工頻高壓持續(xù)時(shí)間對(duì)不同濕度復(fù)合絕緣子芯棒劣化影響研究

劉輝，沈浩，符一凡，馬新明，章敏俊，楊福興，廖敏夫

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

0 引言

絕緣子是架空輸電線路中的常用元件，對(duì)輸電線起到支撐和固定的作用，使線路與桿塔、大地之間形成良好的絕緣。復(fù)合絕緣子具有高機(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)防污閃能力和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在高壓與特高壓輸電中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。芯棒是復(fù)合絕緣子中最重要的部件，起到支撐與絕緣的雙重作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年發(fā)生的絕緣子斷裂事故中，絕大部分是芯棒酥朽斷裂造成的。尤其是在南方潮濕地區(qū)，酥朽斷裂占據(jù)更高的比例[4-6]。因此，對(duì)復(fù)合絕緣子在潮濕環(huán)境中的老化特性進(jìn)行研究，對(duì)保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[7]。

國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)復(fù)合絕緣子芯棒在潮濕條件下的性能進(jìn)行了研究，并取得一定成果。B C RAY[8]研究了濕熱條件下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維界面缺陷的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)較高的溫度能夠加快材料老化過程。曾磊磊等[9]對(duì)不同加熱老化時(shí)間后的芯棒進(jìn)行吸濕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)老化時(shí)間越長(zhǎng)，芯棒的吸濕率與擴(kuò)散系數(shù)越大。B LUTZ等[10-11]分析了南方電網(wǎng)多起500 kV芯棒斷裂事故的原因，認(rèn)為缺陷處的局部放電促進(jìn)了芯棒環(huán)氧樹脂的降解。張福增等[12]認(rèn)為芯棒缺陷中存在的空氣與水在電場(chǎng)的作用下會(huì)形成硝酸，進(jìn)一步加快芯棒老化。

現(xiàn)有對(duì)芯棒老化的研究大部分集中在溫度、濕度、電等單一因素的影響[13-14]，對(duì)多因素的復(fù)合影響研究較少，不能深刻揭示復(fù)合絕緣子芯棒的老化機(jī)理。本文主要對(duì)濕度和工頻高壓雙重影響下復(fù)合絕緣子芯棒的老化特性進(jìn)行研究。仿真不同濕度下的電場(chǎng)分布，搭建電老化試驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)比不同條件下樣品的掃描電鏡圖像、熱重曲線、傅里葉紅外光譜和能譜元素含量變化，得到不同時(shí)長(zhǎng)工頻高壓對(duì)不同濕度復(fù)合絕緣子芯棒老化的影響規(guī)律。

1 電場(chǎng)仿真

為了探究濕度對(duì)芯棒附近電場(chǎng)分布的影響，首先對(duì)不同濕度下介質(zhì)阻擋放電的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。依據(jù)表1中實(shí)際使用的電極參數(shù)在SolidWorks中建立如圖1所示模型，并將其導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行仿真。

圖1 電極模型Fig.1 Electrode model

表1 電極模型參數(shù)Tab.1 Electrode model parameters

仿真時(shí)使用瞬態(tài)電場(chǎng)仿真模塊，上電極施加峰值為17 kV的工頻交流電壓，下電極接地，電壓設(shè)為0 V。外部環(huán)境通過更改相對(duì)介電常數(shù)分別設(shè)為干燥空氣和不同濕度空氣[15]。

每種仿真條件下選取電流峰值時(shí)刻電極中心面上電場(chǎng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果，同時(shí)由于電極模型為軸對(duì)稱形式，可以選取電極中心面直徑上的電場(chǎng)分布數(shù)據(jù)來近似對(duì)整個(gè)平面上的電場(chǎng)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)空氣環(huán)境下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度在中心平面上呈對(duì)稱分布，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在樣品與空氣交界面附近。樣品區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度基本不變，但小于交界處。隨著遠(yuǎn)離交界處，電極覆蓋范圍內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性減小，電極范圍以外緩慢減小。由圖2(b)不同濕度下沿中心平面直徑的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線可以發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著濕度變化具有很大變化，當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)小于3.6時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度分布與空氣中類似，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在交界面，樣品區(qū)域稍小。此時(shí)，隨著濕度增加，即隨著相對(duì)介電常數(shù)增大，電場(chǎng)強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，交界面處電場(chǎng)強(qiáng)度相差不大，均為4.5 kV/cm左右，但樣品區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。純空氣條件下樣品區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.27 kV/cm，潮濕條件下（ε=2.3）電場(chǎng)強(qiáng)度為3.67 kV/cm。當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)正好為3.6時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度突變現(xiàn)象消失。一旦相對(duì)介電常數(shù)超過3.6，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值會(huì)出現(xiàn)在樣品區(qū)域，相對(duì)介電常數(shù)越大，則電場(chǎng)強(qiáng)度越高，純水時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到13.7 kV/cm。結(jié)果表明不同濕度的試驗(yàn)環(huán)境會(huì)對(duì)樣品區(qū)域的電場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，濕度越高，場(chǎng)強(qiáng)越大。分析仿真參數(shù)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)介電常數(shù)3.6這個(gè)分界點(diǎn)是芯棒樣品的相對(duì)介電常數(shù)值，說明當(dāng)外部環(huán)境相對(duì)介電常數(shù)小于芯棒的相對(duì)介電常數(shù)時(shí)，芯棒上的電場(chǎng)強(qiáng)度較小；相反情況下，芯棒會(huì)承受更大的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2 不同濕度仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results in different humidity

