復(fù)合絕緣子護(hù)套-芯棒界面異常老化特征及原因分析

汪 政，黃 振，彭向陽，盧 煜，楊 粵，何春清，方鵬飛

（1.廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院），廣東 廣州 510080；2.武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局，廣東 潮州 521031）

0 引言

相比傳統(tǒng)的瓷絕緣子和玻璃絕緣子，復(fù)合絕緣子具有質(zhì)量輕、耐臟污、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前已在我國電網(wǎng)中得到了大量應(yīng)用[1-2]。但復(fù)合絕緣子主要采用有機(jī)材料制造，在使用的過程中會不可避免地發(fā)生老化[3-4]，特別是在廣東地區(qū)，高溫濕熱環(huán)境加速了復(fù)合絕緣子的劣化[5-7]。

輸電線路復(fù)合絕緣子主要有斷串、擊穿、發(fā)熱3種異常運(yùn)行狀態(tài)。這3種異常運(yùn)行狀態(tài)中，斷串故障會導(dǎo)致線路掉線，性質(zhì)最為惡劣；擊穿故障往往會導(dǎo)致線路跳閘；而發(fā)熱缺陷則是斷串、擊穿故障的前期征兆[8-10]。目前運(yùn)維單位主要通過紅外測溫的方法發(fā)現(xiàn)線路上異常發(fā)熱的復(fù)合絕緣子并及時更換，以避免斷串、擊穿故障的發(fā)生。前期研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的斷串、擊穿和發(fā)熱問題都與復(fù)合絕緣子的護(hù)套-芯棒界面狀態(tài)密切相關(guān)[11-13]。該界面處的缺陷也是造成復(fù)合絕緣子隱蔽性故障的主要因素之一。

護(hù)套-芯棒界面是復(fù)合絕緣子內(nèi)絕緣的重要組成部分，一旦該界面密封不嚴(yán)，就會導(dǎo)致水汽透入引發(fā)界面局部放電，導(dǎo)致芯棒老化乃至斷裂[14-16]。目前廠家通過改進(jìn)工藝并在界面粘接處使用偶聯(lián)劑提高界面的粘接強(qiáng)度，由粘接問題引發(fā)的問題得到了控制。然而近幾年的運(yùn)行抽檢發(fā)現(xiàn)，一些界面粘接良好的復(fù)合絕緣子也出現(xiàn)了護(hù)套-芯棒界面異常老化失效現(xiàn)象。因此有必要對這類問題進(jìn)行深入研究，明確老化原因并從源頭進(jìn)行控制。本文選取了一支護(hù)套-芯棒界面異常老化的500 kV線路運(yùn)行復(fù)合絕緣子，對其界面老化狀態(tài)進(jìn)行深入研究，總結(jié)護(hù)套-芯棒界面的異常老化特性，探討異常老化原因，以期對復(fù)合絕緣子的制造和運(yùn)維提供參考。

1 試樣信息及試驗(yàn)方法

1.1 試樣信息

2020年6 月廣東電網(wǎng)公司江門供電局對500kV鼓峰丁線開展無人機(jī)紅外測溫，發(fā)現(xiàn)32號直線塔下相（A相）復(fù)合絕緣子高壓端存在發(fā)熱現(xiàn)象，溫升達(dá)到12.5℃，為緊急缺陷，現(xiàn)場情況如圖1所示。此外，同批次的其他復(fù)合絕緣子在本次測溫過程中未發(fā)現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。運(yùn)維單位將該發(fā)熱復(fù)合絕緣子拆下更換后，送至電科院檢測。

圖1 發(fā)熱復(fù)合絕緣子現(xiàn)場情況Fig.1 The composite insulator with abnormal temperature rising in the tower

試樣型號為FXBW4-500/300-D，傘套采用整體注射工藝，傘裙設(shè)計(jì)為兩大傘之間穿插兩小傘，臨近高壓端處為兩個小傘，端部采用高溫包膠密封工藝，生產(chǎn)年份為2010年，投運(yùn)時間為2011年4月，帶電運(yùn)行時間為9年。

