复合绝缘子老化状态评估方法研究综述

黄成才，李永刚

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市071003)

复合绝缘子老化状态评估方法研究综述

黄成才，李永刚

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北省保定市071003)

分析了目前国内外关于复合绝缘子老化状态评估方法的研究现状，介绍了喷水分级法、静态接触角法、扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)法、泄漏电流测量法、粉化观察法、硬度试验法、能谱分析法等7种常用老化评估方法的试验方法及优缺点，重点分析了傅里叶红外光谱分析法、紫外成像法、热刺激电流(thermally stimulated current，TSC)法、核磁共振法等4种新方法的特点与缺陷，并给出了相关试验结果。研究结果表明：现有的复合绝缘子老化状态评估方法各有优缺点及其适用条件，未来硅橡胶材料老化程度评估研究的主要方向或将集中在基于空间电荷测量和电导电流测试方面。

复合绝缘子；老化评估；红外光谱；紫外成像；空间电荷

0 引 言

复合绝缘子以其良好的憎水性及憎水迁移性在电力系统中得到了广泛的应用，截止目前，我国110 kV及以上输电线路挂网运行的复合绝缘子数量早已超过500万支[1-3]。据相关运营单位统计，在运行之初，复合绝缘子具有瓷和玻璃绝缘子无法比拟的优势，但是随着运行年限的增长，其老化问题也越发严重[4]。

导致复合绝缘子老化的因素主要有光老化、热老化、电老化、环境及温度老化等，老化的直接后果是使得复合绝缘子伞群表面的憎水性能下降，闪络电压降低、耐污闪能力下降。如果不及时发现或更换老化严重的绝缘子，最终将导闪络事故的发生，故对现场在运行的复合绝缘子伞群及护套硅橡胶材料的老化状态进行评估和检测是输电线路运行部门密切关注的问题，也是提前发现复合绝缘子运行隐患、杜绝事故发生的必要工作。

目前，国内外对复合绝缘子老化状态评估还没有统一的标准，老化状态评估方法多种多样，各有其优缺点，难以形成统一的老化指标[5-7]。喷水分级法在现场检测中得到了广泛的应用，但其受主观影响大，并且尚未获得定量的憎水性级别与性能之间的关系，故憎水性测试不能准确评估复合绝缘子老化状况。本文对目前所有评估复合绝缘子老化状态的方法进行总结和分析，研究目前各种方法的优缺点及可行性，探究老化状态评估未来可能的发展方向。

1 复合绝缘子老化评估方法的发展

1.1 已成形的老化评估方法

老化作为一个指标，一个判据，反应的是材料不可逆转的劣化。复合绝缘子老化状态的评估就是基于硅橡胶材料老化导致其内、外特征的变化而进行的。国家电网公司现场运行复合绝缘子的数据显示，绝缘子硅橡胶老化主要表现在以下6方面：

(1)表面的憎水性下降、憎水性迁移时间变长和恢复能力变差；

(2)表面出现粉化现象；

(3)在重污染工厂周边运行的复合绝缘子，硅橡胶伞群材料及护套可能会发生电蚀损、漏电起痕等严重的老化状况；

(4)硬度增加、抗撕裂能力变差；

(5)伞裙表面其它杂质化学元素增多，硅橡胶化学结构遭到严重破坏；

(6)表面粗糙、孔洞增多，材质疏松[8-10]。

根据上述老化现象及其特点，形成了以下复合绝缘子老化评估方法：(1)通过喷水分级法(hydrophobicity class，HC)测量憎水性能，级别越高说明绝缘子老化程度越严重；(2)通过复合绝缘子的泄漏电流测量判断硅橡胶的老化程度，泄漏电流越大说明憎水性被破坏越严重，老化程度越严重；(3)利用扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察绝缘子表面的微观镜像，微观表面孔洞、缺陷越多说明老化越严重；(4)通过能谱分析复合绝缘子各层面存在的化学元素，其他杂质元素(尤其是金属元素)含量越高说明老化越严重；(5)通过观察表面粉化、测量硬度和抗拉能力等评估绝缘子老化状态[11]。近年来，又有一些新的老化状态评估方法诞生，如基于热刺激电流(thermally stimulated current, TSC)的检测法、傅里叶红外光谱分析法(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、紫外成像老化检测法、基于核磁共振的老化检测法等也得到了较广泛的应用。

