潮濕環(huán)境下涂覆硅脂的電纜附件界面性能研究

陳騰彪，詹威鵬，崔伯男，趙偉利，胡力廣，羅智奕，姜泉旭，王 霞

（1. 廣東電網(wǎng)有限公司深圳供電局，廣東 深圳 518000；2. 西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引言

電纜附件是電纜系統(tǒng)運行中的最薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，超過70%的電纜故障源于電纜附件的絕緣破壞[1]，因此提升電纜附件的可靠性具有重要意義。硅橡膠材料因其絕緣性能優(yōu)異、機械強度優(yōu)良等特點，常用作電纜附件的絕緣材料，在電纜附件中得到了廣泛的應用[2-4]。在電纜附件的實際安裝過程中，附件內(nèi)側(cè)與電纜絕緣接觸面會涂覆一層硅脂[5]，硅脂具有優(yōu)良的耐高壓、防爬電、憎水防潮、潤滑無腐蝕、抗氧化、化學穩(wěn)定性和潤滑性，涂覆硅脂可以提升安裝過程的潤滑性，也可以提升附件界面處的絕緣性能[6-8]。

電纜附件在運行過程中受到熱、電及機械應力場的復合作用，復合場作用會加速硅橡膠的老化[9]。附件界面處的硅脂對界面性能穩(wěn)定起著關鍵作用，雖然界面涂覆硅脂可以提升附件界面擊穿電壓，但硅脂本身分子結(jié)構(gòu)與硅橡膠類似，長期與硅橡膠接觸易發(fā)生溶脹，破壞硅橡膠分子結(jié)構(gòu)，導致附件絕緣性能劣化[10-12]。目前針對電纜附件界面性能與涂覆硅脂對界面的影響已有一定研究，方春華等[13]建立電纜中間接頭三維有限元模型，研究了硅脂對雜質(zhì)缺陷電場的抑制作用，發(fā)現(xiàn)未涂抹硅脂、硅脂涂抹不均勻均會造成界面電場畸變嚴重；王霞等[14]選取了極性相近但分子基團差異較大的兩種普通硅脂，并對涂覆這兩種硅脂的硅橡膠進行老化處理，發(fā)現(xiàn)硅脂溶脹協(xié)同電暈老化破壞了硅脂與硅橡膠的表面形態(tài)與交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使硅橡膠的分子鏈斷裂更加嚴重；趙莉華等[15]研究了硅油/硅脂在硅橡膠內(nèi)分子動力學擴散過程的數(shù)學物理模型，認為硅油/硅脂在硅橡膠內(nèi)擴散遵循Langmuir 擴散規(guī)律，隨著硅油/硅脂的黏度增大，吸收速率變慢；ZHU BIN 等[16]在研究硅脂溶脹后硅橡膠的力學性能時還考慮了硬度的因素，發(fā)現(xiàn)在溶脹過程中硅橡膠的硬度也顯著降低。

目前對附件界面的影響主要集中于電老化或熱老化下硅脂與硅橡膠性能的變化，而在電纜附件的制作與運行過程中，環(huán)境中的水分容易進入附件內(nèi)部，造成附件受潮，影響附件的運行。目前研究缺乏考慮不同環(huán)境濕度對界面性能的影響。本文對涂覆硅脂的硅橡膠分別進行靜置、潮濕、電暈及潮濕-電暈協(xié)同老化，研究潮濕環(huán)境下硅脂、硅橡膠及XLPE 介電性能的變化，通過對老化后硅橡膠進行表面形態(tài)的觀察、硅橡膠紅外分析、力學性能及界面擊穿電壓的測量，分析潮濕環(huán)境下硅脂溶脹、硅橡膠性能劣化機理及界面性能的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 試樣制備

（2）SIR 試樣制備：選用深圳沃爾電纜附件廠提供的SIR 交聯(lián)料，使用平板硫化機在170℃、15 MPa條件下壓制成直徑為10 cm、厚度約為2 mm 的試樣。試樣高溫硫化后進行冷卻。