1.2 取樣方法

在高壓大廳中對試樣施加運(yùn)行相電壓（298 kV），耐受30 min。期間對試樣展開紅外、紫外測試，對試樣的異常放電點(diǎn)和發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行記錄。結(jié)合外觀檢查結(jié)果，將異常放電、發(fā)熱處的傘套削開，取界面處的護(hù)套、芯棒材料展開測試?？瞻讓φ战M隨機(jī)選取其他未見異常放電、發(fā)熱部位的傘套、芯棒材料展開測試。傘裙統(tǒng)一選取其邊緣側(cè)的硅橡膠進(jìn)行測試。

1.3 表征技術(shù)

紅外光譜：使用美國賽默飛公司的傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Nicolet iS10），采用全反射模式進(jìn)行測試，掃描范圍為600～4 000 cm-1，掃描次數(shù)設(shè)定為32次，數(shù)據(jù)分辨率和間隔分別為4 cm-1和1.929 cm-1。測試時將硅橡膠樣品直接壓緊在紅外光源處，保證采樣區(qū)域一致。

紫外測試：使用南非UVIRCO公司的Coro-CAM 6D型紫外檢測成像儀進(jìn)行測試，設(shè)置積分幀數(shù)為2幀，信號增益為85，閾值為40，采用可見光與紫外聯(lián)合通道對試樣進(jìn)行拍攝。

熱重分析：使用德國耐馳公司的同步熱分析儀（SAT,Jupiter 449F5）對樣品進(jìn)行熱重分析（TGA），升溫區(qū)間為30～800℃，升溫速率為10 K/min。載氣為氮?dú)?，反?yīng)氣為干燥空氣，氣體流速為20 mL/min，循環(huán)水設(shè)置溫度為30℃。

X射線衍射：使用德國布魯克AXS公司的X射線衍射儀（XRD,Bruker D8）進(jìn)行測試，使用Cu-Kα作為射線源，掃描速度為10（°）/min，掃描范圍為10°～65°，測試前將試樣磨成固體粉末。

2 復(fù)合絕緣子整體老化情況

2.1 試樣外觀

試樣外觀如圖2所示，試樣的高壓端桿徑護(hù)套破損嚴(yán)重并露出芯棒，護(hù)套破損延伸至高壓端第2大傘附近，高壓端第10大傘附近的護(hù)套出現(xiàn)裂紋，且不同部位的護(hù)套都有一定程度的黑色臟污。在高壓大廳中將試樣施加運(yùn)行電壓后耐受30 min，再采用紅外熱像儀檢測試樣的發(fā)熱位置及其發(fā)熱溫度，發(fā)現(xiàn)高壓端桿徑處的最高溫升為20℃，除此之外高壓端第9大傘處也有12℃左右的溫升。

圖2 500 kV鼓峰丁線復(fù)合絕緣子外觀Fig.2 Appearance of the composite insulator serviced in the 500 kV Gufeng line

在施加運(yùn)行電壓的過程中，采用紫外對試樣進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)高壓端第17大傘附近存在較為明顯的異常放電現(xiàn)象，如圖3所示。加壓結(jié)束后，使用紅外測溫儀發(fā)現(xiàn)該部位也有一定程度的溫升。仔細(xì)檢查第17大傘附近的護(hù)套，發(fā)現(xiàn)放電點(diǎn)處的外觀相對于其他部位更偏白色。

圖3 復(fù)合絕緣子異常放電的紫外檢查Fig.3 UV inspection for the abnormal discharge on composite insulator surface

2.2 傘套材料老化情況

切取試樣不同部位傘裙的硅橡膠進(jìn)行熱分析測試。由于試樣傘裙表面有一定程度的粉化，將試樣的上下表面切除，只保留中間部位的硅橡膠進(jìn)行熱分析測試，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，硅橡膠的熱失重圖譜在320℃左右有一個拐點(diǎn)，硅橡膠在該拐點(diǎn)前后經(jīng)歷了兩個不同的熱分解過程[17]：第一階段是在30～320℃，該過程中主要是硅橡膠的無機(jī)填料氫氧化鋁（ATH）吸熱分解；第二階段是在320～700℃，該過程主要是硅橡膠中的有機(jī)硅分解。由此可見，硅橡膠的熱失重率是其ATH和有機(jī)硅組分含量的變化。在復(fù)合絕緣子的運(yùn)行環(huán)境中，環(huán)境老化因素會引起硅橡膠中ATH的分解以及有機(jī)硅組分的氧化和消耗，即硅橡膠中的ATH和有機(jī)硅含量都會因材料老化逐漸減少。因此同一復(fù)合絕緣子不同位置傘套硅橡膠的失重率反映了該材料的老化程度。

