掛網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙性能研究

陳曉春, 李洛琦，吳照國(guó)，鄭敏聰，王建國(guó)，周仲康

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大學(xué)，香港特別行政區(qū)；3. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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掛網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙性能研究

陳曉春1, 李洛琦2，吳照國(guó)3，鄭敏聰1，王建國(guó)3，周仲康1

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大學(xué)，香港特別行政區(qū)；3. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要：針對(duì)復(fù)合絕緣子在各種環(huán)境因素和運(yùn)行應(yīng)力的作用下，其外絕緣材料高溫硫化硅橡膠會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加出現(xiàn)老化的問(wèn)題，對(duì)4支運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子和1支新絕緣子的傘裙材料進(jìn)行了硬度、憎水性、體積電阻率、表面電阻率和電氣強(qiáng)度的測(cè)量，以及熱重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)和掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope，SEM)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子在長(zhǎng)期運(yùn)行后，其傘裙硬度增加，憎水性和電氣強(qiáng)度有所減弱，表面的有機(jī)聚合物含量變少，無(wú)機(jī)殘留物的含量相對(duì)增加，硅橡膠在氮?dú)鈿夥罩械臒岱€(wěn)定性高于空氣氣氛中的熱穩(wěn)定性，SEM結(jié)果顯示，運(yùn)行10年后傘裙表面孔洞直徑多小于5μm，而運(yùn)行15年以上者則出現(xiàn)大于10μm的孔洞。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子；傘裙材料；熱重分析；電鏡掃描；硬度；憎水性

復(fù)合絕緣子的外絕緣材料為高溫硫化硅橡膠，具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性，耐污性能好，污閃電壓高，同時(shí)也具有重量輕、免清掃、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中運(yùn)行，不可避免地承受日照、濕度、溫差和污穢等各種環(huán)境因素的侵蝕，隨著時(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)外絕緣材料老化的問(wèn)題[3-4]，從而影響絕緣子的正常運(yùn)行，因此對(duì)其外絕緣材料的老化性能進(jìn)行研究非常必要[5-7]。

本文選取安徽電網(wǎng)4支運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子和1支新絕緣子作為試樣，對(duì)其外絕緣材料進(jìn)行了硬度、憎水性、電阻率和電氣強(qiáng)度的測(cè)量，熱重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)以及掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope，SEM)檢測(cè)，獲得了運(yùn)行后復(fù)合絕緣子的材料老化特征，為復(fù)合絕緣子材料老化狀態(tài)的診斷和評(píng)估提供了參考依據(jù)。

1試驗(yàn)

1.1試品

根據(jù)抽樣的具體情況，選取運(yùn)行年限為5～15年的4支絕緣子(試樣編號(hào)為2—5)，運(yùn)行地區(qū)的污穢等級(jí)較高，均為E1，復(fù)合絕緣子試樣具體信息見(jiàn)表1(編號(hào)1為新絕緣子)。

表1復(fù)合絕緣子試樣基本信息

試樣編號(hào)線路名稱廠家運(yùn)行時(shí)間/a污穢等級(jí)1—X0—2敬瓶5901D15E13太胡745線H10E14盛繁2875Z10E15月獅459線Z6E1

1.2試驗(yàn)內(nèi)容

本文主要側(cè)重研究復(fù)合絕緣子運(yùn)行后傘裙材料的老化狀況和理化性能，因此選擇了憎水性、傘裙主要電氣性能、TGA及SEM檢測(cè)對(duì)以上試樣進(jìn)行分析。

根據(jù)GB/T24622—2009《絕緣子表面濕潤(rùn)性測(cè)量導(dǎo)則》，測(cè)試絕緣子憎水性的方法有接觸角法、表面張力法和噴水分級(jí)法。本試驗(yàn)采用噴水分級(jí)法。具體操作步驟如下：首先將樣片放在與水平面成20°～30°的位置，將噴霧瓶噴嘴置于距樣片表面25cm處，每秒噴1次，持續(xù)20～30s，在噴霧結(jié)束10s內(nèi)完成拍照。

根據(jù)GB/T2011—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》，本次試驗(yàn)采用A型邵氏硬度計(jì)，選擇試樣的不同位置(相距至少6mm)測(cè)量硬度值3次，取其平均值。

根據(jù)GB/T1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測(cè)定》，本文用Keithley的6517高阻儀對(duì)絕緣子傘裙材料進(jìn)行體積電阻率和表面電阻率測(cè)試。

