雾霾参数对电晕老化硅橡胶外绝缘特性影响研究

毕茂强，帅垭灵，邓润坤，江天炎，董 扬，陈 曦

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054；2.国网重庆市电力公司检修分公司， 重庆 400039)

0 引言

随着我国经济的快速发展，电力需求迅猛增加，电网规模逐步扩大。伴随的环境问题也逐渐凸显，部分地区的大气污染源越来越多，空气质量急剧下降，导致我国大部分地区长期出现较为严重的雾霾天气[1-2]。所谓雾霾，就是由空气中的液态小水滴、冰晶和分布在空气中的颗粒物混合组成的一种特殊气溶胶系统[3-4]。雾霾天气的出现不仅对人体健康、生态环境影响严重，而且对输电线路外绝缘和电网的安全运行构成了严重的威胁，由此产生的电力故障给社会生产生活造成了难以估量的经济损失[5-6]。

复合绝缘子具有质量轻、运输方便、抗污闪能力突出等优点，在输变电外绝缘系统中被广泛使用。复合绝缘子受雾霾影响主要表现在2个方面[7-9]：一方面是霾经长时间沉降，绝缘子表面的污秽增多，当环境湿度较高时，绝缘子表面污秽层容易受潮造成沿面闪络；另一方面是雾霾中的雾水可能混合多种无机盐，雾水湿润绝缘子表面后致使绝缘子外绝缘水平下降，可能对绝缘子闪络电压造成影响，严重时甚至造成大范围的线路断电事故。虽然复合绝缘子在多年的现场运行中表现出了良好的防污闪性能，但是复合绝缘子本身作为有机复合材料容易受到周围环境因素影响发生老化，导致其绝缘性能下降[10-12]。

目前，国内外学者对雾霾环境下绝缘子的闪络特性展开了广泛的研究。Shu等[13]利用NaCl模拟盐溶液，提出闪络电压和雾水电导率呈负相关的规律；宁博扬等[14]通过自建人工模拟雾霾试验平台，对绝缘子交流闪络特性开展了研究，提出闪络电压随雾水电导率增加而下降的原因跟雾水增加了绝缘子表面盐密有关；Saadati等[15]研究了不同污秽成分对绝缘子的闪络特性的影响，发现污秽层的电导率为绝缘子表面闪络电压的主要影响因素。

近年来，学者们对复合绝缘子的自然积污老化机理研究较多，但在雾霾各成分参数环境下的老化研究却相对滞后。随着我国雾霾问题的日渐突出和雾霾环境参数的愈加复杂，研究雾霾环境中的各成分受到电晕放电老化后的硅橡胶外绝缘特性就显得格外必要。

硅橡胶是复合绝缘子的主要组成成分。以一种硅橡胶材料为试品，通过人工加速电晕老化的方法对硅橡胶进行不同时长的老化，老化时让硅橡胶试品分别处于霾环境、盐雾环境以及雾霾环境中。老化后测试不同雾霾成分老化环境下硅橡胶的交流闪络电压、表面电阻率、憎水性、泄漏电流综合研究分析了雾霾参数对电晕老化硅橡胶外绝缘特性。研究结果可为长期运行于雾霾频发地区的复合绝缘子提供理论寿命依据。

1 试验方法及步骤

1.1 电晕老化试验装置及试品

1.1.1试验试品

试验中的试品为某绝缘子厂商生产的半径 65 mm、厚度0.3 mm的硅橡胶圆片，试品如图1所示。其主要成分为 40%～50%的Al(OH)3、35%～40%的甲基乙烯基硅橡胶、5%～10%的SiO2、2%～3%的硅油。分子结构式如图2所示。

图1 硅橡胶试品

图2 试品分子结构式

1.1.2电晕老化试验装置

主要设备包括：NHSB-5 kVA/50 kV变压器；调压器(T1)；FRC交直流电容式分压器，分压比为 1∶1 000；EWS06-500W空压机；空气流量计；阀门；DG-100粉尘发生器；TBS2000 SERIES示波器；DDS-11A电导率仪；多针-板电极；10 Ω无感电阻；环境控制箱为密闭圆柱体，直径为350 mm，高度为400 mm，材料为有机玻璃绝缘材料；超声波雾化器；计算机；颗粒传感器、温湿度传感器等。

试验采用文献[16]推荐的多针-板电极对硅橡胶进行电晕老化。此方式可获得较大的有效电晕老化范围，使试品老化更加均匀。采用多针-板电极，针数为31根，呈正六边形分布，最外侧相邻两针的距离为16 mm，内侧针与针之间的距离为10 mm，钢针长度60 mm，直径0.8 mm，针尖曲率半径30 μm，针尖与试品的间距为10 mm。多针板电极模型如图3所示。

