多針-板電極電暈老化裝置仿真設(shè)計(jì)與硅橡膠老化特性研究

畢茂強(qiáng)，潘愛川，楊俊偉，董 揚(yáng)，江天炎，陳 曦

（重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

近年來(lái)復(fù)合絕緣子因其優(yōu)秀的憎水性與抗污閃性能被大規(guī)模應(yīng)用于輸電線路中，但其本身作為有機(jī)材料不可避免地會(huì)受到外界惡劣自然環(huán)境的影響發(fā)生老化，眾多因素中，電暈老化所帶來(lái)的影響最為嚴(yán)重［1-4］。長(zhǎng)時(shí)間的電暈放電導(dǎo)致硅橡膠材料表面出現(xiàn)裂紋，憎水性降低，絕緣性能大大下降，易發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［5-9］。因此研究復(fù)合絕緣子材料電暈老化具有實(shí)際應(yīng)用的工程意義。電暈老化試驗(yàn)是以電暈放電為主，人工加速老化是要盡可能模擬出外界復(fù)雜環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)老化的真實(shí)過程。

Moreno等［10］使用了單針與銅板構(gòu)成的老化電極。此電極在硅橡膠電暈老化實(shí)驗(yàn)中總體表現(xiàn)優(yōu)異，并得出在電暈老化中濕度起到重要作用的結(jié)論，但此電極也有其不足之處，單針-板電極電暈老化過程中屬于不均勻放電，電場(chǎng)作用于材料表面不均勻，導(dǎo)致老化區(qū)域老化程度不均勻，且老化區(qū)域較小，僅有針尖正對(duì)區(qū)域，老化效率較低。郭興五［11］在研究不同絕緣材料電暈老化特性時(shí)，也設(shè)計(jì)使用了老化電極裝置，將絕緣材料放在平板電極間的玻璃板之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小分子鏈生成與電暈程度相關(guān)，且硅橡膠材料的憎水恢復(fù)特性與填充材料的程度相關(guān)。但老化的效率較低，需要很長(zhǎng)的老化時(shí)間才能達(dá)到相應(yīng)的老化效果。藍(lán)磊等［12］在針對(duì)高溫硫化硅橡膠材料進(jìn)行電暈性能試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)使用了多針電極，電暈放電由多針對(duì)板電極生成，產(chǎn)生表面電子束轟擊板電極上的硅橡膠材料，其中針電極由半徑0.9 mm的鐵絲組成，銅板電極的半徑為200 mm，針電極與材料距離為3 mm，在施加電壓300 h后，材料取得了不錯(cuò)的老化效果。但此電極中的針集中分布在幾處區(qū)域，沒能對(duì)材料達(dá)到較大區(qū)域的同步老化。

近年來(lái)又有研究提出了均勻老化［13］，對(duì)硅橡膠材料較大區(qū)域老化的同時(shí)，保證材料的不同區(qū)域老化程度非常接近。電暈放電是硅橡膠老化的主要因素，因此想要做到均勻老化就需要設(shè)計(jì)合理的電暈老化電極并配置合理的相關(guān)參數(shù)［14］。

國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)硅橡膠的老化特性進(jìn)行了廣泛的研究并提出許多評(píng)估方法［15-17］，如憎水性（動(dòng)、靜態(tài)接觸角測(cè)量）、SEM（scanning electron microscope）掃描電鏡、FTIR紅外光譜分析法、粉化觀察法、熱刺激電流（thermally stimulated current，TSC）法等。電暈老化是硅橡膠材料的一個(gè)不可逆的劣化過程，主要可分為2個(gè)部分：一是發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，硅橡膠的主要高分子鏈（聚二甲基硅氧烷PDMS）內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂，交聯(lián)度與聚合度下降，降解為小分子，同時(shí)產(chǎn)生大量活性基團(tuán)，憎水性與絕緣性能受到極大的破壞，這也是老化的主要因素；二是電子束轟擊材料表面，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)大量裂紋、孔洞與溝壑，材料的機(jī)械強(qiáng)度與絕緣性能大大下降。根據(jù)上述特點(diǎn)與現(xiàn)象，現(xiàn)在硅橡膠老化特性主要的評(píng)估方法有：①靜態(tài)接觸角測(cè)試法，即將蒸餾水滴在老化完成的材料表面，測(cè)量水滴在材料表面的靜態(tài)接觸角，角度越大表明材料表面的憎水性越強(qiáng)，電氣性能越優(yōu)秀［18-19］；②SEM掃描電鏡法，即利用掃描電鏡放大材料表面進(jìn)行觀察，觀察表面的裂紋、孔洞和溝壑等，裂紋等越多，則材料老化越嚴(yán)重［20］；③FTIR紅外光譜分析法，即通過能譜分析定位追蹤材料內(nèi)的化學(xué)鍵，從而判斷出材料內(nèi)部是否發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂與其斷裂程度，根據(jù)相關(guān)化學(xué)鍵的斷裂程度，判斷老化程度［21-22］；④熱刺激電流法，硅橡膠材料老化過程中大量分子鍵斷裂，產(chǎn)生自由基與離子，導(dǎo)致內(nèi)部陷阱密度增加，此法正是測(cè)量其陷阱密度來(lái)反應(yīng)出材料的老化程度［23］。

