特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子腐蝕失效過程研究

李明哲，邵仕超，吳笑寒，梅紅偉，王黎明

(清華大學(xué)深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引言

污閃事故因其多點(diǎn)跳閘幾率大、重合閘成功率低、影響范圍大等典型特點(diǎn)，一直威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1—3]。已有研究表明，不同地區(qū)運(yùn)行的絕緣子受污源影響而具備不同的污穢成分[4—6]，污穢成分中可溶鹽的不同會直接影響絕緣子的污閃性能[7—10]。為解決污閃問題，研究人員提出了多種方案，如優(yōu)化絕緣配置[11—14]，使用在線監(jiān)測方法監(jiān)測絕緣子運(yùn)行狀態(tài)[15—16]，使用復(fù)合絕緣子或室溫硫化硅橡膠涂料[17—18]等。

復(fù)合絕緣子因使用了硅橡膠材料而具備優(yōu)異的憎水性能和憎水遷移性能，從而具有了極佳的防污閃性能。但已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，作為一種有機(jī)材料，硅橡膠存在老化問題[19—21]。常見的硅橡膠老化原因主要有運(yùn)行中的電暈放電、氣隙等缺陷導(dǎo)致局放而產(chǎn)生的發(fā)熱、紫外光、臭氧等。諸多因素共同作用下引發(fā)硅橡膠傘裙的硬化、粉化、開裂、憎水性下降等老化現(xiàn)象，進(jìn)而影響復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)特性，嚴(yán)重情況下甚至可能導(dǎo)致絕緣失效。

2017—2018年，某特殊工業(yè)粉塵地區(qū)出現(xiàn)了線路絕緣子串的持續(xù)爬電現(xiàn)象。為了避免污閃事故，當(dāng)?shù)剡\(yùn)維部門將原有瓷絕緣子更換為復(fù)合絕緣子，但運(yùn)行僅1 a后，該串復(fù)合絕緣子同樣出現(xiàn)了爬電現(xiàn)象，現(xiàn)場觀察到部分絕緣子表面已出現(xiàn)明顯燒蝕，初步判斷該批復(fù)合絕緣子已發(fā)生絕緣失效。

針對該典型現(xiàn)象，文中研究了在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，對該批次復(fù)合絕緣子進(jìn)行了污穢度分析、憎水性分析、閃絡(luò)特性分析以及微觀分析。基于分析結(jié)果，提出了該地區(qū)復(fù)合絕緣子可能的腐蝕失效過程。該結(jié)果同樣適用于運(yùn)行條件、污源情況與之類似的其他工業(yè)粉塵地區(qū)，文中旨在分析這一特定運(yùn)行條件下的絕緣子失效過程，幫助各地運(yùn)維部門完善復(fù)合絕緣子運(yùn)維策略，有效延長復(fù)合絕緣子運(yùn)行壽命。

1 試樣選取及試驗(yàn)方法

1.1 試樣選取及運(yùn)行條件概述

該批絕緣子位于某化工園區(qū)附近，現(xiàn)場污穢程度較為嚴(yán)重。部分輸電線路直接穿過化工廠廠區(qū)，附近220 kV及110 kV線路的復(fù)合絕緣子短時(shí)間掛網(wǎng)后出現(xiàn)多次爬電現(xiàn)象，取樣調(diào)研后發(fā)現(xiàn)絕緣子表面已出現(xiàn)明顯傘裙燒蝕，泄漏距離顯著降低。

選取具有典型特點(diǎn)的3支復(fù)合絕緣子進(jìn)行檢測，型號均為FXBW-220/120，對絕緣子進(jìn)行編號及外觀檢查，結(jié)果如圖 1所示?？梢?，1號絕緣子表面存在嚴(yán)重的電弧燒蝕痕跡，傘裙裂口處明顯發(fā)黑，部分嚴(yán)重處已有芯棒裸露。2號絕緣子完好，傘裙無破損。3號絕緣子部分傘裙破損，但裂口無明顯燒蝕痕跡，傘裙破損原因不明。

圖1 絕緣子外觀Fig.1 Appearance of insulators

1.2 污穢度及污穢成分分析

絕緣子污穢度檢測參照GB/T 26218.1—2010進(jìn)行，計(jì)算等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)和灰密(non-soluble deposit density，NSDD)表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。使用電感耦合等離子發(fā)射光譜和離子色譜等工具，分析污穢可溶鹽成分中的陰陽離子組成及濃度。

1.3 污穢閃絡(luò)電壓梯度測量

污閃電壓數(shù)值可直接反映絕緣子的絕緣性能，參考作用最佳。文中由于試驗(yàn)條件的限制，選擇測量絕緣子串部分傘裙的閃絡(luò)電壓，換算為每支絕緣子污穢閃絡(luò)電壓梯度，以此表征每支絕緣子的電氣性能。

