復(fù)合絕緣子傘裙表面腐蝕特性研究

趙美云 王 磊 趙新澤 習(xí)森明 袁澤坤

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽區(qū)域能源裝備三峽大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

復(fù)合絕緣子傘裙表面腐蝕特性研究

趙美云1,2王 磊1,2趙新澤1,2習(xí)森明1,2袁澤坤1,2

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 三峽區(qū)域能源裝備三峽大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002)

為研究復(fù)合絕緣子傘裙表面受環(huán)境腐蝕的影響，采用等效試驗(yàn)?zāi)M了復(fù)合絕緣子腐蝕過程，分析了不同鹽密濃度腐蝕條件下絕緣子試樣表面的憎水性，測量了絕緣子試樣表面的泄露電流，并采用掃描電鏡分析了其微觀表面形貌．試驗(yàn)結(jié)果表明，長期受鹽密腐蝕的傘裙表面憎水性隨著鹽密濃度的增大而減弱；腐蝕會(huì)導(dǎo)致傘裙表面電阻下降，泄露電流增大；當(dāng)鹽密濃度為0.06 mg/cm2時(shí)，傘裙表面憎水性下降速度最快，表面老化速度也最快；傘裙表面腐蝕后，表面變得粗糙不平，老化程度隨著腐蝕時(shí)間和腐蝕濃度的增加而加深．

復(fù)合絕緣子； 腐蝕； 憎水性； 泄漏電流； 表面形貌

絕緣子是架空輸電線路的關(guān)鍵部件，復(fù)合絕緣子以體積小、重量輕、強(qiáng)度高、耐污穢等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用[1]．復(fù)合絕緣子優(yōu)異的防污閃性能得益于其憎水性和憎水遷移特性[2-6]．但是復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)受到電場、紫外線、污穢等條件的綜合作用而發(fā)生老化，導(dǎo)致傘裙破損、粉化以及憎水性下降等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著輸變電設(shè)備的絕緣性能[7-14]．文獻(xiàn)[15]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酸堿性、溫度以及污穢等環(huán)境因素對復(fù)合絕緣子表面憎水性存在一定的影響．文獻(xiàn)[16]通過加速電暈老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅橡膠在電暈的作用下會(huì)發(fā)生老化，其表面會(huì)變得粗糙，且出現(xiàn)不同程度的裂紋．為進(jìn)一步分析腐蝕環(huán)境對傘裙表面的影響，本文以110kV架空線路常用復(fù)合絕緣子為研究對象，通過等效試驗(yàn)?zāi)M其工作環(huán)境，對絕緣子試樣進(jìn)行靜態(tài)接觸角測量、表面泄露電流測量以及表面形貌分析等，分析腐蝕環(huán)境對復(fù)合絕緣子老化程度的影響規(guī)律．

1 老化試驗(yàn)及測試

復(fù)合絕緣子在實(shí)際的運(yùn)行過程中會(huì)受到溫度、雨和污穢等因素的影響，導(dǎo)致其表面特性發(fā)生變化．為了分析腐蝕環(huán)境對傘裙表面的影響，本文進(jìn)行了等效模擬試驗(yàn)．

1.1 環(huán)境腐蝕試驗(yàn)

為研究污穢物對絕緣子傘裙表面的腐蝕作用，本文在室溫條件下對處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下嶄新的絕緣子試樣進(jìn)行均勻的涂抹，涂抹的鹽密濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/cm2，腐蝕時(shí)間分別取2、8、16、24、32 d．為了使試驗(yàn)效果比較明顯，在鹽密中加入了pH=1的H2SO4溶液．試驗(yàn)方案見表1．

表1 涂抹試驗(yàn)方案

1.2 憎水性測量

采用靜態(tài)接觸角法對腐蝕后的試樣進(jìn)行憎水性測試．測量接觸角使用的測量裝置為JY-PHB型接觸角測量儀，采用計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)采集圖像，并對圖像進(jìn)行分析．測量時(shí)，將水滴滴在試樣表面，通過數(shù)碼相機(jī)拍照，觀察水滴形狀，并通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析，得到靜態(tài)接觸角的數(shù)值．測量時(shí)注入體積大小為50 μL的水滴，靜置時(shí)間為1 min，使得水珠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)．為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加具有說服性，每個(gè)試樣選取5個(gè)不同的位置進(jìn)行測量，取其平均值．

1.3 泄露電流測量

采用自制的泄漏電流測量裝置測試腐蝕后傘裙表面的泄露電流，如圖1～2所示．試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)原理是基于高電壓下的針尖放電原理．測量過程中，將絕緣子試樣片放置于試驗(yàn)臺上，打開電源，調(diào)節(jié)控制臺面板上的電壓，大致確定試驗(yàn)電壓，分壓器用以確定其準(zhǔn)確的電壓．試驗(yàn)過程中以外部施加交流電壓8 kV測得的電流作為傘裙表面的泄露電流．

