間隔棒阻尼橡膠開(kāi)裂原因分析

鄭建軍，史賢達(dá)，田 峰，高云鵬

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

多分裂型高壓輸電線路在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)因微風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)而引起導(dǎo)線的振動(dòng)、舞動(dòng)，長(zhǎng)此以往還會(huì)導(dǎo)致緊固件的松動(dòng)，進(jìn)而造成導(dǎo)線磨損、斷股，嚴(yán)重時(shí)甚至還可能引發(fā)導(dǎo)線斷裂脫落等惡劣事故[1-2]。因此，為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)線間隔棒開(kāi)始逐漸在輸電線路中得到廣泛應(yīng)用。

間隔棒是一種常見(jiàn)的防護(hù)型金具，其主要通過(guò)固定各分裂導(dǎo)線間的間距以起到防止導(dǎo)線間的鞭擊、抑制微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩的作用[3-4]。依據(jù)性能特點(diǎn)，間隔棒可分為剛性間隔棒、阻尼間隔棒及柔性間隔棒等種類；根據(jù)分裂子導(dǎo)線數(shù)量，間隔棒則可以分為二分裂、三分裂、四分裂、六分裂、八分裂間隔棒等類型[5-7]。使用過(guò)程中，間隔棒必須具有足夠的握著力以防止出現(xiàn)松動(dòng)、順線移動(dòng)等故障，從而避免導(dǎo)線因長(zhǎng)期風(fēng)振而引發(fā)的磨損[8]。目前，國(guó)內(nèi)輸電線路所用的間隔棒類型大多為阻尼型，該類型的間隔棒主要采用橡膠作為阻尼材料，使用過(guò)程中阻尼橡膠通過(guò)吸收振動(dòng)能達(dá)到有效防止導(dǎo)線磨損的效果。因此，阻尼橡膠材料的優(yōu)劣對(duì)間隔棒的使用性能具有十分重要的影響[9-11]。劉鵬等人通過(guò)對(duì)分裂導(dǎo)線間隔棒內(nèi)阻尼橡膠塊開(kāi)展了不同溫度和時(shí)間的熱老化實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)和老化溫度的上升，阻尼橡膠塊的邵氏硬度不斷增加，且回彈性逐漸降低，這主要與橡膠內(nèi)部發(fā)生的斷鏈降解反應(yīng)有關(guān)[12]。然而，國(guó)內(nèi)外有關(guān)阻尼橡膠塊在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)老化問(wèn)題的報(bào)道較少。本文針對(duì)一起220kV四分裂間隔棒阻尼橡膠塊的開(kāi)裂原因進(jìn)行研究分析，旨在為此類設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)提供一定的指導(dǎo)建議，以防止同類失效再次發(fā)生。

1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）對(duì)阻尼橡膠塊進(jìn)行宏觀形貌檢查，判斷其表面有無(wú)燒蝕、漏電起痕、機(jī)械磨損等痕跡，并結(jié)合其它試驗(yàn)手段對(duì)阻尼橡膠塊的開(kāi)裂原因做出進(jìn)一步分析。

（2）利用HITACHIS 3700N型掃描電子顯微鏡（SEM）及Bruker-XFLash Detector 510型X射線能譜儀（EDS）對(duì)阻尼橡膠塊的微觀形貌及化學(xué)元素組成進(jìn)行觀察和分析。

（3）利用BRUKER TENSOR Ⅱ型傅里葉紅外光譜儀，對(duì)阻尼橡膠塊的不同部位進(jìn)行紅外光譜分析，確定其主要官能團(tuán)的變化情況。

（4）利用TGA55型熱重分析儀，對(duì)阻尼橡膠塊的不同部位進(jìn)行熱分解實(shí)驗(yàn)，確定其主組分質(zhì)量的變化情況。

（5）利用HLX-AC型邵氏硬度計(jì)對(duì)阻尼橡膠塊的不同部位進(jìn)行硬度測(cè)試，確定其力學(xué)性能變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

通過(guò)宏觀形貌檢查可以看出，樣品為阻尼型四分裂導(dǎo)線間隔棒的一角，連接板與夾頭通過(guò)螺栓進(jìn)行固定，中間墊有阻尼橡膠塊，如圖1（a）所示。橡膠塊外圈存在明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象，局部區(qū)域的膠體已發(fā)生脫落。需要指出的是，連接板與夾頭基本處于鎖死狀態(tài)，夾頭已無(wú)法自由擺動(dòng)。拆卸后，可以在螺栓孔邊緣觀察到明顯的磨損痕跡和大量鋁屑，如圖1（b）所示；橡膠塊表面未見(jiàn)明顯異常，但邊緣附近存在開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖1（c）所示。將外圈開(kāi)裂橡膠輕易剝除后，從圖1（d）中可以觀察到在底層橡膠表面污穢物沉積及少量小顆粒鋁屑。此外，阻尼橡膠塊各部位未見(jiàn)燒蝕、機(jī)械磨損等痕跡。

