复合绝缘子伞裙表面腐蚀特性研究

赵美云 王 磊 赵新泽 习森明 袁泽坤

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡区域能源装备三峡大学协同创新中心， 湖北 宜昌 443002)

复合绝缘子伞裙表面腐蚀特性研究

赵美云1,2王 磊1,2赵新泽1,2习森明1,2袁泽坤1,2

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡区域能源装备三峡大学协同创新中心， 湖北 宜昌 443002)

为研究复合绝缘子伞裙表面受环境腐蚀的影响，采用等效试验模拟了复合绝缘子腐蚀过程，分析了不同盐密浓度腐蚀条件下绝缘子试样表面的憎水性，测量了绝缘子试样表面的泄露电流，并采用扫描电镜分析了其微观表面形貌．试验结果表明，长期受盐密腐蚀的伞裙表面憎水性随着盐密浓度的增大而减弱；腐蚀会导致伞裙表面电阻下降，泄露电流增大；当盐密浓度为0.06 mg/cm2时，伞裙表面憎水性下降速度最快，表面老化速度也最快；伞裙表面腐蚀后，表面变得粗糙不平，老化程度随着腐蚀时间和腐蚀浓度的增加而加深．

复合绝缘子； 腐蚀； 憎水性； 泄漏电流； 表面形貌

绝缘子是架空输电线路的关键部件，复合绝缘子以体积小、重量轻、强度高、耐污秽等优点得以广泛应用[1]．复合绝缘子优异的防污闪性能得益于其憎水性和憎水迁移特性[2-6]．但是复合绝缘子在运行过程中不可避免地会受到电场、紫外线、污秽等条件的综合作用而发生老化，导致伞裙破损、粉化以及憎水性下降等现象，严重威胁着输变电设备的绝缘性能[7-14]．文献[15]通过试验发现酸碱性、温度以及污秽等环境因素对复合绝缘子表面憎水性存在一定的影响．文献[16]通过加速电晕老化试验发现硅橡胶在电晕的作用下会发生老化，其表面会变得粗糙，且出现不同程度的裂纹．为进一步分析腐蚀环境对伞裙表面的影响，本文以110kV架空线路常用复合绝缘子为研究对象，通过等效试验模拟其工作环境，对绝缘子试样进行静态接触角测量、表面泄露电流测量以及表面形貌分析等，分析腐蚀环境对复合绝缘子老化程度的影响规律．

1 老化试验及测试

复合绝缘子在实际的运行过程中会受到温度、雨和污秽等因素的影响，导致其表面特性发生变化．为了分析腐蚀环境对伞裙表面的影响，本文进行了等效模拟试验．

1.1 环境腐蚀试验

为研究污秽物对绝缘子伞裙表面的腐蚀作用，本文在室温条件下对处于标准大气压下崭新的绝缘子试样进行均匀的涂抹，涂抹的盐密浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/cm2，腐蚀时间分别取2、8、16、24、32 d．为了使试验效果比较明显，在盐密中加入了pH=1的H2SO4溶液．试验方案见表1．

表1 涂抹试验方案

1.2 憎水性测量

采用静态接触角法对腐蚀后的试样进行憎水性测试．测量接触角使用的测量装置为JY-PHB型接触角测量仪，采用计算机和数码相机采集图像，并对图像进行分析．测量时，将水滴滴在试样表面，通过数码相机拍照，观察水滴形状，并通过相应的软件进行分析，得到静态接触角的数值．测量时注入体积大小为50 μL的水滴，静置时间为1 min，使得水珠达到稳定的状态．为了使试验数据更加具有说服性，每个试样选取5个不同的位置进行测量，取其平均值．

1.3 泄露电流测量

采用自制的泄漏电流测量装置测试腐蚀后伞裙表面的泄露电流，如图1～2所示．试验台的设计原理是基于高电压下的针尖放电原理．测量过程中，将绝缘子试样片放置于试验台上，打开电源，调节控制台面板上的电压，大致确定试验电压，分压器用以确定其准确的电压．试验过程中以外部施加交流电压8 kV测得的电流作为伞裙表面的泄露电流．

图1 泄露电流测量装置原理图

图2 泄露电流测量装置

1.4 SEM测试

采用JSM-7500F型扫描电子显微镜(SEM)对腐蚀后的复合绝缘子伞裙表面形貌进行分析．该仪器是通过冷场发射扫描电子来获取所观测试样的表面形貌，精度和放大倍数都很高，能够精确地得到试样表面的微观形貌．