根據(jù)GB1408.1—2006《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分：工頻下試驗(yàn)》，將所有測(cè)試樣品均用磨片機(jī)加工成2mm厚，誤差在±0.1mm內(nèi)，試驗(yàn)前用無(wú)水乙醇將樣品表面清洗干凈，每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)的擊穿電壓值偏離中值(3個(gè)測(cè)量值的中間值)不應(yīng)大于15%，否則重新試驗(yàn)，取3個(gè)測(cè)量值的平均值作為該樣品的擊穿電壓值。

TGA實(shí)驗(yàn)氣氛分別為氮?dú)夂涂諝?，升溫速度?0 ℃/min；SEM采用Sinion200肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，加速電壓為10.0kV。

2結(jié)果與討論

2.1硅橡膠憎水性、硬度及主要電氣性能檢測(cè)

目前，復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的技術(shù)參數(shù)和檢測(cè)方法普遍參照DL/T376—2010《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》。相較于其他指標(biāo)，憎水性能和電氣性能是影響復(fù)合絕緣子能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[8-10]，因此本文對(duì)運(yùn)行后復(fù)合絕緣子的傘裙進(jìn)行了硬度、憎水性、交流與直流電氣強(qiáng)度、體積與表面電阻率等參數(shù)的測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙主要性能參數(shù)測(cè)量結(jié)果

試樣編號(hào)憎水性等級(jí)硬度擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度/(MV·m-1)交流直流體積電阻率/(Ω·m)表面電阻率/Ω1HC16523.3061.304.45×10142.31×10142HC47016.3842.702.90×10149.32×10133HC47118.3345.033.89×10131.69×10134HC37817.9541.537.21×10134.65×10135HC37919.2559.203.60×10136.93×1013

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T376—2010對(duì)硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定：邵氏硬度不小于50，體積電阻率不小于1.0×1012Ω·m，表面電阻率不小于1.0×1012Ω，交、直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)分別不小于20MV/m和30MV/m。由表2可知，運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的硬度均大于70，明顯比新樣品偏高；體積電阻率和表面電阻率比新樣品偏低，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；復(fù)合絕緣子傘裙的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在40～60MV/m之間，均滿足要求，但隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，直流和交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢(shì)，尤其是運(yùn)行后傘裙的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均在20MV/m以下，已不滿足要求。

2.2TGA

TGA是高分子的常規(guī)表征手段，可用于表征結(jié)構(gòu)相變，分析殘余單體和溶劑含量，用于添加劑的檢測(cè)和熱降解的研究[11]。為了研究運(yùn)行后復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的熱穩(wěn)定性和各組分的相對(duì)含量變化，對(duì)老化后的樣品進(jìn)行了氮?dú)鈿夥障碌腡GA。復(fù)合絕緣子傘裙的成分組成主要包括3個(gè)部分：高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子；低分子物質(zhì)，主要包括催化劑、硅烷偶聯(lián)劑、硫化劑、硅油以及硅氧烷小分子等；無(wú)機(jī)填料，主要是補(bǔ)強(qiáng)劑白炭黑SiO2和阻燃劑氫氧化鋁(aluminumtrihydrate，ATH)。在TGA實(shí)驗(yàn)中， 220～350 ℃階段主要是低分子蒸發(fā)和Al(OH)3填料部分脫水階段，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，ATH的熱分解失重主要發(fā)生在200～420 ℃，該階段Al2O3·3H2O的3個(gè)結(jié)晶水可以失去2.5個(gè)。350～600 ℃階段為高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子的熱分解損失質(zhì)量階段，該階段化學(xué)鍵如C—C、Si—O、Si—C開(kāi)始斷裂，隨著溫度升高，高分子物質(zhì)分解加劇，熱降解速率也逐漸加大，在400～500 ℃區(qū)間，降解速率達(dá)到最大值。溫度大于700 ℃階段則僅剩無(wú)機(jī)殘?jiān)?，主要是ATH失去結(jié)晶水后形成的Al2O3以及在20～700 ℃內(nèi)幾乎不失重的白炭黑。

