直流沿面閃絡(luò)前后環(huán)氧樹脂及硅橡膠表面形貌特性研究

王 濤，周開峰，李志雷，祝 賀，池威威，孫文凱，張 圳

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050000；2.國(guó)網(wǎng)雄安供電公司，河北 保定 071600）

0 引言

沿面閃絡(luò)是威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的常見現(xiàn)象[1-3]。近年來(lái)，電網(wǎng)不斷開展防止沿面閃絡(luò)的工作，雖然降低了發(fā)生沿面閃絡(luò)的可能性，但沿面閃絡(luò)事故仍有發(fā)生。國(guó)內(nèi)外各電壓等級(jí)的直流換流站多次發(fā)生沿面閃絡(luò)事故[4-5]，眾多學(xué)者圍繞沿面閃絡(luò)對(duì)絕緣材料表面形貌的影響開展了大量研究。

發(fā)生沿面閃絡(luò)時(shí)，電場(chǎng)中大量高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子及電弧的高溫作用會(huì)導(dǎo)致材料表面形貌發(fā)生明顯改變[6-7]。林海丹等[8]研究了常壓下環(huán)氧樹脂在微秒脈沖下閃絡(luò)老化處理前后表面SEM的變化，發(fā)現(xiàn)閃絡(luò)后表面變得疏松并且有大量突起顆粒。謝慶等[9]對(duì)環(huán)氧樹脂在真空條件下進(jìn)行不同程度的閃絡(luò)老化，通過(guò)AFM測(cè)試發(fā)現(xiàn)其表面演化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的沿面絕緣特性與表面粗糙度及分形參數(shù)間均存在一定關(guān)系。黃河等[10]在大氣環(huán)境下采用正極性直流電壓源對(duì)聚四氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯閃絡(luò)前后的表面形貌進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了兩種材料表面形貌的分布特征及粗糙度的變化規(guī)律。胡志亮等[11]采用AFM和X射線光電子能譜儀測(cè)試了聚四氟乙烯在指形電極下發(fā)生沿面閃絡(luò)前后的物化特性，測(cè)試結(jié)果表明隨著閃絡(luò)次數(shù)增加，表面凸起及粗糙度增大。謝慶等[12]對(duì)真空中不同閃絡(luò)次數(shù)的環(huán)氧樹脂表面形貌進(jìn)行表面功率譜密度分析，發(fā)現(xiàn)電極軸線方向與垂直于電極方向的頻率成分不同，此外還對(duì)N2中環(huán)氧樹脂閃絡(luò)后的表面形貌進(jìn)行小波分析，發(fā)現(xiàn)分解后節(jié)點(diǎn)能量隨著閃絡(luò)次數(shù)增加而增大[13]。上述研究都未涉及到環(huán)氧樹脂及硅橡膠表面形貌的對(duì)比研究。

在高壓直流輸電線路中廣泛使用的硅橡膠[14]，由于其力學(xué)性能欠佳，易受到鳥啄及大風(fēng)的破壞，嚴(yán)重影響材料的絕緣性能，而環(huán)氧樹脂是潛在的替代材料[15]。為此本研究分析環(huán)氧樹脂及硅橡膠在閃絡(luò)老化前后表面形貌的變化，并通過(guò)AFM測(cè)試及表面功率譜密度分別定性、定量分析材料微觀形貌的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)接線如圖1所示。用負(fù)極性高壓直流電源（DW-P503-1ACF7型）作為實(shí)驗(yàn)電源。發(fā)生閃絡(luò)時(shí)限制電流過(guò)大，因此在電路中串聯(lián)高壓電阻（RIG），阻值為2 MΩ。在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)安裝針-針電極，其中一個(gè)電極固定于高壓套管引入的金屬柱上，另一電極固定于接地的金屬柱上，絕緣材料放置于中間的聚四氟乙烯支撐臺(tái)上，兩電極對(duì)稱放置在絕緣材料上。電極采用不銹鋼材質(zhì)制成，針電極前端為錐形，針尖曲率半徑約為0.8 mm，兩電極距離設(shè)置為3.0 mm。

本研究所用環(huán)氧樹脂為委托廠家定制，主要成分包括環(huán)氧樹脂、固化劑和氧化鋁顆粒，質(zhì)量比為1.0∶0.5∶5.0，硅橡膠采用高溫硫化硅橡膠。依次用無(wú)水乙醇及去離子水在超聲波清洗機(jī)中將材料清洗干凈，然后烘干備用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置接線圖Fig.1 Experimental device wiring diagram

