硅橡膠復合套管傘裙修復技術

歐慶然

(廣州供電局，廣東 廣州 510235)

對已劣化的硅橡膠復合套管的傘群表面進行修復處理，消除硅橡膠傘裙傘套脆化、硬化、粉化、開裂等缺陷，恢復硅橡膠復合套管傘裙表面的憎水性和憎水遷移性，保證硅橡膠復合套管具有良好的防污閃性能，是確保硅橡膠復合套管設備安全可靠運行的重要措施。

1 硅橡膠復合套管使用特點

硅橡膠復合空心設備具有重量輕、耐污性能和防爆性能優(yōu)異等優(yōu)點。硅橡膠復合空心設備取代瓷空心設備在互感器、斷路器及套管等電氣設備上使用，既提高了電氣設備的耐污等級，又克服了瓷空心設備易碎、易開裂和易爆炸的隱患。

復合套管具有絕緣性能穩(wěn)定、耐污性能好、重量輕、防爆、運行安全可靠等優(yōu)點。復合套管一般由玻璃纖維增強樹脂套筒和硅橡膠傘裙護套組成。玻璃纖維增強樹脂套筒作為內(nèi)絕緣的同時，還起到機械支承作用。硅橡膠傘裙護套一方面作為良好的外絕緣，另一方面還起到保護樹脂套筒免受惡劣大氣環(huán)境侵襲的作用。

我國使用硅橡膠復合材料作為輸變電設備已有十幾年的歷史。運行經(jīng)驗證明，硅橡膠復合絕緣材料的機械性能、電氣性能和穩(wěn)定特性等均能滿足運行要求。但是，部分硅橡膠復合套管在運行一定年限后會出現(xiàn)傘裙表面憎水性減弱，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象。這是因為在環(huán)境因素單獨作用下，有機材料的性能會因各種物理變化和化學變化而劣化，同時在電場、機械負荷與環(huán)境因素的共同作用下有機材料性能會進一步劣化。據(jù)相關文獻指出，污穢與濕潤共存所導致的電暈放電、表面放電以及紫外線、酸雨等侵蝕是影響硅橡膠復合材料劣化的主要因素，其中表面放電的影響最為顯著。

2 硅橡膠材料設備特性

目前電力系統(tǒng)使用的復合設備、復合套管及涂料的主要成分是硅橡膠。有機硅橡膠材料是由線性聚硅氧烷混入補強填料，在加熱加壓條件下經(jīng)過硫化生成的特殊合成彈性體。因為它完美地平衡了機械性能和化學性能，所以能很好地滿足不同的應用條件。高溫硫化硅橡膠是目前高壓復合設備、復合套管中應用比較廣泛的傘裙護套材料，它是由未經(jīng)硫化(交聯(lián))的分子量為45萬～70萬的聚二甲基硅氧烷和補強填料、阻燃填料、抗電弧填料、結構控制劑、硫化劑等混合后，經(jīng)過加熱加壓硫化而成的。它具有優(yōu)良的電氣絕緣性能及優(yōu)良的抗電暈、抗電弧、防水防潮等性能。

硅橡膠傘裙在復合套管的外面起承受高電場和保護玻璃鋼套管的作用，因此要求其具有電絕緣性、耐漏電起痕、耐電弧、耐候、阻燃、耐低溫及實用的物理機械性能。為此，在硅橡膠混煉中添加氫氧化鋁粉末來提高它的耐漏電起痕等級，添加白炭黑作為補強填料來提高它的拉伸強度、撕裂強度等機械性能，添加三氧化二鐵來改善它的耐熱性能等。

3 硅橡膠傘裙劣化分析

硅橡膠傘裙常年暴露在大氣環(huán)境中，除長期承受強電場作用外，還經(jīng)常受到日曬、雨淋、風沙、高溫和嚴寒等惡劣氣候條件的影響，必然會出現(xiàn)絕緣老化的問題。雖然硅橡膠具有優(yōu)異的耐光輻射、耐高低溫、耐臭氧和耐霉菌等抗老化性能，但由于硅橡膠中硅氧烷分子結構質(zhì)量的差異，各種填充劑顆粒表面性能作用不同，都將降低其耐老化性能。

強電場作用下的局部放電、冷熱聚變、酸雨導致的受潮水解和紫外線等高能射線輻射的長期作用，是導致硅橡膠材料老化的主要原因。而材料老化也會使設備的機電性能變壞。

3.1 局部放電引起硅橡膠材料劣化損傷的機理

(1) 局部放電產(chǎn)生的帶電粒子撞擊硅橡膠表面，使有機硅橡膠分子的主鏈斷裂，發(fā)生解聚或變成低分子。

(2) 局部放電使設備表面局部溫度上升，高溫又誘發(fā)硅橡膠材料化學分解。

(3) 局部放電產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等的氧化作用和氧化物產(chǎn)生的H+的腐蝕作用，能使硅橡膠材料加速劣化，形成線型或環(huán)狀小分子。硅橡膠材料中的顏料、填料會從網(wǎng)絡結構中分離出來，產(chǎn)生粉化等現(xiàn)象。