圖1 間隔棒及阻尼橡膠塊各部位宏觀形貌Fig.1 Macromorphologies of spacer and damping rubber block

2.2 SEM微觀形貌觀察與EDS能譜分析

在利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察前，需要先將樣品放在恒溫恒濕箱中干燥，再進(jìn)行噴金處理后方可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。通過(guò)不同部位SEM微觀形貌的觀察結(jié)果可以看出，阻尼橡膠塊表層橡膠的表面較為光滑，且可見(jiàn)少量微裂紋及污穢顆粒，未見(jiàn)明顯老化特征，如圖2（a）和圖2（b）所示。相比之下，阻尼橡膠塊外圈及底層的橡膠表面則較為粗糙，且均存在大量裂紋，如圖2（c）～（f）所示。值得注意的是，與外圈相比，底層橡膠的表面裂紋更寬，深度更深，且存在大量污穢顆粒，這與電蝕損引發(fā)的復(fù)合絕緣子傘裙的老化特征相似[13-14]。

圖2 阻尼橡膠塊各部位表面微觀形貌（低倍+高倍）Fig.2 Micromorphologies of damping rubber block in different positions

EDS化學(xué)元素能譜的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看，出阻尼橡膠塊表層和外圈橡膠的表面除了含有大量C元素和少了O元素外，未見(jiàn)其它化學(xué)元素；而底層橡膠的表面除了含有一定量的C元素外，還檢測(cè)到了大量的O、Al、Si、Ca等其它元素，這主要與底層橡膠表面長(zhǎng)期沉積的大量污穢物和鋁屑顆粒有關(guān)，表明阻尼橡膠塊的開(kāi)裂時(shí)間較長(zhǎng)。此外，由表1中還可以發(fā)現(xiàn)底層橡膠表面的O元素含量很高，說(shuō)明該部位的橡膠存在嚴(yán)重的氧化行為。

表1 各部位阻尼橡膠塊表面化學(xué)元素分析結(jié)果（wt.%）Table 1 Chemical element analysis results of the damping rubber block surface in different positions

2.3 傅里葉紅外光譜檢測(cè)與分析

利用Bruker Tensor II型傅里葉紅外光譜測(cè)量?jī)x對(duì)阻尼橡膠塊的幾個(gè)典型部位進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖中可以觀察到，阻尼橡膠基體材料的紅外光譜存在多個(gè)特征峰，其中峰值強(qiáng)度變化較顯著的兩個(gè)特征峰分別為C?O（1000cm-1）和C≡N（2100cm-1）。與基體橡膠材料相比，外圈和底層橡膠中出現(xiàn)了新的特征峰?C?O，且底層橡膠中C?O峰的峰值強(qiáng)度較高；此外，外圈和底層橡膠中C≡N峰的峰值強(qiáng)度都出現(xiàn)了不同程度的降低，說(shuō)明材料在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了斷鏈降解反應(yīng)[15]。還需要指出的是，底層橡膠中還檢測(cè)到了明顯的?OH（3610cm-1）峰，說(shuō)明該處橡膠材料存在高溫引發(fā)的熱氧老化反應(yīng)，且降解嚴(yán)重[16]。

圖3 阻尼橡膠塊不同部位表面FTIR吸收光譜Fig.3 FTIR absorption spectra of damping rubber block with different positions

2.4 DTA熱重曲線分析

利用熱重分析儀對(duì)不同部位的阻尼橡膠材料進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，阻尼橡膠塊基體材料的熱分解過(guò)程共分為三個(gè)階段，而外圈和底層橡膠材料的熱分解過(guò)程僅包含兩個(gè)階段。

圖4 不同部位阻尼橡膠塊熱失重曲線Fig.4 Thermogravimetric curves of damping rubber block with different positions

由表2可以看出，第一個(gè)熱分解過(guò)程，基體橡膠材料的分解溫度為361.73℃，外圈和底層橡膠的分解溫度分別為323.46℃和327.77℃；第二個(gè)熱分解過(guò)程，基體材料的分解溫度為496.83℃，外圈和底層橡膠的分解溫度分別為482.95℃和483.49℃?？梢钥闯觯馊偷讓酉鹉z材料的熱分解溫度出現(xiàn)了明顯的降低。由表2中還可以觀察到，整個(gè)加熱過(guò)程中基體橡膠材料的熱失重率可達(dá)77.03%，而外圈和底層橡膠的熱失重率均明顯小于基體材料，分別為52.27%和53.08%。

表2 不同部位阻尼橡膠塊熱失重?cái)?shù)據(jù)Table 2 Thermogravimetric data of damping rubber block with different positions

2.5 邵氏硬度檢測(cè)

阻尼橡膠塊不同部位邵氏硬度的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。需要指出的是，底層橡膠表面較為粗糙，因此無(wú)法進(jìn)行測(cè)試。從表3可以看出，外圈橡膠材料的邵氏硬度值明顯大于表面橡膠材料。這是因?yàn)橥馊ο鹉z材料發(fā)生了熱老化，從而導(dǎo)致硬度升高。

表3 不同部位阻尼橡膠塊邵氏硬度值Table 3 Shore hardness of damping rubber block with different positions