1.2 国内外研究动态

复合绝缘子的老化评估方法探究受到了国内外研究工作者的大量关注。目前，老化状态评估手段主要体现在以下3方面：一是利用复合绝缘子伞群及护套表面的状态评估其老化状态；二是在实验室采用常规的伞群表面测试手段评估其老化状态，并探究各种因素对老化的作用机制以寻求遏制老化的方法；三是利用硅橡胶材料的空间电荷检测及直流电导测试技术对复合绝缘子的老化状态进行评估[12]。

文献[13]对复合绝缘子伞群试样进行了电晕放电研究，试验时观察到伞群表面有臭氧和硝酸产生，并伴有变色现象。文献[14]利用FTIR研究硅橡胶材料PDMS时，把C=O键 (1735-1745 cm-1)和C-H键(1460 cm-1)的吸收峰比值作为材料的氧化系数，把填充物(1020 cm-1)与聚合物(2918 cm-1)的吸收峰比值作为材料的粉化系数，以此量化研究复合绝缘子的老化程度。文献[15]根据IEEE和IEC规定，对输电线路中常用的复合绝缘子硅橡胶伞裙试样进行了相关的老化试验，结果表明，复合绝缘子硅橡胶伞群材料的老化状况受紫外光照的影响很大。文献[16]利用电声脉冲法测量了聚合物材料中空间电荷的分布情况，探究了空间电荷用于评估绝缘材料老化程度的可行性，并研制了空间电荷测量装置。研究表明，聚合物老化程度越严重，其短路空间电荷的总量越多，短路空间电荷总量能够反映聚合物材料内部陷阱的数量级分布，能够用以评估硅橡胶复合绝缘子的老化状态。文献[17]通过电导电流试验探究了变压器油与绝缘纸板的电导特性；文献[18-19]利用电导电流测试探究了变频电机用聚酰亚胺薄膜的老化特性，研究结果证明材料的电导电流特性可以用于评估材料的老化状态，该方法有待于在硅橡胶复合绝缘子的老化状态评估中得到应用。

上述研究结果表明，对于复合绝缘子用硅橡胶材料的老化状态评估方法的研究工作早期主要是基于绝缘子表面憎水性及微观结构等方面进行的，研究后期部分研究人员意识到空间电荷对电介质的电导特性、击穿及老化等方面有着重要影响，并将空间电荷技术引入了硅橡胶材料老化评估的研究中。基于硅橡胶材料的直流电导特性评估复合绝缘子老化状态还有待于进一步探究。

2 传统的老化评估方法分析

常用的老化方法主要包括憎水性测试、泄漏电流法、SEM法、硬度测试及粉化观察等几种，表1给出了各种方法应用于老化状态评估的判据及优缺点。

2.1 HC分级法

HC分级法，用材料表面的憎水性等级来表示其憎水性好坏的方法，其将固体材料表面的憎水性能好坏分为7个等级，按照憎水性状态分别表示为HC1 ～HC7，憎水性等级越低表示材料憎水性越好。通过目测观察复合绝缘子表面水滴状态来判断憎水性级别。若喷水后绝缘子表面为细小水珠，形状为分布均匀的规则圆球则说明憎水性等级低，憎水性好；反之，若表面为大片水膜、水渍清晰等情况则说明憎水性等级高，憎水性差。

表1 复合绝缘子老化评估方法汇总

HC分级法是最常用的判断复合绝缘子老化的方法，尤其适合在现场中应用，HC等级更是现场绝缘子是否需要清洗的直接判据。但是作为评估绝缘子老化的常用方法，精度无法保证，因为该方法是通过目测观察来判断憎水性的，测量结果有很大的主观因素。

2.2 静态接触角法

评估憎水性最准确的方法就是测量水滴在绝缘子表面的静态接触角。一般情况下，接触角大小为80°～120°，接触角越大说明憎水性能越好。

接触角是指水、空气、材料交会处的倾斜角。憎水好的硅橡胶复合绝缘子表面结果完整，滴水后自然形成圆形水珠，这样测量的静态接触角度数肯定比较大；反之，复合绝缘子发生老化后，滴水后表面形成的是各种水膜，那么水、空气、硅橡胶之间夹角要明显小于水珠与空气、硅橡胶之间的夹角，也就是说老化后复合绝缘子的接触角小。

传统的接触角测量是用量角器、显微镜或缩放照相机来测量。现代测量接触角使用的是数字化接触角测量仪，利用数码相机和计算机软件系统采集试验图像，并自动对图像进行接触角大小测量。测量系统通过数码相机拍照，并将图像传入计算机软件分析系统，再通过软件计算得到试品接触角的数值。图1给出了利用美国科诺工业有限公司生产的SL 200 B型接触角分析仪测量接触角的效果图。