(4) 局部放電產(chǎn)生的紫外線或X射線的中長波部分會導致硅橡膠材料分解、解聚。

3.2 紫外線等高能射線輻射引起的老化機理

硅橡膠材料中的Si-O-Si鍵及Si-C鍵對部分波長紫外線的選擇性吸收是其耐老化性能的關鍵。作為到達地面的太陽光中波長最短的部分，紫外線具有很高的能量。太陽光中243 nm波長紫外線的能量為482 kJ/mol，310 nm波長紫外線的能量為399 kJ/mol，365 nm波長紫外線的能量為328 kJ/mol。而作為聚二甲基硅氧烷分子中的主要化學鍵，S-O鍵鍵能為447 kJ/mol，Si-C鍵鍵能為301 kJ/mol。

硅橡膠表現(xiàn)出優(yōu)異的憎水性是由于圍繞硅氧主鏈緊密排列的非極性甲基基團向表面取向，屏蔽了硅氧鍵的強極性作用。不同波長的紫外線幾乎可以選擇性地破壞聚二甲基硅氧烷分子中幾乎所有的化學鍵。而硅橡膠優(yōu)良的卷曲性源自Si-O鍵可以大范圍運動的鍵角，部分波長適宜的紫外線可破壞Si-O化學鍵，這是造成硅橡膠試樣發(fā)生硬化、柔順性降低的主要原因，同時一定波長的紫外線切斷Si-C鍵后，硅橡膠傘裙的有機組分和顏料、填料會失去相互間的作用力，在表面形成粉末狀態(tài)，從而造成傘裙表面粉化現(xiàn)象。Si-C鍵斷裂后，甲基基團會脫離原來的Si-O鏈，在一定波長紫外線的強能量作用下其中的部分化學鍵又被切斷，部分甲基基團被破壞，從而造成硅橡膠表面憎水性的喪失。但是C-H鍵和Si-C鍵斷裂后，交聯(lián)反應依然會發(fā)生，這一變化將導致小分子物質(zhì)的數(shù)量，尤其是鏈節(jié)數(shù)在3～15之間的小分子的數(shù)量發(fā)生增減變化，小分子物質(zhì)遷移到硅橡膠試樣表面，會對憎水性產(chǎn)生補償作用。因此，紫外線光源下的硅橡膠傘裙憎水性沒有明顯的變化，但化學作用引起的性能劣化則較明顯。可見，硅橡膠復合套管表面劣化是多種因素共同作用的結果。

4 硅橡膠傘裙劣化現(xiàn)象

從硅橡膠傘裙的老化機理可以看到，硅橡膠傘裙的劣化和硅橡膠的配方、采用的填料、運行時間、環(huán)境等有關。硅橡膠傘裙的老化形式主要有電老化，熱老化，機械應力老化和環(huán)境老化幾種。熱老化是硅橡膠傘裙老化的主要形式之一。通過分析熱老化的原因，可以采用改變主鏈結構和側鏈基團結構、消除硅羥基、加入耐熱添加劑、加入少量硅樹脂等方法來提高其耐熱性。同時，也可在有機硅基團上引入氟原子來改變硅橡膠傘裙對紫外線的耐受能力。氟的F-C鍵鍵能為485 kJ/mol，對太陽光中紫外光區(qū)(200～380 nm)的中長波可透過率在95 %以上，F(xiàn)-C鍵的斷裂需要很高的能量，因此F-C鍵對紫外線具有很強的耐受能力。

事實上，硅橡膠傘裙的某些變化并不妨礙復合套管的繼續(xù)使用，如褪色等。其他一些劣化現(xiàn)象在較長時間內(nèi)也不會對復合套管的安全運行造成威脅，如硅橡膠傘裙表面輕微粉化、變硬等。但如果復合套管設備所承擔的功能發(fā)生不可逆的變化，如外硅橡膠傘裙的劣化導致傘群護套對玻璃鋼套管的保護作用喪失、導致其電氣機械性能嚴重下降，那么該復合套管就需要更換。

因此，復合套管設備傘裙的老化不完全等同于復合套管的老化。當復合套管設備傘裙出現(xiàn)表面憎水性減弱或完全喪失，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象時，若采用必要的措施，恢復硅橡膠傘裙的表面性能，則可延長設備的使用壽命，保障設備安全可靠的運行。