2 試驗(yàn)

2.1 試樣制備

試樣選用山東同金復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的直徑為24 mm的耐酸芯棒，基體為環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料為玻璃纖維，拉擠成型時(shí)添加少量固化劑和偶聯(lián)劑。將整根芯棒切割成2 mm厚的薄片，并用砂紙將其表面打磨均勻，得到如圖3所示試樣。

圖3 試樣照片F(xiàn)ig.3 Sample photo

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)采用的電路如圖4所示，其中AC為220 V工頻交流電，S為開關(guān)，A為調(diào)壓器，T為變壓器，R為限流電阻，C為試驗(yàn)箱，H為加濕器。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)電路圖Fig.4 Schematic diagram of test platform

圖5為試驗(yàn)箱實(shí)物圖，每個(gè)試驗(yàn)箱中包含6個(gè)等距直線排列的電極，每個(gè)電極的結(jié)構(gòu)與圖1中模型一致。

圖5 試驗(yàn)箱布置圖Fig.5 Experimental chamber arrangement

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，將工頻220 V交流電壓引到調(diào)壓器中，調(diào)整調(diào)壓器使變壓器輸出峰值為17 kV的工頻交流電壓，通過限流電阻施加到4個(gè)試驗(yàn)箱上。其中，2個(gè)試驗(yàn)箱使用干燥劑制造干燥環(huán)境，濕度為30%±3%，2個(gè)試驗(yàn)箱通過加濕器制造潮濕環(huán)境，濕度為90%±3%。加壓時(shí)間選擇200、400、800 h，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)備4個(gè)試樣，以便進(jìn)行后續(xù)材料性能檢測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)加壓后的各試樣進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)選取同批次全新樣品作為對(duì)照組。利用掃描電鏡觀察試樣表面的微觀形貌變化；通過熱重分析儀分析試樣中環(huán)氧樹脂含量變化；通過傅里葉紅外光譜儀和能譜儀分析試樣中特征基團(tuán)和元素的變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 掃描電鏡分析

使用日本HⅠTACHⅠ公司的熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SU5000對(duì)試樣的側(cè)面進(jìn)行分析，放大倍數(shù)為400倍時(shí)，干燥條件與潮濕條件下得到的照片分別如圖6、圖7所示。

圖6 干燥條件下掃描電鏡分析結(jié)果Fig.6 SEM in dry environment

圖7 潮濕條件下掃描電鏡分析結(jié)果Fig.7 SEM in humid environment

由圖6可知，干燥條件下，全新樣品的表面比較光滑，玻璃纖維外均有環(huán)氧樹脂嚴(yán)密包裹，界面結(jié)構(gòu)完好，基本看不到裸露的玻璃纖維，表面存在的部分劃痕應(yīng)為砂紙打磨所致。加壓200 h后，表層樹脂開始出現(xiàn)降解，最外層的玻璃纖維大部分暴露在外，只有一部分還未完全降解的環(huán)氧樹脂出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，但纖維之間的樹脂仍連接緊密。加壓400 h后，環(huán)氧樹脂繼續(xù)降解，此時(shí)除了玻璃纖維表面，相鄰的玻璃纖維間也出現(xiàn)界面缺陷，同時(shí)玻璃纖維上有環(huán)氧樹脂降解的顆粒狀殘留物出現(xiàn)。加壓800 h后，外部玻璃纖維周邊環(huán)氧樹脂完全分解，在纖維上剩余大量殘留物，同時(shí)降解區(qū)域向內(nèi)部發(fā)展。

由圖7可知，潮濕環(huán)境下具有與干燥環(huán)境中類似的趨勢(shì)。隨著加壓時(shí)間增加，樹脂分解從表面向內(nèi)部擴(kuò)散，玻璃纖維裸露部分增加，樹脂與玻璃纖維界面逐漸失效，后期甚至出現(xiàn)玻璃纖維斷裂現(xiàn)象。