静态接触角测量是最简单、最直接、最准确的评估复合绝缘子老化的方法之一，得到了比较广泛的应用，接触角也能准确的反应憎水性好坏，从而反应复合绝缘子的老化程度。但是其对测量工具要求比较高、工序也比较麻烦，实现有一定难度。

图1 静态接触角测量图像

2.3 泄漏电流分析法

影响复合绝缘子性能的主要因素是憎水性的丧失与否，憎水性的破坏更是绝缘子老化的重要特征。憎水性破坏导致绝缘子泄漏电流增大，泄漏电流增大与放电又导致憎水性破坏加重，这样形成了恶性循环，从而加速了复合绝缘子的老化。由于泄漏电流既反应老化程度，又能加速老化，所以在实验室和现场的研究工作中得到了广泛的应用。

泄漏电流大小可以直接判断复合绝缘子表面的老化状况，表面材质疏松导致电阻率下降，从而泄漏电流增大，泄漏电流越大说明表面憎水性越差、老化越严重。现场应用中，通常以泄漏电流最大幅值和其超过一定幅值的次数来判断绝缘子的老化程度。

泄漏电流测量系统主要由电流传感器、传感器保护电路、数据采集卡和计算机分析软件4个部分组成。工作时泄漏电流通过电流传感器采样，转换成模拟信号，再由数据采集卡进行A/D转换，输出到计算机进行存储和在线监测。泄漏电流测量原理图如图2所示。

泄流电流分析法是最能说明复合绝缘子老化程度的方法，其结果精确、评估准确，但其测量装置比较复杂，成本高，不适合对现场运行复合绝缘子进行老化状态评估。

图2 泄漏电流测量原理图

2.4 硬度试验

硅橡胶材料的老化还表现在硬度变硬，这是老化使高分子结构发生变化的缘故，属于硅橡胶内部的化学老化。硅橡胶的化学键在光、热、机械作用力等因素作用下，分子键发生断裂，产生大量的自由基，断裂后的自由基再相互作用产生交联结构，使得材料变硬、变脆、伸长率下降。因此硅橡胶硬度是衡量复合绝缘子老化程度的重要指标。

2.5 粉化观察

硅橡胶材料表面粉化也是其老化的重要特征，粉化观察可以作为评估老化程度的辅助方法。但是该现象不太容易观察，受天气状况(风吹、雨水冲洗)影响比较大。

2.6 SEM分析法

SEM分析法是用来观察硅橡胶伞裙表面微观的一种高精度仪器，能实现对物体的几千倍放大，从而实现对物体的表面状况的微观观察。图3给出了相关试品的SEM图。

图3 硅橡胶伞群的SEM图像

绝缘子老化，表面硬度增加、粗糙、材质疏松、有微孔、裂纹等，这些现象通过肉眼观察很难察觉。通过扫面电镜放大2 000倍后，物体的微观镜像就能很好的呈现，根据微观状况来判断绝缘子是否发生了老化及老化的程度。表面微观镜像是判断其老化与否的直接判据，SEM分析法是评估绝缘子老化程度必不可少的方法。

2.7 能谱分析

能谱分析是探究绝缘子表面、内部的化学元素组成，从而探究表面积灰、污物、盐分等在硅橡胶材料中的扩散和迁移过程，通过元素组成来判别硅橡胶的老化程度。该方法测量结果精确，主要适用于因污秽物所导致的老化评估。

3 老化评估新技术

上述7种关于复合绝缘子老化状态评估的方法中最常用的是憎水性测试，喷水分级法在对现场运行绝缘子的老化状态评估中得到了广泛的应用。就喷水分级法而言，其是一种基于肉眼观察并具有很大主观性方法，其对憎水性的测试结果必然会出现较大的误差，而且当复合绝缘子表面发生粉化时干扰HC分级法的测量。同时有关研究证明，硅橡胶材料的憎水性不是由其老化状态单独决定的，它还与天气状况、环境条件等因素有关。所以探究新的绝缘子老化评估方法十分必要。

3.1 TSC测试

(1)工作原理。硅橡胶的老化导致大量分子键的断裂，从而产生大量的自由基和离子，继而导致硅橡胶内部陷阱密度的增加。在极化电压和加热条件下，产生大量的载流子(内部激发和电极注入的)，在加热条件下，内部载流子加速运动，从而使得所测得热刺激电流加大。

