特高壓輸電用復(fù)合絕緣子HTV硅橡膠的濕熱老化特性研究

林利宏

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研發(fā)復(fù)合絕緣子，直至1985年由高溫硫化硅橡膠作為主要材料的復(fù)合絕緣子首次掛網(wǎng)運(yùn)行。HTV硅橡膠具有優(yōu)異的憎水性、穩(wěn)定的力學(xué)性能、高絕緣性能等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，在電力系統(tǒng)外絕緣中使用HTV硅橡膠材料，可以有效減少污閃問(wèn)題，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子逐漸取代了玻璃和陶瓷類(lèi)絕緣子。近年來(lái)，隨著我國(guó)“西電東送”計(jì)劃及特高壓輸電工程的大力開(kāi)展，高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子在特高壓電網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛［5］。特高壓用硅橡膠復(fù)合絕緣子在南方高溫潮濕的自然環(huán)境下容易發(fā)生老化失效，因此對(duì)影響復(fù)合絕緣子老化的因素進(jìn)行分析，預(yù)知其運(yùn)行環(huán)境對(duì)輸電線路的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

本文分析了復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套材料高溫硫化硅橡膠在特高壓線路中的應(yīng)用環(huán)境和老化過(guò)程，選擇三種條件的濕熱老化，模擬高溫高濕環(huán)境下的老化過(guò)程，采用拉伸性能測(cè)試、撕裂性能測(cè)試、絕緣電阻率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試以及憎水性測(cè)試等手段評(píng)估硅橡膠絕緣子濕熱老化程度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣準(zhǔn)備

為了考察濕熱環(huán)境對(duì)特高壓（Ultra high voltage,UHV）用復(fù)合絕緣子用HTV硅橡膠的老化特性的影響，對(duì)市面上大量復(fù)合絕緣子進(jìn)行了遴選，選取了兩款特高壓用復(fù)合絕緣子用HTV硅橡膠材料作為研究對(duì)象。

1.2 人工加速老化試驗(yàn)

濕熱老化試驗(yàn)方法參照GB/T 15905-1995《硫化橡膠濕熱老化試驗(yàn)方法》。選擇70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃×85%RH三種試驗(yàn)條件進(jìn)行老化1000h。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及儀器

力學(xué)性能：選用島津AG-IC 20KN型電子拉力機(jī)，依據(jù)GB/T 528-2009，拉伸速度為500mm/min，夾具間距離80mm，標(biāo)距為25mm，在（23±2）℃和（50±10）%RH的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 529-2008，撕裂速度為500mm/min，夾具間距離為50mm，在（23±2）℃和(50±10)%RH的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行撕裂試驗(yàn)。

電氣絕緣性能：選用日置電機(jī)株式會(huì)社SM7110高阻計(jì)，每組取三個(gè)試樣，尺寸均為100mm×100mm× 2mm，依據(jù)GB/T 1692-2008，施加電壓為500V，對(duì)試樣進(jìn)行體積電阻率測(cè)量。選用上海愛(ài)義電子設(shè)備有限公司的高頻Q表，依據(jù)GB/T 1409-2006，測(cè)量試樣在1MHz下相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。

憎水性：憎水性測(cè)試依據(jù)DL/T 376-2010，原理是基于材料暴露于水霧持續(xù)一段時(shí)間后的濕潤(rùn)現(xiàn)象來(lái)評(píng)定材料表面暴露在水霧后的濕潤(rùn)性。采用噴水分級(jí)法來(lái)測(cè)試材料表面的憎水等級(jí)（HC），噴水分級(jí)法將憎水性分為HC1~HC7共7個(gè)等級(jí)，HC1級(jí)對(duì)應(yīng)憎水性很強(qiáng)的表面，HC7級(jí)對(duì)應(yīng)完全親水性的表面。

2 結(jié)果與討論

針對(duì)未老化、不同濕熱條件老化1000h的HTV硅橡膠樣品的力學(xué)性能、電氣性能以及憎水性的結(jié)果進(jìn)行分析，研究HTV硅橡膠在不同溫度的濕熱環(huán)境中的性能變化規(guī)律。

2.1 力學(xué)性能

從表1可以看出，與原始樣品對(duì)比，經(jīng)過(guò)不同濕熱條件老化1000h后的試樣力學(xué)性能均有一定程度下降。在三種濕熱老化條件中，在70℃×85%RH的濕熱條件下老化1000h后，試樣A和試樣B斷裂伸長(zhǎng)率下降程度明顯。在90℃×85%RH的濕熱條件下老化1000h后，試樣A和試樣B的力學(xué)強(qiáng)度保持率最高，伸長(zhǎng)率均有較明顯下降。分析可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度越高，越有利于硅橡膠的交聯(lián)反應(yīng)，力學(xué)強(qiáng)度增大。

