復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料設(shè)計(jì)性能和檢測(cè)方法分析

楊 磊,張 銳,武文華,張 虎,徐偲達(dá),梁進(jìn)祥,袁光裕

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,武漢 430074)

0 引言

硅橡膠材料憑借優(yōu)異的憎水性、阻燃性、耐高低溫性、抗老化性、電絕緣性和工藝操作性等,不僅應(yīng)用于汽車、航空航天、建筑和醫(yī)療等事業(yè)[1-3],在電力行業(yè)也得到廣泛運(yùn)用,特別是高壓輸電用復(fù)合絕緣子,在解決我國(guó)電網(wǎng)污閃事故上發(fā)揮了重要作用[4-7]。相比于電瓷絕緣子和玻璃絕緣子,復(fù)合絕緣子起步較晚,20世紀(jì)90年代初才逐步被大量投入到電網(wǎng),由于重量輕、強(qiáng)度高、爬距比大、防污性能好、衫裙不易碎和運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)[8-14],在國(guó)內(nèi)得到了極快發(fā)展,硫化硅橡膠傘裙材料作為復(fù)合絕緣子外絕緣的關(guān)鍵,直接影響輸電線路的安全穩(wěn)定[15-18],因而提高硅橡膠性能一直是電力行業(yè)的重要研究課題。

通過(guò)匯總近幾年國(guó)內(nèi)主流生產(chǎn)企業(yè)送檢的復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的性能試驗(yàn)結(jié)果,基于數(shù)據(jù)分布情況掌握國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀,對(duì)硅橡膠材料在復(fù)合絕緣子領(lǐng)域的選型應(yīng)用、性能檢測(cè)和技術(shù)發(fā)展提供指導(dǎo)性意見(jiàn)[19-22]。

1 設(shè)計(jì)性能

復(fù)合絕緣子技術(shù)的快速進(jìn)步,支撐了國(guó)內(nèi)電力工業(yè)的發(fā)展,同時(shí)也直接影響到大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定,因而合格的材料、合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)良的工藝都必不可少。為全面考核復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的設(shè)計(jì)性能,電力行業(yè)絕緣子標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2009年首次制定和發(fā)布了DL/T 376統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并于2019年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)重新修訂,更新發(fā)布DL/T 376—2019《聚合物絕緣子傘裙和護(hù)套用絕緣材料通用技術(shù)條件》[23],各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求詳見(jiàn)表1。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來(lái)我單位累計(jì)開(kāi)展了近50家制造企業(yè)委托的復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料檢測(cè)試驗(yàn),合格產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果分布詳見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合絕緣子用硅橡膠各項(xiàng)性能標(biāo)準(zhǔn)要求和主流參數(shù)Table 1 Performance standard requirements and main parameters of silicone rubber for composite insulator

2 性能分布情況

2.1 憎水性試驗(yàn)

硅橡膠材料憎水性包括初始特性、減弱特性、恢復(fù)特性和遷移特性,是復(fù)合絕緣子耐污閃能力的重要指標(biāo),目前常用的表征方法包括靜態(tài)接觸角法和噴水分級(jí)法。噴水分級(jí)法相比靜態(tài)接觸角法操作簡(jiǎn)單、客觀真實(shí)且受局部因素影響小,通過(guò)樣品表面的水珠形態(tài)將憎水性分為7個(gè)等級(jí),HC1級(jí)為最強(qiáng)級(jí)別(見(jiàn)圖1(d))。統(tǒng)計(jì)近50家(下同)送檢樣品的噴水分級(jí)情況,結(jié)果顯示,初始特性所有樣品均為HC1級(jí),減弱特性(分布情況見(jiàn)圖1(a))超過(guò)半數(shù)分布在HC3級(jí),恢復(fù)特性(分布情況見(jiàn)圖1(b))65%分布在HC2級(jí),遷移特性(分布情況見(jiàn)圖1(c))基本分布在HC2和HC3級(jí),不同產(chǎn)品的憎水性在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)表現(xiàn)出一定的差異性。

圖1 憎水性試驗(yàn)分布情況和試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Distributionof hydrophobicity and testpicture

2.2 電氣性能試驗(yàn)

硅橡膠材料作為復(fù)合絕緣子外絕緣的重要組成部分,是絕緣子長(zhǎng)期在高壓環(huán)境中運(yùn)行的關(guān)鍵,標(biāo)準(zhǔn)中通常用交流擊穿強(qiáng)度來(lái)表征硅橡膠的電氣絕緣性能,樣品厚度統(tǒng)一規(guī)定為1 mm。統(tǒng)計(jì)送檢樣品擊穿強(qiáng)度(交流)分布情況見(jiàn)圖2,整體結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但跨度較大,超過(guò)80%的產(chǎn)品擊穿強(qiáng)度在20 kV/mm～25 kV/mm范圍內(nèi),有少量產(chǎn)品超過(guò)30 kV/mm,表明不同制造企業(yè)在配方和工藝上存在較大差異。

圖2 擊穿強(qiáng)度(交流)分布情況和擊穿樣品Fig.2 AC puncture strength distribution and breakdown sample

2.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

復(fù)合絕緣子在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行中均可能受到機(jī)械應(yīng)力作用,因此硅橡膠材料需要具有一定的機(jī)械性能,通常采用拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和抗撕裂強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行表征。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,拉伸強(qiáng)度(分布情況見(jiàn)圖3(a))超過(guò)60%分布在4 MPa～5 MPa,拉斷伸長(zhǎng)率(分布情況見(jiàn)圖3(b))近半數(shù)分布在150%～250%,抗撕裂強(qiáng)度(分布情況見(jiàn)圖3(a))54%分布在10 kN/m～15 kN/m,各項(xiàng)參數(shù)跨度均較大,不同生產(chǎn)企業(yè)存在明顯差異。

