復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化狀態(tài)評估方法綜述

曾磊磊， 張 宇， 曾 鑫， 李唐兵， 鄧志斌， 王 鵬， 萬 華， 徐碧川， 劉玉婷， 童 超， 童 濤， 徐 倩

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 南昌 330096； 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司， 南昌 330077)

0 引 言

20世紀(jì)50年代，采用三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯和混合橡膠等材料作為傘套材料的復(fù)合絕緣子問世[1-2]。70年代開始研制硅橡膠復(fù)合絕緣子[3]，由于硅橡膠特有的憎水性和憎水遷移性，大大提高了絕緣子的耐污閃性能，復(fù)合絕緣子逐漸被廣泛采用。我國于20世紀(jì)80年代初開始使用HTV復(fù)合絕緣子，得益于大面積污閃、大力發(fā)展直流輸電及特高壓輸電三大機(jī)遇，復(fù)合絕緣子在我國發(fā)展十分迅速，截至到2014年，我國110 kV及以上電壓等級的輸電線路上運行的復(fù)合絕緣子已經(jīng)突破700萬支，在投運的特高壓線路中，復(fù)合絕緣子的用量達(dá)到65%～70%[4-5]。

由于在運行過程中長期承受電場、機(jī)械應(yīng)力，再加上復(fù)雜多變的氣候環(huán)境的作用，隨著運行年限的增加，復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙材料逐漸老化，導(dǎo)致潮氣入侵，引發(fā)局部放電與異常發(fā)熱，乃至于出現(xiàn)斷裂、掉串等嚴(yán)重后果[6-12]，威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，合理準(zhǔn)確的評估復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)，從而對采取針對性的措施，比如立即更換或者加大巡檢力度等，就顯得十分必要。目前針對復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的評估方法眾多，各有其優(yōu)缺點，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)[13-18]。結(jié)合筆者研究成果，本研究從傳統(tǒng)和新的老化評估方法兩個方面，綜述了當(dāng)前復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評估進(jìn)展，探討了復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評估發(fā)展方向，以期給電力部門和生產(chǎn)廠家在評價和運維與更換決策時提供指導(dǎo)。

1 硅橡膠傘裙老化評估方法概況

復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評估是輸電線路外絕緣的關(guān)鍵問題，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早期傳統(tǒng)老化評估方法的研究主要集中在：通過現(xiàn)場觀察及在實驗室采用常規(guī)的傘套表面測試手段，評估其老化狀態(tài)，如：外觀檢查、憎水性測試及紅外熱成像等方法。近年來，研究人員認(rèn)識到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在宏觀上會導(dǎo)致其不同組分質(zhì)量的改變，在微觀上會引發(fā)表面微觀形貌、化學(xué)基團(tuán)及內(nèi)部陷阱參數(shù)的改變，由此衍生出了掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM)、熱重分析(Thermo gravimetric analysis，TGA)、傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)以及熱刺激電流測試(Thermally stimulated current，TSC)等方法來評估復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)。

下面將結(jié)合筆者的研究成果，從傳統(tǒng)和新評估的方法兩個方面，具體介紹和分析上述方法的評估指標(biāo)和優(yōu)缺點。

2 傳統(tǒng)老化評估方法分析

常用的老化評估方法主要為外觀檢查、噴水分級法(hydrophobicity class，HC)、靜態(tài)接觸角法和紅外成像法等。

2.1 外觀檢查

外觀檢查是電力部門最普遍的巡檢方法，運行人員在塔下利用肉眼、望眼鏡或者通過無人機(jī)載攝像機(jī)拍攝圖片或視頻來觀測。外觀檢查主要是查看復(fù)合絕緣子是否存在明顯的缺陷，比如：傘套粉化程度、是否存在裂紋、孔洞、破損；芯棒是否裸露、斷裂以及金具是否滑移。外觀檢查主要是對復(fù)合絕緣子劣化情況做一個基本的判斷，比較簡單易行，缺點是：外觀檢查作為一種粗糙的檢測手段，只能夠發(fā)現(xiàn)一些外部明顯、需要立即處理的缺陷，無法發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷。