本文在COMSOL中建立了多針-板電極模型，根據(jù)電場(chǎng)分布仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了一種多針 板電極，利用此電極完成了硅橡膠材料100 h的電暈老化試驗(yàn)，并采用憎水性、FTIR紅外光譜和SEM掃描電鏡對(duì)材料特性進(jìn)行評(píng)估分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)與所配置參數(shù)的合理性，可為電暈老化電極的設(shè)計(jì)和硅橡膠材料電暈老化特性的評(píng)估提供參考。

1 多針-板電極電暈老化裝置仿真設(shè)計(jì)

1.1 多針電極電場(chǎng)仿真模型

在COMSOL仿真軟件中建立了不同多針 板電極的三維靜電場(chǎng)仿真模型。為探索硅橡膠表面的電場(chǎng)分布規(guī)律，主要對(duì)針電極的分布方式、不同區(qū)域針的垂直間距、針-板間距、針-板間距作用電壓等因素進(jìn)行仿真計(jì)算，在仿真中空氣的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為1，金屬的導(dǎo)體的介電常數(shù)為無(wú)窮大［24］，本文設(shè)置銅和針電極的介電常數(shù)為105，硅橡膠的介電常數(shù)為3，厚度為2 mm。本文仿真的3種針電極布置方式如圖1所示，圖1（d）選取一個(gè)直徑上的針來(lái)表現(xiàn)針與針的垂直間距，在硅橡膠表面取一截面測(cè)試硅橡膠表面的電場(chǎng)分布和電場(chǎng)模云圖，此截面所得電場(chǎng)模云圖如圖2所示。

圖1 針-板電極的布置方式

圖2 不同針-板電極電場(chǎng)分布

1.2 針電極的不同布置方式對(duì)電場(chǎng)分布的影響

在所得圓形截面的一個(gè)半徑上不同位置的針-板電極電場(chǎng)分布如圖3所示。從圖3可見，19針電極的電場(chǎng)分布曲線平滑程度不如另外2種，電場(chǎng)分布不夠均勻；對(duì)比31針電極與25針電極，整體平滑程度相似，25針電極電場(chǎng)強(qiáng)度從15mm處有所下降，其均勻程度稍差于31針電極，且31針電極各處電場(chǎng)強(qiáng)度都大于25針電極，綜合考慮均勻程度與效率，31針分布電極優(yōu)于另2種分布。

圖3 不同針-板電極電場(chǎng)分布曲線

1.3 針-板間距對(duì)電場(chǎng)分布的影響

取31針六邊形分布的方式改變針電極與板電極之間的間隙，即為中心區(qū)域的針與板的距離，間隙值分別取5、10、15 mm進(jìn)行對(duì)比分析，所得電場(chǎng)分布情況如圖4所示。間隙為5 mm時(shí)，在距離為10、17.5與25 mm處出現(xiàn)急劇的上升與下降，最大值和最小值與平均值相差分別為30.71%和14.16%，電場(chǎng)分布不均勻；間隙為10 mm時(shí)，最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%，場(chǎng)強(qiáng)曲線較為平滑，電場(chǎng)分布較均勻；間隙為15 mm時(shí)，最大值和最小值與平均值相差分別為6.20%和8.43%，電場(chǎng)分布較均勻。間隙越長(zhǎng)，電場(chǎng)分布越均勻，當(dāng)間隙大于10 mm時(shí)，硅橡膠表面的電場(chǎng)分布的均勻程度幾乎不在受針板間間隙距離的影響。