圖3 機(jī)械性能分布情況和試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Mechanical strengthdistribution and testpicture

2.4 硬度變化試驗(yàn)

作為復(fù)合絕緣子的傘裙和護(hù)套材料,硅橡膠材料需要足夠的硬度來(lái)保證傘形結(jié)構(gòu),同時(shí)需要在冷熱交替環(huán)境應(yīng)力下保持相對(duì)穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)室一般通過(guò)測(cè)量水煮前后硬度和硬度變化率來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,硬度(分布情況見(jiàn)圖4(a))超過(guò)60%分布在60ShoreA～70ShoreA,硬度變化率(分布情況見(jiàn)圖4(b))將近一半分布在0～2%,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝已經(jīng)能將硬度和穩(wěn)定性控制在較好的水平。

圖4 硬度變化分布情況Fig.4 Hardness change distribution

2.5 其他試驗(yàn)

除上述各項(xiàng)性能外,還需要硅橡膠材料在嚴(yán)苛的高壓環(huán)境下即使發(fā)生了表面放電也能夠保持穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電蝕損和起火燃燒等問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)室通常采用耐漏電起痕試驗(yàn)和垂直燃燒試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行考核。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在TMA4.5級(jí)條件下,電蝕損的深度分布在0.5 mm～1.8 mm范圍內(nèi),阻燃性能均能達(dá)到FV-0級(jí)。

3 分析與建議

國(guó)內(nèi)主流企業(yè)生產(chǎn)的硫化硅橡膠材料設(shè)計(jì)性能基本能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 376—2019要求和高壓輸電需求,不同制造企業(yè)的樣品試驗(yàn)結(jié)果分散性和跨度較大,表明國(guó)內(nèi)配方、工藝等制造水平存在一定差異。目前,DL/T 376—2019僅考慮了一般運(yùn)行工況,所提出的技術(shù)參數(shù)和檢驗(yàn)規(guī)則是通用要求,我國(guó)地域遼闊,存在高污染區(qū)、沿海地區(qū)、高風(fēng)沙區(qū)和長(zhǎng)期高濕區(qū)等環(huán)境,實(shí)際運(yùn)行條件復(fù)雜多樣,針對(duì)這些區(qū)域,硅橡膠絕緣材料的設(shè)計(jì)、選型和選用原則也需區(qū)別對(duì)待,才有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子預(yù)期使用壽命的目標(biāo)。

硅橡膠中的主要成分包括甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、氫氧化鋁填料和二氧化硅填料等,其中PDMS結(jié)構(gòu)呈螺旋狀,主鏈為Si-O-Si有序排列,且Si-O鍵極性可相互抵消,側(cè)鏈為非極性的Si-(CH3)2基團(tuán),在高溫和交聯(lián)劑等作用下交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),網(wǎng)狀內(nèi)部未交聯(lián)的非極性小分子可遷移至表面,使得硅橡膠材料具有很好的憎水性能[24-26]。憎水性一直是復(fù)合絕緣子關(guān)注的重點(diǎn),特別是長(zhǎng)期運(yùn)行后憎水性保持能力、遷移能力以及環(huán)境應(yīng)力消除后的恢復(fù)能力,而PDMS含量高低直接影響憎水性能的優(yōu)劣,目前電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中尚未對(duì)其作出規(guī)定,建議可在通用技術(shù)條件中引入膠體含量測(cè)試方法,保證復(fù)合絕緣子的耐污閃性能[27-31]。此外,目前部分企業(yè)生產(chǎn)的硅橡膠在其他性能參數(shù)方面相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求尚有很大裕度,建議優(yōu)先保證憎水性長(zhǎng)期運(yùn)行持久性,在一定范圍內(nèi)可平衡標(biāo)準(zhǔn)中的其他部分參數(shù)。

運(yùn)行工況下的復(fù)合絕緣子處于漫長(zhǎng)而復(fù)雜的環(huán)境中,硅橡膠材料受到多重應(yīng)力作用,包括光、熱、電、機(jī)械作用力等因素,目前電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的通用技術(shù)條件均是獨(dú)立考核單項(xiàng)性能,與實(shí)際運(yùn)行情況不完全吻合,在試驗(yàn)條件允許的條件下,可考慮設(shè)計(jì)引入多因素試驗(yàn)方法,綜合評(píng)估硅橡膠的性能,得出更加貼合實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù),保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)論

1)目前國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子用硅橡膠設(shè)計(jì)性能已完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和高壓輸電需求,但不同廠家參數(shù)分散性較大,原料配方、制造工藝和生產(chǎn)水平存在差異;

2)基于復(fù)合絕緣子運(yùn)行環(huán)境和功能的差異性,可針對(duì)性的研發(fā)、生產(chǎn)、送檢不同配方和設(shè)計(jì)的硅橡膠材料,便于后期產(chǎn)品選型;

3)PDMS膠體含量的高低直接決定硅橡膠憎水性的優(yōu)劣,建議可在標(biāo)準(zhǔn)中引入膠體含量的檢測(cè)方法,確保入網(wǎng)復(fù)合絕緣子傘裙和護(hù)套的含膠量;

4)復(fù)合絕緣子用硅橡膠性能設(shè)計(jì)上,在優(yōu)先保證憎水性長(zhǎng)期運(yùn)行持久的前提下,可考慮適當(dāng)平衡現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中部分其他參數(shù)要求;

5)在現(xiàn)行硅橡膠的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中,可考慮引入多因素綜合試驗(yàn)方法,充分結(jié)合各種運(yùn)行因素進(jìn)行性能測(cè)試,保證結(jié)果更具實(shí)際性和參照價(jià)值。