2.2 噴水分級法

噴水分級法最早由瑞典輸電研究所(STRI，Swedish Transmission Research Institute)提出[19]，采用HC(hydrophobicity class)等級來表征試品的憎水性能，從HC1～HC7共7個等級被定義，等級越低說明憎水性能越好，其中HC3及以下為憎水性狀態(tài)，HC5及以上為親水性狀態(tài)。測試過程為：首先利用噴水壺向絕緣子表面灑水，然后通過目測觀察表面水滴狀態(tài)來判斷HC級別，若絕緣子表面為相互獨立、分布均勻的橢球狀的細(xì)小水珠，則說明HC等級低，為疏水狀態(tài)；反之，若表面為連續(xù)成片水膜，則說明HC等級高，為親水狀態(tài)。由于HC噴水分級法簡便易行，運維人員可直接手持噴壺登塔在線噴水，不需要停電，是目前現(xiàn)場復(fù)合絕緣子的老化評價中應(yīng)用最為廣泛方法之一。某220 kV線路不同運行年限的復(fù)合絕緣子進(jìn)行的HC分級結(jié)果[20]，見圖1。

圖1 復(fù)合絕緣子HC分級圖Fig.1 HC classification of composite insulator

由圖1可以明顯看出，運行5年的復(fù)合絕緣子HC為2，仍然保持良好的憎水性能，而運行10年以上的絕緣子憎水性大大降低，已經(jīng)為親水狀態(tài)，說明復(fù)合絕緣子的憎水性與運行年限存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，也即隨著運行年限的增加，復(fù)合絕緣子逐漸老化，憎水性越來越差。這表示HC分級法確實可以通過復(fù)合絕緣子憎水性的喪失來反映絕緣子的老化情況。然而，由于HC分級法是基于檢測人員的肉眼觀察來評定憎水等級，其檢測結(jié)果會受到主觀因素影響而出現(xiàn)一定誤差。

2.3 靜態(tài)接觸角法

為了克服HC分級法主觀判斷帶來的誤差，客觀準(zhǔn)確的衡量材料表面的憎水狀態(tài)，靜態(tài)接觸角法應(yīng)運而生[21]。接觸角是指水滴、試品交界處的切線與試品表面的夾角，見圖2。接觸角的大小表示了水滴的圓度，從而表征樣品的憎水性能，并且接觸角越大表明憎水性越好，大于90°為憎水狀態(tài)，小于90°為親水狀態(tài)。

圖2 接觸角示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle

圖3是使用JC2000D1型接觸角測量儀測得的某運行4年的復(fù)合絕緣子傘裙的接觸角圖片[22]。

圖3 復(fù)合絕緣子接觸角Fig.3 Contact angle of composite insulators

從圖3可以看出，該復(fù)合絕緣子的接觸角遠(yuǎn)超90°，仍然保持較好的憎水性能。

靜態(tài)接觸角法相比噴水分級法，能夠更加準(zhǔn)確、客觀的表征復(fù)合絕緣子憎水性能，但由于其測試條件更加嚴(yán)格，基本不能在現(xiàn)場使用。

2.4 紅外熱像法

復(fù)合絕緣子老化后，傘套絕緣電阻下降，內(nèi)部氣隙導(dǎo)致局部放電，以及水分入侵引起反復(fù)極化等原因都可能造成復(fù)合絕緣子發(fā)熱[22,6]。因此，復(fù)合絕緣子是否發(fā)熱及發(fā)熱程度也將作為其老化評估的指標(biāo)。紅外熱像法即是利用紅外熱像儀檢測絕緣子的發(fā)熱狀況[23-24]。筆者對運行不同年限的500 kV復(fù)合絕緣子施加運行電壓，并利用紅外熱像儀觀察發(fā)熱狀況，結(jié)果見圖4[25]。在左右兩邊各懸掛一支屏蔽復(fù)合絕緣子用以均勻電場，不對其進(jìn)行分析。

圖4 紅外熱像圖Fig.4 Infrared thermography

圖4中，從左到右依次為：屏蔽絕緣子、運行2年絕緣子、運行5年絕緣子、新絕緣子、運行10年并發(fā)生斷裂絕緣(后文簡稱為斷裂絕緣子)和屏蔽絕緣子。由圖4可知，除去新復(fù)合絕緣子沒有發(fā)熱外，其余樣品均有明顯溫升，并且運行2年和5年樣品的發(fā)熱位置集中在高壓端，而斷裂絕緣子的發(fā)熱區(qū)域從斷裂處延伸至中部，絕緣子有將近一半的長度存在發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱區(qū)域遠(yuǎn)大于其他樣品。此外，還得到了各樣品加壓過程中的溫升時域特性，見圖5。

圖5 溫升時域特性曲線Fig.5 Temperature rise time domain characteristic curve

因此，紅外熱成像法由于具有方便、快捷，可遠(yuǎn)距離在線檢測等優(yōu)點，在電力部門已得到普遍應(yīng)用。然而由于對流和輻射的不斷進(jìn)行，只有發(fā)熱速率大于散熱速率，熱量累積才能表現(xiàn)為溫升，因此，紅外熱成像法對于導(dǎo)通性電阻致熱缺陷，或者顯著局部放電等嚴(yán)重缺陷具有較好的檢測效果，對于老化前期的復(fù)合絕緣子檢測效果不佳。