1.4 不同區(qū)域針電極的垂直距離對(duì)電場(chǎng)分布的影響

因不同區(qū)域針之間的電場(chǎng)的相互影響，也需考慮不同區(qū)域針之間的垂直距離。文中所選的針長(zhǎng)為60 mm，直徑為8 mm，選取0、1、2 mm垂直間距進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖5所示，所得數(shù)據(jù)如圖6所示。垂直距離為2 mm時(shí)，出現(xiàn)了明顯的電場(chǎng)強(qiáng)度的急劇上升與下降，最大值和最小值與平均值相差分別為19.35%和9.58%，電場(chǎng)均勻程度較差；對(duì)比0 mm與1 mm數(shù)據(jù)，0 mm曲線從距離10 mm處就緩慢下降，而1 mm仍保持平滑分布，且0 mm曲線中最大值和最小值與平均值相差分別為10.11%和11.24%，1 mm曲線中最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%，1 mm的均勻程度優(yōu)于0 mm；垂直距離1 mm時(shí)其總體電場(chǎng)強(qiáng)度大于0 mm。

圖4 不同間隙電極電場(chǎng)分布曲線

圖5 不同垂直距離針的分布方式

圖6 不同垂直距離與其電場(chǎng)分布曲線

1.5 針-板間電壓對(duì)電場(chǎng)分布的影響

針 板間不同作用電壓的電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果如圖7所示。電壓為5 kV時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大值和最小值與平均值相差分別為6.26%和0.87%；電壓為10 kV時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%；電壓為15 kV時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大值和最小值與平均值相差分別為5.97%和11.31%。不同電壓下主要區(qū)域電場(chǎng)分布的均勻程度相似，總體電場(chǎng)強(qiáng)度隨電壓的升高而升高；隨著電壓的升高距離大于25 mm區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)下降程度越嚴(yán)重，但其整體電場(chǎng)分布仍較為均勻。在具體實(shí)驗(yàn)中可進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)。

圖7 不同電壓的電場(chǎng)分布曲線

1.6 多針-板電極裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)的多針 板電極電暈老化裝置如圖8所示。電極主體由弧度為半圓的銅與一個(gè)圓形銅板構(gòu)成，圓形銅板的直徑為140 mm，厚度為4 mm，半圓的半徑為14 mm，厚度也為4 mm，材料均為純銅。針的分布為六邊形分布，每根針由可調(diào)夾具固定放置于圓形銅板上，可調(diào)節(jié)不同區(qū)域針與試品的間距，可調(diào)夾具由純銅構(gòu)成，夾具為高度7 mm、直徑8 mm的圓柱體，且在中心開直徑為1.2 mm的圓孔用于放置針電極，針長(zhǎng)為60 mm，直徑為0.8 mm的不銹鋼針，通過電極邊界的支柱調(diào)節(jié)電極整體與試品的間距。

2 硅橡膠老化特性

2.1 試驗(yàn)裝置及方法

電暈老化實(shí)驗(yàn)裝置主要由調(diào)壓器、試驗(yàn)變壓器、分壓器、環(huán)境控制箱、老化電極、示波器等組成，其原理圖如圖9所示。

圖8 針-板電極實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 電暈老化實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)樣品為115 mm×115 mm×2 mm的高溫硫化硅橡膠材料，實(shí)驗(yàn)前用無(wú)水乙醇對(duì)其表面進(jìn)行清洗，然后將其靜置于銅板上24 h，待其表面干燥。將制備好的硅橡膠材料放置于老化電極下，將電極放入環(huán)境控制箱中，傳感器測(cè)得內(nèi)部溫度為22±5℃，相對(duì)濕度為70%～80%，施加10 kV的交流電壓，持續(xù)老化100 h后將其取出，分別對(duì)其不同老化區(qū)域進(jìn)行靜態(tài)接觸角測(cè)量，SEM分析以及FTIR紅外光譜分析。為進(jìn)一步分析電場(chǎng)分布對(duì)硅橡膠樣品老化狀態(tài)的影響，將老化后的硅橡膠分為了4個(gè)不同的老化區(qū)域，如圖10所示。其中區(qū)域①為中心區(qū)域，也為針-板間隙為10 mm的區(qū)域；區(qū)域②為第二層區(qū)域，同為針-板間隙為9 mm的區(qū)域；區(qū)域?yàn)棰蹫榈?層區(qū)域，即針-板間隙為8 mm 的區(qū)域；區(qū)域④處于老化區(qū)域的邊緣。