（3）硅脂：選用中天科技提供的電纜附件安裝涂覆用電氣絕緣硅脂。

1.2 老化實驗

設置靜置老化、潮濕老化、電暈老化與潮濕-電暈協(xié)同老化各1組。

靜置老化：將涂覆硅脂的硅橡膠試樣放入溫度為25℃的烘箱。潮濕老化：將涂覆硅脂的硅橡膠試樣放入恒溫恒濕烘箱中，設置環(huán)境相對濕度為100%，溫度為25℃。電暈老化的實驗裝置如圖1 所示，實驗時高壓銅電極接15 kV 交流高壓，位于銅電極下方的試樣暴露于電暈放電環(huán)境下進行電暈老化。潮濕-電暈協(xié)同老化：將電暈老化裝置放入恒溫恒濕烘箱中進行老化，控制環(huán)境相對濕度為100%，溫度為25℃。

圖1 電暈老化實驗裝置Fig.1 Experimental device of corona ageing

上述所有老化實驗控制相同老化時間，每次老化周期均為240 h。

1.3 測試方法

1.3.1 潮濕環(huán)境吸水實驗

另外，在選擇審計項目時，不能只注重單個審計項目目標，忽視多個審計項目目標的整體性，而應先確定主要目標，然后圍繞主題，多角度地選擇若干同類項目的子項目開展審計，以求找出共性、全局性的規(guī)律，在更廣泛的范圍內(nèi)提出審計建議，做到標本兼治，在更高層面上發(fā)揮國家審計的“免疫系統(tǒng)”功能。

將涂覆硅脂的SIR試樣、硅脂試樣、未涂覆硅脂的SIR 試樣置于恒溫恒濕烘箱中，在常溫下控制環(huán)境相對濕度分別為20%、60%和100%，對硅脂、SIR與XLPE 試樣進行長期潮濕老化，每隔24 h 記錄一次3種試樣的質(zhì)量變化，計算試樣質(zhì)量變化率，共記錄15天。

1.3.2 試樣介電性能測試

將SIR試樣、XLPE試樣與硅脂試樣進行潮濕老化后，設置20%、60%與100%相對濕度，測量硅脂、SIR 與XLPE 的相對介電常數(shù)與tanδ。其中SIR 與XLPE 利用西林電橋三電極系統(tǒng)測量，硅脂形態(tài)接近于液體，因此采用液體電極測量。

1.3.3 試樣顯微觀察

將不同老化處理后涂覆硅脂的SIR試樣放置于BX51-P偏光顯微鏡下觀察表面形態(tài)。

1.3.4 試樣紅外光譜分析

通過紅外光譜測試儀對不同老化處理后涂覆硅脂的SIR 試樣表面與擦除表面涂覆硅脂后的SIR試樣進行測試。

1.3.5 老化試樣的力學性能測試

為了探究不同老化形式對涂覆硅脂SIR力學性能的影響，根據(jù)GB/T 1040.3—2006，對硅脂涂覆SIR 進行不同老化處理后，將SIR 表面涂覆的硅脂擦去，試樣裁剪為標準啞鈴形狀，采用CMT4503-5kN電子萬能試驗機進行機械拉伸實驗。

1.3.6 SIR/XLPE復合界面擊穿測試

通過SIR/XLPE 復合界面擊穿實驗研究不同老化形式下的界面擊穿特性，實驗裝置如圖2 所示。利用銅箔制作針、板電極，貼附于SIR 與XLPE 界面中，針板之間距離2 mm，針電極尖端夾角為30°。為模擬電纜附件實際運行過程中界面處的壓力，在針板電極之間的間隙施加0.1 MPa 的壓強，每組實驗至少獲得10組有效數(shù)據(jù)，去掉最大值與最小值之后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到該條件下的界面擊穿電壓[17]。實驗前對涂覆硅脂的SIR 試樣進行老化，實驗時再將XLPE與老化后的SIR試樣進行組合。

圖2 界面擊穿實驗裝置Fig.2 Equipment of breakdown voltage at interface

2 實驗結(jié)果

2.1 潮濕環(huán)境下試樣吸水特性與介電性能

實驗發(fā)現(xiàn)SIR 與XLPE 試樣在各種濕度環(huán)境中放置15 天后質(zhì)量變化率均未超過0.2%，且各種濕度下質(zhì)量變化率區(qū)別不明顯，因此認為SIR與XLPE在潮濕環(huán)境中不吸水。圖3為不同濕度環(huán)境下硅脂質(zhì)量變化率。由圖3 可知，不同濕度環(huán)境下硅脂的質(zhì)量變化率差異明顯，隨著環(huán)境濕度的增加，硅脂的質(zhì)量變化率顯著上升，且硅脂的吸水存在飽和現(xiàn)象，當老化時間達到10天時，硅脂的質(zhì)量趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，說明潮濕環(huán)境中硅脂的吸水特性遠大于SIR與XLPE。