(2)测量方法。TSC的基本测试方法是将试样加热到一定温度，然后在该温度下对其施加一个直流的极化电压，并保持一段时间，随后立即降温至较低温度，使各类载流子冻结，撤除直流极化电压，然后对试样进行升温，测量试样两端的短路电流。该电流与温度的关系曲线(I-T)即为试品的TSC曲线,TSC试验系统原理图如图4所示。

图4 TSC试验系统图

参数的确定是测量的最重要步骤。通过一系列的研究给出以下试验参数范围：极化电压为8.3～10 kV，极化温度为47～57 ℃，极化时间不少于20 min，降温速率应大于升温速率[20-21]。

(3)优缺点分析。相对于憎水性测试及其它老化评估方法，TSC测试结果能够更为准确地评估复合绝缘子硅橡胶伞裙材料的老化状况。但是目前该方法的研究结果具有一定的狭隘性，还需要收集更多的现场运行试样进行研究，使基于TSC测量的老化评估方法得到广泛的应用。

3.2 Fourier红外光谱分析

(1)工作原理。硅橡胶是以高分子聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，与多种填充料按照一定比例进行填充、混炼后经过高温加压硫化后而成的。聚二甲基硅氧烷主要由Si—O—Si，Si—CH3及甲基—CH3基团组成，其中Si—CH3及—CH3为硅橡胶复合绝缘子的憎水性基团，其分子结构式如图5所示。

图5 聚二甲基硅氧烷分子式

研究表明当硅橡胶复合绝缘子老化后，其表面的憎水性部分丧失，使得Si—O,Si—C，C—H键发生断裂而减少，憎水性能下降[22-23]。傅里叶红外光谱分析就是研究老化前后憎水性基团Si—CH3及—CH3的变化情况，根据其含量判定复合绝缘子的老化程度。

(2)测量方法。从试验绝缘子的伞群切下硅橡胶片作为试品，用酒精擦拭干净，干燥后放入红外光谱分析仪，从计算机上记录波形及数据。

(3)优缺点分析。傅里叶红外光谱分析能够实现对复合绝缘子的憎水性基团Si—CH3及—CH3进行准确的定量研究，准确地判定复合绝缘子的憎水性能，从而判定老化程度。图6是红外光谱分析结果图，从图上可以清晰的看出试品表面的憎水性基团明显低于中心层，说明试品表面的老化程度更为严重。

3.3 紫外成像分析

紫外成像采用紫外成像相机对加压的复合绝缘子进行拍照，若硅橡胶材料出现老化及破损状况，破损点必然会出现电晕现象，这种现象就会被紫外成像相机观察到。图7是紫外成像图，此次试品芯棒护套损坏，加压到一定数值时即可发现损坏部位。紫外成像能够准确的检测出试品的损坏部位，但不能够实现定量研究。鉴于它是在运行电压下进行的检测，故今后在现场复合绝缘子状态的检测及评估中具有很大的利用价值。

图6 试品红外光谱分析结果

图7 试品紫外成像结果

3.4 核磁共振

由于复合绝缘子长期在电晕、臭氧、强紫外线等恶劣的环境中运行，其硅橡胶材料分子主链上的Si—O 键的键能会明显的衰减，甚至发生断裂情况，导致材料老化。当Si—O键的键能发生减弱时，为达到平衡Si原子键能的目的，Si原子对应侧链上的甲基或乙烯基基团间的键能也会随之变化，基团中H原子状态会受其影响而变化。故复合绝缘子用硅橡胶分子式中的H原子数量变化与其老化状态的变化相互对应，探究其材料分子式中H原子的变化状况可以反映复合绝缘子的老化状态。

核磁共振原理是利用基团中H原子核的磁共振特性，探究硅橡胶材料中H原子核的性质及其状态，分析其内部结构[24]。因此，利用材料中H原子的核磁共振对硅橡胶复合绝缘子老化状态进行评估，可直接反映硅橡胶中H原子含量及H原子状态的变化，从而准确地反映复合绝缘子的老化状态。

4 复合绝缘子老化状态评估的发展方向

基于空间电荷和直流电导联合测试技术或将成为复合绝缘子老化状态评估方法在未来的主要发展方向。该方法是基于老化导致硅橡胶材料内部产生陷阱的原理展开工作的，它实际反映的是材料内部的陷阱数量及分布。复合绝缘子在运行过程中，由于受到紫外照射、酸碱性物质腐蚀、强电场、沿面放电等影响，其硅橡胶材料会发生氧化、降解等反应，导致大量的分子键断裂，使得微观结构出现裂纹、裂缝等现象，形成大量的陷阱，这些陷阱会捕获流经材料的载流子，从而形成空间电荷，故根据硅橡胶材料内部的空间电荷数量及分布可以一定程度上判断其老化状态[25-26]。

