挂网运行复合绝缘子伞裙性能研究

陈晓春, 李洛琦，吴照国，郑敏聪，王建国，周仲康

(1. 国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大学，香港特别行政区；3. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)



挂网运行复合绝缘子伞裙性能研究

陈晓春1, 李洛琦2，吴照国3，郑敏聪1，王建国3，周仲康1

(1. 国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2. 香港理工大学，香港特别行政区；3. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

摘要：针对复合绝缘子在各种环境因素和运行应力的作用下，其外绝缘材料高温硫化硅橡胶会随着运行时间的增加出现老化的问题，对4支运行后的复合绝缘子和1支新绝缘子的伞裙材料进行了硬度、憎水性、体积电阻率、表面电阻率和电气强度的测量，以及热重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)和扫描电子显微镜(scanningelectonmicroscope，SEM)检测。试验结果表明，复合绝缘子在长期运行后，其伞裙硬度增加，憎水性和电气强度有所减弱，表面的有机聚合物含量变少，无机残留物的含量相对增加，硅橡胶在氮气气氛中的热稳定性高于空气气氛中的热稳定性，SEM结果显示，运行10年后伞裙表面孔洞直径多小于5μm，而运行15年以上者则出现大于10μm的孔洞。

关键词：复合绝缘子；伞裙材料；热重分析；电镜扫描；硬度；憎水性

复合绝缘子的外绝缘材料为高温硫化硅橡胶，具有优异的憎水性和憎水迁移性，耐污性能好，污闪电压高，同时也具有重量轻、免清扫、价格低等优势，因此在电力系统中得到了广泛应用[1-2]。但复合绝缘子长期在大气环境中运行，不可避免地承受日照、湿度、温差和污秽等各种环境因素的侵蚀，随着时间的增加会出现外绝缘材料老化的问题[3-4]，从而影响绝缘子的正常运行，因此对其外绝缘材料的老化性能进行研究非常必要[5-7]。

本文选取安徽电网4支运行后的复合绝缘子和1支新绝缘子作为试样，对其外绝缘材料进行了硬度、憎水性、电阻率和电气强度的测量，热重分析(thermogravimetricanalysis，TGA)以及扫描电子显微镜(scanningelectonmicroscope，SEM)检测，获得了运行后复合绝缘子的材料老化特征，为复合绝缘子材料老化状态的诊断和评估提供了参考依据。

1试验

1.1试品

根据抽样的具体情况，选取运行年限为5～15年的4支绝缘子(试样编号为2—5)，运行地区的污秽等级较高，均为E1，复合绝缘子试样具体信息见表1(编号1为新绝缘子)。

表1复合绝缘子试样基本信息

试样编号线路名称厂家运行时间/a污秽等级1—X0—2敬瓶5901D15E13太胡745线H10E14盛繁2875Z10E15月狮459线Z6E1

1.2试验内容

本文主要侧重研究复合绝缘子运行后伞裙材料的老化状况和理化性能，因此选择了憎水性、伞裙主要电气性能、TGA及SEM检测对以上试样进行分析。

根据GB/T24622—2009《绝缘子表面湿润性测量导则》，测试绝缘子憎水性的方法有接触角法、表面张力法和喷水分级法。本试验采用喷水分级法。具体操作步骤如下：首先将样片放在与水平面成20°～30°的位置，将喷雾瓶喷嘴置于距样片表面25cm处，每秒喷1次，持续20～30s，在喷雾结束10s内完成拍照。

根据GB/T2011—2008《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》，本次试验采用A型邵氏硬度计，选择试样的不同位置(相距至少6mm)测量硬度值3次，取其平均值。

根据GB/T1692—2008《硫化橡胶 绝缘电阻率的测定》，本文用Keithley的6517高阻仪对绝缘子伞裙材料进行体积电阻率和表面电阻率测试。

根据GB1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》，将所有测试样品均用磨片机加工成2mm厚，误差在±0.1mm内，试验前用无水乙醇将样品表面清洗干净，每个试样测3个点，3个点的击穿电压值偏离中值(3个测量值的中间值)不应大于15%，否则重新试验，取3个测量值的平均值作为该样品的击穿电压值。

TGA实验气氛分别为氮气和空气，升温速度为10 ℃/min；SEM采用Sinion200肖特基场发射扫描电镜，加速电压为10.0kV。

2结果与讨论

2.1硅橡胶憎水性、硬度及主要电气性能检测

目前，复合绝缘子用硅橡胶材料的技术参数和检测方法普遍参照DL/T376—2010《复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件》。相较于其他指标，憎水性能和电气性能是影响复合绝缘子能否正常运行的关键因素[8-10]，因此本文对运行后复合绝缘子的伞裙进行了硬度、憎水性、交流与直流电气强度、体积与表面电阻率等参数的测量。试验结果见表2。