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將直流電壓均勻升高，升壓速率為1 kV/s，直至沿面發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，當(dāng)閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生后，經(jīng)過(guò)3 min再進(jìn)行下一次閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

2 AFM測(cè)試及微觀形貌分析

2.1 沿面閃絡(luò)位置選擇

圖2(a)、(b)分別為未閃絡(luò)環(huán)氧樹脂、硅橡膠的電鏡放大圖。從圖2可以看出，未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)兩種絕緣材料表面紋理比較均勻，環(huán)氧樹脂表面有少許顆粒物，硅橡膠表面有細(xì)微的條紋。

圖2 未閃絡(luò)環(huán)氧樹脂與硅橡膠Fig.2 Epoxy resin and silicone rubber without flashover

圖3 (a)、(b)分別為環(huán)氧樹脂與硅橡膠閃絡(luò)200次后的電鏡放大圖。從圖3可以看出，閃絡(luò)后兩種材料表面均有明顯的燒蝕痕跡，且在針電極針尖前端最嚴(yán)重。環(huán)氧樹脂表面主要呈顆粒狀，而硅橡膠表面出現(xiàn)較明顯的垂直于電極軸線方向的裂紋，說(shuō)明電暈老化[16]及閃絡(luò)老化均會(huì)引起硅橡膠表面裂紋的產(chǎn)生。

2.2 AFM微觀形貌分析

圖3 閃絡(luò)200次后環(huán)氧樹脂與硅橡膠Fig.3 Epoxy resin and silicone rubber after 200 times of flashover

為了從微觀層面了解環(huán)氧樹脂及硅橡膠閃絡(luò)前后的區(qū)別，對(duì)環(huán)氧樹脂和硅橡膠進(jìn)行了200次和500次閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，圖3虛線框?yàn)獒橂姌O針尖前端區(qū)域，在該處進(jìn)行AFM測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，圖中垂直方向坐標(biāo)數(shù)值根據(jù)材料表面起伏高度設(shè)置，便于觀察材料表面微觀細(xì)節(jié)。

圖4 不同閃絡(luò)次數(shù)表面AFM微觀形貌圖Fig.4 AFM micrograph of surface with different flashover times

由圖4(a)、(d)可知，未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，環(huán)氧樹脂材料表面主要為包狀顆粒突起；硅橡膠表面主要為尖刺狀突起，整體呈條帶狀分布。由圖4(b)、(e)可知，經(jīng)過(guò)200次閃絡(luò)后，環(huán)氧樹脂表面的較大突起已消失，由于電弧能量的燒蝕作用，氧化鋁表面包裹的有機(jī)物大量消失，出現(xiàn)棱角分明的顆粒狀突起；而硅橡膠在200次閃絡(luò)后表面的尖刺狀突起消失，表面呈平滑狀起伏。由圖4(c)、(f)可知，閃絡(luò)次數(shù)達(dá)到500次后，環(huán)氧樹脂表面顆粒狀物質(zhì)進(jìn)一步減少，這是由于閃絡(luò)時(shí)電弧高溫與高能粒子對(duì)顆粒物的撞擊導(dǎo)致其濺射出去；而硅橡膠表面呈現(xiàn)條帶狀平滑隆起，可見電弧作用下硅橡膠表面主要是表面毛刺大量消失。

2.3 表面粗糙度分析

為了定量描述環(huán)氧樹脂及硅橡膠經(jīng)過(guò)不同次數(shù)閃絡(luò)后表面形貌的變化，對(duì)兩種絕緣材料閃絡(luò)前后的表面進(jìn)行粗糙度測(cè)試。在兩針電極之間隨機(jī)選擇5個(gè)區(qū)域分別測(cè)試粗糙度，取其平均值，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同閃絡(luò)次數(shù)表面粗糙度Fig.5 Surface roughness under different flashover times

從圖5可以看出，隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加，環(huán)氧樹脂表面粗糙度持續(xù)增加，而硅橡膠表面粗糙度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3 表面功率譜密度分析

3.1 表面功率譜密度估計(jì)

