多针-板电极电晕老化装置仿真设计与硅橡胶老化特性研究

毕茂强，潘爱川，杨俊伟，董 扬，江天炎，陈 曦

（重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054）

近年来复合绝缘子因其优秀的憎水性与抗污闪性能被大规模应用于输电线路中，但其本身作为有机材料不可避免地会受到外界恶劣自然环境的影响发生老化，众多因素中，电晕老化所带来的影响最为严重［1-4］。长时间的电晕放电导致硅橡胶材料表面出现裂纹，憎水性降低，绝缘性能大大下降，易发生闪络，严重威胁电网的安全稳定运行［5-9］。因此研究复合绝缘子材料电晕老化具有实际应用的工程意义。电晕老化试验是以电晕放电为主，人工加速老化是要尽可能模拟出外界复杂环境下现场运行时老化的真实过程。

Moreno等［10］使用了单针与铜板构成的老化电极。此电极在硅橡胶电晕老化实验中总体表现优异，并得出在电晕老化中湿度起到重要作用的结论，但此电极也有其不足之处，单针-板电极电晕老化过程中属于不均匀放电，电场作用于材料表面不均匀，导致老化区域老化程度不均匀，且老化区域较小，仅有针尖正对区域，老化效率较低。郭兴五［11］在研究不同绝缘材料电晕老化特性时，也设计使用了老化电极装置，将绝缘材料放在平板电极间的玻璃板之间，实验结果表明小分子链生成与电晕程度相关，且硅橡胶材料的憎水恢复特性与填充材料的程度相关。但老化的效率较低，需要很长的老化时间才能达到相应的老化效果。蓝磊等［12］在针对高温硫化硅橡胶材料进行电晕性能试验时设计使用了多针电极，电晕放电由多针对板电极生成，产生表面电子束轰击板电极上的硅橡胶材料，其中针电极由半径0.9 mm的铁丝组成，铜板电极的半径为200 mm，针电极与材料距离为3 mm，在施加电压300 h后，材料取得了不错的老化效果。但此电极中的针集中分布在几处区域，没能对材料达到较大区域的同步老化。

近年来又有研究提出了均匀老化［13］，对硅橡胶材料较大区域老化的同时，保证材料的不同区域老化程度非常接近。电晕放电是硅橡胶老化的主要因素，因此想要做到均匀老化就需要设计合理的电晕老化电极并配置合理的相关参数［14］。

国内外的研究学者对硅橡胶的老化特性进行了广泛的研究并提出许多评估方法［15-17］，如憎水性（动、静态接触角测量）、SEM（scanning electron microscope）扫描电镜、FTIR红外光谱分析法、粉化观察法、热刺激电流（thermally stimulated current，TSC）法等。电晕老化是硅橡胶材料的一个不可逆的劣化过程，主要可分为2个部分：一是发生化学键的断裂，硅橡胶的主要高分子链（聚二甲基硅氧烷PDMS）内部化学键断裂，交联度与聚合度下降，降解为小分子，同时产生大量活性基团，憎水性与绝缘性能受到极大的破坏，这也是老化的主要因素；二是电子束轰击材料表面，导致材料表面出现大量裂纹、孔洞与沟壑，材料的机械强度与绝缘性能大大下降。根据上述特点与现象，现在硅橡胶老化特性主要的评估方法有：①静态接触角测试法，即将蒸馏水滴在老化完成的材料表面，测量水滴在材料表面的静态接触角，角度越大表明材料表面的憎水性越强，电气性能越优秀［18-19］；②SEM扫描电镜法，即利用扫描电镜放大材料表面进行观察，观察表面的裂纹、孔洞和沟壑等，裂纹等越多，则材料老化越严重［20］；③FTIR红外光谱分析法，即通过能谱分析定位追踪材料内的化学键，从而判断出材料内部是否发生化学键的断裂与其断裂程度，根据相关化学键的断裂程度，判断老化程度［21-22］；④热刺激电流法，硅橡胶材料老化过程中大量分子键断裂，产生自由基与离子，导致内部陷阱密度增加，此法正是测量其陷阱密度来反应出材料的老化程度［23］。