圖4 試樣不同部位傘裙的TGA測試結(jié)果Fig.4 TGA test results of umbrella on different parts of composite insulator

從圖4還可以看出，試樣不同部位大傘的硅橡膠熱失重圖譜基本重合，且最終失重率都能保持在45%左右，表明試樣不同部位大傘的硅橡膠老化狀態(tài)一致。在戶外運(yùn)行條件下，復(fù)合絕緣子外表面通常會不可避免地發(fā)生老化，且由外向里逐漸加深，這類老化稱之為“正常老化”。由于不同部位傘裙體層的硅橡膠失重率保持一致，說明這種由外向里的正常老化未影響到傘裙體層。

試樣護(hù)套的厚度約為3 mm，測試取樣方法與傘裙的保持一致，即切除護(hù)套外層和里層，只保留中間層進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，從高壓端第1大傘到第50大傘，試樣護(hù)套的失重率從34%逐漸增加到45%，即硅橡膠護(hù)套的失重率從高壓端到低壓端逐漸增加。表明高壓端附近硅橡膠護(hù)套中的有機(jī)硅和ATH在運(yùn)行老化的過程中分解得較多，老化更嚴(yán)重。由此可見，硅橡膠護(hù)套的老化不同于傘裙的老化，屬于一種異常的老化，受護(hù)套所在位置電場強(qiáng)度的影響明顯。

圖5 試樣不同部位護(hù)套的TGA測試結(jié)果Fig.5 TGA test results of sheath on different parts of composite insulator

3 護(hù)套與芯棒界面異常老化特征

3.1 界面外觀特征

將試樣高壓端第8～9大傘異常發(fā)熱部位的護(hù)套削開，觀察護(hù)套-芯棒界面的外觀，結(jié)果如圖6所示。在削除護(hù)套的過程中發(fā)現(xiàn)，界面處的硅橡膠護(hù)套中有較多的白色顆粒物，見圖6(b)；完全削除護(hù)套后發(fā)現(xiàn)，芯棒表面附著的硅橡膠較多，即護(hù)套-芯棒界面粘接良好，但該處芯棒表面發(fā)白，且透光不均勻，見圖6(c)。芯棒為環(huán)氧樹脂玻璃纖維，未老化前可以均勻透光。以上結(jié)果表明試樣護(hù)套-芯棒界面處的硅橡膠、環(huán)氧玻纖芯棒均發(fā)生了老化。

圖6 高壓端第8～9大傘異常發(fā)熱部位界面解剖結(jié)果Fig.6 The interface appearance of abnormal heating spot on 8th-9thbig umbrella from the high potential end

將試樣高壓端第16～17大傘異常放電部位的護(hù)套削開，觀察護(hù)套-芯棒界面的外觀，結(jié)果如圖7所示。在削掉的硅橡膠護(hù)套中發(fā)現(xiàn)有兩個明顯的白色顆粒物，見圖7(b)。芯棒玻璃纖維間的粘接力下降，芯棒表面的纖維可以輕易剝除。在削除硅橡膠護(hù)套后，發(fā)現(xiàn)芯棒表面有較多的附膠，未發(fā)現(xiàn)硅橡膠護(hù)套與芯棒間不粘的現(xiàn)象，據(jù)此判斷硅橡膠護(hù)套和芯棒界面粘接良好。白色顆粒物對應(yīng)的芯棒表面發(fā)白，透光性變差，見圖7(d)，表明白色顆粒物引起了界面處芯棒表面的老化。下面針對老化界面處的護(hù)套、芯棒展開材料分析。

圖7 高壓端第16～17大傘異常放電點(diǎn)界面解剖結(jié)果Fig.7 The interface appearance of abnormal discharge spot on 16th-17thbig umbrella from the high potential end