從高壓端將每支絕緣子截取4大傘8小傘的一段，將其表面污穢洗干凈后均勻地涂上人工污穢。以氯化鈉模擬鹽分，以硅藻土模擬灰分，使得鹽密為0.1 mg/cm2,灰密為1.0 mg/cm2，待憎水性完全遷移(48 h左右)后進(jìn)行人工污穢試驗(yàn)，使用均勻升壓法進(jìn)行試驗(yàn)，每支絕緣子閃絡(luò)3次，最后計(jì)算每支絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓梯度。

1.4 憎水性及憎水遷移性測量

選取每支絕緣子相同位置的傘裙作為樣品進(jìn)行試驗(yàn)，在保留自然污穢的情況下測量其憎水性，然后洗去自然污穢，按照DL/T 376—2010《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》的規(guī)定測量其憎水性的減弱、恢復(fù)及遷移特性。

1.5 傅里葉紅外光譜分析

為了分析老化過程對復(fù)合絕緣材料微觀性能的影響，使用傅里葉變換紅外光譜儀分析樣品的傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)。不同的有機(jī)化合物在紅外區(qū)域會產(chǎn)生特征光譜，吸收峰的高度可以反映各官能團(tuán)的含量。因此，F(xiàn)TIR的測試結(jié)果能夠反映硅橡膠表面官能團(tuán)含量的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 污穢度及污穢成分

3支絕緣子表面污穢度的檢測結(jié)果如表1所示，其中VESDD和VNSDD分別為ESDD值和NSDD值。檢測結(jié)果表明，3支絕緣子表面等值鹽密均為0.1～0.2 mg/cm2，可劃入c～d級污區(qū)[11]。

表1 絕緣子污染物的ESDD值和NSDD值Table 1 ESDD and NSDD of insulator contaminant mg/cm2

表2 各陽離子摩爾分?jǐn)?shù)Table 2 Mole fraction of each cation %

表3 各陰離子摩爾分?jǐn)?shù)Table 3 Mole fraction of each anion %

2.2 污穢閃絡(luò)電壓梯度

3支絕緣子的污閃電壓梯度測量結(jié)果如表4所示。其中3號絕緣子第1次閃絡(luò)的閃絡(luò)電壓值誤差較大，故舍去，保留后2次閃絡(luò)電壓值計(jì)算其平均閃絡(luò)電壓及閃絡(luò)電壓梯度。

表4 閃絡(luò)電壓及閃絡(luò)電壓梯度Table 4 Pollution flashover voltage and pollution flashover voltage gradient

可以看出，盡管1號、3號絕緣子都存在傘裙開裂現(xiàn)象，泄漏距離均有一定損失，理論上其閃絡(luò)電壓梯度應(yīng)低于2號絕緣子，但結(jié)果并非如此。1號絕緣子閃絡(luò)電壓梯度最低，3號絕緣子閃絡(luò)電壓梯度反而高于2號絕緣子?？梢妭闳蛊茡p導(dǎo)致的泄漏距離損失并不是影響絕緣子閃絡(luò)電壓的唯一因素。

2.3 憎水性能分析

根據(jù)DL/T 376—2010的規(guī)定，分別用靜態(tài)接觸角及噴水分級法對3支絕緣子表面的憎水性、憎水性的減弱、恢復(fù)及遷移特性進(jìn)行測量，結(jié)果見表5。

表5 憎水性測試結(jié)果Table 5 Test results of hydrophobicity

結(jié)果表明，盡管 3支絕緣子在表面存在自然污穢時(shí)憎水性優(yōu)異，接觸角可達(dá)130°，但其減弱、恢復(fù)及遷移特性均未能達(dá)到DL /T 376—2010中的規(guī)定，可判定其憎水性能基本喪失。而表面存在自然污穢時(shí)該批次絕緣子憎水性優(yōu)異，是因?yàn)樵陂L期運(yùn)行過程中，其表面小分子已充分遷移到污層中，且污層較為致密，故能夠維持較好的憎水性。但一旦遇到大雨等天氣將表面污穢層部分沖洗或在已有污穢上繼續(xù)積污，都會破壞污層的憎水性，新污層會因絕緣子薄弱的憎水性恢復(fù)、遷移特性而憎水性減弱，容易引發(fā)污閃事故，人工污穢試驗(yàn)中3支絕緣子較低的閃絡(luò)電壓梯度可以說明這點(diǎn)。因此，這種僅憎水性達(dá)標(biāo)的復(fù)合絕緣子無法滿足運(yùn)行要求。