本文在COMSOL中建立了多针-板电极模型，根据电场分布仿真结果设计了一种多针 板电极，利用此电极完成了硅橡胶材料100 h的电晕老化试验，并采用憎水性、FTIR红外光谱和SEM扫描电镜对材料特性进行评估分析，验证了设计与所配置参数的合理性，可为电晕老化电极的设计和硅橡胶材料电晕老化特性的评估提供参考。

1 多针-板电极电晕老化装置仿真设计

1.1 多针电极电场仿真模型

在COMSOL仿真软件中建立了不同多针 板电极的三维静电场仿真模型。为探索硅橡胶表面的电场分布规律，主要对针电极的分布方式、不同区域针的垂直间距、针-板间距、针-板间距作用电压等因素进行仿真计算，在仿真中空气的相对介电常数设置为1，金属的导体的介电常数为无穷大［24］，本文设置铜和针电极的介电常数为105，硅橡胶的介电常数为3，厚度为2 mm。本文仿真的3种针电极布置方式如图1所示，图1（d）选取一个直径上的针来表现针与针的垂直间距，在硅橡胶表面取一截面测试硅橡胶表面的电场分布和电场模云图，此截面所得电场模云图如图2所示。

图1 针-板电极的布置方式

图2 不同针-板电极电场分布

1.2 针电极的不同布置方式对电场分布的影响

在所得圆形截面的一个半径上不同位置的针-板电极电场分布如图3所示。从图3可见，19针电极的电场分布曲线平滑程度不如另外2种，电场分布不够均匀；对比31针电极与25针电极，整体平滑程度相似，25针电极电场强度从15mm处有所下降，其均匀程度稍差于31针电极，且31针电极各处电场强度都大于25针电极，综合考虑均匀程度与效率，31针分布电极优于另2种分布。

图3 不同针-板电极电场分布曲线

1.3 针-板间距对电场分布的影响

取31针六边形分布的方式改变针电极与板电极之间的间隙，即为中心区域的针与板的距离，间隙值分别取5、10、15 mm进行对比分析，所得电场分布情况如图4所示。间隙为5 mm时，在距离为10、17.5与25 mm处出现急剧的上升与下降，最大值和最小值与平均值相差分别为30.71%和14.16%，电场分布不均匀；间隙为10 mm时，最大值和最小值与平均值相差分别为5.92%和0.94%，场强曲线较为平滑，电场分布较均匀；间隙为15 mm时，最大值和最小值与平均值相差分别为6.20%和8.43%，电场分布较均匀。间隙越长，电场分布越均匀，当间隙大于10 mm时，硅橡胶表面的电场分布的均匀程度几乎不在受针板间间隙距离的影响。

1.4 不同区域针电极的垂直距离对电场分布的影响

因不同区域针之间的电场的相互影响，也需考虑不同区域针之间的垂直距离。文中所选的针长为60 mm，直径为8 mm，选取0、1、2 mm垂直间距进行仿真计算，如图5所示，所得数据如图6所示。垂直距离为2 mm时，出现了明显的电场强度的急剧上升与下降，最大值和最小值与平均值相差分别为19.35%和9.58%，电场均匀程度较差；对比0 mm与1 mm数据，0 mm曲线从距离10 mm处就缓慢下降，而1 mm仍保持平滑分布，且0 mm曲线中最大值和最小值与平均值相差分别为10.11%和11.24%，1 mm曲线中最大值和最小值与平均值相差分别为5.92%和0.94%，1 mm的均匀程度优于0 mm；垂直距离1 mm时其总体电场强度大于0 mm。

图4 不同间隙电极电场分布曲线

图5 不同垂直距离针的分布方式

图6 不同垂直距离与其电场分布曲线

1.5 针-板间电压对电场分布的影响

针 板间不同作用电压的电场分布的仿真结果如图7所示。电压为5 kV时，场强最大值和最小值与平均值相差分别为6.26%和0.87%；电压为10 kV时，场强最大值和最小值与平均值相差分别为5.92%和0.94%；电压为15 kV时，场强最大值和最小值与平均值相差分别为5.97%和11.31%。不同电压下主要区域电场分布的均匀程度相似，总体电场强度随电压的升高而升高；随着电压的升高距离大于25 mm区域的场强下降程度越严重，但其整体电场分布仍较为均匀。在具体实验中可进行电压的调节。