對(duì)比不同加壓時(shí)間兩種條件下的掃描電鏡圖可以看出，在加壓400 h之內(nèi)，表面的環(huán)氧樹脂分解情況差距不大。但加壓800 h后，潮濕條件下環(huán)氧樹脂分解更快，表現(xiàn)在不僅表層環(huán)氧樹脂完全分解，里層的環(huán)氧樹脂也有很大部分開始分解，此時(shí)玻璃纖維上的環(huán)氧樹脂分解殘留物更多，表層的部分玻璃纖維由于缺少了環(huán)氧樹脂的保護(hù)，甚至出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。

3.2 熱重分析

用銼刀取試驗(yàn)試樣和全新試樣側(cè)表面粉末，置入美國(guó)TA儀器公司的熱重分析儀TGA Q500中進(jìn)行熱重檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 熱重分析結(jié)果Fig.8 TGA results

由圖8(a)可知，在350～500℃，試樣的質(zhì)量迅速下降，原因是此溫度區(qū)間為環(huán)氧樹脂的分解溫度[16]。在此區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，環(huán)氧樹脂降解速率加快。在500℃以后試樣的質(zhì)量基本不變，取800℃時(shí)殘留率數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的環(huán)氧樹脂含量，作出圖8(b)的環(huán)氧樹脂含量柱狀圖。

分析圖8(b)可知，全新的芯棒環(huán)氧樹脂含量為22.46%，加壓試驗(yàn)后樣品中的環(huán)氧樹脂含量均出現(xiàn)下降，前200 h環(huán)氧樹脂含量下降最快。潮濕條件下加壓800 h后的環(huán)氧樹脂含量最低，為16.92%，降低了5.54%。比較相同條件下的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無論是干燥條件還是潮濕條件，隨著加壓時(shí)間的增加，環(huán)氧樹脂含量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，證明降解的環(huán)氧樹脂比例增加。當(dāng)加壓時(shí)間相同時(shí)，前400 h兩種環(huán)境下的環(huán)氧樹脂含量相差不大，差距約為0.3%。但加壓時(shí)間增加到800 h，潮濕環(huán)境下的環(huán)氧樹脂含量明顯更低，兩者差距達(dá)到1.2%。說明短時(shí)間加壓，外部環(huán)境濕度對(duì)環(huán)氧樹脂的影響不大，但長(zhǎng)時(shí)間加壓時(shí)，環(huán)境中水汽的介入會(huì)加快環(huán)氧樹脂的降解速度。

3.3 傅里葉紅外光譜分析

用銼刀取同樣質(zhì)量試驗(yàn)試樣和全新試樣側(cè)表面粉末，與KBr粉末混合研磨壓片后，使用德國(guó)Bruker公司的傅里葉紅外光譜儀VERTEX70對(duì)試驗(yàn)試樣和全新試樣進(jìn)行檢測(cè)，得到各試樣的紅外吸收光譜曲線如圖9所示。

圖9 傅里葉紅外光譜分析結(jié)果Fig.9 FTIR analysis results

由圖9可知，出現(xiàn)較大變化的吸收峰分別出現(xiàn)在480、1 040、1 182、1 510、1 736、2 970、3 500 cm-1附近。其中480 cm-1對(duì)應(yīng)玻璃纖維中的Si-O鍵，1 040 cm-1和1 182 cm-1對(duì)應(yīng)環(huán)氧樹脂基體中的C-O-C和C-C主鏈結(jié)構(gòu)，1 510 cm-1、2 970 cm-1對(duì)應(yīng)環(huán)氧樹脂基體中的苯環(huán)和甲基，1 736 cm-1對(duì)應(yīng)環(huán)氧樹脂基體中的酯基C=O結(jié)構(gòu)，3 500 cm-1對(duì)應(yīng)O-H分子鍵[17]。沒有新的吸收峰出現(xiàn)，證明沒有新的化學(xué)鍵生成。

上述結(jié)果表明，無論干燥條件還是潮濕條件下，隨著加壓時(shí)間的增加，出現(xiàn)明顯變化的吸收峰強(qiáng)度均降低。其中下降最多的是對(duì)應(yīng)環(huán)氧樹脂基體中主鏈結(jié)構(gòu)的1 040 cm-1和1 182 cm-1處吸收峰，吸收峰強(qiáng)度下降了2/3。其中，前200 h吸收峰強(qiáng)度就下降接近一半，說明表面環(huán)氧樹脂大部分在前200 h就分解了，后600 h分解了1/4。

3.4 能譜分析

使用日本HⅠTACHⅠ公司的熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SU5000配套的能譜分析儀對(duì)試驗(yàn)試樣進(jìn)行能譜分析，得到含量最多的4種元素C、O、Si、Ca含量的變化曲線，如圖10所示。