由于傘裙表面受到多種老化因素的作用，相較于傘裙內(nèi)部的材料，其老化程度應(yīng)該更嚴(yán)重，因此對(duì)于這些運(yùn)行老化的試品，分別選取了傘裙表面和傘裙內(nèi)部2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，將內(nèi)部的TGA曲線作為未老化或者輕微老化的參考依據(jù)，從而判斷老化后的硅橡膠表面發(fā)生了何種化學(xué)變化。運(yùn)行后樣品的TGA結(jié)果雖然存在差別，但總體的變化趨勢(shì)是一致的，現(xiàn)以2號(hào)試樣為例(如圖1所示)，分析TGA的結(jié)果及其反映出的各類物質(zhì)的相對(duì)變化。

由圖1可知，試樣在200 ℃以前幾乎不失重，只有很小的質(zhì)量變化, 這可能是試樣中所含水分蒸發(fā)帶來(lái)的影響，主要是試樣表面吸附水的物理性逸出。表層硅橡膠在200～300 ℃出現(xiàn)第一個(gè)失重臺(tái)階，失重18.39%；300～450 ℃出現(xiàn)第二個(gè)失重臺(tái)階，失重11.27%。內(nèi)層硅橡膠在250～350 ℃出現(xiàn)第一個(gè)失重臺(tái)階，失重13.84%；350～500 ℃出現(xiàn)第二個(gè)失重臺(tái)階，失重35.64%。相較于內(nèi)層，表層在低溫區(qū)的失重大，在中溫區(qū)的失重小，高溫區(qū)殘留的無(wú)機(jī)物更多。這些現(xiàn)象說(shuō)明表面的低分子物質(zhì)含量高于內(nèi)層，但有機(jī)聚合物高分子的含量低于內(nèi)層，因此硅橡膠分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴(yán)重。另外表層殘留了較高的ATH和白炭黑，相應(yīng)地減少了硅橡膠的含量，導(dǎo)致中溫區(qū)的熱分解產(chǎn)物相對(duì)較少。

圖1　2號(hào)試樣的TGA曲線

為了研究硅橡膠傘裙在不同氣氛下的熱穩(wěn)定性，本文還對(duì)運(yùn)行后的試樣(4號(hào)和5號(hào))進(jìn)行了氮?dú)夂涂諝鈿夥障碌臒嶂胤治觯话銇?lái)說(shuō)，在氮?dú)鈿夥障?，硫化膠高分子在失重區(qū)主要是發(fā)生鏈斷反應(yīng)；在空氣中加熱時(shí)，分子鏈、側(cè)基的斷裂及部分交聯(lián)會(huì)同時(shí)發(fā)生，熱分解過(guò)程更復(fù)雜。對(duì)比二者的TGA曲線，可進(jìn)一步了解硅橡膠的熱分解特征。圖2為4號(hào)和5號(hào)試樣在兩種氣氛下的TGA曲線。

圖2　氮?dú)夂涂諝庀鹿柘鹉z的TGA曲線

由圖2可知，兩種氣氛下試樣在低溫區(qū)的第一個(gè)失重臺(tái)階的質(zhì)量損失基本相等，即低分子蒸發(fā)和填料脫水在兩種氣氛下的表現(xiàn)和進(jìn)程大致相似。但空氣氣氛下，硅橡膠第二個(gè)失重區(qū)的起始溫度明顯提前，可見(jiàn)硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于側(cè)鏈中甲基的存在導(dǎo)致聚硅氧烷高分子在空氣中更易于被氧化；并且質(zhì)量損失較氮?dú)鈿夥障碌拿黠@減少，這可能與裂解產(chǎn)物和試樣在空氣中被氧化后質(zhì)量增重有關(guān)。

2.3SEM檢測(cè)

SEM是觀察和研究材料微觀形貌的重要方法，可以檢測(cè)固體試樣表面的形貌特征，如不均勻性、相分離、裂紋、缺陷等[12-13]。新試樣以及老化后部分試樣的SEM圖像如圖3至圖5所示。