圖10 硅橡膠老化區(qū)域劃分

2.2 電暈老化對(duì)硅橡膠憎水性的影響

將老化完成后的硅橡膠材料從電極中取出，用風(fēng)扇快速將其表面雜質(zhì)吹干凈并保持硅橡膠材料表面干燥，使用蒸餾水通過光學(xué)接觸角測(cè)試儀（ZJ-6900）對(duì)硅橡膠進(jìn)行不同時(shí)間段的靜態(tài)接觸角的測(cè)量。測(cè)得老化前硅橡膠的靜態(tài)接觸角為108.236°，如圖11所示。

圖11 老化前靜態(tài)接觸角

老化后將其置于25±5℃，相對(duì)濕度60±5%的玻璃容器中，材料不同區(qū)域和不同時(shí)刻的靜態(tài)接觸角如圖12所示。從圖12可見，老化前后靜態(tài)接觸角變化非常大，由未老化的108.24°下降到67.53°，老化后硅橡膠表面憎水性遭到了嚴(yán)重破壞，憎水性急劇下降，去除老化因素后，因其憎水性的遷移性，表面的靜態(tài)接觸角隨時(shí)間的推移逐步恢復(fù)到一個(gè)較高的水平。硅橡膠老化后不同區(qū)域靜態(tài)接觸角隨時(shí)間恢復(fù)曲線如圖13所示。老化后不同區(qū)域的初始值由區(qū)域①向區(qū)域③逐漸增大，即憎水性受損性由區(qū)域①向區(qū)域③降低；隨著時(shí)間的推移，各個(gè)區(qū)域靜態(tài)接觸角逐步增大，且越來(lái)越趨近于相同，但仍未達(dá)到未老化值。

圖12 老化后硅橡膠靜態(tài)接觸角隨時(shí)間的變化過程示意圖

圖13 不同區(qū)域靜態(tài)接觸角隨時(shí)間恢復(fù)曲線

2.3 電暈老化對(duì)硅橡膠表面形貌的影響

1）外觀形貌

老化100 h后的硅橡膠材料表面狀況如圖10所示，可以看出，材料表面老化痕跡明顯，表面受到破壞情況較為嚴(yán)重。處于針尖正下方處老化的現(xiàn)象更加明顯，硅橡膠材料的表面整體老化范圍較大，老化痕跡相對(duì)比較均勻。

2）微觀形貌

SEM掃描電鏡是目前最為主流的評(píng)估硅橡膠材料老化的方法之一，將材料表面放大3 000倍進(jìn)行觀察評(píng)估，本次實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備為ZEISSSIGMA HD 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。老化不同區(qū)域放大3 000倍的SEM電鏡圖如圖14所示。

從圖14中明顯可見，材料未老化時(shí)其表面較為平整，無(wú)明顯絮狀物，無(wú)裂紋、溝壑、孔洞等明顯缺陷。經(jīng)老化處理100 h后的材料表面損壞嚴(yán)重，出現(xiàn)許多孔洞與溝壑，且可觀察到在不同間隙不同區(qū)域下其破壞程度也不相同，在間隙短的區(qū)域，老化情況更加嚴(yán)重，表面的絕緣性能破壞程度比長(zhǎng)間隙的區(qū)域更為嚴(yán)重。

圖14 不同區(qū)域老化后表面SEM掃描電鏡圖

僅對(duì)比老化后的材料表面情況，雖然隨著間隙減小絕緣性能越差，但在總體上看來(lái)表面粗糙度、孔洞相差并不是特別大，從表面的破壞程度側(cè)面體現(xiàn)出老化電極的電場(chǎng)分布較為均勻。

2.4 FTIR紅外光譜分析

將老化完成的硅橡膠材料切取不同區(qū)域的硅橡膠材料（5 mm×5 mm）作為試品，切取與憎水性測(cè)試相同的4個(gè)區(qū)域的試品。樣品取出后用酒精將表面清洗干凈，干燥后放入紅外光譜分析儀，從計(jì)算機(jī)上記錄波形及數(shù)據(jù)如圖15所示。

