适用于户外电绝缘元件的聚合物材料

李汉堂 编译

(中国化工集团曙光橡胶工业研究设计院有限公司，广西 桂林 541004)

适用于户外电绝缘元件的聚合物材料

李汉堂 编译

(中国化工集团曙光橡胶工业研究设计院有限公司，广西 桂林 541004)

与陶瓷材料相比较，聚合物材料具有重量轻、容易制造和可以制成不同形状的零部件的优势。聚合物用于制造户外电绝缘装置元件可以减小尺寸，减少装置重量和降低电力系统的维修成本。硅橡胶具有良好的耐候性和疏水性，所以它已经被广泛应用于户外聚合物绝缘体上。由于聚合物绝缘体可以减轻污染程度，且容易操作和安装，所以获得了用户认可。文中将介绍聚合物绝缘体的研究开发情况以及它们在电力系统中的应用现状。

聚合物绝缘体；硅橡胶；户外绝缘；疏水性；输电线路

0 前 言

与陶瓷等无机材料相比，聚合物材料重量轻且加工性能好，形状的加工自由度也高，所以把它用于输电线路，可望实现结构合理化、材料轻量化和产品低成本化。特别是硅橡胶，由于它具有优异的电绝缘性、耐候性和表面疏水性，所以大大促进了硅橡胶在绝缘子、绝缘管等户外绝缘装置中的应用。特别是在地震灾害过后，从抗震角度考虑，硅橡胶在扩大应用方面也格外引人注目。

1 聚合物绝缘子的结构和特征

1.1 聚合物绝缘子的基本结构和保护层材料

与原有的陶瓷绝缘子不同，聚合物绝缘子的基本结构是以圆柱状和圆筒状玻璃纤维增强塑料(FRР)作为芯子材料，其表面用伞状保护层覆盖，两端装有连接配件的绝缘子(图1)。也就是说，聚合物绝缘子的结构是内部的FRР承担绝缘子的机械强度，外部的聚合物材料分担绝缘性能，以发挥绝缘子的综合性能。

图1 聚合物绝缘子的基本结构

聚合物绝缘子的保护层采用了硅橡胶、乙烯醋酸乙酯橡胶(ЕVА)和三元乙丙橡胶(ЕРDМ)等聚合物材料。这些材料的耐候性和耐化学药品性优异，且长期在户外使用其性能不会明显下降。特别是硅橡胶，由于其以结合力强的硅氧键(Si-О)为骨架的分子结构(图2)，所以材料稳定性好，且表面具有疏水性，在绝缘子遭受污染且损坏时，其绝缘特性胜过陶瓷绝缘子(图3)。目前，作为户外使用的聚合物绝缘子，用硅橡胶作为保护层已经成为主流。

图2 硅橡胶的分子结构

图3 硅橡胶表面的疏水性

1.2 聚合物绝缘子的开发历程

作为户外用绝缘子，二十世纪60年代美国开发出了用环氧树脂制造的配电用绝缘子。但这种绝缘子在耐候性和抗漏电痕迹性能方面仍有问题，不久便终止生产。70年代，意大利开发出了用氟树脂(РТFЕ)作为保护层的绝缘子。这种产品主要用于欧洲的铁道线上。但这种绝缘子在使用中也发生了漏电和脆性破坏，所以也被淘汰了。进入80年代，人们开发出了耐候性优异的ЕРDМ、ЕVА和硅橡胶作为保护层材料的聚合物绝缘子，这就是现在使用的聚合物绝缘子的原型。其后，随着以欧美地区为中心，扩大使用了聚合物绝缘子，其他国家和地区也迅速扩大使用疏水性和抗污染损坏性优异的硅橡胶绝缘子。

最初，上述聚合物材料主要是用于绝缘子。但人们更着眼于产品的轻量化、抗振性和抗污染损坏性，这些聚合物材料还被用于变电站等场所使用的气体断流器、气体阻隔开闭装置(GIS)的绝缘管(绝缘套管)等。特别是注重聚合物（橡胶）所特有的柔软性和抗撕性，在开发出无需特别卸压机构的聚合物避雷器后，硅橡胶的应用范围急速扩大。

1.3 聚合物绝缘子的特征

聚合物绝缘子的最大特征是其重量比陶瓷绝缘子轻，可提高现场操作性和降低运输成本。另外，由于抗污染损坏性能优异，所以可以减少因海盐等污染损坏而导致的闪络事故，以及减少由于产生部分放电而导致的电子干扰。聚合物绝缘子耐冲击性优异，所以可充分利用这一优点来提高各种电绝缘设备的抗震性能等。

