硅橡胶复合套管伞裙修复技术

2012-09-03欧庆然

电力安全技术 2012年1期

关键词：劣化硅橡胶水性

欧庆然

(广州供电局，广东广州 510235)

对已劣化的硅橡胶复合套管的伞群表面进行修复处理，消除硅橡胶伞裙伞套脆化、硬化、粉化、开裂等缺陷，恢复硅橡胶复合套管伞裙表面的憎水性和憎水迁移性，保证硅橡胶复合套管具有良好的防污闪性能，是确保硅橡胶复合套管设备安全可靠运行的重要措施。

1 硅橡胶复合套管使用特点

硅橡胶复合空心设备具有重量轻、耐污性能和防爆性能优异等优点。硅橡胶复合空心设备取代瓷空心设备在互感器、断路器及套管等电气设备上使用，既提高了电气设备的耐污等级，又克服了瓷空心设备易碎、易开裂和易爆炸的隐患。

复合套管具有绝缘性能稳定、耐污性能好、重量轻、防爆、运行安全可靠等优点。复合套管一般由玻璃纤维增强树脂套筒和硅橡胶伞裙护套组成。玻璃纤维增强树脂套筒作为内绝缘的同时，还起到机械支承作用。硅橡胶伞裙护套一方面作为良好的外绝缘，另一方面还起到保护树脂套筒免受恶劣大气环境侵袭的作用。

我国使用硅橡胶复合材料作为输变电设备已有十几年的历史。运行经验证明，硅橡胶复合绝缘材料的机械性能、电气性能和稳定特性等均能满足运行要求。但是，部分硅橡胶复合套管在运行一定年限后会出现伞裙表面憎水性减弱，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象。这是因为在环境因素单独作用下，有机材料的性能会因各种物理变化和化学变化而劣化，同时在电场、机械负荷与环境因素的共同作用下有机材料性能会进一步劣化。据相关文献指出，污秽与湿润共存所导致的电晕放电、表面放电以及紫外线、酸雨等侵蚀是影响硅橡胶复合材料劣化的主要因素，其中表面放电的影响最为显著。

2 硅橡胶材料设备特性

目前电力系统使用的复合设备、复合套管及涂料的主要成分是硅橡胶。有机硅橡胶材料是由线性聚硅氧烷混入补强填料，在加热加压条件下经过硫化生成的特殊合成弹性体。因为它完美地平衡了机械性能和化学性能，所以能很好地满足不同的应用条件。高温硫化硅橡胶是目前高压复合设备、复合套管中应用比较广泛的伞裙护套材料，它是由未经硫化(交联)的分子量为45万～70万的聚二甲基硅氧烷和补强填料、阻燃填料、抗电弧填料、结构控制剂、硫化剂等混合后，经过加热加压硫化而成的。它具有优良的电气绝缘性能及优良的抗电晕、抗电弧、防水防潮等性能。

硅橡胶伞裙在复合套管的外面起承受高电场和保护玻璃钢套管的作用，因此要求其具有电绝缘性、耐漏电起痕、耐电弧、耐候、阻燃、耐低温及实用的物理机械性能。为此，在硅橡胶混炼中添加氢氧化铝粉末来提高它的耐漏电起痕等级，添加白炭黑作为补强填料来提高它的拉伸强度、撕裂强度等机械性能，添加三氧化二铁来改善它的耐热性能等。

3 硅橡胶伞裙劣化分析

硅橡胶伞裙常年暴露在大气环境中，除长期承受强电场作用外，还经常受到日晒、雨淋、风沙、高温和严寒等恶劣气候条件的影响，必然会出现绝缘老化的问题。虽然硅橡胶具有优异的耐光辐射、耐高低温、耐臭氧和耐霉菌等抗老化性能，但由于硅橡胶中硅氧烷分子结构质量的差异，各种填充剂颗粒表面性能作用不同，都将降低其耐老化性能。

强电场作用下的局部放电、冷热聚变、酸雨导致的受潮水解和紫外线等高能射线辐射的长期作用，是导致硅橡胶材料老化的主要原因。而材料老化也会使设备的机电性能变坏。

3.1 局部放电引起硅橡胶材料劣化损伤的机理

(1) 局部放电产生的带电粒子撞击硅橡胶表面，使有机硅橡胶分子的主链断裂，发生解聚或变成低分子。

(2) 局部放电使设备表面局部温度上升，高温又诱发硅橡胶材料化学分解。

(3) 局部放电产生的活性气体O3、NO、NO2等的氧化作用和氧化物产生的H+的腐蚀作用，能使硅橡胶材料加速劣化，形成线型或环状小分子。硅橡胶材料中的颜料、填料会从网络结构中分离出来，产生粉化等现象。

(4) 局部放电产生的紫外线或X射线的中长波部分会导致硅橡胶材料分解、解聚。

3.2 紫外线等高能射线辐射引起的老化机理

硅橡胶材料中的Si-O-Si键及Si-C键对部分波长紫外线的选择性吸收是其耐老化性能的关键。作为到达地面的太阳光中波长最短的部分，紫外线具有很高的能量。太阳光中243 nm波长紫外线的能量为482 kJ/mol，310 nm波长紫外线的能量为399 kJ/mol，365 nm波长紫外线的能量为328 kJ/mol。而作为聚二甲基硅氧烷分子中的主要化学键，S-O键键能为447 kJ/mol，Si-C键键能为301 kJ/mol。