3 老化評估新方法分析

傳統(tǒng)方法主要研究復(fù)合絕緣子老化所引起的外在表現(xiàn)，如從外觀粉化、憎水性及發(fā)熱程度等方面入手，評估復(fù)合絕緣子的老化狀況。這些方法比較簡便、直觀，但未涉及復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中的化學(xué)反應(yīng)與微觀形貌、結(jié)構(gòu)的改變，因而無法對材料老化進(jìn)行量化分析與剩余壽命預(yù)測。近年來，研究人員認(rèn)識到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，在宏觀上會導(dǎo)致其不同組分質(zhì)量的改變，在微觀上會引發(fā)表面微觀形貌、化學(xué)基團(tuán)及內(nèi)部陷阱參數(shù)的改變，由此衍生出了掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜分析以及熱刺激電流測試等方法。相較于傳統(tǒng)評估方法，新方法有更完備的理論支撐，使進(jìn)一步量化與壽命評估成為可能。

3.1 掃描電鏡分析

SEM分析是一種常用的材料分析手段，能實現(xiàn)對材料的從幾十到幾萬倍放大，從而對材料的表面狀況進(jìn)行微觀觀察。圖6為新試樣和運行10年復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的SEM結(jié)果，放大倍數(shù)為2 000倍[26]。

從圖6可以看出，新試樣的SEM圖像表面平整、光潔，未見孔洞、裂紋和顆粒物，而運行10年的傘裙表面基本未見平整的區(qū)域，布滿了粉化聚集成團(tuán)的顆粒物，且出現(xiàn)較寬、較深的裂紋，表示該樣品已嚴(yán)重老化。上述分析結(jié)果說明可通過SEM觀察硅橡膠傘裙表面狀況來判斷復(fù)合絕緣子的老化程度，表面裂紋數(shù)量越多、寬度越大、孔洞越密集、顆粒物越明顯，則其老化程度越高。為了能夠量化分析樣品的微觀形貌，文獻(xiàn)[22]指出，可利用Image-Pro Plus 6.0軟件測量SEM圖片中顆粒物及裂紋的幾何特征，從而得到樣品微觀形貌的量化參數(shù)。

圖6 掃描電鏡分析結(jié)果Fig.6 The results of SEM analysis

此外，由于每次SEM實驗只能分析一個微觀區(qū)域，其實驗結(jié)果存在一定的分散性，為了減小誤差，應(yīng)該多測量幾個位置的SEM圖片。

3.2 熱重分析

HTV硅橡膠傘裙的主要成分包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、阻燃劑氫氧化鋁(ATH)和白炭黑二氧化硅，其中ATH的分解溫度為220 ℃～350 ℃，PDMS主要在350 ℃～570 ℃范圍內(nèi)發(fā)生熱解，白炭黑的熔點為1 600 ℃[27]。而熱重分析實驗的溫度范圍為30 ℃～800 ℃，因此，在實驗過程中，主要發(fā)生ATH和PDMS的分解，并且第一階段的失重量表征ATH的含量，第二階段的是失重量表征PDMS的含量。筆者在實驗室對HTV硅橡膠進(jìn)行濕熱老化，制備了老化不同時長的硅橡膠樣品，并將其與運行10年的硅橡膠傘裙(兩者配方一致)分別進(jìn)行熱重分析實驗，實驗結(jié)果見圖7[26]。

圖7 熱重分析實驗結(jié)果Fig.7 The results of TG analysis

由圖7可知，濕熱老化0至26天樣品的第一階段失重量幾乎沒有差別，而運行老化10年樣品第一階段的失重量也遠(yuǎn)低于濕熱老化樣品，說明濕熱老化過程中基本不會發(fā)生ATH的分解，而運行10年樣品的ATH已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的分解。此外，隨著濕熱老化時間的增加，各樣品第二階段的失重量逐漸降低，其中濕熱老化26天樣品第二階段的失重量與運行老化10年樣品的失重量趨于一致，說明濕熱老化與運行老化過程中均發(fā)生了PDMS分解，且裂解程度與老化時間正相關(guān)。

上述分析表明，熱重分析實驗得到硅橡膠傘裙的第一、第二階段的失重量，分別對應(yīng)其不同組分的含量，可以作為量化評估復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的指標(biāo)。