3.2 界面處護(hù)套老化特征

取高壓端第8～9大傘異常放電點(diǎn)的護(hù)套進(jìn)行紅外光譜測試。將護(hù)套試樣從中間切開，最外面為護(hù)套外層（接觸空氣），切口為護(hù)套中間層，護(hù)套-芯棒界面處為護(hù)套里層（靠近芯棒）。采用傅里葉變換紅外光譜的全反射模式分別對不同層的護(hù)套進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在1 650 cm-1處生成了一個新峰，該峰與-NO2基團(tuán)的振動有關(guān)[18-19]。通常-NO2的生成需要有空氣參與[20]，該峰的強(qiáng)度由外層向里層呈減小的趨勢，說明空氣沒有參與里層護(hù)套的老化反應(yīng)，即外界空氣是由外層向里層入侵護(hù)套的，表明護(hù)套/芯棒密閉性較好，并沒有給外界空氣提供特殊的入侵通道。該結(jié)果與界面處的外觀檢測結(jié)果一致。

圖8 高壓端第8～9大傘護(hù)套的紅外光譜測試結(jié)果Fig.8 FTIR results of the sheath on 8th-9thbig umbrella from the high potential end

圖8中1 050 cm-1處為Si-O基團(tuán)的伸縮振動峰[21]，該峰強(qiáng)由外層向里層呈減小的趨勢。Si-O基團(tuán)為硅橡膠中已有的基團(tuán)，若護(hù)套發(fā)生的是由外層向里層的正常老化，里層護(hù)套中Si-O基團(tuán)的強(qiáng)度應(yīng)最強(qiáng)。該結(jié)果表明，護(hù)套發(fā)生了由里而外的異常老化。推測與界面中的顆粒物有關(guān)，即顆粒物導(dǎo)致界面處電場發(fā)生畸變，引起界面處的局部放電。這類放電在復(fù)合絕緣子內(nèi)部護(hù)套-芯棒界面處發(fā)生，用紫外難以發(fā)現(xiàn)，但內(nèi)部局部放電引起的異常溫升可以用紅外測溫儀發(fā)現(xiàn)。

圖8中3 380 cm-1處附近的小峰為ATH中O-H基團(tuán)的伸縮振動峰。該峰的峰強(qiáng)與Si-O的峰強(qiáng)變化趨勢類似，也是外層比里層的峰強(qiáng)高。由于ATH會在放電條件下分解，里層護(hù)套的O-H峰強(qiáng)較弱，表明里層護(hù)套中的ATH已發(fā)生分解，該結(jié)果也為界面處發(fā)生了局部放電提供了間接證據(jù)。

以上紅外光譜結(jié)果表明，界面處護(hù)套發(fā)生了由里而外的異常老化，且該異常老化與護(hù)套-芯棒界面處顆粒物引起的局部放電有關(guān)。由于試樣高壓端第16～17大傘也發(fā)現(xiàn)了類似的顆粒物，推測其護(hù)套也有類似的老化特征。

3.3 界面芯棒老化特征

取高壓端第16～17大傘的異常老化芯棒進(jìn)行熱分析測試，空白對照為芯棒體層未老化部分，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，未老化芯棒的失重率為17.7%，界面處異常老化芯棒的失重率為11.4%。芯棒材料為環(huán)氧樹脂玻璃纖維，在加熱的過程中環(huán)氧樹脂會受熱分解，而玻璃纖維熱穩(wěn)定性好，不會分解。因此，在熱分析測試過程中，芯棒材料的熱失重率代表了其環(huán)氧的相對含量，而殘留率即為玻璃纖維的相對含量。熱分析測試結(jié)果表明，界面處異常老化芯棒的環(huán)氧樹脂含量比未老化芯棒的要低，推測是在界面局部放電條件下芯棒中的環(huán)氧樹脂被氧化消耗，導(dǎo)致其相對含量降低。

圖9 界面處異常老化芯棒與未老化芯棒的TGA測試結(jié)果Fig.9 TGA result of the unaged and abnormal aged core at the interface