在絕緣材料表面建立歐氏坐標(biāo)系，以平行于兩針電極軸線的直線作為X軸，經(jīng)過(guò)兩針電極尖端連線段中點(diǎn)的直線作Y軸，垂直于材料表面作Z軸，Z（x，y）為材料表面的高度函數(shù)，坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 絕緣材料表面坐標(biāo)系Fig.6 Coordinate system of insulating material surface

對(duì) Z（x，y）進(jìn)行離散傅里葉變換[17]，如式（1）所示。

式（1）中：H為表面形貌頻譜函數(shù)；M、N為X、Y方向采樣點(diǎn)數(shù)；vl、vk為空間頻率，其中vl=l/(MΔx)，vk=k/(NΔx)，l=0,1,2……M-1，k=0,1,2……N-1。 根 據(jù) 式（1）可得功率譜密度估計(jì)值，如式（2）所示[16]。

式（2）中：PSD為功率譜密度估計(jì)值；Δx、Δy分別表示X、Y方向上的采樣間隔；vl、vk取值范圍為-M/2≤l≤M/2，-N/2≤k≤N/2。為了便于分析，將功率譜值取對(duì)數(shù)[16]，如式（3）所示。

為減少表面形貌隨機(jī)性對(duì)功率譜密度的影響，本研究選擇5個(gè)樣本進(jìn)行200次閃絡(luò)試驗(yàn)，均在針電極尖端正前方進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，將功率譜密度結(jié)果取平均值。

3.2 功率譜密度等高線圖分析

為了便于比較兩種絕緣材料X軸和Y軸方向的表面形貌變化趨勢(shì)，畫出表面功率譜密度等高線圖，如圖7所示。

圖7 表面功率譜密度等高線圖Fig.7 Contour map of surface power spectral density

從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)200次直流沿面閃絡(luò)后，兩種材料X軸方向的中高頻幅值較小，Y軸方向的中高頻幅值有較明顯的增加，等高線圖均有向紡錘形變化的趨勢(shì)。高頻體現(xiàn)形貌細(xì)節(jié)部分，表明兩種材料表面Y軸方向波紋細(xì)密性比未閃絡(luò)時(shí)增加，閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，形成X軸方向的電弧通道，在高溫與帶電粒子的碰撞作用下，X軸方向刻蝕出更多細(xì)密的痕跡，從而在Y軸方向表現(xiàn)出幅值較大的中高頻分量。

未閃絡(luò)時(shí)，環(huán)氧樹脂表面中高頻幅值范圍比硅橡膠小，閃絡(luò)200次后，環(huán)氧樹脂表面中高頻幅值范圍明顯比硅橡膠增大，可推斷環(huán)氧樹脂表面的氧化鋁脫落后表面細(xì)密的波紋較多；硅橡膠表面閃絡(luò)后中高頻部分幅值較小，但是其等高線藍(lán)色部分較少，表明幅值明顯增加。

3.3 X軸方向及Y軸方向功率譜密度圖分析

從X軸方向和Y軸方向觀察功率譜密度圖，比較各個(gè)頻率的幅值。圖8(a)和(b)分別為未閃絡(luò)及閃絡(luò)200次的功率譜密度幅值圖。

圖8 X軸和Y軸方向功率譜密度幅值Fig.8 Power spectral density amplitude in X and Y directions

從圖8可以看出，未發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，兩種材料X軸和Y軸方向的功率譜幅值相差不大，表明未閃絡(luò)時(shí)各個(gè)方向形貌比較單一均勻。經(jīng)過(guò)200次閃絡(luò)后，環(huán)氧樹脂X軸方向功率譜變化不大，Y軸方向1～10頻率段幅值有較大增長(zhǎng)；硅橡膠在X軸和Y軸方向1～10頻率段幅值均有增大，X軸方向幅值的增大與閃絡(luò)后硅橡膠表面出現(xiàn)的Y軸方向裂紋有關(guān)。

3.4 X軸方向及Y軸方向功率譜變化分析

圖9為X軸和Y軸方向功率譜值相對(duì)于未閃絡(luò)時(shí)的增大倍數(shù)。從圖9可以看出，在空間頻率0～1區(qū)間，兩種材料在X軸和Y軸方向的譜值增大倍數(shù)都較?。辉?～20區(qū)間，硅橡膠的譜值增大倍數(shù)趨勢(shì)整體比環(huán)氧樹脂明顯，這說(shuō)明環(huán)氧樹脂由于表面氧化鋁的存在，表面結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，Y軸方向未出現(xiàn)裂紋，且電極軸線方向上形成的溝槽不深，因此其高頻部分雖有一定增大，但是相對(duì)于硅橡膠而言程度較輕；硅橡膠在經(jīng)歷了多次閃絡(luò)后，在Y軸方向上形成了較多細(xì)小的裂紋，從而導(dǎo)致X軸方向上中高頻分量的急劇增大；在Y軸方向由于電弧的作用，電弧通道在電極軸線方向上形成了多且深的溝槽，從而導(dǎo)致Y軸方向上中高頻分量急劇增大。