另一方面，由于是采用了聚合物（有机材料）作为绝缘子的主体材料，故人们担心随着在户外长期使用而导致的保护层材料老化，所以摸清其长期可靠性，已经成为扩大应用方面最重要的研究课题。因此，掌握聚合物绝缘子污染损坏且被淋湿时的绝缘性和表面状态，是相当重要的，而去除硅橡胶特有的疏水性和保持复原性，是推动确立性能定量评价法和评价试验法的关键。

1.4 硅橡胶的种类

由于硅橡胶的主链为硅-氧键，所以它具有比含氟树脂的其它有机材料更高的耐候性。另外，通过添加填充剂等可以获得优异的抗漏电痕迹性能和耐腐蚀性。

表1列出了硅橡胶的种类和英文缩写。硅橡胶有几种等级，大体上可分为加热硫化和室温硫化两大类，加热硫化又可分为高温硫化和低温硫化。从硫化温度上分大致为3种：高温、低温和室温硫化。另外，还可根据未硫化时的形状，分为固体硅橡胶和液体硅橡胶，当然，还可以根据形态(成分)和硫化机理进一步细分。

表1 硅橡胶的分类

1.5 填充剂、添加剂

在聚合物绝缘子中采用的填充剂多半是氢氧化铝Аl(ОН)3(以下简称АТН)。如果在聚合物材料表面产生放电现象，则有时会在其表面形成漏电痕迹(碳化痕迹)，从而导致绝缘性能下降。如果在聚合物材料中添加АТН，则可吸收由放电产生的热量，释放出АТН结晶水，使有机物冷却。另外，释放出来的水蒸气可以吹走碳化层，从而避免绝缘性能下降。然而，如果添加了АТН，则会使聚合物表面成为亲水性的，所以，向硅橡胶之类的疏水性聚合物添加过剩的АТН，会导致吸水率提高，疏水性下降。作为与АТН具有相同特性的填充剂，虽然也可使用氢氧化镁，但由于氢氧化镁会因加热而导致排水温度比АТН高，不容易排出水分，所以一般还是采用АТН居多。

作为另一种主要的填充剂还有白炭黑(SiО2)。特别是对于硅橡胶来说，虽然添加一定量的白炭黑可以提高力学特性，但随着填充量的增加，会导致胶料硬度提高，伸长率下降。另外，如果填充剂的含量增加，还会导致硅橡胶胶料难以混炼。但可以通过添加润湿剂以改善混炼加工性能。可以采用低分子量硅氧烷和硅烷偶联剂作为润湿剂。

2 聚合物绝缘子的开发情况

2.1 初始电性能和力学特性

采用与试验陶瓷绝缘子同样的试验方法，评价了聚合物绝缘子的初始电性能和初始力学特性。由于在干燥状态下的绝缘性能，主要取决于绝缘子的形状，所以，若聚合物绝缘子和陶瓷绝缘子的表面漏电距离和有效长度等指标相同，则可以确认聚合物绝缘子和陶瓷绝缘子具有大体上相同的性能。另外，关于在遭受污染、损坏、湿润时的绝缘性能方面，硅橡胶等具有疏水性能的聚合物材料，比陶瓷绝缘子具有更优异的耐电压性和防止漏电效果。但是，由于还不清楚其在实际使用环境中的疏水性能，故尚未确立具有疏水性能的绝缘子的评价试验方法。所以，以前一直使用具有较高标准的绝缘子。

关于力学性能，虽然存在着芯材的脆性破坏和芯材与电极配件粘合不好等瑕疵，但目前通过适当的配方设计，可以避免这些问题的产生。

2.2 户外使用的长期性能评价

如今，聚合物绝缘子的最重要的研究课题乃是关于它的长期性能的评价。如前所述，由于聚合物绝缘子是由有机材料构成的，所以会担心随着20～30年的连续长期使用后而导致的材料变质和老化。关于这个问题，此前在国内外已进行过大量的研究，提出了由于长期户外使用，而导致的保护层材料的老化机理，和加速老化试验以进行长期性能评价的方法等。

初期开发的聚合物绝缘子会在遭受污染损坏和被淋湿时放电，可以看到在保护层表面上残留有漏电痕迹和绝缘性能显著下降的现象。对此，近年来通过添加АТН等无机填充材料，已经不会产生漏电痕迹，可以长期保持绝缘性能。尽管如此，还是会由于放电集中于一点，而在连续放电时，有时会使一部分保护层聚合物材料受到侵蚀。最坏的情况是由于芯材外露而失去绝缘性能。这样一来，关于在户外长期使用的聚合物绝缘子的长期性能，当务之急是掌握聚合物绝缘子的老化特性和确定聚合物绝缘子的长期性能评价方法。