圖10 能譜分析結(jié)果Fig.10 EDS analysis results

由圖10可知，全新試樣中的C元素占比最多，達(dá)到62.2%，Si和Ca的含量很少，均小于5%。由相關(guān)文獻(xiàn)可知，樣品中的C元素主要存在于環(huán)氧樹脂內(nèi)，O元素在環(huán)氧樹脂和玻璃纖維中均存在，而Si和Ca元素主要存在于玻璃纖維內(nèi)[18]。

分析檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過加壓老化，無論干燥條件還是潮濕條件下，隨著加壓時(shí)間的增加，C元素含量迅速減小，800 h后降低到30%以下，下降了一半多，而O、Si、Ca元素含量均呈增加趨勢(shì)。證明環(huán)氧樹脂隨著加壓時(shí)間增加而分解，被包裹的玻璃纖維暴露出來。

從圖10還可以看出，當(dāng)加壓時(shí)間為200 h時(shí)，兩種試驗(yàn)條件下各元素含量基本相同。當(dāng)加壓時(shí)間為400 h時(shí)，與干燥條件相比，潮濕條件下的Si和Ca元素含量基本相同，但O元素含量更高，C元素含量更低，但相差不超過5%，這可能是在水汽的作用下產(chǎn)生了含氧化合物。當(dāng)加壓時(shí)間增加到800 h，與干燥條件相比，潮濕條件下的C含量明顯更低，相差達(dá)到8.2%。潮濕條件下的O、Si、Ca元素含量高于干燥條件，分別相差3.9%、2.2%和2.3%。

3.5 綜合分析

結(jié)合以上各檢測(cè)結(jié)果，推斷在電場(chǎng)的作用下，芯棒發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。首先，在放電環(huán)境下，環(huán)氧樹脂中大分子聚合物分解為CO2和H2O，如反應(yīng)式（1）所示。同時(shí)，分解的水與環(huán)境中的水參與環(huán)氧樹脂中酯基的水解，破壞了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如反應(yīng)式（2）所示。此時(shí)，環(huán)氧樹脂的含量下降，玻璃纖維表面出現(xiàn)孔洞，形成界面缺陷，失去了保護(hù)作用。

以上兩個(gè)反應(yīng)式能夠解釋與環(huán)氧樹脂相關(guān)檢測(cè)結(jié)果均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的原因。

其次，當(dāng)最外層的環(huán)氧樹脂分解后，玻璃纖維暴露在潮濕環(huán)境中，同時(shí)進(jìn)行離子交換與水解反應(yīng)，使得纖維斷裂，如反應(yīng)式（3）～（5）所示。這能夠解釋為何在掃描電鏡照片中潮濕條件下長(zhǎng)時(shí)間加壓會(huì)出現(xiàn)纖維斷裂。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加壓400 h以內(nèi)，兩種環(huán)境下芯棒參數(shù)差距不大，加壓800 h后潮濕環(huán)境下各參數(shù)與干燥環(huán)境下均下降明顯。分析原因可能是加壓400 h以內(nèi)外層環(huán)氧樹脂含量較多，玻璃纖維沒有大量暴露在外，因此參與反應(yīng)較少。當(dāng)加壓時(shí)間達(dá)到800 h后，由于外層環(huán)氧樹脂已經(jīng)大量降解，玻璃纖維暴露在外，在電場(chǎng)和水汽的作用下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使得纖維斷裂。

4 結(jié)論

（1）由不同環(huán)境下電場(chǎng)仿真結(jié)果可知，隨著環(huán)境中濕度的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值區(qū)域由交界處轉(zhuǎn)移到樣品上，且數(shù)值呈增加趨勢(shì)。轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)為環(huán)境與試樣相對(duì)介電常數(shù)相等時(shí)，本仿真中為3.6。

（2）當(dāng)處于相同的環(huán)境中時(shí)，隨著工頻高壓施加時(shí)間增加，芯棒表層環(huán)氧樹脂在電與水汽的共同作用下快速降解，失去對(duì)玻璃纖維的保護(hù)作用，最終導(dǎo)致玻璃纖維斷裂。本試驗(yàn)條件下，前200 h表層的大量環(huán)氧樹脂已快速分解，分解比例接近一半，后600 h分解了1/4。

（3）當(dāng)加壓時(shí)間相同時(shí)，本試驗(yàn)條件下，加壓400 h前干燥與潮濕條件下芯棒試樣參數(shù)相差不大。加壓800 h后，干燥條件下試樣的各項(xiàng)參數(shù)明顯優(yōu)于潮濕條件。說明水汽能夠加速芯棒的劣化，但要在累計(jì)一定時(shí)間后才會(huì)比較明顯。