圖15 老化后不同區(qū)域吸收峰

硅橡膠的基體為高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS），其主要由Si-O-Si、Si-CH3和-CH3基團(tuán)組成，現(xiàn)在所用的PDMS中大多加入了少量的乙烯基，這樣所得到的材料硫化效率會(huì)提高很多，有益于其內(nèi)部交聯(lián)反應(yīng)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度與絕緣性能。由圖15（a）可見，在波數(shù)為1 000 cm-1處為Si-O-Si（1 000～1 100 cm-1）鍵的特征峰吸收值，對(duì)比觀察老化前后Si-O-Si化學(xué)鍵的數(shù)量，明顯可見電暈老化使得部分Si-O-Si鍵發(fā)生了斷裂；在波數(shù)為1 260 cm-1處為Si-CH3鍵的特征峰吸收值，可見此處的未老化的特征峰吸收值明顯大于老化后的吸收值，因此電暈老化過程中其表面的Si-CH3鍵受到損壞；在波數(shù)為2 960cm-1左右處為甲基-CH3基團(tuán)的特征峰吸收值，由表中數(shù)據(jù)可觀察出區(qū)域④的表面的-CH3基團(tuán)數(shù)量高于區(qū)域①的-CH3基團(tuán)數(shù)量，-CH3基團(tuán)在電暈老化過程中遭到破壞，發(fā)生斷裂。其中Si-CH3和-CH3基團(tuán)為憎水性基團(tuán)，而電暈老化處理后，其表面的憎水性基團(tuán)發(fā)生斷裂而數(shù)量減少。

電暈放電過程中會(huì)產(chǎn)生臭氧，在電子束轟擊表面的高溫條件下發(fā)生氧化與甲基中-H形成-OH鍵，形成的-OH鍵具有親水性，導(dǎo)致其總體憎水性下降，絕緣性能下降，因此絕緣性能受到破壞。圖15（b）中對(duì)比同一電壓下的不同老化區(qū)域，放電間隙越小的區(qū)域，其化學(xué)鍵受損斷裂程度越嚴(yán)重，絕緣性能破壞也更嚴(yán)重，老化后不同區(qū)域的差異遠(yuǎn)小于與老化前的差異，側(cè)面也可表現(xiàn)出老化電極所作用范圍的均勻性。

3 結(jié)論

1）硅橡膠表面的電場(chǎng)分布及電場(chǎng)強(qiáng)度與針電極的數(shù)量、電極形狀、針-板間隙的距離、針與針之間垂直距離，以及針-板間電壓有關(guān)。31針分布老化電極各處場(chǎng)強(qiáng)較為接近，在邊緣區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)輕微下降，硅橡膠表面電場(chǎng)分布較為均勻；針與針的垂直距離越小，電場(chǎng)分布越均勻，但當(dāng)垂直距離小于1 mm后，電場(chǎng)分布均勻程度又出現(xiàn)輕微下降；隨著針-板間隙增大，場(chǎng)強(qiáng)分布越均勻，當(dāng)間隙大于10 mm后，電場(chǎng)分布均處于較均勻的狀態(tài)；電場(chǎng)強(qiáng)度隨針 板間作用電壓升高而增大，但其電場(chǎng)分布的均勻程度未隨電壓升高而出現(xiàn)較大變化。

2）老化后材料的憎水性由外部向內(nèi)部逐步輕微變差，老化后各個(gè)區(qū)域的憎水性隨時(shí)間推移得到一定程度的恢復(fù)并趨于相同；硅橡膠表面的裂紋、孔洞和溝壑也呈現(xiàn)外部區(qū)域向內(nèi)部細(xì)微加劇的趨勢(shì)，從整體看來(lái)，有效老化區(qū)域（區(qū)域①-③）老化程度趨于一致，老化程度差異細(xì)微。

3）老化后材料表面惰性憎水性化學(xué)鍵Si-CH3和-CH3均出現(xiàn)了不同程度的斷裂，斷裂程度同樣從外部區(qū)域向內(nèi)部區(qū)域逐漸加深，但斷裂程度差異較小，老化程度相近。