復(fù)合套管材料老化及修復(fù)新技術(shù)

廣東電網(wǎng)公司東莞供電局變電管理二所 周錫球 吳 軻 曾憲文 葉偉標(biāo)

廣東冠能電力科技發(fā)展有限公司 王 斌 呂偉桃 鄧海輝

1.前言

在電力行業(yè)中，硅橡膠絕緣材料由于具有良好的電氣絕緣性能、耐侯性及憎水性遷移特性，正獲得越來(lái)越廣泛的使用。相比傳統(tǒng)的陶瓷材料，硅橡膠絕緣材料的重量更輕，僅為陶瓷絕緣材料的三分之一；憎水性更好，絕緣子串污閃電壓較陶瓷提高2倍以上；運(yùn)行更安全，不爆炸，無(wú)須零值檢測(cè)；生產(chǎn)工藝更簡(jiǎn)單，容易制造大型產(chǎn)品[1]。目前電力行業(yè)中，復(fù)合套管、復(fù)合絕緣子、復(fù)合霹雷器、斷路器、變壓器、高壓開(kāi)關(guān)、穿墻套管、增爬傘裙等均使用了HTV硅橡膠。在電壓互感器外殼、空氣斷路器用絕緣筒、電容器用套管、變壓器用出線套管、瓷/玻絕緣子串、高壓開(kāi)關(guān)用耐SF6套管等設(shè)備上也有采用室溫硫化硅橡膠；在電線、電纜的絕緣材料方面有使用液體硅橡膠。

復(fù)合套管是電力行業(yè)中單個(gè)設(shè)備使用硅橡膠材料較多的設(shè)備，表面澆注的硅橡膠傘套絕緣性好，憎水性強(qiáng)，質(zhì)地柔軟。在電場(chǎng)環(huán)境下，除光照、雨水、空氣中鹽分顆粒、風(fēng)速等自然環(huán)境對(duì)其有一定老化影響外，局部放電、局部高溫及由此產(chǎn)生的臭氧、氮氧化物、高能射線，都加速硅橡膠傘套老化[2-4]，導(dǎo)致表面龜裂，其絕緣性、憎水性、耐漏電起痕性能下降。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)硅橡膠傘套老化只影響復(fù)合套管表面電氣及理化性能，并不會(huì)影響內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行，因此，對(duì)出現(xiàn)老化的護(hù)套，相比更換整只新套管造成巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、大量更換時(shí)間及由此導(dǎo)致的停電損失，修復(fù)老化受損的硅橡膠傘套，使整個(gè)護(hù)套各項(xiàng)性能指標(biāo)恢復(fù)到正常運(yùn)行要求更經(jīng)濟(jì)可行。本文通過(guò)分析硅橡膠傘套老化的原因，提出了一種新的修復(fù)老化硅橡膠傘套方法。

2.硅橡膠傘套老化原因分析

硅橡膠分子Si-O主鏈，硅氧鍵鍵能459.8kJ/mo1，高出可見(jiàn)光光子能量范圍(158～309kJ/mol)許多，側(cè)鏈多為有機(jī)基團(tuán)，整個(gè)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是一種既含無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)又含有機(jī)基團(tuán)的特殊材料，使用壽命長(zhǎng)。傘套由硅橡膠材料混入多種助劑加熱加壓硫化澆注而成。高鍵能主鏈與助劑分子纏繞包覆，使得整個(gè)硅橡膠材料綜合使用壽命較普通有機(jī)材料高出許多，但在各種因素影響下，依然存在老化問(wèn)題。

硅橡膠傘套老化宏觀因素可分為三類。內(nèi)部因素、自然因素和特定環(huán)境因素。內(nèi)部因素包括原料硅橡膠分子量大小、加工工藝，助劑本身也影響到傘套電氣理化性能[5]，白炭黑會(huì)吸附水份導(dǎo)致分子鏈降解，交聯(lián)劑會(huì)降低硅橡膠斷裂伸長(zhǎng)率[6]，偶聯(lián)劑會(huì)改變碳酸鈣與硅橡膠的相容性，從而影響傘套的性能[7]等；自然因素包括陽(yáng)光、雨水、空氣中的鹽份顆粒、酸堿性氣體、氣候冷熱交替、風(fēng)速等，紫外輻照使硅橡膠有硬化、填充物外露的趨勢(shì)[8]，堿性物質(zhì)會(huì)加劇硅橡膠降解[9、10]；特定環(huán)境因素即電場(chǎng)環(huán)境，如電暈放電、局部高溫、臭氧等，局放使硅橡膠傘套的重要性能憎水性降低，局部高溫使硅橡膠熱分解，且隨著電暈時(shí)間持續(xù)，硅橡膠表面結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，引起表面氧化反應(yīng)，分子鏈交聯(lián)[11-16]，放電擊穿空氣產(chǎn)生的O3、NO、NO2等強(qiáng)氧化性氣體，特別是O3能破壞硅氧主鍵、導(dǎo)致硅橡膠拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能顯著下降[17、18]，放電是加劇硅橡膠傘群老化的重要原因。