圖1示出某硅橡膠復合套管表面出現(xiàn)粉化、龜裂、憎水性喪失的狀況。圖1(a)中套管表面憎水性已完全喪失；圖1(b)中，從傘裙剝口處看，傘裙表面出現(xiàn)粉化、硅橡膠降解的現(xiàn)象，但中間的硅橡膠仍然完好。從硅橡膠復合套管的劣化狀況可以看出，硅橡膠復合套管的劣化是一個從外到里的過程。由于硅橡膠傘裙具有一定的厚度，因此解決劣化表面以及修復傘裙整體的機械性能是修復工作的重點。

5 硅橡膠傘裙的修復技術

由于硅橡膠傘裙的劣化是由外到里的一個過程，因此在硅橡膠傘裙制造中需要使其達到一定的厚度，以保證其機械強度。一般情況下，硅橡膠的表面劣化并不會影響到硅橡膠傘群護套對玻璃鋼套管的保護作用。采用合適的有機硅材料對硅橡膠傘裙進行修復，是有效可行的。硅橡膠傘裙劣化修復主要通過對劣化硅橡膠傘裙表面的處理和新的硅橡膠涂層覆蓋2個步驟完成。

5.1 劣化硅橡膠傘裙表面的處理

硅橡膠傘裙出現(xiàn)表面憎水性減弱或完全喪失，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象的主要原因是，硅橡膠中的Si-O鍵被破壞。被破壞的Si-O鍵在硅橡膠傘裙中形成松散形態(tài)的二氧化硅(白色粉末)，從而造成傘裙表面發(fā)白、發(fā)硬、粉化。因此對于劣化的硅橡膠傘裙表面，需要先清除其上的松散、已粉化的物質(zhì)，再采用含有低分子聚二甲基硅氧烷的專用表面處理劑對傘裙表面進行處理，將傘裙表面上的Si-OH重新和新的聚二甲基硅氧烷進行交聯(lián)，使新的硅橡膠涂層能很好地和原有的硅橡膠結合在一起。

對于硅橡膠傘裙出現(xiàn)的破損傘邊，可采用硅橡膠片進行修補，硅橡膠片需在表面處理前預先制作或準備。對于硅橡膠傘裙表面出現(xiàn)大的裂紋，可用專用修復膠進行填補修復。

5.2 新涂層技術要求

5.2.1 硅橡膠涂層材料的選擇

劣化的硅橡膠傘裙雖然經(jīng)過表面交聯(lián)處理，但其機械性能和運行初期相比已經(jīng)有大幅的下降。因此新硅橡膠涂層應具有很好的機械強度，要求新噴涂層的機械強度可以抵消因硅橡膠傘裙劣化而喪失的機械強度。

防爆破飛濺涂料是由有機硅預聚物、改性有機硅氟橡膠和芳綸特種纖維漿膜復合形成的，具有聚合物互穿網(wǎng)絡結構的涂料，其機械性能指標見表1。

表1 機械性能指標對比

防爆破飛濺涂料已通過國網(wǎng)公司武漢高壓試驗研究所的檢測、化學工業(yè)合成材料老化質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的5 000 h人工加速老化檢測、軍事科學院的現(xiàn)場爆破檢測，具有以下特性。

(1) 具有優(yōu)于硅橡膠復合材料的機械強度，可用于對劣化的硅橡膠傘裙進行消缺、定型、修復以及恢復劣化的硅橡膠傘裙表面性能。

(2) 采用經(jīng)精密計算的物料搭配和合成工藝，設計出大于20年的使用壽命。

(3) 電氣絕緣性能優(yōu)良，耐污閃電壓提高2倍以上，能有效地防止污閃事故的發(fā)生。

(4) 優(yōu)良的憎水性和快速、均衡、持久的憎水遷移性，保證設備在惡劣氣候下能安全可靠運行。

(5) 硅氟共聚涂層表面的自潔性能好，涂層耐酸、堿、鹽和強氧化劑腐蝕，在有效期內(nèi)免維護、免清掃。

(6) 涂層強度高、附著力超強，不影響設備檢修人員對設備表面的登踏。

(7) 耐臭氧、耐紫外線、耐環(huán)境老化，不起皮，不開裂，有效運行時間長。

(8) 單組份常溫固化，使用方便，涂敷后可立即投運，效率高。

5.2.2 硅橡膠涂層厚度的選擇

為了使劣化的硅橡膠傘裙能有效地定型，保證復合套管整體的完整以及恢復其性能，新噴涂的硅橡膠涂層厚度應大于1 mm。

6 結束語

硅橡膠復合套管設備在互感器、斷路器及套管等電氣設備上應用廣泛，其修復技術的運用恢復和增強了硅橡膠復合套管傘裙表面的憎水性和憎水遷移性，保證了硅橡膠復合套管良好的防污閃性能，確保了電力設備和電網(wǎng)的安全可靠運行。