表2运行复合绝缘子伞裙主要性能参数测量结果

试样编号憎水性等级硬度击穿电场强度/(MV·m-1)交流直流体积电阻率/(Ω·m)表面电阻率/Ω1HC16523.3061.304.45×10142.31×10142HC47016.3842.702.90×10149.32×10133HC47118.3345.033.89×10131.69×10134HC37817.9541.537.21×10134.65×10135HC37919.2559.203.60×10136.93×1013

根据标准DL/T376—2010对硅橡胶绝缘材料性能的规定：邵氏硬度不小于50，体积电阻率不小于1.0×1012Ω·m，表面电阻率不小于1.0×1012Ω，交、直流击穿电场强度应分别不小于20MV/m和30MV/m。由表2可知，运行后复合绝缘子伞裙的硬度均大于70，明显比新样品偏高；体积电阻率和表面电阻率比新样品偏低，但仍满足标准要求；复合绝缘子伞裙的直流击穿电场强度在40～60MV/m之间，均满足要求，但随着运行年数的增加，直流和交流击穿电场强度有逐渐降低的趋势，尤其是运行后伞裙的交流击穿场强均在20MV/m以下，已不满足要求。

2.2TGA

TGA是高分子的常规表征手段，可用于表征结构相变，分析残余单体和溶剂含量，用于添加剂的检测和热降解的研究[11]。为了研究运行后复合绝缘子硅橡胶伞裙的热稳定性和各组分的相对含量变化，对老化后的样品进行了氮气气氛下的TGA。复合绝缘子伞裙的成分组成主要包括3个部分：高分子物质聚硅氧烷分子；低分子物质，主要包括催化剂、硅烷偶联剂、硫化剂、硅油以及硅氧烷小分子等；无机填料，主要是补强剂白炭黑SiO2和阻燃剂氢氧化铝(aluminumtrihydrate，ATH)。在TGA实验中， 220～350 ℃阶段主要是低分子蒸发和Al(OH)3填料部分脱水阶段，据有关文献报道，ATH的热分解失重主要发生在200～420 ℃，该阶段Al2O3·3H2O的3个结晶水可以失去2.5个。350～600 ℃阶段为高分子物质聚硅氧烷分子的热分解损失质量阶段，该阶段化学键如C—C、Si—O、Si—C开始断裂，随着温度升高，高分子物质分解加剧，热降解速率也逐渐加大，在400～500 ℃区间，降解速率达到最大值。温度大于700 ℃阶段则仅剩无机残渣，主要是ATH失去结晶水后形成的Al2O3以及在20～700 ℃内几乎不失重的白炭黑。

由于伞裙表面受到多种老化因素的作用，相较于伞裙内部的材料，其老化程度应该更严重，因此对于这些运行老化的试品，分别选取了伞裙表面和伞裙内部2个检测点进行分析对比，将内部的TGA曲线作为未老化或者轻微老化的参考依据，从而判断老化后的硅橡胶表面发生了何种化学变化。运行后样品的TGA结果虽然存在差别，但总体的变化趋势是一致的，现以2号试样为例(如图1所示)，分析TGA的结果及其反映出的各类物质的相对变化。

由图1可知，试样在200 ℃以前几乎不失重，只有很小的质量变化, 这可能是试样中所含水分蒸发带来的影响，主要是试样表面吸附水的物理性逸出。表层硅橡胶在200～300 ℃出现第一个失重台阶，失重18.39%；300～450 ℃出现第二个失重台阶，失重11.27%。内层硅橡胶在250～350 ℃出现第一个失重台阶，失重13.84%；350～500 ℃出现第二个失重台阶，失重35.64%。相较于内层，表层在低温区的失重大，在中温区的失重小，高温区残留的无机物更多。这些现象说明表面的低分子物质含量高于内层，但有机聚合物高分子的含量低于内层，因此硅橡胶分子的异裂断链现象较内层更严重。另外表层残留了较高的ATH和白炭黑，相应地减少了硅橡胶的含量，导致中温区的热分解产物相对较少。

图1　2号试样的TGA曲线

为了研究硅橡胶伞裙在不同气氛下的热稳定性，本文还对运行后的试样(4号和5号)进行了氮气和空气气氛下的热重分析，一般来说，在氮气气氛下，硫化胶高分子在失重区主要是发生链断反应；在空气中加热时，分子链、侧基的断裂及部分交联会同时发生，热分解过程更复杂。对比二者的TGA曲线，可进一步了解硅橡胶的热分解特征。图2为4号和5号试样在两种气氛下的TGA曲线。

图2　氮气和空气下硅橡胶的TGA曲线

由图2可知，两种气氛下试样在低温区的第一个失重台阶的质量损失基本相等，即低分子蒸发和填料脱水在两种气氛下的表现和进程大致相似。但空气气氛下，硅橡胶第二个失重区的起始温度明显提前，可见硅橡胶在空气中的热稳定性有所降低，这种现象的出现可能是由于侧链中甲基的存在导致聚硅氧烷高分子在空气中更易于被氧化；并且质量损失较氮气气氛下的明显减少，这可能与裂解产物和试样在空气中被氧化后质量增重有关。