圖3 不同濕度環(huán)境硅脂質(zhì)量變化率Fig.3 Mass change rate of silicone grease in different humidity environments

不同濕度老化下各試樣的介電性能如表1～2所示。

表1 不同濕度條件各試樣相對介電常數(shù)Tab.1 Relative permittivity of samples under different humidity conditions

由表1可以看出，XLPE、SIR的相對介電常數(shù)不隨環(huán)境濕度的變化而變化，而硅脂的相對介電常數(shù)隨著環(huán)境濕度的增加顯著升高。由表2 可以看出，環(huán)境濕度對XLPE、SIR 與硅脂的tanδ影響均較小，但硅脂的tanδ明顯高于XLPE與SIR。

表2 不同濕度條件各試樣的tanδTab.2 Tanδ of samples under different humidity conditions

2.2 試樣表面顯微觀察與紅外光譜分析

未涂覆硅脂的硅橡膠表面與剛涂覆硅脂的硅橡膠表面微觀形態(tài)如圖4 所示。從圖4 可以看見，硅橡膠本身表面存在較多的劃痕，顯微鏡下可以很清晰地區(qū)分硅脂與硅橡膠。在靜置老化條件下，涂覆硅脂的硅橡膠表面幾乎沒有變化。

圖4 硅橡膠表面微觀形態(tài)Fig4 Surface micromorphology of silicone rubber

潮濕老化、電暈老化、潮濕-電暈協(xié)同老化不同時間后的硅橡膠表面微觀形態(tài)如圖5～7所示。

圖5 涂覆硅脂硅橡膠潮濕老化表面微觀形態(tài)Fig.5 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after wet ageing

圖6 涂覆硅脂硅橡膠電暈老化表面微觀形態(tài)Fig.6 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after corona ageing

圖7 涂覆硅脂硅橡膠潮濕-電暈協(xié)同老化表面微觀形態(tài)Fig.7 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after corona and wet ageing

從圖5～7可以看出，潮濕老化條件下硅脂可以完整地覆蓋硅橡膠表面，視野中沒有裸露的硅橡膠；電暈老化條件下，涂覆硅脂表面出現(xiàn)大量孔洞和明顯的電暈放電痕跡，涂覆硅脂顏色發(fā)黃，硅脂無法完全覆蓋硅橡膠，使硅橡膠直接暴露在電暈老化條件下；潮濕-電暈協(xié)同老化條件下，涂覆硅脂出現(xiàn)的孔洞數(shù)量更多、面積更大，存在電暈放電的痕跡，相較于電暈老化的結(jié)果，可以看出表面殘余的硅脂量更少，硅橡膠裸露的面積更大。由此可知潮濕環(huán)境單獨作用對硅脂的作用并不明顯，但環(huán)境濕度的增加將提升電暈老化對硅脂的破壞作用，加速涂覆硅脂硅橡膠的劣化。

圖8 為不同老化形式老化240 h 后硅橡膠的紅外光譜，圖9 為硅橡膠與硅脂的分子結(jié)構(gòu)簡式。從圖8 可以看出，伴隨著不同的老化形式，波數(shù)700 cm-1處的Si(CH3)3鍵吸光度上升，波數(shù)785 cm-1處的Si(CH3)2鍵、1 007 cm-1處的Si-O-Si 鍵與2 960 cm-1處的C-H 鍵吸光度下降，吸光度上升說明檢測到硅橡膠中化學鍵物質(zhì)的量升高，反之下降，通過化學鍵物質(zhì)的量的變化可以表征硅橡膠中分子鏈破壞情況?？梢钥闯龀睗?電暈協(xié)同老化對硅橡膠各主要基團吸光度的影響最大，硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團的裂解現(xiàn)象最嚴重，電暈老化次之，單一潮濕老化帶來的影響很小。

圖8 不同老化形式硅橡膠紅外光譜比較Fig.8 Comparison of infrared spectra of different ageing forms of silicone rubber

