蒙西电网220 kV在运复合绝缘子材料老化性能研究分析

2023-01-03郑建军史贤达

青海电力 2022年3期

郑建军，李铁，史贤达，田峰，

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，内蒙古呼和浩特 010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒供电公司，内蒙古锡林郭勒 026000）

0 引言

复合绝缘子概念是由美国在20世纪50年代首次提出，但是直到20世纪70年代随着高温硫化硅橡胶的问世，复合绝缘子才在真正意义上被人们所接受[1-2]。与传统瓷、玻璃绝缘子相比，复合绝缘子除了拥有更加优异的耐污特性外，还具有重量轻、易安装维护、结构稳定性高等诸多优点[3-7]，这也使其在我国石太线、宝成线电气化铁路隧道首次投入使用不久后[8]，便很快在全国范围内得到了广泛应用。蒙西电网于上世纪90年代初开始逐渐在重污秽区域引用复合绝缘子，目前蒙西电网110 kV及以上电压等级在运复合绝缘子的总数量为40余万支，其中运行年限超过10年的绝缘子数量近10万支。与其他省网公司的应用情况相似，伴随着运行年限的增加，蒙西电网范围内的在运复合绝缘子也出现了伞裙断裂、护套开裂、伞裙脱落等硅橡胶材料老化问题[9-11]，而大量停电故障的调查结果表明输电线路的停电故障均与硅橡胶材料老化而引发的复合绝缘子断串故障有关[12-16]。

复合绝缘子的主要构成部件，如伞裙护套，芯棒、界面偶联剂等有机复合材料，在高电压、强机械负载和自然因素的长期作用下都不可避免的会发生物理或化学变化，从而导致其理化和电气性能不可逆的下降[17-18]。但是，还需要认识到的是有机复合材料的老化是一种缓慢发展的过程，因此开展定期观察和现场抽样试验，判断其劣化程度及使用的可靠性，从而掌握其老化规律和特性，进而从源头有效预防因硅橡胶材料老化而引发的断串停电事故，对提高蒙西电网的安全可靠性具有十分重要的现实意义。

本文选取蒙西电网某供电局3条输电线路的在运复合绝缘子（样品信息见表1）进行了材料性能研究分析，旨在对蒙西电网在运复合绝缘子的材料老化状况进行评估，并对复合绝缘子的使用及运维提供一定的理论指导及技术支撑。

表1 抽样样品信息表

1 试验结果与分析

1.1 宏观形貌观察与分析

宏观形貌的检查结果表明3支复合绝缘子护套、伞裙表面和根部均无明显开裂，且各连接部位未见密封失效或严重锈蚀等痕迹。图1所示为3支样品不同部位伞裙宏观形貌的观察结果，由图中可以观察到1号样品低压侧、中部及高压侧等三个部位的伞裙表面呈亮红色，未见明显污秽层及严重粉化现象，但各伞裙局部区域都观察到了黑色电蚀痕迹（图中虚线框），表明该复合绝缘子在运行过程中发生过多次电晕放电现象，这可能与伞裙硅橡胶材料憎水性能的减弱有关[19]；其中，高压侧伞裙边缘还存在一定程度的弯曲变形，表明伞裙硅橡胶材料发生了一定程度的硬化；此外，对各部位伞裙进行对折后未见开裂缺陷。与1号样品相比，2号和3号样品各部位伞裙表面均存在不同程度的污秽层及粉化现象，这主要与两支复合绝缘子运行区域存在一定程度的污染源有关。需要指出的是，2号样品高压侧伞裙经过对折后表面出现了大量的龟裂裂纹，表明该部位伞裙硅橡胶材料发生了较为严重的老化，这主要与长期电场放电作用所导致的硅橡胶材料中大分子的断链有关。

图1 抽检复合绝缘子不同部位伞裙宏观形貌

1.2 金具镀锌层及伞套厚度检测与分析

使用Elektro Physik-Mini Test140型涂层测厚仪对3支样品的金具镀锌层及伞套厚度度进行测量，结果见表2。从表中可以看出，各抽检样品金具镀锌层及伞套厚度等检测结果均符合标准要求。

表2 抽检复合绝缘子金具镀锌层及伞套厚度测试结果

1.3 带护套染色渗透试验

染色渗透试验开始前，先利用金钢石锯片将每支样品沿与芯棒轴线成90°的方向切取3支试样，每支试样长度为(10±0.5 mm)。然后，利用180目细砂纸对两端断面进行打磨，确保断面清洁、平行。试验时，将试样沿芯棒纤维束的轴向放入玻璃培养皿中，培养皿底部放置一层等径的钢球(1～2 mm)和浓度为1%的品红乙醇溶液，且其液面应比球的顶部高出2～3 mm。试验过程中，染料将因毛细管作用从芯棒底面向上端面进行吸附，测量染料贯通试样的时间是否达到15 min。图2所示为3支样品芯棒带护套染色渗透15 min后的试验结果，从图中可以看出，在标准规定的时间内染色剂未贯穿芯棒，表明各样品的芯棒质量满足标准[22]要求。