2.3SEM检测

SEM是观察和研究材料微观形貌的重要方法，可以检测固体试样表面的形貌特征，如不均匀性、相分离、裂纹、缺陷等[12-13]。新试样以及老化后部分试样的SEM图像如图3至图5所示。

图3　1号新试样SEM图像

图4　2号试样SEM图像

图5　3号试样SEM图像

由图3至图5可以看出，新试样的SEM图像显示样片表面较为平整、光滑，结构均匀，填料填埋和包裹得很好。运行10年后，3号试样表面变得粗糙且凹凸不平，开始出现大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直径都在5μm以下，少量的块状或颗粒状物敷在表面，其中块状或颗粒状突出物应为硅橡胶的无机填料，硅橡胶分子主链的断裂等原因引起有机交联网络的破坏，从而导致其中的填充物暴露出来。运行15年后，严重老化的试样表面出现大量裂纹(如图4所示)，且孔洞和缺陷试样的面积逐渐扩大，破损严重的部位出现直径超过10μm的孔洞，硅橡胶表面被分裂为一个个凹凸不平的块状结构。SEM结果说明，随着运行时间的增加，复合绝缘子的老化程度越明显，可直观地看出环境因素和各种运行应力对硅橡胶表面造成的老化影响。

3结论

从本文的试验结果可以初步得到以下结论：

a) 随着运行时间的增加，交流和直流击穿电场强度有逐渐降低的趋势，试样的伞裙交流击穿电场强度均在20MV/m以下，按照DL/T376—2010对硅橡胶绝缘材料性能的规定，已不满足要求。

b) 运行后复合绝缘子伞裙的体积和表面电阻率随运行时间的变化规律不明显。

c) 相比于新试样，运行后复合绝缘子伞裙的硬度均有上升，憎水性出现下降，但与运行时间的线性关系不明显。

d)TGA试验结果表明，运行15年后的复合绝缘子伞裙表面的有机聚合物高分子含量明显减少，低分子物质和无机残留物的含量相对增加，因此表层硅橡胶大分子的异裂断链现象较内层更严重。硅橡胶在氮气和空气气氛中低温区的失重特征(主要是低分子蒸发和填料脱水)大致相似，但高分子聚合物的热降解起始温度明显提前，可见硅橡胶在空气中的热稳定性有所降低。

e)SEM结果显示，新样表面较为平整、光滑，填料填埋和包裹得很好。运行10年后的试样表面开始出现大小不一的孔洞，但大部分孔洞的直径都在5μm以下，可见少量的块状或颗粒状物敷在表面。运行15后，试样的孔洞和缺陷面积进一步扩大，破损严重的部位出现直径超过10μm的孔洞，表面出现大量裂纹。

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Research on Shed Properties of Network Operating Composite Insulators

CHEN Xiaochun1, LI Luoqi2, WU Zhaoguo3, ZHENG Mincong1, WANG Jianguo3, ZHOU Zhongkang1

(1.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,Anhui230601,China; 2.TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKongSAR,China; 3.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

Abstract：InallusiontotheproblemofexternalinsulationmaterialnamedHTVofcompositeinsulatorsbeagingwithincreaseofrunningtimeundervariousenvironmentandoperationstressconditions,hardness,hydrophobicity,volumeresistivity,surfaceresistivityandelectricstrengthisrespectivelymeasuredforshedmaterialsoffourrunningcompositeinsulatorsandonenewinsulatoraswellasthermogravimetricanalysis(TGA)andscanningelectonmicroscope(SEM)detectioniscarriedout.Experimentalresultsindicatethatafterlong-termoperation,shedhardnessofthecompositeinsulatorincreases,hydrophobicityandelectricstrengthdecreases,contentofsurfaceorganicpolymerdiminishesandcontentofinorganicresiduesrelativelyincreases.Inaddition,itisdiscoveredthatheatstabilityofsiliconerubberinnitrogenatmosphereishigherthanthatinairatmosphere.SEMresultshowsthatdiametersofholesonthesurfaceofshedhavingrunningforabout10yearsaremostlylessthan5μmanddiametersofholesonthesurfaceofshedrunningforover15yearsarelargerthan10μm.

Keywords：compositeinsulator;shedmaterial;thermogravimetricanalysis(TGA);scanningelectonmicroscope(SEM);hardness;hydrophobicity

收稿日期：2016-04-26

基金项目：国网安徽省电力公司科技项目(52120514003R)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.019

中图分类号：TM216

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)06-0104-05

作者简介：

陈晓春(1982)，女，安徽巢湖人。工程师，理学博士，从事合成材料与应用方面的研究。

李洛琦(1995)，女，安徽合肥人。在读本科生，从事电气工程与自动化方面的研究。

吴照国(1990)，男，湖北黄冈人。在读硕士研究生，从事高电压与绝缘技术方面的研究。

(编辑阚杰)