圖9 硅脂與硅橡膠的主鏈結(jié)構(gòu)Fig.9 Main chain structure of silicone grease and silicone rubber

2.3 試樣力學性能測試

圖10 為不同老化形式下涂覆硅脂硅橡膠的斷裂伸長率、拉伸強度與彈性模量隨老化時間變化的關系。從圖10可以看出，對硅橡膠力學性能影響最大的老化方式為潮濕-電暈協(xié)同老化，電暈老化的單獨影響大于潮濕老化的影響。隨著老化時間的增加，硅橡膠試樣的拉伸強度與斷裂伸長率均有所降低，在潮濕-電暈協(xié)同老化作用下，硅橡膠的性能已經(jīng)低于國標GB/T 11017.3—2002 規(guī)定的110 kV電纜附件硅橡膠斷裂伸長率>450%、拉伸強度>5.0 MPa 的要求。電暈老化與潮濕-電暈協(xié)同老化實驗中發(fā)現(xiàn)，當老化時間達到240 h 時，硅橡膠表面涂覆的硅脂出現(xiàn)龜裂的情況，使硅橡膠直接暴漏在電暈的環(huán)境中，硅橡膠表面出現(xiàn)樹枝狀裂痕，硅橡膠力學性能的劣化程度加劇。

圖10 不同老化形式下硅橡膠力學性能比較Fig.10 Comparison of mechanical properties of different ageing forms of silicone rubber

2.4 SIR/XLPE復合界面擊穿特性研究

同種硅脂不同老化形式下老化240 h 后的SIR/XLPE 界面擊穿電壓如表4 所示。由表4 可知，未涂覆硅脂時的界面擊穿電壓為16.1 kV，涂覆硅脂后界面擊穿電壓提升到22.1 kV，可知界面處涂覆硅脂有助于提升界面擊穿電壓。靜置老化后，界面擊穿電壓幾乎不變，而潮濕老化后界面擊穿電壓降至16.8 kV，表明潮濕環(huán)境會明顯劣化界面耐壓水平。電暈老化后界面擊穿電壓也下降十分明顯。潮濕-電暈老化條件下，界面擊穿電壓低于未涂覆硅脂時的界面擊穿電壓，分析認為長期在潮濕電暈環(huán)境下運行，界面處涂覆硅脂會失去其提升界面擊穿電壓的作用。比較不同老化形式下界面擊穿電壓標準差可知，潮濕-電暈協(xié)同老化的標準差遠大于其他老化形式，意味著潮濕-電暈協(xié)同老化界面處耐壓水平最不均勻，發(fā)生擊穿時的擊穿電壓很可能低于測試結(jié)果。

表4 不同老化條件下SIR/XLPE界面擊穿電壓Tab.4 Interface breakdown voltage of SIR/XLPE under different ageing conditions

3 結(jié)果討論

在潮濕環(huán)境中，水分子在SIR、XLPE 及硅脂中是一個擴散過程，滿足Fick 擴散模型[18]。在相同環(huán)境濕度下，硅脂的質(zhì)量變化率遠大于SIR 與XLPE，說明水分子更容易通過滲透作用進入小分子結(jié)構(gòu)的硅脂中，并與硅脂內(nèi)部基團結(jié)合，改變硅脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而水分子在高分子鏈的SIR 與XLPE 中擴散困難，可以認為XLPE、SIR 在潮濕環(huán)境中基本不吸水。由于水分子是極性分子，當其擴散到硅脂中時，提高了硅脂的極性，繼而提升了硅脂的介電常數(shù)。潮濕環(huán)境通過改變附件界面處硅脂的性質(zhì)影響界面特性。