图2 抽检复合绝缘子芯棒带护套染色渗透试验结果

1.4 憎水性测试与分析

按照DL/T 376-2010《复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件》[23]要求，使用DropMeter™ A-200型光学接触角测量仪，对3支样品各部位伞裙取样进行静态接触角及后退角的测量。测量前，先使用酒精对各部位伞裙进行清洗，随后利用清水快速冲洗，再将伞裙表面残余水渍擦拭干净后，室温下放置24 h后开始测量，测量结果及憎水性分级如图3所示。

图3 抽检复合绝缘子不同部位伞裙接触角测试结果

从图中可以看出，与2号和3号样品相比[图3（b）和图3（c）]，1号样品低压侧、中部及高压侧伞裙的憎水性能均发生了一定程度的弱化[图3（a）]，憎水性等级均为HC3级[19]，这也是引起该复合绝缘子伞裙表面存在多处电蚀痕迹的主要原因。还需要指出的是，虽然2号样品高压侧伞裙表面存在大量龟裂裂纹，但测试结果表明该部位伞裙的憎水性等级为HC2级，这种异常的试验结果可能与裂纹引起伞裙表面粗糙度的增加有关。研究表明表面粗糙会引起水珠状态变化，从而导致静态接触角及后退角的测试结果存在较大误差[24]。此外，3号样品高压侧伞裙的憎水性等级为HC1级，明显优于低压侧和中部伞裙。

1.5 SEM微观形貌观察及EDS能谱检测与分析

利用HITACHIS-3700N型扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对各样品伞裙表面微观形貌进行观察，结果如图4所示。从图中可以观察到，1号样品各部位伞裙表面均较光滑，除了一定量的颗粒状污秽物外，未见明显微裂纹。相比于1号样品，2号和3号样品各部位伞裙表面均较粗糙，表面可见微裂纹和大量微孔，并且两组样品高压侧伞裙表面的粗糙度均明显高于低压侧和中部伞裙，这也与憎水性的测试结果相吻合。

图4 抽检复合绝缘子不同部位伞裙SEM微观形貌

随后，利用Bruker能谱仪对各样品伞裙表面的化学成分进行检测，结果如图5所示。由于复合绝缘子伞裙材料主要由高温硫化硅橡胶、白炭黑和氢氧化铝组成，因此图中只列出了C、O、Al、Si等4种元素的测试结果。由检测结果可以看出，1号样品高压侧伞裙表面的C元素含量明显减小，表明其受电应力因素的影响较大，老化程度较严重；2号样品低压侧伞裙表面的C和O元素的含量最高，表明其受电应力因素的影响较小；Al元素的含量较小，则说明低压侧伞裙发生了一定程度的水解反应；3号样品中部伞裙表面的C和Si元素含量较少，说明硅橡胶材料发生了较严重的老化；高压侧伞裙表面的C、Si元素含量较高，表明该位置含有的小分子物质含量较高，这也与憎水性的测试结果相吻合。

图5 抽检复合绝缘子不同部位伞裙表面化学元素分布情况

1.6 傅里叶红外光谱检测与分析

利用Bruker Tensor II型傅立叶红外光谱测量仪对各样品伞裙表面进行了检测，结果如图6所示。从图中可以看出硅橡胶材料红外光谱共存在4个主要的吸收峰，分别为Si（CH3）2（790～830 cm-1）、Si-O-Si（1 000～1 100 cm-1）、Si-CH3（1 255～1 270 cm-1）、-CH3（2 962～2 970 cm-1）。选择Si-O-Si特征峰进行归一化处理后可以看出，与基体相比，1号样品3个部位伞裙表面各特征峰的峰值强度均出现了不同程度的降低。其中Si（CH3）2官能团的峰值强度分别减少了15.4%、7.7%、15.4%，Si-CH3官能团的峰值强度分别减少了14.3%、5.9%、23.5%，表明硅橡胶材料的老化程度较轻。此外，还可以看出高压侧伞裙表面的Si（CH3）2、Si-CH3等官能团的峰值强度下降最显著，表明高压侧伞裙的老化程度最为严重。

图6 抽检复合绝缘子不同部位伞裙傅里叶红外光谱检测结果

与基体相比，2号样品3个部位伞裙表面Si（CH3）2官能团的峰值强度分别减少了29.3%、34.7%、38.7%，Si-CH3官能团的峰值强度分别减少了51.5%、54.5%、51.5%，表明硅橡胶材料发生了较严重的老化。此外，高压侧伞裙表面的Si（CH3）2、Si-CH3等三个峰的峰值强度均低于低压侧和中部的伞裙，表明高压侧伞裙的老化程度最为严重。

与基体相比，3号样品3个部位伞裙表面Si（CH3）2官能团的峰值强度分别减少了39.0%、33.3%、37.9%，Si-CH3官能团的峰值强度分别减少了50.0%、44.4%、44.4%，表明硅橡胶材料发生了较严重的老化。此外，不同部位伞裙不同官能团特征峰的减小幅度较为接近，表明该复合绝缘子硅橡胶材料的整体老化趋势较一致。