棒形懸式復(fù)合絕緣子老化性能的評估

李曉明，薄學(xué)微，盧聲彥，朱 明

棒形懸式復(fù)合絕緣子老化性能的評估

李曉明，薄學(xué)微，盧聲彥，朱 明

（大連電瓷集團股份有限公司，遼寧 大連116600）

為了評估運行中棒形懸式復(fù)合絕緣子的老化性能，保證線路安全性，從實際運行線路選取不同運行年限的110 kV棒形懸式復(fù)合絕緣子作為研究對象，對其進行了外觀檢查試驗、機械性能試驗和憎水性試驗的研究，并借助所使用HTV材料的微觀試驗（FTIR、SEM、TGA），從微觀上分析和探討棒形懸式復(fù)合絕緣子的老化機理。研究表明：定期對運行中棒形懸式復(fù)合絕緣子進行宏觀和微觀試驗，可實現(xiàn)對棒形懸式復(fù)合絕緣子老化性能的評估。

棒形懸式復(fù)合絕緣子；HTV；老化

0 前言

復(fù)合絕緣子以其重量輕、耐污閃性能好、維護方便等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于輸電線路中[1]。至今已有近40年的歷史，已在世界上27個國家和地區(qū)使用。早期復(fù)合絕緣子材質(zhì)包括脂肪族環(huán)氧樹脂、二元和三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯及室溫硅橡膠等，由于這些材料制造的復(fù)合絕緣子使用一定時間后因老化而漏電起痕等問題，即使是絕緣、耐候、憎水等性能比較優(yōu)越的室溫硫化硅橡膠凃覆在陶瓷絕緣子表面上，也會因機械損傷及腐蝕開裂而漏電起痕。從20世紀70年代高溫硫化硅橡膠材料的開發(fā)，并以其優(yōu)異的憎水性恢復(fù)和遷移特性作為制造復(fù)合絕緣子傘套材料關(guān)鍵因素[2-7]，在復(fù)合絕緣子制造中得以廣泛應(yīng)用。迄今為止，棒形懸式復(fù)合絕緣子在網(wǎng)運行已達60萬支[8]。在運行中復(fù)合絕緣子承受日照、污穢、鳥害、冰雪、溫差及空氣中有害物質(zhì)等大氣環(huán)境老化因素和電場、電流等電老化因素以及長期工作負載等機械老化因素的影響，使得硅橡膠絕緣子逐步老化。其宏觀表現(xiàn)為硅橡膠材料表面龜裂、憎水性部分或完全喪失、機械性能和絕緣性能下降等現(xiàn)象；微觀上表現(xiàn)為硅橡膠分子結(jié)構(gòu)變化，分子鍵斷裂等情況；最終導(dǎo)致棒形懸式復(fù)合絕緣子表面畸變，濕閃電壓和污閃電壓下降，造成輸電線路運行閃絡(luò)故障[9-12]。

筆者選取運行不同年限的110 kV棒形懸式復(fù)合絕緣子作為樣品，通過對其進行外觀檢查、機械性能、憎水性，紅外光譜、熱失重及掃描電鏡等分析對其安全壽命進行評估，進一步完善復(fù)合絕緣子老化的預(yù)測方法以及為及時發(fā)現(xiàn)和更換性能老化的復(fù)合絕緣子，防止線路閃絡(luò)，提高供電可靠性奠定理論基礎(chǔ)。

1 宏觀運行性能分析

1.1 外觀質(zhì)量及憎水性檢查

根據(jù)DL/T 257、GB/T19519和DL/T864標準[13-15]分別對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行外觀檢查及憎水性測試試驗。試驗結(jié)果見表1。從表1可看出，隨著運行時間的延長，棒形懸式復(fù)合絕緣子憎水性有下降趨勢。運行14年的復(fù)合絕緣子傘裙材料表面出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，運行24年的產(chǎn)品在端部密封部位出現(xiàn)裂紋。由此可見，通過外觀檢查和憎水性測試可以反映棒形懸式復(fù)合絕緣子老化程度。

表1 棒形懸式復(fù)合絕緣子外觀質(zhì)量及憎水性Table 1 The visual examination and hydrophobicity of long rod composite insulator

1.2 機械性能測試

根據(jù)DL/T 257、GB/T19519和DL/T864標準分別對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行硬度和撕裂強度試驗。試驗結(jié)果見圖1。

圖1 硬度和撕裂強度隨時間變化曲線Fig.1 The curve diagram of hardness and tear strength versus time