如圖9所示，硅脂與硅橡膠均以硅氧鍵為主鏈，側(cè)鏈上存在大量的Si(CH3)2、Si(CH3)3基團分子結(jié)構(gòu)，但硅橡膠為長分子鏈，鏈長n＞5 000，而硅脂的鏈長約為10[19-20]。硅脂與硅橡膠結(jié)構(gòu)類似，相似結(jié)構(gòu)易發(fā)生相似相溶，小分子硅脂作為溶劑分子經(jīng)滲透作用進入硅橡膠高分子鏈，發(fā)生溶脹作用，硅脂的溶脹作用破壞了硅橡膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過不同老化形式下紅外光譜結(jié)果可知，在潮濕環(huán)境下，硅脂溶脹更容易破壞硅橡膠側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)。潮濕老化形式下，硅橡膠中主鏈對應基團吸光度變化不明顯，而側(cè)鏈基團吸光度出現(xiàn)了明顯的下降，這是因為Si(CH3)2的極性大于Si-O-Si的極性，更易與極性增強的硅脂相作用。而在電暈老化及潮濕-電暈協(xié)同老化下，無論主鏈基團還是側(cè)鏈基團，硅橡膠紅外光譜均出現(xiàn)顯著變化。電暈老化產(chǎn)生的電子能量最高為936 kJ/mol，遠高于硅氧鍵的鍵能446 kJ/mol、Si(CH3)2中C-H 鍵的鍵能413 kJ/mol[21]，將造成硅脂與硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團的斷裂，反映在紅外光譜中表現(xiàn)為對應基團吸光度的下降，包括Si(CH3)2、Si-O-Si 及C-H 鍵，側(cè)鏈大量Si(CH3)2的裂解導致出現(xiàn)了更多包含Si(CH3)3的短分子鏈，因此Si(CH3)3的吸光度上升。從硅橡膠表面結(jié)構(gòu)的觀察可知，電暈老化嚴重破壞了硅脂的結(jié)構(gòu)，部分硅橡膠直接裸露于電暈放電環(huán)境中，進一步加劇了硅橡膠的老化。潮濕-電暈協(xié)同老化下，硅脂吸水極性更強，硅脂吸水加劇了硅脂的不均勻程度，更容易與硅橡膠發(fā)生溶脹作用，硅橡膠側(cè)鏈的破壞更加嚴重，Si(CH3)2濃度下降程度與Si(CH3)3濃度上升程度均更加明顯。潮濕-電暈協(xié)同老化下硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團吸光度變化最為明顯，說明潮濕-電暈協(xié)同老化對硅脂溶脹的影響最大，導致硅橡膠分子結(jié)構(gòu)的變化最明顯。

電暈老化作用于硅橡膠，既會產(chǎn)生高能帶電粒子作用于硅橡膠表面，表現(xiàn)為硅橡膠表面出現(xiàn)凹坑與裂紋，其能量高于硅橡膠基團鍵能，導致硅橡膠分子鏈的斷裂，又會在環(huán)境中產(chǎn)生臭氧，對硅橡膠試樣產(chǎn)生化學腐蝕。從偏光顯微照片可以看出，潮濕-電暈老化下的凹坑與裂紋比電暈老化更為明顯，證明在該老化條件下硅橡膠產(chǎn)生的破壞更為嚴重。同時由于硅脂的溶脹作用導致硅橡膠表面涂覆硅脂變干，潮濕-電暈老化下更多的硅橡膠直接暴露于電暈環(huán)境下，涂覆硅脂進一步失去對硅橡膠的保護作用。潮濕-電暈的劣化作用表現(xiàn)在力學實驗與界面擊穿實驗中其劣化程度最為嚴重。在界面擊穿實驗中，由于潮濕-電暈協(xié)同老化下界面處硅脂類似于工程液體，水分易于沿電場方向極化定向排列成雜質(zhì)小橋，高場強下水分汽化、氣泡擴大，容易沿氣橋方向發(fā)生擊穿，進一步導致界面擊穿電壓降低。

4 結(jié)論

（1）潮濕環(huán)境對附件絕緣材料SIR 和電纜絕緣XLPE 的介電性能影響很小，對硅脂的性能影響明顯，高濕度環(huán)境主要通過影響界面處硅脂性能繼而影響界面性能。

（2）潮濕環(huán)境單獨作用對硅橡膠分子鏈破壞不明顯，但潮濕-電暈協(xié)同老化會加速硅脂的溶脹與對硅橡膠分子結(jié)構(gòu)的破壞，從而直接導致其力學性能下降。

（3）潮濕環(huán)境下硅脂極性增加，界面擊穿電壓相對未涂覆硅脂時增加，潮濕-電暈協(xié)同老化由于界面硅脂極性增加與電暈破壞硅橡膠硅脂結(jié)構(gòu)的雙重作用，導致涂覆硅脂后界面擊穿電壓反而下降。