圖1 泄露電流測量裝置原理圖

圖2 泄露電流測量裝置

1.4 SEM測試

采用JSM-7500F型掃描電子顯微鏡(SEM)對腐蝕后的復(fù)合絕緣子傘裙表面形貌進(jìn)行分析．該儀器是通過冷場發(fā)射掃描電子來獲取所觀測試樣的表面形貌，精度和放大倍數(shù)都很高，能夠精確地得到試樣表面的微觀形貌．

2 腐蝕對復(fù)合絕緣子表面特性影響分析

2.1 憎水性測量結(jié)果

表2是在不同腐蝕時(shí)間和腐蝕濃度條件下測得的試樣表面靜態(tài)接觸角結(jié)果，表3是對均值接觸角采用Origin 9.0作圖軟件進(jìn)行擬合的結(jié)果，其均值接觸角變化以及擬合曲線如圖3所示．

表2 試樣表面均值接觸角 (單位：°)

表3 試樣表面均值接觸角擬合方程

圖3 均值接觸角隨腐蝕時(shí)間的變化

復(fù)合絕緣子傘裙表面靜態(tài)接觸角越大，表明其憎水性越好．由表2可知，復(fù)合絕緣子傘裙在不同濃度的鹽密腐蝕后，其表面憎水性發(fā)生了變化．根據(jù)圖3可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，不同濃度鹽密下測得的接觸角都出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，如表面涂抹0.02 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕2 d后的接觸角為88.5°，而腐蝕32 d后的接觸角為79.4°，下降了9.1°．且鹽密濃度越大，測得的接觸角越小，如表面涂抹0.02 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕32 d后的接觸角為79.4°，而表面涂抹0.10 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕同樣天數(shù)后測得的接觸角為75.2°，相比降低了4.2°．這是由于隨著腐蝕時(shí)間和腐蝕濃度的增加，復(fù)合絕緣子表面腐蝕程度增大，其表面憎水性逐漸下降．

分析表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同腐蝕條件下試樣表面接觸角擬合曲線斜率變化不一樣，且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均在0.9左右，表現(xiàn)出了較好的線性相關(guān)關(guān)系．由圖3也可以看出，當(dāng)鹽密濃度小于0.06 mg/cm2，隨著鹽密濃度的增加，測得的接觸角擬合曲線斜率逐漸增大；當(dāng)鹽密濃度大于0.06 mg/cm2時(shí)，隨著鹽密濃度的增加，斜率反而降低了．說明當(dāng)鹽密濃度為0.06 mg/cm2時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，絕緣子表面憎水性下降速度最快．如果絕緣子長期處于此腐蝕環(huán)境中，與一直處在高濃度污穢環(huán)境中的絕緣子一樣，其表面憎水性能會(huì)大大降低，嚴(yán)重縮短其使用壽命．

2.2 泄露電流測量結(jié)果

表4是在不同腐蝕時(shí)間和腐蝕濃度條件下測得的試樣表面泄露電流的結(jié)果，表5是對泄露電流采用Origin9.0作圖軟件進(jìn)行擬合的結(jié)果，其泄露電流變化以及擬合曲線如圖4所示．

表4 腐蝕試樣泄露電流測量值 (單位：μA)

表5 泄露電流擬合方程

圖4 泄露電流隨腐蝕時(shí)間的變化

復(fù)合絕緣子傘裙表面的泄露電流越小，表明其耐污閃能力越好．由表4可以看出，不同腐蝕時(shí)間下測得的傘裙表面泄露電流存在著差異．由圖4可以看出，傘裙表面受腐蝕的時(shí)間越長，其表面泄露電流越大，如表面涂抹0.02 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕2 d后測得的泄露電流為25 μA，而腐蝕32 d后測得的泄露電流為42 μA，增加了17 μA．而且，不同濃度鹽密腐蝕后測得表面泄露電流也不一樣，隨著鹽密濃度的增大，測得表面泄露電流也逐漸增大，如表面涂抹0.02 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕32 d后測得的泄露電流為42 μA，而表面涂抹0.10 mg/cm2濃度的鹽密腐蝕同樣天數(shù)后測得的泄露電流為54 μA，增加了12 μA．這是由于復(fù)合絕緣子在長期污穢物的腐蝕下，表面發(fā)生了老化，導(dǎo)致試樣表面電阻率下降，泄露電流增加．

分析表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，腐蝕試樣表面測得泄露電流擬合曲線斜率變化不一樣，且擬合曲線的相關(guān)系數(shù)基本在0.9以上，表明了較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系．由圖4也可以看出，當(dāng)鹽密濃度小于0.06 mg/cm2，隨著鹽密濃度的增加，測得的泄露電流擬合曲線斜率逐漸增大；當(dāng)鹽密濃度大于0.06 mg/cm2時(shí)，隨著鹽密濃度的增加，斜率反而也降低了．說明當(dāng)絕緣子表面腐蝕濃度為0.06 mg/cm2時(shí)，絕緣子表面老化速度最快．對于長期處于此濃度腐蝕環(huán)境中的絕緣子來說，與處于高濃度腐蝕環(huán)境中的絕緣子一樣，其絕緣性也會(huì)嚴(yán)重降低，很容易發(fā)生污閃事故，嚴(yán)重威脅輸變電線路的安全．