电导电流测试是在空间电荷分析的基础上进一步分析复合绝缘子材料老化的方法。其工作原理在于：材料的电导电流在对数坐标下根据其所承受电压大小可分为欧姆区、空间电荷限制电流区和陷阱充满区3段，低电场时，电介质的电流-电压特性符合欧姆定律，当电压达到一定数值UΩ时，开始出现空间电荷的大量积累，使得流过绝缘介质的电流由欧姆电流区(I区)向空间电荷限制电流区( II 区)转变[27-30]。随着施加在电介质上的电压不断增加，注入的电荷量不断增多，材料中的陷阱逐渐被填满，当电压达到Um时，陷阱被填满，进入到陷阱从满的空间电荷限制电流区( III 区)。图8给出了电导电流随所加电压的变化情况。

图8 电导电流随电压的变化情况

I区 和 II区 的转折点电压UΩ(或场强EΩ) 被称为绝缘材料的电老化阈值，意味着从此场强开始，材料中开始出现积聚的空间电荷。 硅橡胶材料的老化，使得绝缘材料中的陷阱密度增大，而陷阱密度与空间电荷分布、陷阱载流子密度及电老化阈值有一定的关系。陷阱密度的增加会使得空间电荷更容易积累，从而导致电介质电老化阈值UΩ降低，故利用电老化阈值UΩ这一新判据可以来评估复合绝缘子的老化程度[31-33]。

利用材料的空间电荷特性及电导电流特性评估绝缘材料的老化已经在聚乙烯(XLPE)、变频电机用聚酰亚胺中得到相应的应用，空间电荷特性在绝缘子的老化状态评估中也得到了初步的应用，且评估效果良好[34-36]。基于空间电荷和直流电导联合测试技术必然会成为未来复合绝缘子老化状态评估研究的新方向。

5 结论与展望

全面总结了复合绝缘子老化评估的基本方法和新方法，阐述了各种老化状态评估方法的适用途径、优缺点及试验方法，给出了部分方法在实际评估应用中的试验结果，为复合绝缘子的老化状态的评估方法选择提供了良好的依据，有一定的工程参考价值。

我国曾经经历过数次大规模绝缘子污闪事故，复合绝缘子因其具有良好的抗污闪能力在电力系统中得到了广泛的应用，但其老化问题也给电力系统的安全稳定运行带来了威胁与挑战。因此，一种好的老化状态评估方法对绝缘子的稳定运行乃至电力系统的安全都具有非常重要的意义。

目前，关于复合绝缘子现有的老化状态评估方法，每种方法都有其适应条件及优缺点，实际能够被广泛应用的方法并不多，对复合绝缘子的老化状态评估还应进一步探究新方法。现有的老化评估方法多是基于材料的表面状态或伞群表面测试进行的，深入硅橡胶材料内部结构研究的老化评估方法较少。空间电荷测量和电导电流测试技术是在老化导致陷阱产生的基础上产生的，能够与绝缘材料的老化紧密的联系起来，今后必将成为硅橡胶复合绝缘子老化状态评估方法的主要研究方向之一。

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(编辑：张小飞)

AReviewofAgingEvaluationMethodsforCompositeInsulators

HUANG Chengcai, LI Yonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

This paper analyzed the research status of aging evaluation for composite insulators at home and abroad; introduced seven kinds of commonly used aging evaluation methods and their advantages and disadvantages: hydrophobicity classification method, static contact angle method, scanning electron microscope (SEM) method, leakage current measurement method, chalking observation method, hardness test method and energy spectrum analysis method; mainly analyzed the characteristics and defects of four new method: Fourier transform infrared spectroscopy analysis method, ultraviolet imaging method, thermally stimulated current (TSC) method and nuclear magnetic resonance method, and presented relevant experiment results. The results show that: all the aging evaluation methods of composite insulators have their advantages, disadvantages and applicable conditions; the methods based on space charge test and conduction current test will become the main research direction of the aging evaluation for silicone rubber material in the future.

composite insulators; aging evaluation; infrared spectroscopy; ultraviolet imaging; space charge

中央高校基本科研业务费专项资金项目(13MS71)。

TM 216

： A

： 1000-7229(2014)09-0028-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.006

2014-06-27

：2014-07-21

黄成才(1989)，男，硕士研究生，主要从事高电压技术、复合绝缘子老化状态评估方面的研究工作，E-mail: jshchengcai@163.com；

李永刚(1967)，男，博士，教授，主要从事大型电机在线诊断与在线监测工作。