2.2 電氣絕緣性能

體積電阻率常用來(lái)表征材料的電氣絕緣性質(zhì)，材料的體積電阻率越高，其作為電絕緣部件的效能通常就越好。復(fù)合絕緣子HTV硅橡膠老化后相對(duì)介電常數(shù)的增大會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，從而引發(fā)電暈和局部放電，而介電損耗增大不僅會(huì)消耗過(guò)多電能，還會(huì)造成材料異常發(fā)熱，這兩者都會(huì)加速?gòu)?fù)合絕緣子的老化，甚至引發(fā)斷鏈等嚴(yán)重事故。因此對(duì)復(fù)合絕緣子HTV硅橡膠材料進(jìn)行體積電阻率和介電性能的分析十分有必要性。

從表2可以看出，試樣A和試樣B在不同條件下濕熱老化1000h后，在70℃×85%RH的濕熱條件下體積電阻率和表面電阻率均有一定程度的下降，說(shuō)明在70℃×85%RH的濕熱老化后，材料內(nèi)部更容易產(chǎn)生自由移動(dòng)的載流子隨外施電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)濕熱環(huán)境下濕度一定，溫度越高時(shí)，體積電阻率和表面電阻率反而有所增大。試樣A的相對(duì)介電常數(shù)在濕熱老化中隨溫度升高而增大，在90℃×85%RH的濕熱條件下相對(duì)介電常數(shù)明顯增大，可見(jiàn)在90℃×85%RH的濕熱條件下試樣劣化，分子鏈明顯斷裂，在電場(chǎng)作用下易極化。而試樣B隨濕熱環(huán)境中溫度越低，相對(duì)介電常數(shù)越小，絕緣性越差。介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度升高而略微減小，說(shuō)明了在上述濕熱條件下不易造成復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱。

2.3 憎水性

復(fù)合絕緣子的憎水性是考核HTV硅橡膠絕緣子能否廣泛應(yīng)用的重要指標(biāo)，HTV硅橡膠絕緣子只有擁有優(yōu)質(zhì)的憎水性，才能被廣泛應(yīng)用到輸配電線架設(shè)中去。

從圖1可以看出，除圖1(b)和圖1(f)中試樣的憎水性有輕微下降，其余圖像中試樣的憎水性均無(wú)明顯變化，這說(shuō)明在三種濕熱老化條件中，70℃×85%RH的濕熱條件對(duì)憎水性能有輕微影響。從表3可以看出，濕熱老化對(duì)材料的憎水性影響較小，在不同濕熱環(huán)境下老化1000h，憎水性變化不大。憎水性分級(jí)均為HC1級(jí)，均能滿(mǎn)足DL/T 376-2010規(guī)定的憎水性指標(biāo)要求。

圖1 濕熱老化1000h前后A和B系列試樣(對(duì)應(yīng)編號(hào)條件見(jiàn)表3)噴水圖像Fig.1 Water spray images of A and B samples（the conditions of corresponding numbers are shown in Table 3）before & after hygrothermal aging 1000h

表3 濕熱老化1000h前后試樣憎水性Table 3 Hydrophobic classification of samples before & after hygrothermal aging 1000h

3 結(jié)論

采 用70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃×85%RH三種濕熱條件對(duì)特高壓用HTV硅橡膠進(jìn)行老化1000h試驗(yàn)?zāi)M其在高溫高濕環(huán)境下的老化情況，并對(duì)老化前后的樣品進(jìn)行力學(xué)性能和電氣性能分析，同時(shí)對(duì)其憎水性進(jìn)行分析。

(1)從總體上來(lái)看，在70℃×85%RH的濕熱環(huán)境下，特高壓用HTV硅橡膠的力學(xué)性能和電氣絕緣性能下降程度最大，說(shuō)明在三種濕熱環(huán)境下，試樣在70℃×85%RH的濕熱環(huán)境中最容易發(fā)生老化，推測(cè)是在一定溫度范圍內(nèi)，由于溫度越高，越有利于硅橡膠的交聯(lián)反應(yīng)，從而影響其性能。

(2)在三種濕熱環(huán)境下老化1000h，特高壓用HTV硅橡膠的憎水性未發(fā)生明顯變化，仍保持較好的憎水性，說(shuō)明濕熱老化對(duì)特高壓用HTV硅橡膠材料的憎水性影響較小。