2.3 試樣表面形貌分析

通過掃描電鏡能夠看出腐蝕環(huán)境對復(fù)合絕緣子傘裙表面的影響，因此對腐蝕后的試樣表面進(jìn)行SEM分析，選取不同濃度鹽密腐蝕32 d后的試樣分析，分析結(jié)果如圖5所示．

圖5 不同鹽密濃度腐蝕試樣的表面形貌

對比圖5中5個(gè)試樣，由圖(a)可以看出，當(dāng)傘裙表面受到污穢物的腐蝕后，表面變得粗糙不平，并伴隨著一些孔洞的產(chǎn)生．隨著鹽密濃度的增加，由圖(b)可以看出，試樣表面被腐蝕的越來越嚴(yán)重，變得更加的粗糙．由圖(c)可以看出，試樣表面部分區(qū)域呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域有球狀的突起．隨著鹽密濃度進(jìn)一步的增加，從圖(d)和圖(e)中可以看出，試樣表面變得更加粗糙，球狀突起物也越來越多，凸起尺寸也隨鹽密濃度的增加明顯上升，且孔洞也越來越多．長期的污穢腐蝕會(huì)使復(fù)合絕緣子傘裙表面老化程度加深，表面變得凹凸不平，出現(xiàn)了粗糙突起和腐蝕孔洞．因此，水珠更易于浸潤表面，能夠很好地鋪展在傘裙表面上，所以接觸角變小．而腐蝕造成的傘裙表面破壞又會(huì)使表面電阻率降低，因而使泄露電流增大．

3 結(jié) 論

通過涂抹試驗(yàn)?zāi)M了復(fù)合絕緣子傘裙受環(huán)境腐蝕的過程，采用接觸角測量儀測量了試樣受環(huán)境腐蝕后表面的接觸角，并采用自制的泄露電流測量裝置測量試驗(yàn)后試樣表面的泄露電流，最后通過掃描電鏡分析了試驗(yàn)后試樣表面形貌，得出了以下結(jié)論：

1)長期受污穢腐蝕的傘裙表面憎水性會(huì)逐漸減弱，并且污穢濃度越高，傘裙表面被腐蝕得越嚴(yán)重，表面憎水性也越差．當(dāng)鹽密濃度為0.06 mg/cm2時(shí)，傘裙表面憎水性下降速度最快，其憎水性將變得與處在高濃度污穢環(huán)境中的絕緣子一樣差．

2)處于污穢環(huán)境中的復(fù)合絕緣子會(huì)發(fā)生老化，并且受腐蝕時(shí)間越長，表面老化越嚴(yán)重，導(dǎo)致表面的電阻率下降，泄露電流增加，發(fā)生閃絡(luò)的機(jī)率增加．當(dāng)鹽密濃度為0.06 mg/cm2時(shí)，傘裙表面老化的速度最快，其絕緣性能將變得與處在高濃度污穢環(huán)境中的絕緣子一樣差．

3)復(fù)合絕緣子傘裙表面受腐蝕后，表面會(huì)變得粗糙不平，出現(xiàn)了一些粗糙突起和腐蝕孔洞，老化程度隨著腐蝕時(shí)間和腐蝕濃度的增加而加深．

4)建議長期處于高污穢、高電壓環(huán)境中的復(fù)合絕緣子，應(yīng)該定期進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有問題的絕緣子應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換．

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ResearchonSurfaceCorrosionofCompositeInsulatorUmbrellaSkirt

Zhao Meiyun1,2Wang Lei1,2Zhao Xinze1,2Xi Senming1,2Yuan Zekun1,2

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；2. Collaborative Innovation Center for Energy Equipment of Three Gorges Region, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

To study the effect of corrosion on the surface of composite insulator umbrella skirt, the corrosion process of the composite insulator is simulated by equivalent test. The surface hydrophobicity of the insulator sample is analyzed under corrosion conditions of different salt concentrations; and the leakage currents of the insulator surface are measured; meanwhile, their micro-topography is analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The results show that the surface hydrophobicity of the umbrella skirt for a long-term salt corrosion is weakened with the increase of the salt density. Corrosion can cause the surface resistance of the umbrella skirt to decrease and the leakage current to increase. When the salt concentration is 0.06 mg/cm2, the hydrophobicity of umbrella skirt surface declines in the fastest, and the aging speed is the fastest. After the surface of the umbrella skirt is corroded, the surface becomes roughness, and the degree of aging deepened with the increase of the corrosion time and corrosion concentration.

composite insulator； corrosion； hydrophobicity； leakage current； surface morphology

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.019

2016-12-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475264，51605254

趙新澤(1964-)，男，教授，博士，主要從事摩擦學(xué)及表面工程、液體力學(xué)等方面研究．E-mail： xzzhao@ctgu.edu.cn

TB304

A

1672-948X(2017)05-0095-05

[責(zé)任編輯張 莉]