憎水性能方面，3號絕緣子最好，2號絕緣子最差，解釋了3號絕緣子泄漏距離較小，但污閃電壓梯度較高的原因。也說明憎水性能對污閃電壓的影響大于泄漏距離對污閃電壓的影響。1號絕緣子同時(shí)具備較差的憎水性能及較小的泄漏距離，故表現(xiàn)出了最低的污閃電壓梯度。

2.4 傅里葉紅外光譜分析

為進(jìn)一步了解3支絕緣子硅橡膠材料官能團(tuán)的變化，對其進(jìn)行FTIR分析。硅橡膠材料主要特征吸收峰如表6所示。

表6 硅橡膠主要特征峰Table 6 Main characteristic peaks of silicone rubber

對1號復(fù)合絕緣子近腐蝕側(cè)、遠(yuǎn)腐蝕側(cè)分別取樣，2號、3號絕緣子正常取樣。分別對所取得的4個(gè)樣本的表面及內(nèi)部進(jìn)行FTIR分析，結(jié)果如圖2—圖5所示。

圖2 1號絕緣子近腐蝕側(cè)紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of No.1 insulator near corrosion side

圖3 1號絕緣子遠(yuǎn)腐蝕側(cè)紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of No.1 insulator far away from corrosion side

圖4 2號絕緣子紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of No.2 insulator

圖5 3號絕緣子紅外光譜Fig.5 Infrared spectrum of No.3 insulator

一般認(rèn)為絕緣子內(nèi)部老化程度較低，可以通過對比表面及內(nèi)部的官能團(tuán)差別以分析硅橡膠的老化程度。

由波數(shù)較低的波段分析結(jié)果可知，3支絕緣子的紅外光譜中1 270～1 255 cm-1處Si—CH3中的C—H鍵的吸收峰較內(nèi)部明顯降低，說明復(fù)合絕緣子表面的硅橡膠材料中的側(cè)鏈被打斷。1 100～1 000 cm-1處的吸收峰未有明顯下降，說明硅橡膠主鏈未被打斷。

已有經(jīng)驗(yàn)表明，硅橡膠絕緣子側(cè)鏈的甲基基團(tuán)對硅橡膠表面的憎水性存在明顯影響，該基團(tuán)減少將導(dǎo)致該絕緣子表面憎水性、憎水遷移性下降，這與憎水性測試結(jié)果相吻合。

從波數(shù)較高的波段分析結(jié)果來看，3支絕緣子的羥基吸收峰出現(xiàn)了明顯差異。1號絕緣子近腐蝕側(cè)表面的羥基吸收峰變化不明顯，而遠(yuǎn)腐蝕側(cè)的羥基吸收峰明顯下降，2號、3號絕緣子的羥基吸收峰明顯增大。

從燒蝕情況看，2號絕緣子不存在明顯燒蝕，無燒蝕的情況下羥基吸收峰增大說明有機(jī)成分減少，無機(jī)成分析出；或是主鏈斷裂，形成硅醇，從而展現(xiàn)出了羥基吸收峰。但從其主鏈的特征峰檢測結(jié)果看，硅橡膠表面并未存在顯著的主鏈降解與小分子硅氧烷的生成。因此，2號絕緣子主要證明了無燒蝕情況下，該地區(qū)復(fù)合絕緣子存在無機(jī)填料析出的情況。

1號絕緣子表面明顯存在燒蝕情況。氫氧化鋁(aluminum trihydrate，ATH)作為阻燃劑，在硅橡膠表面存在燒蝕時(shí)會因高溫而吸熱分解，保護(hù)硅橡膠的有機(jī)成分不因高溫而被破壞。因此1號絕緣子遠(yuǎn)腐蝕側(cè)，其羥基吸收峰明顯下降。而近腐蝕端，由于主鏈被燒蝕、打斷，生成了硅醇，從而彌補(bǔ)了因ATH分解而導(dǎo)致的羥基吸收峰下降，其羥基吸收峰下降不明顯。

3號絕緣子表面盡管存在裂紋，但從微觀性能、憎水性能的測量結(jié)果看，這支絕緣子的材料老化相對較輕，主要體現(xiàn)在無機(jī)填料析出，由于其裂紋處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的炭化痕跡，因此尚不能證明其裂紋的形成與電弧燒蝕有關(guān)，其傘裙開裂可能由鳥啄、運(yùn)輸過程中的碰撞等導(dǎo)致。

3 硅橡膠腐蝕失效過程分析

以測試結(jié)果為基礎(chǔ)，對特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的硅橡膠腐蝕失效機(jī)理進(jìn)行分析，得到如下腐蝕失效過程：

