表面盐沉积对硫化硅橡胶电晕老化性能的影响

2022-08-20岳文香陈威黄文定程广军

化工生产与技术 2022年4期

岳文香，陈威，黄文定，程广军

（1.新安天玉有机硅有限公司，广东清远 511500；2.华南理工大学，广州 510000）

高温硫化（HTV）硅橡胶具有优良的疏水性、抗污性能和机械强度。作为复合绝缘子的外壳材料，在世界范围内得到了广泛的应用。目前，中国电网已应用复合绝缘子近1 000 万只[1]。然而，随着运行年限的增加，HTV 硅橡胶材料在电晕、紫外线辐射、盐雾和湿度等因素的影响下会逐渐劣化，失去原有的疏水性和抗污染性能。

研究表明，复合绝缘子受高温、高湿和高盐度的综合作用，更容易发生严重老化，在亚热带季风气候下的沿海地区较为典型[2]。到目前为止，研究人员已经做了很多相关的工作。FERNANDO等研究了硅橡胶绝缘子在沿海和内陆热带环境下的老化，发现长期现场暴露产生的绝缘子老化弱于盐雾室老化[3]。LIU 等研究发现，随着盐雾持续时间和盐雾电导率的增加，泄漏电流增大，闪络电压降低[4]。CUI 等评价了沉积层电导率与环境相对湿度的关系，电晕放电是加速HTV 硅橡胶材料老化的重要因素之一[5]，然而在多因素条件下盐雾对HTV硅橡胶电晕老化性能的影响研究还比较少。

本研究利用电晕时效系统模拟了HTV 硅橡胶材料的劣化过程。采用高盐度模拟沿海环境作为影响HTV 硅橡胶材料电晕老化过程的主要因素。测试结束后，通过疏水性、表面电阻率和介电性能进一步评价多因素老化对材料的影响。

1 实验部分

1.1 老化测试系统设置

以盐沉积水平为变量，研究强电晕环境下HTV 硅橡胶材料的电性能。老化实验系统由恒温恒湿盐雾老化单元和高温高湿电晕老化单元组成，盐雾老化装置采用YWX/Q-150 盐雾实验箱产生微小的盐滴，将密而厚的盐雾均匀喷洒在样品表面，模拟沿海地区的盐雾气候。选用的盐水溶液氯化钠的质量浓度32 g/L，最大喷洒体积流量2.5 mL/h，腔内最高温度150 ℃。电晕老化装置由交流稳压器（0～220 V，50 Hz）、实验变压器（最大输出电压50 kV）、阻水器（限流器，30 k）、电容分压器（AC100 kV，分压器比1 000∶1，电容367 pF）组成。2 个针板电极装置置于恒温恒湿室中，室内温湿度由HS-100L 恒温恒湿室精确控制，箱体内最高温度150 ℃，最大相对湿度（RH）%。针电极分为12 个方形区域，每个区域下放置1 个样品，最多可放置12 个样品，两针间距5 mm，针长20 mm，针尖与样品表面之间的气隙6 mm。

1.2 样本测试

HTV 硅橡胶试样尺寸为70 mm×70 mm×2.5 mm，以表层盐层水平为主要影响因素，分别设置了3 个盐层水平。考虑到沿海地区的极端高温为44.1 ℃，盐雾老化单元和电晕老化单元的实验温度设置为50 ℃。

以中国亚热带季风区沿海环境条件为实验参考。设置RH为50%。大部分沿海城市污染程度集中在三级以下，以二级居多，少数城市甚至达到四级。根据现场运行情况，盐层液位设置为：0.1 mg/cm2（二级）、0.26 mg/cm2（三级）、1 mg/cm2（四级）。针板电极起晕电压4 kV，击穿电压18 kV。当电压上升到16.5 kV 时，电晕放电足够强，因此选择该电压作为实验的施加电压。考虑到HTV 硅橡胶的自然污染物积累过程和疏水特性，实验分为10个电晕老化周期，每个周期24 h。

测试前，用乙醇清洗样品表面，然后在空气中干燥2 h以上。1个周期分为3个阶段：第1阶段盐雾老化阶段（0－2 h），将样品均匀浸泡在盐雾中，沉降一段时间后，测得盐沉积水平分别达到设定的II/III/IV级，模拟沿海地区清晨高温重盐雾环境下绝缘子的自然结垢；第2阶段疏水回收阶段（2－6 h），样品在50%的RH 干燥条件下进行处理，待温度和湿度逐渐稳定后进行电晕老化实验，通过这种方式，薄雾消散和绝缘子的表面逐渐干燥，疏水性暂时恢复；第3阶段电晕老化阶段（6－24 h）。经过上述预处理后，在恒温恒湿的针板电极上给样品通电，模拟绝缘子表面沉积物引起电场畸变和电晕老化的过程。