图7 不同电压的电场分布曲线

1.6 多针-板电极装置的设计

根据仿真计算结果优化设计的多针 板电极电晕老化装置如图8所示。电极主体由弧度为半圆的铜与一个圆形铜板构成，圆形铜板的直径为140 mm，厚度为4 mm，半圆的半径为14 mm，厚度也为4 mm，材料均为纯铜。针的分布为六边形分布，每根针由可调夹具固定放置于圆形铜板上，可调节不同区域针与试品的间距，可调夹具由纯铜构成，夹具为高度7 mm、直径8 mm的圆柱体，且在中心开直径为1.2 mm的圆孔用于放置针电极，针长为60 mm，直径为0.8 mm的不锈钢针，通过电极边界的支柱调节电极整体与试品的间距。

2 硅橡胶老化特性

2.1 试验装置及方法

电晕老化实验装置主要由调压器、试验变压器、分压器、环境控制箱、老化电极、示波器等组成，其原理图如图9所示。

图8 针-板电极实验装置

图9 电晕老化实验原理图

实验样品为115 mm×115 mm×2 mm的高温硫化硅橡胶材料，实验前用无水乙醇对其表面进行清洗，然后将其静置于铜板上24 h，待其表面干燥。将制备好的硅橡胶材料放置于老化电极下，将电极放入环境控制箱中，传感器测得内部温度为22±5℃，相对湿度为70%～80%，施加10 kV的交流电压，持续老化100 h后将其取出，分别对其不同老化区域进行静态接触角测量，SEM分析以及FTIR红外光谱分析。为进一步分析电场分布对硅橡胶样品老化状态的影响，将老化后的硅橡胶分为了4个不同的老化区域，如图10所示。其中区域①为中心区域，也为针-板间隙为10 mm的区域；区域②为第二层区域，同为针-板间隙为9 mm的区域；区域为③为第3层区域，即针-板间隙为8 mm 的区域；区域④处于老化区域的边缘。

图10 硅橡胶老化区域划分

2.2 电晕老化对硅橡胶憎水性的影响

将老化完成后的硅橡胶材料从电极中取出，用风扇快速将其表面杂质吹干净并保持硅橡胶材料表面干燥，使用蒸馏水通过光学接触角测试仪（ZJ-6900）对硅橡胶进行不同时间段的静态接触角的测量。测得老化前硅橡胶的静态接触角为108.236°，如图11所示。

图11 老化前静态接触角

老化后将其置于25±5℃，相对湿度60±5%的玻璃容器中，材料不同区域和不同时刻的静态接触角如图12所示。从图12可见，老化前后静态接触角变化非常大，由未老化的108.24°下降到67.53°，老化后硅橡胶表面憎水性遭到了严重破坏，憎水性急剧下降，去除老化因素后，因其憎水性的迁移性，表面的静态接触角随时间的推移逐步恢复到一个较高的水平。硅橡胶老化后不同区域静态接触角随时间恢复曲线如图13所示。老化后不同区域的初始值由区域①向区域③逐渐增大，即憎水性受损性由区域①向区域③降低；随着时间的推移，各个区域静态接触角逐步增大，且越来越趋近于相同，但仍未达到未老化值。

图12 老化后硅橡胶静态接触角随时间的变化过程示意图

图13 不同区域静态接触角随时间恢复曲线

2.3 电晕老化对硅橡胶表面形貌的影响

1）外观形貌

老化100 h后的硅橡胶材料表面状况如图10所示，可以看出，材料表面老化痕迹明显，表面受到破坏情况较为严重。处于针尖正下方处老化的现象更加明显，硅橡胶材料的表面整体老化范围较大，老化痕迹相对比较均匀。

2）微观形貌

SEM扫描电镜是目前最为主流的评估硅橡胶材料老化的方法之一，将材料表面放大3 000倍进行观察评估，本次实验所使用的设备为ZEISSSIGMA HD 场发射扫描电镜。老化不同区域放大3 000倍的SEM电镜图如图14所示。