(1) 電暈放電等導(dǎo)致硅橡膠側(cè)鏈被打斷。特殊工業(yè)粉塵地區(qū)污穢種類特殊，積污速度快，當(dāng)出現(xiàn)濃霧、小雨以及濃煙等特殊氣象條件時(shí)，絕緣子表面污層憎水性急劇下降，容易產(chǎn)生爬電現(xiàn)象或是電暈放電。此外，積污后特別是污層中的金屬微粒污穢等會導(dǎo)致絕緣子表面電場分布發(fā)生畸變，同樣可能導(dǎo)致電暈放電的產(chǎn)生。

高溫硫化硅橡膠的主鏈Si—O—Si 鍵能在446 kJ/mol 左右，Si—CH3中C—H 鍵能在413 kJ/mol左右，當(dāng)硅橡膠表面發(fā)生電暈放電時(shí)，其產(chǎn)生的帶電粒子在撞擊硅橡膠表面時(shí)將釋放高達(dá)963 kJ/mol的能量，將導(dǎo)致硅橡膠中分子鍵被打斷，表現(xiàn)在FTIR 中為Si—O—Si 和Si—CH3對應(yīng)特征吸收峰的下降[21]。文中通過FTIR測試證明了該批次絕緣子表面的電暈放電主要導(dǎo)致側(cè)鏈被打斷，其主鏈所受影響不明顯。

(2) 硅橡膠憎水性能的下降。硅橡膠側(cè)鏈被打斷將導(dǎo)致硅橡膠表面憎水性及憎水遷移性下降，進(jìn)一步加劇硅橡膠材料表面的電暈放電及爬電現(xiàn)象，電暈放電及爬電現(xiàn)象將進(jìn)一步打斷硅橡膠側(cè)鏈，形成惡性循環(huán)。最終表現(xiàn)為硅橡膠材料表面憎水性能下降乃至喪失。

(3) 電弧、燒蝕及泄漏距離降低。在憎水性逐漸喪失的過程中，硅橡膠材料中的ATH填料因高溫而逐漸分解，硅橡膠的耐電蝕損性能下降。同時(shí)，憎水性的喪失還將加劇其表面電弧的發(fā)展，兩方面綜合作用下，將導(dǎo)致硅橡膠傘裙表面產(chǎn)生大電弧，大電弧將對傘裙產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為傘裙穿孔，最后表現(xiàn)為傘裙大面積貫穿，甚至是護(hù)套被燒穿、芯棒裸露等。

(4) 憎水性喪失、泄漏距離降低引發(fā)污閃。硅橡膠表面的憎水性喪失會造成其污閃電壓顯著下降(如2號絕緣子)，而傘裙穿孔導(dǎo)致的泄漏距離損失同樣會明顯降低其電氣性能，兩方面綜合作用下，硅橡膠絕緣子將表現(xiàn)出較低的污閃電壓(如1號絕緣子)，在某些惡劣環(huán)境下，將引發(fā)污閃事故。

因此，絕緣子腐蝕失效的主要原因是電暈放電等因素導(dǎo)致硅橡膠憎水性喪失，繼而發(fā)展為大電弧，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)展為閃絡(luò)。可通過改善絕緣子表面電場分布、采用超疏水涂料等手段抑制絕緣子表面的電暈放電，從而延緩硅橡膠材料憎水性的喪失，進(jìn)而延緩其腐蝕失效過程。

4 結(jié)論

文中以特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子為研究對象，研究了典型的工業(yè)粉塵環(huán)境中復(fù)合絕緣子的污閃電壓梯度及材料性能，分析了絕緣子的腐蝕失效過程，得到如下結(jié)論：

(2) 特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，絕緣子在表面存在自然污穢時(shí)其憎水性優(yōu)異，但其減弱、恢復(fù)及遷移特性均未能達(dá)到DL /T 376—2010中的規(guī)定，可以判定其憎水性能已經(jīng)基本喪失。一旦由于降雨、積污等因素導(dǎo)致舊有污層破壞，新污層形成，則絕緣子表面憎水性極差，污閃電壓將急劇降低。

(3) 復(fù)合絕緣子的污閃性能是由絕緣子憎水性能及泄漏距離共同決定的，憎水性能對污閃電壓的影響更大。

(4) 特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，絕緣子腐蝕失效的起因是電暈放電等引發(fā)的硅橡膠側(cè)鏈斷裂，宏觀表現(xiàn)為憎水性降低、爬電增多，進(jìn)而發(fā)展為污層憎水性完全喪失，絕緣子傘裙燒蝕嚴(yán)重、泄漏距離大幅縮短，最終導(dǎo)致閃絡(luò)電壓下降、絕緣失效。