硅橡膠傘套老化微觀結(jié)構(gòu)分析，可以將其分為硅橡膠分子主鏈斷裂和側(cè)鏈自由基破壞兩個(gè)方面。硅橡膠側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)，氧化機(jī)理是典型的自由基氧化機(jī)理，有機(jī)基團(tuán)活性高，容易發(fā)生老化，這是硅橡膠老化的主要原因。主鏈為-Si-O-無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，氧化機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，目前研究表明，SiO主鏈以解扣降解的方式進(jìn)行，同時(shí)伴隨無(wú)規(guī)斷裂降解，氧化產(chǎn)物為硅醇基[19]，降解機(jī)理如式一。硅橡膠分子鏈斷裂，傘形屏蔽結(jié)構(gòu)被破壞，使外部能量可以直接作用分子主鏈，同時(shí)斷裂的分子鏈?zhǔn)チ藢?duì)填料的保護(hù)等，傘套老化誘發(fā)眾多微觀結(jié)構(gòu)變化，最終導(dǎo)致材料電氣、理化性能低于運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.硅橡膠傘套修復(fù)

一旦硅橡膠傘套出現(xiàn)降解老化，電氣理化性能會(huì)發(fā)生無(wú)法逆轉(zhuǎn)的減弱。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中檢測(cè)到的電流互感器硅橡膠傘套老化狀況分析可知，硅橡膠傘套老化是由外而內(nèi)的，傘群上表面老化程度比下表面嚴(yán)重，高壓側(cè)老化程度比低壓側(cè)嚴(yán)重，傘沿老化程度比傘套主體研制。運(yùn)行七年的護(hù)套，硅橡膠傘套表面嚴(yán)重粉化龜裂，助劑析出，粉化層中的硅橡膠含量極低，但表面1mm以下的硅橡膠材料幾乎保持著新制備時(shí)的電氣、理化性能。根據(jù)這一老化特點(diǎn)，項(xiàng)目組制定了分兩步實(shí)施的已老化硅橡膠傘套修復(fù)方案：(1)去除傘套表面已老化龜裂層；(2)使用修復(fù)材料直接從性能完好的硅橡膠層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖1 老化龜裂的硅橡膠傘套表面

表面已老化龜裂層如圖1所示，為有一定硬度的脆性混合物，喪失憎水性，絕緣電阻下降，受外力輕微作用即開(kāi)裂、粉化、脫落，可以通過(guò)打磨等物理手段去除，除去老化層的硅橡膠傘套露出內(nèi)部未老化的硅橡膠，其表面憎水性、絕緣電阻幾乎與新出廠時(shí)的性能指標(biāo)相同，但機(jī)械強(qiáng)度等性能顯著下降。此時(shí)通過(guò)具有補(bǔ)強(qiáng)功能的室溫硫化硅橡膠修復(fù)材料RSTV噴涂表面，在去掉老化層的硅橡膠傘套表面重新包覆一層RSTV材料，RSTV在空氣中自然固化6個(gè)小時(shí)后，電氣、理化性能即達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高硅橡膠傘套機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，其表面的電氣性能也較老化層表面顯著提高。

4.修復(fù)前后硅橡膠傘套性能對(duì)比

以RSTV修復(fù)一臺(tái)電流互感器為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了檢測(cè)，來(lái)評(píng)價(jià)修復(fù)效果，并制定了四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：表面憎水性、絕緣電阻、直流泄露電流和交流泄漏電流。

4.1 表面憎水性

憎水性是硅橡膠傘套的重要性能指標(biāo)，憎水性的強(qiáng)弱與材料表面的自由能級(jí)、粉化程度、泄漏電流和污閃電壓緊密相關(guān)，此次實(shí)驗(yàn)使用噴水分級(jí)法評(píng)價(jià)修復(fù)前后硅橡膠傘套表面憎水性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，修復(fù)前的硅橡膠傘套表面幾乎完全喪失憎水性，噴水分級(jí)法評(píng)級(jí)為HC6～HC7級(jí)，修復(fù)后的硅橡膠傘套表面憎水性優(yōu)異，噴水分級(jí)法評(píng)級(jí)為HC1級(jí)，靜態(tài)接觸角測(cè)試為114.3度，與新護(hù)套的表面憎水性能相當(dāng)。