从图14中明显可见，材料未老化时其表面较为平整，无明显絮状物，无裂纹、沟壑、孔洞等明显缺陷。经老化处理100 h后的材料表面损坏严重，出现许多孔洞与沟壑，且可观察到在不同间隙不同区域下其破坏程度也不相同，在间隙短的区域，老化情况更加严重，表面的绝缘性能破坏程度比长间隙的区域更为严重。

图14 不同区域老化后表面SEM扫描电镜图

仅对比老化后的材料表面情况，虽然随着间隙减小绝缘性能越差，但在总体上看来表面粗糙度、孔洞相差并不是特别大，从表面的破坏程度侧面体现出老化电极的电场分布较为均匀。

2.4 FTIR红外光谱分析

将老化完成的硅橡胶材料切取不同区域的硅橡胶材料（5 mm×5 mm）作为试品，切取与憎水性测试相同的4个区域的试品。样品取出后用酒精将表面清洗干净，干燥后放入红外光谱分析仪，从计算机上记录波形及数据如图15所示。

图15 老化后不同区域吸收峰

硅橡胶的基体为高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS），其主要由Si-O-Si、Si-CH3和-CH3基团组成，现在所用的PDMS中大多加入了少量的乙烯基，这样所得到的材料硫化效率会提高很多，有益于其内部交联反应，形成立体网状结构，增强机械强度与绝缘性能。由图15（a）可见，在波数为1 000 cm-1处为Si-O-Si（1 000～1 100 cm-1）键的特征峰吸收值，对比观察老化前后Si-O-Si化学键的数量，明显可见电晕老化使得部分Si-O-Si键发生了断裂；在波数为1 260 cm-1处为Si-CH3键的特征峰吸收值，可见此处的未老化的特征峰吸收值明显大于老化后的吸收值，因此电晕老化过程中其表面的Si-CH3键受到损坏；在波数为2 960cm-1左右处为甲基-CH3基团的特征峰吸收值，由表中数据可观察出区域④的表面的-CH3基团数量高于区域①的-CH3基团数量，-CH3基团在电晕老化过程中遭到破坏，发生断裂。其中Si-CH3和-CH3基团为憎水性基团，而电晕老化处理后，其表面的憎水性基团发生断裂而数量减少。

电晕放电过程中会产生臭氧，在电子束轰击表面的高温条件下发生氧化与甲基中-H形成-OH键，形成的-OH键具有亲水性，导致其总体憎水性下降，绝缘性能下降，因此绝缘性能受到破坏。图15（b）中对比同一电压下的不同老化区域，放电间隙越小的区域，其化学键受损断裂程度越严重，绝缘性能破坏也更严重，老化后不同区域的差异远小于与老化前的差异，侧面也可表现出老化电极所作用范围的均匀性。

3 结论

1）硅橡胶表面的电场分布及电场强度与针电极的数量、电极形状、针-板间隙的距离、针与针之间垂直距离，以及针-板间电压有关。31针分布老化电极各处场强较为接近，在边缘区域场强轻微下降，硅橡胶表面电场分布较为均匀；针与针的垂直距离越小，电场分布越均匀，但当垂直距离小于1 mm后，电场分布均匀程度又出现轻微下降；随着针-板间隙增大，场强分布越均匀，当间隙大于10 mm后，电场分布均处于较均匀的状态；电场强度随针 板间作用电压升高而增大，但其电场分布的均匀程度未随电压升高而出现较大变化。

2）老化后材料的憎水性由外部向内部逐步轻微变差，老化后各个区域的憎水性随时间推移得到一定程度的恢复并趋于相同；硅橡胶表面的裂纹、孔洞和沟壑也呈现外部区域向内部细微加剧的趋势，从整体看来，有效老化区域（区域①-③）老化程度趋于一致，老化程度差异细微。

3）老化后材料表面惰性憎水性化学键Si-CH3和-CH3均出现了不同程度的断裂，断裂程度同样从外部区域向内部区域逐渐加深，但断裂程度差异较小，老化程度相近。