2.6 綜合分析

通過(guò)宏觀形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)阻尼橡膠塊外圈橡膠發(fā)生了多處開(kāi)裂，部分區(qū)域還存在因大風(fēng)、兩側(cè)連接板壓應(yīng)力等外力、長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)及老化降解等共同因素作用下導(dǎo)致的膠體脫落現(xiàn)象；外圈開(kāi)裂橡膠可以輕松剝離，并且剝離后在底層橡膠表面能夠觀察到大量污穢沉積，表明橡膠塊內(nèi)部開(kāi)裂時(shí)間較長(zhǎng)。此外，夾頭與連接板處于鎖死狀態(tài)，螺栓孔邊緣存在明顯的磨損痕跡及大量鋁屑顆粒；并且，少量鋁屑隨著外圈橡膠的開(kāi)裂并在電場(chǎng)的作用下不斷擴(kuò)散到阻尼橡膠塊基體內(nèi)并成為放電尖端。以上結(jié)果均表明夾頭與連接板連接螺栓的預(yù)緊力過(guò)大，使阻尼橡膠塊一直處于壓緊狀態(tài)，而有關(guān)研究表明應(yīng)力作用往往會(huì)加速橡膠材料的老化行為[17]。由微觀形貌的觀察結(jié)果可知表層橡膠的表面較為光滑，而外圈和底層橡膠的表面均存在大量裂紋，且底層橡膠表面的裂紋更深，說(shuō)明劣化程度更高；EDS化學(xué)成分和傅里葉紅外光譜的檢測(cè)結(jié)果表明外圈和底層橡膠中均存在大量的O元素，且均出現(xiàn)了C?O峰，說(shuō)明這兩個(gè)位置的橡膠均發(fā)生了氧化降解反應(yīng)；底層橡膠中O元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)外圈橡膠，表明底層橡膠的氧化程度更為嚴(yán)重，而?OH峰的出現(xiàn)則進(jìn)一步表明底層橡膠存在嚴(yán)重的熱氧化問(wèn)題[16]。熱重曲線分析的結(jié)果表明，外圈和底層橡膠材料的分解溫度均出現(xiàn)了降低。這是由于在運(yùn)行過(guò)程中，外圈和底層橡膠因老化導(dǎo)致其內(nèi)部抗氧劑等助劑的含量逐漸減小，抗氧化性能下降，進(jìn)而使分解溫度降低。此外，外圈和底層橡膠的熱失重率均明顯小于基體。這說(shuō)明外圈和底層橡膠中填充劑等小分子物質(zhì)揮發(fā)得較為嚴(yán)重。力學(xué)性能的檢測(cè)結(jié)果表明外圈橡膠發(fā)生了明顯硬化，這主要與老化引起的主鏈斷鍵有關(guān)。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知阻尼橡膠塊的開(kāi)裂主要與應(yīng)力及熱老化的共同作用有關(guān)。連接板與夾頭的連接螺栓預(yù)緊力過(guò)高，導(dǎo)致阻尼橡膠塊一直承受高應(yīng)力作用，較高的壓應(yīng)力將使橡膠中的分子鏈發(fā)生取向變形，鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生改變并受到約束，進(jìn)而引發(fā)分子鏈的斷裂活化能降低并加速老化。運(yùn)行過(guò)程中，橡膠塊外圈在壓應(yīng)力、高溫及紫外線等自然因素的共同作用下逐漸于表面形成微裂紋。微裂紋不斷由表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展，深度逐漸增加，并逐漸于基體內(nèi)部形成氣隙。在雨季或霧天等潮濕的環(huán)境下，氣隙內(nèi)部逐漸凝結(jié)小水滴，進(jìn)而形成場(chǎng)強(qiáng)畸變并引發(fā)尖端電暈放電。此外，氣隙的存在還導(dǎo)致少量鋁屑顆粒擴(kuò)散至橡膠基體內(nèi)部并在電場(chǎng)的作用下引發(fā)尖端放電。電應(yīng)力的作用進(jìn)一步加速了底層橡膠的熱老化，這也是底層橡膠的老化程度高于外圈橡膠的主要原因。最終，阻尼橡膠塊在壓應(yīng)力、高溫、紫外線照射等自然因素及電暈放電等電應(yīng)力因素的共同作用下加速老化，并引發(fā)了開(kāi)裂故障。

3 結(jié)論

綜上分析，本次四分裂導(dǎo)線間隔棒阻尼橡膠塊開(kāi)裂故障主要與預(yù)緊力過(guò)高而引發(fā)的加速老化有關(guān)。阻尼橡膠塊在連接螺栓預(yù)緊力過(guò)大所成生的壓應(yīng)力、高溫、紫外線照射等自然因素及電暈放電等電應(yīng)力因素的共同作用下加速老化，并在較短時(shí)間使用后便出現(xiàn)了開(kāi)裂故障。建議，首先應(yīng)按照要求對(duì)間隔棒的連接螺栓進(jìn)行安裝，避免出現(xiàn)預(yù)緊力過(guò)高、各部位受力不均等情況；其次，在運(yùn)行及檢修過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)同類型線路及間隔棒的監(jiān)督，以免造成更嚴(yán)重的線路故障。