硅橡胶表现出优异的憎水性是由于围绕硅氧主链紧密排列的非极性甲基基团向表面取向，屏蔽了硅氧键的强极性作用。不同波长的紫外线几乎可以选择性地破坏聚二甲基硅氧烷分子中几乎所有的化学键。而硅橡胶优良的卷曲性源自Si-O键可以大范围运动的键角，部分波长适宜的紫外线可破坏Si-O化学键，这是造成硅橡胶试样发生硬化、柔顺性降低的主要原因，同时一定波长的紫外线切断Si-C键后，硅橡胶伞裙的有机组分和颜料、填料会失去相互间的作用力，在表面形成粉末状态，从而造成伞裙表面粉化现象。Si-C键断裂后，甲基基团会脱离原来的Si-O链，在一定波长紫外线的强能量作用下其中的部分化学键又被切断，部分甲基基团被破坏，从而造成硅橡胶表面憎水性的丧失。但是C-H键和Si-C键断裂后，交联反应依然会发生，这一变化将导致小分子物质的数量，尤其是链节数在3～15之间的小分子的数量发生增减变化，小分子物质迁移到硅橡胶试样表面，会对憎水性产生补偿作用。因此，紫外线光源下的硅橡胶伞裙憎水性没有明显的变化，但化学作用引起的性能劣化则较明显。可见，硅橡胶复合套管表面劣化是多种因素共同作用的结果。

4 硅橡胶伞裙劣化现象

从硅橡胶伞裙的老化机理可以看到，硅橡胶伞裙的劣化和硅橡胶的配方、采用的填料、运行时间、环境等有关。硅橡胶伞裙的老化形式主要有电老化，热老化，机械应力老化和环境老化几种。热老化是硅橡胶伞裙老化的主要形式之一。通过分析热老化的原因，可以采用改变主链结构和侧链基团结构、消除硅羟基、加入耐热添加剂、加入少量硅树脂等方法来提高其耐热性。同时，也可在有机硅基团上引入氟原子来改变硅橡胶伞裙对紫外线的耐受能力。氟的F-C键键能为485 kJ/mol，对太阳光中紫外光区(200～380 nm)的中长波可透过率在95 %以上，F-C键的断裂需要很高的能量，因此F-C键对紫外线具有很强的耐受能力。

事实上，硅橡胶伞裙的某些变化并不妨碍复合套管的继续使用，如褪色等。其他一些劣化现象在较长时间内也不会对复合套管的安全运行造成威胁，如硅橡胶伞裙表面轻微粉化、变硬等。但如果复合套管设备所承担的功能发生不可逆的变化，如外硅橡胶伞裙的劣化导致伞群护套对玻璃钢套管的保护作用丧失、导致其电气机械性能严重下降，那么该复合套管就需要更换。

因此，复合套管设备伞裙的老化不完全等同于复合套管的老化。当复合套管设备伞裙出现表面憎水性减弱或完全丧失，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象时，若采用必要的措施，恢复硅橡胶伞裙的表面性能，则可延长设备的使用寿命，保障设备安全可靠的运行。

图1示出某硅橡胶复合套管表面出现粉化、龟裂、憎水性丧失的状况。图1(a)中套管表面憎水性已完全丧失；图1(b)中，从伞裙剥口处看，伞裙表面出现粉化、硅橡胶降解的现象，但中间的硅橡胶仍然完好。从硅橡胶复合套管的劣化状况可以看出，硅橡胶复合套管的劣化是一个从外到里的过程。由于硅橡胶伞裙具有一定的厚度，因此解决劣化表面以及修复伞裙整体的机械性能是修复工作的重点。

5 硅橡胶伞裙的修复技术

由于硅橡胶伞裙的劣化是由外到里的一个过程，因此在硅橡胶伞裙制造中需要使其达到一定的厚度，以保证其机械强度。一般情况下，硅橡胶的表面劣化并不会影响到硅橡胶伞群护套对玻璃钢套管的保护作用。采用合适的有机硅材料对硅橡胶伞裙进行修复，是有效可行的。硅橡胶伞裙劣化修复主要通过对劣化硅橡胶伞裙表面的处理和新的硅橡胶涂层覆盖2个步骤完成。

5.1 劣化硅橡胶伞裙表面的处理

硅橡胶伞裙出现表面憎水性减弱或完全丧失，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象的主要原因是，硅橡胶中的Si-O键被破坏。被破坏的Si-O键在硅橡胶伞裙中形成松散形态的二氧化硅(白色粉末)，从而造成伞裙表面发白、发硬、粉化。因此对于劣化的硅橡胶伞裙表面，需要先清除其上的松散、已粉化的物质，再采用含有低分子聚二甲基硅氧烷的专用表面处理剂对伞裙表面进行处理，将伞裙表面上的Si-OH重新和新的聚二甲基硅氧烷进行交联，使新的硅橡胶涂层能很好地和原有的硅橡胶结合在一起。

对于硅橡胶伞裙出现的破损伞边，可采用硅橡胶片进行修补，硅橡胶片需在表面处理前预先制作或准备。对于硅橡胶伞裙表面出现大的裂纹，可用专用修复胶进行填补修复。