2 腐蚀对复合绝缘子表面特性影响分析

2.1 憎水性测量结果

表2是在不同腐蚀时间和腐蚀浓度条件下测得的试样表面静态接触角结果，表3是对均值接触角采用Origin 9.0作图软件进行拟合的结果，其均值接触角变化以及拟合曲线如图3所示．

表2 试样表面均值接触角 (单位：°)

表3 试样表面均值接触角拟合方程

图3 均值接触角随腐蚀时间的变化

复合绝缘子伞裙表面静态接触角越大，表明其憎水性越好．由表2可知，复合绝缘子伞裙在不同浓度的盐密腐蚀后，其表面憎水性发生了变化．根据图3可以看出，随着腐蚀时间的增加，不同浓度盐密下测得的接触角都出现了下降的现象，如表面涂抹0.02 mg/cm2浓度的盐密腐蚀2 d后的接触角为88.5°，而腐蚀32 d后的接触角为79.4°，下降了9.1°．且盐密浓度越大，测得的接触角越小，如表面涂抹0.02 mg/cm2浓度的盐密腐蚀32 d后的接触角为79.4°，而表面涂抹0.10 mg/cm2浓度的盐密腐蚀同样天数后测得的接触角为75.2°，相比降低了4.2°．这是由于随着腐蚀时间和腐蚀浓度的增加，复合绝缘子表面腐蚀程度增大，其表面憎水性逐渐下降．

分析表3数据发现，不同腐蚀条件下试样表面接触角拟合曲线斜率变化不一样，且拟合曲线的相关系数均在0.9左右，表现出了较好的线性相关关系．由图3也可以看出，当盐密浓度小于0.06 mg/cm2，随着盐密浓度的增加，测得的接触角拟合曲线斜率逐渐增大；当盐密浓度大于0.06 mg/cm2时，随着盐密浓度的增加，斜率反而降低了．说明当盐密浓度为0.06 mg/cm2时，随着腐蚀时间的增加，绝缘子表面憎水性下降速度最快．如果绝缘子长期处于此腐蚀环境中，与一直处在高浓度污秽环境中的绝缘子一样，其表面憎水性能会大大降低，严重缩短其使用寿命．

2.2 泄露电流测量结果

表4是在不同腐蚀时间和腐蚀浓度条件下测得的试样表面泄露电流的结果，表5是对泄露电流采用Origin9.0作图软件进行拟合的结果，其泄露电流变化以及拟合曲线如图4所示．

表4 腐蚀试样泄露电流测量值 (单位：μA)

表5 泄露电流拟合方程

图4 泄露电流随腐蚀时间的变化

复合绝缘子伞裙表面的泄露电流越小，表明其耐污闪能力越好．由表4可以看出，不同腐蚀时间下测得的伞裙表面泄露电流存在着差异．由图4可以看出，伞裙表面受腐蚀的时间越长，其表面泄露电流越大，如表面涂抹0.02 mg/cm2浓度的盐密腐蚀2 d后测得的泄露电流为25 μA，而腐蚀32 d后测得的泄露电流为42 μA，增加了17 μA．而且，不同浓度盐密腐蚀后测得表面泄露电流也不一样，随着盐密浓度的增大，测得表面泄露电流也逐渐增大，如表面涂抹0.02 mg/cm2浓度的盐密腐蚀32 d后测得的泄露电流为42 μA，而表面涂抹0.10 mg/cm2浓度的盐密腐蚀同样天数后测得的泄露电流为54 μA，增加了12 μA．这是由于复合绝缘子在长期污秽物的腐蚀下，表面发生了老化，导致试样表面电阻率下降，泄露电流增加．

分析表5数据发现，腐蚀试样表面测得泄露电流拟合曲线斜率变化不一样，且拟合曲线的相关系数基本在0.9以上，表明了较强的线性相关关系．由图4也可以看出，当盐密浓度小于0.06 mg/cm2，随着盐密浓度的增加，测得的泄露电流拟合曲线斜率逐渐增大；当盐密浓度大于0.06 mg/cm2时，随着盐密浓度的增加，斜率反而也降低了．说明当绝缘子表面腐蚀浓度为0.06 mg/cm2时，绝缘子表面老化速度最快．对于长期处于此浓度腐蚀环境中的绝缘子来说，与处于高浓度腐蚀环境中的绝缘子一样，其绝缘性也会严重降低，很容易发生污闪事故，严重威胁输变电线路的安全．