3.3 紅外光譜分析

熱重分析的結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中會發(fā)生PDMS和ATH的分解，由此將會導(dǎo)致材料中各化學(xué)基團(tuán)的含量發(fā)生變化。因此，利用FTIR分析通過測量各基團(tuán)的吸收峰或透光度，來評估樣品的老化狀態(tài)。

文獻(xiàn)[28]對相同配方的運行4年和庫存的800 kV 復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙進(jìn)行FTIR分析，結(jié)果見圖8。

圖8 紅外光譜分析結(jié)果Fig.8 The results of FTIR analysis

由圖8可知，相比于庫存樣品，運行4年的硅橡膠傘裙未出現(xiàn)新的紅外特征吸收峰，表明在老化過程中沒有生成新的基團(tuán)。此外，運行4年樣品的Si-O-Si、Si-CH3、-OH等基團(tuán)吸收峰強均比庫存樣品低，說明老化過程中PDMS與ATH均發(fā)生分解，與熱重分析的結(jié)果一致。為了能夠量化FTIR的結(jié)果，可對FTIR曲線積分，求取各特征吸收峰的面積，作為量化參數(shù)，評估樣品的老化狀態(tài)。

3.4 熱刺激電流法

SEM的結(jié)果指出硅橡膠傘裙老化過程中會出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷結(jié)構(gòu)，TG和FTIR的結(jié)果表明，硅橡膠傘裙老化過程中會發(fā)生PDMS和ATH的分解，這些表現(xiàn)均會增大樣品的陷阱數(shù)量與陷阱深度。因此，理論上可以利用樣品的陷阱特性參數(shù)來表征其老化狀態(tài)。文獻(xiàn)[29]利用熱刺激電流法表征復(fù)合絕緣子傘裙的老化狀態(tài)，其測試系統(tǒng)見圖9。

圖9 TSC測試系統(tǒng)Fig.9 TSC test system

熱刺激電流法的原理是對試品升溫至某一溫度T1，然后在T1下對其施加極化電場，保持該場強，利用液氮系統(tǒng)迅速降溫至T2，使試品內(nèi)載流子凍結(jié)，撤除極化電場，再對試品線性升溫，激發(fā)剛剛被凍結(jié)的載流子形成電流，記錄該電流隨溫度變化的數(shù)據(jù)，即得到熱刺激電流曲線。

筆者利用熱刺激電流法測量濕熱老化不同時長的硅橡膠的陷阱特性。得到各樣品的熱刺激電流特性曲線見圖10[26]。

圖10 各樣品的TSC特性曲線Fig.10 TSC characteristic curves of samples

利用公式(1)、(2)[29]分析TSC曲線，得到各樣品的陷阱電荷量Q和陷阱能級E等特性參數(shù)，見圖11。

(1)

(2)

式中：I為熱刺激電流，pA；β為升溫速率，K/min；t1，t2分別為升溫始末時間，T1和T2分別為升溫始末溫度，K，本文分別為173 K和423 K；Tm為TSC曲線峰值電流對應(yīng)的溫度，K；ΔT為TSC電流峰半峰值對應(yīng)的溫度差；k為玻爾茲曼常數(shù)。

由圖11可知，陷阱電荷量和陷阱能級均隨濕熱老化時間增加而增大。陷阱電荷量增大，表示隨著老化時間增加，樣品的陷阱總數(shù)增大；陷阱能級增大表示陷阱深度增大，能容納的電荷數(shù)量增加，說明陷阱電荷量和陷阱能級均與老化時長正相關(guān)，可作為量化評估老化狀態(tài)的參數(shù)。

圖11 濕熱老化樣品的陷阱參數(shù)Fig.11 Trap parameters of hygrothermal aging samples

4 結(jié) 論

結(jié)合筆者的研究成果，從傳統(tǒng)和新的老化評估方法兩個方面，綜述了當(dāng)前復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評估進(jìn)展。傳統(tǒng)方法主要涉及復(fù)合絕緣子老化引起的外在表現(xiàn)，包括外觀檢查、噴水分級法、靜態(tài)接觸角法及紅外熱像法等。這些方法比較簡便、直觀，但未涉及硅橡膠傘裙老化過程中化學(xué)組分的變化，無法對材料老化進(jìn)行量化分析與剩余壽命預(yù)測。老化評估新方法包括掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜以及熱刺激電流法等。這些新方法主要研究了硅橡膠傘裙老化過程中的微觀形貌、組分質(zhì)量、化學(xué)基團(tuán)以及陷阱參數(shù)的變化，每種新方法均有對應(yīng)的量化參數(shù)，使復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化評估的量化分析成為可能，將是今后的重點研究方向。