表1 硅橡膠傘套修復(fù)前后憎水性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 絕緣電阻

試驗(yàn)方法：測(cè)量干燥表面和充分濕潤(rùn)前后的絕緣電阻，每段傘群施加2500V試驗(yàn)電壓。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)測(cè)試護(hù)套高壓段、中間段和接地段硅橡膠傘群修復(fù)前后的絕緣電阻，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，未修復(fù)的護(hù)套干燥狀態(tài)下高壓段和中間段無(wú)法達(dá)到＞100GΩ的標(biāo)準(zhǔn)要求，只有接地段達(dá)到要求，在充分濕潤(rùn)狀態(tài)下高壓段、中間段和接地段的絕緣電阻均不能達(dá)到＞100GΩ的標(biāo)準(zhǔn)要求，且從GΩ級(jí)下降至MΩ級(jí)，絕緣性能無(wú)法滿足正常運(yùn)行要求，修復(fù)后，無(wú)論在干燥或濕潤(rùn)情況下，高壓段、中間段和接地段絕緣電阻均達(dá)到＞100GΩ的標(biāo)準(zhǔn)要求，修復(fù)效果顯著。

表2 絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

4.3 直流泄漏電流測(cè)量

試驗(yàn)方法：在傘套表面完全濕潤(rùn)的情況下，每段傘群施加等效值為37.8kV的直流電壓。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

修復(fù)前，由于傘套表面憎水性喪失嚴(yán)重，特別是上傘群憎水性分級(jí)為HC6～HC7級(jí)，在完全濕潤(rùn)的狀態(tài)下，傘套表面大都形成連續(xù)的水膜，表面電導(dǎo)率很大，且形成連續(xù)通路，泄漏電流較大，達(dá)到mA級(jí)別，在施加電壓的過(guò)程中，放電產(chǎn)生的熱量會(huì)蒸發(fā)一定的水，表面逐漸干燥，電導(dǎo)率逐漸減小，泄漏電流逐漸減小，因此泄漏電流峰值出現(xiàn)在開(kāi)始階段，測(cè)試時(shí)間1min。

而對(duì)于修復(fù)后的傘套表面，憎水性分級(jí)為HC1級(jí)，直流泄漏電流基本穩(wěn)定，僅為uA級(jí)，偶爾有一個(gè)放電脈沖，峰值隨機(jī)出現(xiàn)，從接地段修復(fù)前后數(shù)據(jù)比較，泄漏電流從未修復(fù)時(shí)的4.8mA下降到修復(fù)后的27uA，修復(fù)效果顯著，測(cè)試時(shí)間約1min。

表3 直流泄漏電流測(cè)試結(jié)果

4.4 交流泄漏電流測(cè)量

試驗(yàn)方法：在傘套表面完全濕潤(rùn)的情況下，每段傘群施加64kV交流電壓。

修復(fù)后施加電壓時(shí)間為60s。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，傘套表面的交流泄漏電流從修復(fù)前的25mA下降至修復(fù)后的38uA(高壓段)，交流泄漏電流顯著減小。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以看出，在傘套出現(xiàn)老化后，其憎水性、絕緣電阻均降低到一個(gè)極低水平，流露電流也較大，對(duì)護(hù)套的安全運(yùn)行造成隱患。通過(guò)RSTV材料修復(fù)后，各項(xiàng)性能指標(biāo)出現(xiàn)了顯著改善，達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行指標(biāo)。

表4 交流泄漏電流測(cè)試結(jié)果

5.總結(jié)

硅橡膠傘套老化宏觀因素可分為三類：內(nèi)部因素、自然因素和特定環(huán)境因素，微觀結(jié)構(gòu)分析硅橡膠傘套老化由硅橡膠分子主鏈斷裂和側(cè)鏈自由基被破壞兩個(gè)方面組成，其中側(cè)鏈自由基反應(yīng)是硅橡膠傘套老化的主要因素。

修復(fù)已經(jīng)老化的硅橡膠傘套需分步驟進(jìn)行，第一步去除傘套表面已老化龜裂層，第二步使用修復(fù)材料直接從性能完好的硅橡膠層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，恢復(fù)護(hù)套的電氣理化性能。

室溫硫化硅橡膠修復(fù)材料RSTV直接作用于已去除老化層的硅橡膠傘套表面，能顯著改善硅橡膠傘套的理化性能，表面憎水性由HC6～7增至HC1，絕緣電阻由30MΩ增至＞100GΩ的標(biāo)準(zhǔn)值，交流泄漏電流和直流泄漏電流也從數(shù)十mA降至數(shù)十uA，說(shuō)明RSTV對(duì)護(hù)套傘群有良好的修復(fù)性。

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