2.3 试样表面形貌分析

通过扫描电镜能够看出腐蚀环境对复合绝缘子伞裙表面的影响，因此对腐蚀后的试样表面进行SEM分析，选取不同浓度盐密腐蚀32 d后的试样分析，分析结果如图5所示．

图5 不同盐密浓度腐蚀试样的表面形貌

对比图5中5个试样，由图(a)可以看出，当伞裙表面受到污秽物的腐蚀后，表面变得粗糙不平，并伴随着一些孔洞的产生．随着盐密浓度的增加，由图(b)可以看出，试样表面被腐蚀的越来越严重，变得更加的粗糙．由图(c)可以看出，试样表面部分区域呈现出片状结构，部分区域有球状的突起．随着盐密浓度进一步的增加，从图(d)和图(e)中可以看出，试样表面变得更加粗糙，球状突起物也越来越多，凸起尺寸也随盐密浓度的增加明显上升，且孔洞也越来越多．长期的污秽腐蚀会使复合绝缘子伞裙表面老化程度加深，表面变得凹凸不平，出现了粗糙突起和腐蚀孔洞．因此，水珠更易于浸润表面，能够很好地铺展在伞裙表面上，所以接触角变小．而腐蚀造成的伞裙表面破坏又会使表面电阻率降低，因而使泄露电流增大．

3 结 论

通过涂抹试验模拟了复合绝缘子伞裙受环境腐蚀的过程，采用接触角测量仪测量了试样受环境腐蚀后表面的接触角，并采用自制的泄露电流测量装置测量试验后试样表面的泄露电流，最后通过扫描电镜分析了试验后试样表面形貌，得出了以下结论：

1)长期受污秽腐蚀的伞裙表面憎水性会逐渐减弱，并且污秽浓度越高，伞裙表面被腐蚀得越严重，表面憎水性也越差．当盐密浓度为0.06 mg/cm2时，伞裙表面憎水性下降速度最快，其憎水性将变得与处在高浓度污秽环境中的绝缘子一样差．

2)处于污秽环境中的复合绝缘子会发生老化，并且受腐蚀时间越长，表面老化越严重，导致表面的电阻率下降，泄露电流增加，发生闪络的机率增加．当盐密浓度为0.06 mg/cm2时，伞裙表面老化的速度最快，其绝缘性能将变得与处在高浓度污秽环境中的绝缘子一样差．

3)复合绝缘子伞裙表面受腐蚀后，表面会变得粗糙不平，出现了一些粗糙突起和腐蚀孔洞，老化程度随着腐蚀时间和腐蚀浓度的增加而加深．

4)建议长期处于高污秽、高电压环境中的复合绝缘子，应该定期进行检查，发现有问题的绝缘子应当及时更换．

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ResearchonSurfaceCorrosionofCompositeInsulatorUmbrellaSkirt

Zhao Meiyun1,2Wang Lei1,2Zhao Xinze1,2Xi Senming1,2Yuan Zekun1,2

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；2. Collaborative Innovation Center for Energy Equipment of Three Gorges Region, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

To study the effect of corrosion on the surface of composite insulator umbrella skirt, the corrosion process of the composite insulator is simulated by equivalent test. The surface hydrophobicity of the insulator sample is analyzed under corrosion conditions of different salt concentrations; and the leakage currents of the insulator surface are measured; meanwhile, their micro-topography is analyzed by scanning electron microscopy (SEM). The results show that the surface hydrophobicity of the umbrella skirt for a long-term salt corrosion is weakened with the increase of the salt density. Corrosion can cause the surface resistance of the umbrella skirt to decrease and the leakage current to increase. When the salt concentration is 0.06 mg/cm2, the hydrophobicity of umbrella skirt surface declines in the fastest, and the aging speed is the fastest. After the surface of the umbrella skirt is corroded, the surface becomes roughness, and the degree of aging deepened with the increase of the corrosion time and corrosion concentration.

composite insulator； corrosion； hydrophobicity； leakage current； surface morphology

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.019

2016-12-13

国家自然科学基金资助项目(51475264，51605254

赵新泽(1964-)，男，教授，博士，主要从事摩擦学及表面工程、液体力学等方面研究．E-mail： xzzhao@ctgu.edu.cn

TB304

A

1672-948X(2017)05-0095-05

[责任编辑张 莉]