以上熱分析的測試結(jié)果表明，界面處與護(hù)套接觸的芯棒表面發(fā)生了老化，且環(huán)氧樹脂被消耗，進(jìn)一步證實(shí)了護(hù)套由內(nèi)而外的異常老化特征。

4 界面異常老化原因分析

由前文的討論可知，試樣護(hù)套-芯棒界面處的異常老化是區(qū)別于正常老化的。護(hù)套的正常老化是由外向里的，而異常老化剛好相反，是由里向外的。界面外觀測試結(jié)果表明，異常老化界面處都有白色的顆粒物，推測界面異常老化與護(hù)套中的顆粒物密切相關(guān)。為了進(jìn)一步明確異常老化的原因及來源，對界面處的顆粒物進(jìn)行成分分析。

分別將高壓端第8～9大傘、第16～17大傘護(hù)套中的顆粒物刮下，放入研缽中研磨至粉末狀，再進(jìn)行XRD測試，結(jié)果如圖10所示。圖10中2θ為18.22°、20.30°和 37.61°處分別對應(yīng)Al(OH)3的(020)、(110)和(311)晶面；2θ為 33.10°處對應(yīng) Fe2O3(104)晶面；2θ為 14.33°處對應(yīng) AlO(OH)的(020)晶面。可以看出，這兩種顆粒物所含衍射峰的種類相同，即兩者都由以下3種物相構(gòu)成：Al(OH)3、Fe2O3和AlO(OH)。其中，Al(OH)3為阻燃劑[22]，F(xiàn)e2O3為著色劑[23]，兩者是硅橡膠制造過程中必加的無機(jī)填料；而AlO(OH)則是在Al(OH)3受熱分解過程中產(chǎn)生的中間物相。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Al(OH)3的最大峰強(qiáng)遠(yuǎn)超過Fe2O3和AlO(OH)的最大峰強(qiáng)，說明試樣中Al(OH)3的含量較高。推測在生產(chǎn)過程中Al(OH)3顆粒由于局部受潮而發(fā)生了團(tuán)聚[24]，聚集在一起的Al(OH)3顆粒形成了大顆粒物，該顆粒物在密煉的過程中混入硅橡膠生膠中，當(dāng)硅橡膠注射成型后形成了界面處的顆粒物缺陷。掛網(wǎng)運(yùn)行后，在強(qiáng)電場作用下，Al(OH)3顆粒物引起護(hù)套-芯棒界面處的局部放電，進(jìn)而產(chǎn)生異常老化。推測試樣桿徑處的護(hù)套也存在類似的顆粒物缺陷，桿徑處的電場更強(qiáng)，放電更為頻繁，因此界面失效更快，護(hù)套脫落更早。結(jié)合前文不同部位的護(hù)套老化趨勢可知，電場強(qiáng)度和顆粒物缺陷是引起界面異常老化的兩個重要原因。

以上分析表明，試樣護(hù)套-芯棒界面處顆粒物的主要成分為Al(OH)3。但該缺陷的產(chǎn)生具有偶然性。本次線路測溫過程中，與該試樣同廠家同批次的復(fù)合絕緣子未發(fā)生類似的發(fā)熱現(xiàn)象，該結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論

對一支發(fā)熱的500 kV運(yùn)行復(fù)合絕緣子的護(hù)套-芯棒界面進(jìn)行了系統(tǒng)測試分析，得到如下結(jié)論：

（1）不同位置界面處硅橡膠護(hù)套的老化與傘裙的老化不同，是一種異常老化，這種老化受護(hù)套所在位置電場強(qiáng)度的影響明顯。強(qiáng)電場是引起界面異常老化的重要原因之一。

（2）異常溫升、放電處的硅橡膠護(hù)套和環(huán)氧玻纖芯棒粘接良好，但都存在界面顆粒物缺陷。界面處芯棒表面老化發(fā)白，其環(huán)氧樹脂的相對含量大幅降低。

（3）界面顆粒物的主要成分是Al(OH)3，是由小顆粒的Al(OH)3填料團(tuán)聚而形成的大顆粒。這類界面顆粒物缺陷是在復(fù)合絕緣子制造過程中產(chǎn)生的，具有隱蔽性，只有運(yùn)行老化到一定程度才易被發(fā)現(xiàn)。