圖9 X軸和Y軸方向功率譜值相對(duì)于未閃絡(luò)時(shí)的增大倍數(shù)Fig.9 The increase times of power spectrum value in X and Y directions with respect to non flashover

空間頻率的低頻部分決定材料表面整體形貌，圖10為低頻空間頻率功率譜值相對(duì)未閃絡(luò)時(shí)的增大倍數(shù)。從圖10可以看出，環(huán)氧樹脂在X軸方向的功率譜值變化較小，在Y軸方向上明顯增大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)電弧高溫?zé)埔约案邎?chǎng)強(qiáng)下帶電粒子的碰撞，環(huán)氧樹脂電極軸線方向的整體形貌發(fā)生了明顯改變；硅橡膠在X軸和Y軸方向低頻部分功率譜值相對(duì)未閃絡(luò)時(shí)均有明顯的增大，表明在閃絡(luò)過(guò)程中，硅橡膠表面較多的毛刺已被燒灼，表面形貌整體發(fā)生了較大變化，既有X軸方向的溝槽，又有Y軸方向的裂紋。兩種材料都出現(xiàn)了Y軸方向功率譜值增大倍數(shù)大于X軸方向的情況，表明電弧通道在電極軸線方向上形成的溝槽對(duì)形貌影響更明顯。

圖10 低頻空間頻率功率譜值相對(duì)未閃絡(luò)時(shí)的增大倍數(shù)Fig.10 The increase times of power spectrum value at low frequency spatial frequency with respect to non flashover

環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)主要為雙酚A型，包括苯環(huán)、C-OH和C-O-C等官能團(tuán)，硅橡膠分子的主鏈由Si-O-Si組成，側(cè)鏈由-CH3組成[18]。環(huán)氧樹脂主鏈中的C-O鍵及C-C鍵鍵能比硅橡膠主鏈中的Si-O鍵能小[19]，并且環(huán)氧樹脂中添加了化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的Al2O3成分，因此在閃絡(luò)過(guò)程中，有機(jī)成分受到了更大的破壞，Al2O3成分保持了較穩(wěn)定的形貌，使環(huán)氧樹脂在電弧通道方向上形成的溝槽效應(yīng)更明顯，對(duì)應(yīng)的Y軸方向低頻分量明顯增大；硅橡膠由于主鏈上的Si-O鍵鍵能較大，電弧造成的損傷較輕，表面形成的溝槽比較細(xì)小，對(duì)應(yīng)的Y軸方向高頻分量較大。

4 結(jié)論

通過(guò)研究空氣中環(huán)氧樹脂與硅橡膠直流沿面閃絡(luò)后的表面形貌特性，分析了閃絡(luò)前后兩種材料的AFM形貌圖、表面功率譜密度圖像特征及幅值特征，得到如下結(jié)論：

（1）隨著閃絡(luò)次數(shù)增加，環(huán)氧樹脂表面由包狀顆粒突起變?yōu)槔饨欠置鞯念w粒狀突起；硅橡膠表面由尖刺狀突起變?yōu)槠交瑺钇鸱?/p>

（2）經(jīng)過(guò)200次閃絡(luò)后，兩種材料X軸方向的中高頻幅值較小，Y軸方向中高頻部分幅值較大，表明兩種材料表面Y軸方向的波紋細(xì)密性比未閃絡(luò)時(shí)明顯增加。

（3）兩種材料都出現(xiàn)了Y軸方向功率譜值增大倍數(shù)大于X軸方向的情況，表明電弧通道在電極軸線方向上形成的溝槽對(duì)形貌影響更明顯。

（4）從閃絡(luò)老化造成的影響來(lái)看環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出了更優(yōu)越的性能，有較大的潛力替代硅橡膠，進(jìn)而解決硅橡膠鳥啄及力學(xué)性能欠佳的問題。