圖3　1號(hào)新試樣SEM圖像

圖4　2號(hào)試樣SEM圖像

圖5　3號(hào)試樣SEM圖像

由圖3至圖5可以看出，新試樣的SEM圖像顯示樣片表面較為平整、光滑，結(jié)構(gòu)均勻，填料填埋和包裹得很好。運(yùn)行10年后，3號(hào)試樣表面變得粗糙且凹凸不平，開(kāi)始出現(xiàn)大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直徑都在5μm以下，少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面，其中塊狀或顆粒狀突出物應(yīng)為硅橡膠的無(wú)機(jī)填料，硅橡膠分子主鏈的斷裂等原因引起有機(jī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的破壞，從而導(dǎo)致其中的填充物暴露出來(lái)。運(yùn)行15年后，嚴(yán)重老化的試樣表面出現(xiàn)大量裂紋(如圖4所示)，且孔洞和缺陷試樣的面積逐漸擴(kuò)大，破損嚴(yán)重的部位出現(xiàn)直徑超過(guò)10μm的孔洞，硅橡膠表面被分裂為一個(gè)個(gè)凹凸不平的塊狀結(jié)構(gòu)。SEM結(jié)果說(shuō)明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，復(fù)合絕緣子的老化程度越明顯，可直觀地看出環(huán)境因素和各種運(yùn)行應(yīng)力對(duì)硅橡膠表面造成的老化影響。

3結(jié)論

從本文的試驗(yàn)結(jié)果可以初步得到以下結(jié)論：

a) 隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，交流和直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢(shì)，試樣的傘裙交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度均在20MV/m以下，按照DL/T376—2010對(duì)硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定，已不滿足要求。

b) 運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的體積和表面電阻率隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律不明顯。

c) 相比于新試樣，運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的硬度均有上升，憎水性出現(xiàn)下降，但與運(yùn)行時(shí)間的線性關(guān)系不明顯。

d)TGA試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)行15年后的復(fù)合絕緣子傘裙表面的有機(jī)聚合物高分子含量明顯減少，低分子物質(zhì)和無(wú)機(jī)殘留物的含量相對(duì)增加，因此表層硅橡膠大分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴(yán)重。硅橡膠在氮?dú)夂涂諝鈿夥罩械蜏貐^(qū)的失重特征(主要是低分子蒸發(fā)和填料脫水)大致相似，但高分子聚合物的熱降解起始溫度明顯提前，可見(jiàn)硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低。

e)SEM結(jié)果顯示，新樣表面較為平整、光滑，填料填埋和包裹得很好。運(yùn)行10年后的試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直徑都在5μm以下，可見(jiàn)少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面。運(yùn)行15后，試樣的孔洞和缺陷面積進(jìn)一步擴(kuò)大，破損嚴(yán)重的部位出現(xiàn)直徑超過(guò)10μm的孔洞，表面出現(xiàn)大量裂紋。

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Research on Shed Properties of Network Operating Composite Insulators

CHEN Xiaochun1, LI Luoqi2, WU Zhaoguo3, ZHENG Mincong1, WANG Jianguo3, ZHOU Zhongkang1

(1.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,Anhui230601,China; 2.TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKongSAR,China; 3.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

Abstract：InallusiontotheproblemofexternalinsulationmaterialnamedHTVofcompositeinsulatorsbeagingwithincreaseofrunningtimeundervariousenvironmentandoperationstressconditions,hardness,hydrophobicity,volumeresistivity,surfaceresistivityandelectricstrengthisrespectivelymeasuredforshedmaterialsoffourrunningcompositeinsulatorsandonenewinsulatoraswellasthermogravimetricanalysis(TGA)andscanningelectonmicroscope(SEM)detectioniscarriedout.Experimentalresultsindicatethatafterlong-termoperation,shedhardnessofthecompositeinsulatorincreases,hydrophobicityandelectricstrengthdecreases,contentofsurfaceorganicpolymerdiminishesandcontentofinorganicresiduesrelativelyincreases.Inaddition,itisdiscoveredthatheatstabilityofsiliconerubberinnitrogenatmosphereishigherthanthatinairatmosphere.SEMresultshowsthatdiametersofholesonthesurfaceofshedhavingrunningforabout10yearsaremostlylessthan5μmanddiametersofholesonthesurfaceofshedrunningforover15yearsarelargerthan10μm.

Keywords：compositeinsulator;shedmaterial;thermogravimetricanalysis(TGA);scanningelectonmicroscope(SEM);hardness;hydrophobicity

收稿日期：2016-04-26

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司科技項(xiàng)目(52120514003R)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.019

中圖分類號(hào)：TM216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0104-05

作者簡(jiǎn)介：

陳曉春(1982)，女，安徽巢湖人。工程師，理學(xué)博士，從事合成材料與應(yīng)用方面的研究。

李洛琦(1995)，女，安徽合肥人。在讀本科生，從事電氣工程與自動(dòng)化方面的研究。

吳照國(guó)(1990)，男，湖北黃岡人。在讀碩士研究生，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究。

(編輯闞杰)