子串中部傘裙承受的電場最小。高壓端的電場強度較其它位置強。由于均壓環(huán)和金具的影響，最大電場強度位于大概1、3號傘裙的附近。低壓端附近的電場強度比中部高，在離低壓連接金具3、4個傘群距離的位置有1個電場強度極大值點，但它比高壓端低。

2 絕緣子傘裙的憎水性測量

良好的憎水性及憎水遷移性是復合絕緣子的優(yōu)良耐污閃性能的主要原因。憎水性的好壞直接影響現(xiàn)場運行故障的大小。本文按照DL/T 846－2004《標稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》中的靜態(tài)接觸角法進行復合絕緣子傘裙的憎水性測量。首先，將傘裙試片用無水乙醇清洗掉表面的污穢物，用自來水沖洗，干燥后置于防塵容器內，在標準環(huán)境條件下至少保存24 h。然后，將測試樣品置于平臺上，用針管將水珠小心滴至試片上后利用照相機進行照相，將獲取的水珠照片利用圖像處理軟件測量其水珠的接觸角。每片樣品測量10次，取平均得到該試樣的憎水性靜態(tài)接觸角。靜態(tài)接觸角越大則表明該材料的憎水性越好，其測量方法和結果如圖4、圖5所示。

圖5的憎水性分布結果表明:復合絕緣子串的憎水性分布與電場分布的趨勢幾乎相反，即承受的電場強度越大，運行多年后的憎水性越差。絕緣子串的中部位置由于電場強度較弱，其憎水性維持在一個較好的水平，平均靜態(tài)接觸角為141°，而靠近兩端的位置，特別是高壓端的下表面，水滴的靜態(tài)接觸角只有120°。并且同一處的傘裙的上下表面的憎水性也不一樣，平均而言，上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

3 絕緣子傘裙表面電鏡掃描(SEM)結果

觀察絕緣子的各個傘裙，發(fā)現(xiàn)各傘裙均出現(xiàn)了一定程度的劣化，表現(xiàn)為粉化和局部發(fā)黑，但是各個部位的傘裙的劣化程度不一致。其中靠近兩端的傘裙的表面發(fā)黑較嚴重，高壓端第一個傘裙表面幾乎全部變黑，而絕緣子串中部的傘裙只有靠近芯棒處的小部分有點發(fā)黑。將復合絕緣子串的傘裙的表面用無水乙醇擦洗過后發(fā)現(xiàn)除了1號傘裙和67號傘群(即最靠近兩端的傘群)保持原有的顏色外，其它傘裙表面呈現(xiàn)出一種粉狀的白化現(xiàn)象。將各傘裙進行電鏡掃描觀察其微觀形貌，試驗結果如圖6所示。

圖6 絕緣子串傘裙表面形貌

通過觀察放大1 000倍的絕緣子傘裙表面形貌可以看出，在各傘裙表面都存在有大量的孔洞。其中1號和4號傘裙表面可以看到約為10 μm寬度的裂痕和5 μm直徑的孔洞;10號傘裙表面也有明顯的裂痕，但是寬度只有3 μm左右，其上的孔洞較少，但有大量的突起物;34號傘裙的表面較為光滑，沒有裂紋，孔洞較少;58號和64號傘裙存在大量的直徑長達10 μm的孔洞;67號傘裙上可以看到1條不明顯的小裂紋，同時存在直徑超過10 μm的孔洞?？傮w來說，靠近兩端的傘裙微觀表面越復雜，孔洞越多，裂痕越明顯，而高壓端的表面的劣化程度比低壓端表面嚴重。

4 結果分析

圖3、圖5和圖6表明，復合絕緣子的憎水性與該處承受的電場強度和表面形貌結構有直接的關系。硅橡膠復合絕緣子表面的憎水性取決于材料本身的非極性基團和表面結構。在下雨或者大霧等潮濕條件下，停留在絕緣子表面的水珠將引起局部電場的畸變，加大了局部的電場強度，當局部電場達到一定強度時，便會產生局部放電現(xiàn)象。在局部放電過程中，高能放電粒子不斷對復合絕緣子硅橡膠材料表面進行轟擊，導致硅橡膠分子鏈斷裂，表面硅氧烷小分子流失，表面孔洞增加，從而導致硅橡膠材料的憎水性下降。由于硅橡膠材料憎水性的下降導致水滴容易在表面停留，從而導致電暈和局部放電產生，加速材料老化。同時，即使是在干燥沒有電暈的條件下，太陽光也會對復合絕緣子的老化產生一定的影響。一方面，太陽光中高能的紫外線能協(xié)同局部放電或者其它的老化因素一起，導致硅橡膠中分子斷鏈，加速絕緣子材料的老化。另一方面，適量的光線能夠給材料內部的硅氧烷小分子向外遷移提供一定的能量，從而導致憎水遷移性和憎水性的恢復。而絕緣子傘群上表面受到太陽光照射的概率比下表面大，絕緣子傘裙上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

5 結論

1)硅橡膠材料復合絕緣子表面憎水性能隨著場強的增大而減小。

2)潮濕條件下高場強區(qū)由于局部電場畸變導致電暈或者局部放電現(xiàn)象是硅橡膠材料憎水性下降的主要原因。

3)太陽光能夠加速憎水性的恢復，其紫外線等高能射線在其它老化因素的共同作用下導致材料老化憎水性下降。

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