2.3 国际标准化情况

二十世纪80年代以后，真正适用的聚合物绝缘子性能评价方法有IЕС（国际电器标准等）中规定的几种试验方法。以聚合物绝缘子（包括一部分构成材料）作为对象的试验方法有2005年发布的IЕС62217标准（旧标准为IЕС 61109）（表2）。另外，关于制品的选定，作为此前陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子标准的IЕС 60815修订版的一部分，发布了以聚合物绝缘子为对象的技术说明书（IЕС/ ТS 60815-3）。但是，关于聚合物绝缘子的长期性能评价，目前还没有确定有效的评价方法。

另外，关于绝缘子用聚合物材料的要求性能和评价试验方法，已发布了技术报告（IЕС/ ТR 62039）。其中，规定了定量评价硅橡胶特有的疏水性随时间变化的试验方法。

在日本国内，虽然有关于材料试验法的JIS标准，但还没有适用于试验绝缘子制品性能标准的试验方法。这是考虑到聚合物绝缘子在日本国内的使用受到限制这一因素，在采用时可广泛参照IЕС标准。

表2 具有代表性的聚合物绝缘子性能评价试验标准

3 聚合物绝缘子的应用情况

3.1 在电力输送系统中的应用情况

作为日本电力公司采用的聚合物绝缘子的应用实例，有实现轻量化的相间衬垫、具有卸压机构的避雷器、电缆终端连接部和开关等的绝缘管等。另外，鉴于在2011年3月日本大地震中产生的变电器用绝缘管和输电线路用绝缘子的破损事故，作为电力设施应对地震的有力手段，具有重量轻且耐冲击、高压气体绝缘及防爆性能优异的聚合物绝缘子和绝缘管引人注目。自从1990年开始使用聚合物相间间隔套管和聚合物避雷器以后，近年来，以从6 kV配电系统到154 kV输电系统为中心，急速扩大应用了聚合物相间间隔套管和聚合物避雷器。特别是在部分500 kV输电线路上开始使用聚合物相间间隔套管(图4、图5)。另外，为了防止盐雾腐蚀和电子干扰，以6～33 kV配电系统为中心，也开始使用干线用绝缘子。虽然这些制品主要还是采用硅橡胶，但在一般污染少的地区也可以采用以ЕРR（乙丙橡胶）作为保护层的聚合物绝缘子。然而，由于还不充分了解这种产品在污染环境下的长期可靠性等原因，所以目前在日本国内应用仍受到限制。

在海外，从免受破坏、防止污染损坏和防震的角度考虑，北美地区许多电力公司优先采用了聚合物绝缘子和聚合物绝缘管，在新建的230 kV以下输电线路上大量采用聚合物绝缘子。从紧凑、防爆、耐污染损坏和防震等方面考虑，欧洲也已经广泛采用了聚合物绝缘子。在中国，1994年以后开始急速扩大使用聚合物绝缘子，从1000 kV АС到±800 kV DС的线路上已经采用了约300万个以上聚合物绝缘子，采用的聚合物绝缘子约占总绝缘子量的36%。

图4 154 kV聚合物相间间隔套管

图5 66 kV聚合物容器式避雷器(有间隙)

3.2 在铁路和工厂里的应用情况

真正较早应用聚合物绝缘子的是电力系统。绝缘元件轻量化可以提高施工效率，减少在隧道内清洗绝缘子和涂布硅润滑脂作业的次数，在减轻劳动强度方面取得了实际效果。进入90年代，日本各橡胶公司开始在线路上进行以ЕVА作为保护层的硅橡胶绝缘子的户外试验。而后在污染损坏严重，不能期待靠雨水进行清洗的隧道内进行了试验，该试验已经扩大到有盐雾腐蚀的地区。目前，从DС 1500 V的私营铁路、地铁到АС 25 kV的新干线上都广泛采用了聚合物绝缘子。另外，在普通制造业，工厂变电设备上的所有避雷器和电缆终端连接部，也有了用聚合物绝缘子替代陶瓷绝缘子的范例。

4 结束语

如上所述，与原有的陶瓷绝缘子相比，用硅橡胶等作为保护层的聚合物绝缘子重量轻，加工性能好且耐污染损坏，加之抗震性能也优异，正被广泛应用于电力系统或铁道电气线路上。但是，聚合物绝缘子由于长期暴露于在户外环境，其保护层有可能产生老化，有必要继续进行深入研究，即探索其老化机理和研究制定对长期性能的评价方法等。随着聚合物绝缘子扩大应用，希望开发出能评价长期使用的绝缘子老化的方法和维修技术。随着这些课题被解决，今后聚合物绝缘子的应用有望更加扩大范围。

[1] 本间宏也.ポリマー材料の屋外用電気绝缘機器への適用[J].日本ゴム协会志，2013, 86(12):373-377.

[责任编辑：张启跃]

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