加速老化时间最长可达10 d（10个周期）。每个循环结束后，取出样品，用乙醇擦拭，模拟降雨冲刷表面，然后变干。对其疏水性、表面电阻率和介电性能进行了测试。当每个周期结束后测量，样品进入下1个周期。

1.3 疏水性测试

用JY-82接触角测量仪对每个样品的静态接触角测量10 次，取平均作为最终结果。如果样品的平均静态接触角大于90°，则样品的疏水性良好。1组样品处理1个循环后，应立即测量静态接触角。

1.4 表面电阻率测试

样品置于三电极系统中，3个电极由不锈钢制成，顶部和底部电极上覆盖一层导电橡胶，以确保良好的表面接触。有效测量区域由底部电极确定，保护环与地连接，为表面泄漏电流提供通路。将整个系统放入1个屏蔽盒中，以减少外界的干扰。温度设为室温，RH 设为50%，三电极系统电压设定为1 kV。采用静电计测量表面电阻率，每个样品的测量时间设为2 min。采用极性改变法，施加一个正偏置电压，然后在规定的延迟时间后测量电流。将极性反转，重复几次，然后根据电流测量结果计算出电阻。该方法可以有效地消除背景电流对样品的影响。

1.5 介电性能测试

采用DIRANA 介电响应分析仪识别频率0.1 mHz～5 kHz 内的介电损耗和介电常数。在25 ℃、30%RH条件下测定样品的介电性能。

2 结果与讨论

2.1 疏水性

未处理HTV 硅橡胶样品的静态接触角为100°。图1 所示，RH 为50%条件下不同盐层水平的样品的静态接触角。

图1 RH为50%时的静态接触角Fig 1 Static contact angles of samples at RH of 50%

由图1可知，经电晕老化处理后的硅橡胶样品具有亲水性，接触角小于90°。随着表面含盐量的增加，静接触角呈下降趋势。电晕老化是一个复杂的化学和物理过程。电场在硅橡胶表面起着2个重要的作用：1）通过电晕放电和光化学反应产生高能粒子，切断聚合物的侧链，导致甲基或氢的活化，形成自由基；第2）空气中的氧气被激活，变成臭氧，自由基和臭氧会导致硅橡胶中聚二甲基硅氧烷分子链交联，宏观表现为表面硬化，疏水性下降[6]。本研究样品表面的盐沉积会加速腐蚀过程；盐层的堆积，电场畸变可能更严重，加剧了地表侵蚀。

2.2 表面电阻率

由图2可知，随着电晕老化时间的增加，表面电阻率呈下降趋势。在相同的老化时间下，表面电阻率由大到小分别对应二、三、四级，随着老化时间的增加，表面电导率呈下降趋势。电晕放电可以产生一些本征导电粒子，以提高表面电导率。此外，电晕放电引起的表面裂纹和孔洞的增加改变了硅橡胶表面的微观结构，使水分子、空气和盐沉积很容易渗透到浅层，增加了载流子含量和表面电导率。

图2 RH为50%时的表面电阻率Fig 2 Surface resistivity of samples at RH of 50%

2.3 介电性能

在RH为50%条件下电晕10 d后，测量了相对介电常数ε'和介电损耗角tanδ。提取50 Hz 下的介电特性tanδ和ε'，以反映硅橡胶样品的老化程度，结果如表1和图3、图4所示。

表1 50 Hz下样品的tan δ和ε'Tab 1 Tan δ and ε'of samples at 50 Hz

图3 RH为50%时的tan δ-fFig 3 Tan δ-f curve of samples at RH of 50%

图4 RH为50%时的ε'-fFig 4 ε'-f curve of samples at RH of 50%

由表1 可知，tanδ和ε'与盐层和老化时间呈正相关。

由图3 可知，tanδ-f曲线的高频段（≥1 kHz）反映硅橡胶材料的取向极化损耗，中低频（＜1 kHz）倾向于反映电导损耗。Tanδ-f曲线在低频区差异较大，在高频区差异较小。

由图4 可知，ε'-f曲线高频段（≥1 kHz）反映了转向极化，低频段（＜1 kHz）反映了界面极化。硅橡胶经电晕时效后，表面可逐渐形成无机氧化硅交联层，阻止低分子量物质向表面扩散，从而导致老化分层和界面极化增强。而电晕时效只影响材料的浅表面，对整体影响不大。因此，ε'-f曲线的低频波段存在较大差异。