從圖1可看出，隨著運行時間的延長，棒形懸式復(fù)合絕緣子傘裙材料硬度增大，撕裂強度減小。由于棒形懸式復(fù)合絕緣子長期運行中在環(huán)境氣候和機械作用力等因素的影響下，硅橡膠分子鏈發(fā)生斷裂，斷裂后的自由基再相互作用產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使材料變硬、變脆。因此，硅橡膠硬度和撕裂強度的變化情況可反映出硅橡膠材料的老化趨勢。

2 微觀檢測分析

2.1 FTIR分析

試驗使用Spectrum 10傅里葉紅外光譜儀對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行FTIR分析，隨著運行時間的延長，其Si-CH3和Si-O官能團吸收峰面積呈減小趨勢。圖2、圖3中所示為運行24年的復(fù)合絕緣子，其與運行5年的復(fù)合絕緣子相比，其中Si-CH3官能團吸收峰面積下降30%，Si-O官能團吸收峰面積下降20%，表明其硅橡膠材料內(nèi)部化學(xué)鍵已經(jīng)發(fā)生斷裂，材料憎水性明顯下降，這與其宏觀性能分析結(jié)果相一致。Si-CH3官能團吸收峰面積的變化主要反映硅橡膠材料側(cè)鏈斷裂程度，Si-O官能團吸收峰面積的變化主要反映硅橡膠材料主鏈斷裂程度。主鏈、側(cè)鏈的斷裂程度反映了硅橡膠材料的老化程度。因此，通過FTIR方法測定Si-CH3和Si-O官能團吸收峰并計算出峰值面積可以反映出硅橡膠材料的老化趨勢。

圖2 硅橡膠紅外光譜分析Fig.2 Infrared spectroscopic analysis on silicone rubber

圖3 硅橡膠紅外吸收峰面積隨時間變化曲線Fig.3 The curve diagram of infrared absorption peak area versus time

2.2 能譜分析

試驗使用日本電子SM-6510掃描電鏡對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行EDS分析，測定硅橡膠材料中C、O和Si元素含量。見圖4。

圖4 C、Si、O元素含量Fig.4 Contents of C，Si and O elements

圖4中從運行5年到運行24年的棒形懸式復(fù)合絕緣子，其硅橡膠材料中C、Si元素含量隨運行時間延長呈下降趨勢，O元素含量隨運行時間延長呈上升趨勢。

2.3 熱失重分析

試驗用SDT Q600 V20.9 Build 20熱分析儀對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行TGA分析，測定硅橡膠材料中橡膠組分的百分含量。見圖5。

圖5 硅橡膠含量隨時間變化曲線Fig.5 The content curve diagram of silicone rubber versus time

從圖中可看出，棒形懸式復(fù)合絕緣子材料中橡膠組分含量隨運行時間延長呈下降趨勢。隨著運行時間的延長，硅橡膠材料自身化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，材料逐漸老化，其有機物大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其有機物含量減少，這與FTIR測定的官能團吸收峰面積變化結(jié)果相吻合。因此，通過TGA方法測定棒形懸式復(fù)合絕緣子材料中橡膠組分含量可以反映出硅橡膠材料的老化趨勢。

3 結(jié)論

1）通過對運行不同年限的棒形懸式復(fù)合絕緣子進行外觀檢查、憎水性試驗、機械性能試驗，試驗結(jié)果表明隨著運行年限的延長其硅橡膠材料老化趨勢越明顯。

2）借助FTIR、TGA、SEM等方法對棒形懸式復(fù)合絕緣子進行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，硅橡膠材料的微觀結(jié)構(gòu)隨運行年限延長不斷發(fā)生變化，與宏觀表現(xiàn)相吻合，從而確定微觀結(jié)構(gòu)改變可以反映出硅橡膠材料的老化趨勢。

3）定期對棒形懸式復(fù)合絕緣子各項性能進行檢測分析，評估運行中棒形懸式復(fù)合絕緣子的安全壽命，可以保證線路運行的安全性。

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The Aging Performance Evaluation for Long Rod Composite Insulator

LI Xiaoming，BO Xuewei，LU Shengyan，ZHU Ming
（Dalian Insulator Co.，Ltd.，Dalian 116600，China）

In this study，110 kV long rod composite insulators with different years in operation are selected for evaluating the aging property of long rod composite insulators，thereby ensuring the secu?rity of power line.Visual inspection and hydrophobic tests are carried out.Characterizations such as FT?IR，SEM，and TGA are used to investigate the aging mechanism of long rod composite insulators.The re?sults show that aging property of long rod composite insulator can be evaluated effectively by the combina?tion of macro tests and microscopic characterization.

long rod composite insulator；HTV；aging

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.043

2016-09-09

李曉明（1981—），女，工程師，現(xiàn)從事復(fù)合絕緣子研究工作。