图3 多针板电极模型

1.1.3电晕老化试验原理及步骤

通过分别生成“雾”和“霾”的方法来模拟环境中的雾霾天气，这种方式便于控制模拟环境的理化参数。为了达到模拟环境的相对湿度和微小颗粒物浓度，环境箱中装备温湿度传感器和颗粒物传感器进行监测，并通过调控“雾”和“霾”的生成速率来控制环境参数。试验原理如图4所示，其中雾霾环境箱、环境监测系统、雾生成系统、霾生成系统这4个部分共同组成了雾霾模拟系统。

图4 电晕老化试验原理示意图

试验中盐雾通过雾化器雾化产生。空气压缩机将空气压入雾化器中与雾化后的溶液混合喷入环境箱，试验所需盐溶液电导率均调制为3 000 μS/cm。利用粉尘发生器产生霾，粉尘粒径为0.1～10 μm的硅藻土颗粒,其主要成分为SiO2。模拟霾环境、硝酸钠盐雾环境、硫酸铵盐雾环境和雾霾环境，整套设备控制在无尘、(20±2)℃的环境中进行。试验主要步骤如下：

步骤1将试品洗净后放在环境温度为(20±2)℃且相对湿度小于50%的无尘环境12 h，晾干备用。

步骤2当模拟单霾环境时，打开粉尘发生器，通过调节阀门控制粉尘的吹入速率为13.3 μg/min，持续通入15 min停止1 h。

模拟盐雾环境时，通过空压机吹入流量为10 L/min的空气，同时将配置好的盐溶液注入雾化器内。将雾化后产生的盐雾通入环境箱中一定时间，直至环境箱中形成相对稳定的盐雾环境。

雾霾环境模拟前期与盐雾环境的模拟相似，待箱中盐雾环境稳定后，同时打开粉尘发生器，吹入粉尘颗粒，吹入速率为13.3 μg/min，持续通入15 min停止30 min。重复多次后，直至粉尘颗粒与盐雾在环境箱中形成稳定的气溶胶系统，得到要模拟的雾霾环境。

步骤3将步骤1 中静置12 h后的试品放置在多针-板电极的铜板上方，然后将装置放入模拟的雾霾环境箱中。通过调压器以2 kV/s的速率对针电极升压，直到电压达到10 kV后停止并保持。老化持续时间分别控制为8、24、48、100 h。在此过程中通过电脑实时记录传感器检测到的环境箱中的各项环境参数。

步骤4达到预定老化时长后，取出老化试品，备用。

1.2 试品的交流闪络电压

通过搭建人工雾室对电晕老化后的试品进行交流闪络试验，测试老化硅橡胶试品的湿闪电压。根据闪络电压值，并结合后续电阻率、憎水性和泄漏电流，综合分析硅橡胶在各雾霾参数环境下电晕老化的外绝缘特性。

1.2.1闪络试验平台

人工雾室用于测试老化试品的沿面闪络电压，该装置为直径0.4 m、高0.5 m的有机玻璃圆柱体。雾室内设置有温湿度传感器，四周有调节相对湿度的去离子水超声波雾发生器喷雾装置。试验电源为NHSB-10 kVA/50 kV的工频试验变压器；分压器为FRC交直流电容式分压器，其分压比为1∶1 000，沿面闪络装置原理如图5所示。

图5 沿面闪络装置原理图

采用指形电极测试试品的闪络电压，电极的正/俯视图如图6所示。沿面放电距离为10 mm，电极半径为3 mm。

图6 电极的正/俯视图

1.2.2闪络试验步骤

闪络试验中，环境的相对湿度可通过超声波雾化器和湿度传感器配合进行调节和监测。本次湿闪测试在相对湿度95%、温度20 ℃的环境中进行。试验主要步骤如下：

步骤1将预先配置好的去离子水注入超声波雾发生器中，打开超声波雾发生器，通过喷雾装置调节环境湿度，直至人工雾室中的环境满足试验要求。

步骤2测量老化试品的闪络电压时，先预估闪络电压值，升压时采用均匀升压法，以10%每秒的预期闪络电压升压，持续升压直至闪络发生为止。将老化后的试品切分成小样品，每组试品需闪络测试5次，每次闪络间隔时间控制为5 min。本文的闪络电压值以5次测试所得的平均值代替，其计算式如式(1)所示。剔除测试值与平均值相对误差超过20%的数据。

(1)

式(1)中：Uf为闪络电压值；Ui为第i次闪络电压测试值；n为闪络击穿试验总次数，本试验取n=5。

1.3 试品表面电阻率测试

电介质的表面电阻率能够有效反映材料的绝缘性能。根据GB/T31838.3—2019固体绝缘材料的表面电阻率试验方法标准，采用500 V电压并通过三电极法对不同环境中老化后的硅橡胶试品进行电阻率测试。采用型号为Keithley6517B的高阻仪测量试品的表面电阻率。

1.4 试品憎水性测试

硅橡胶材料表面的憎水性和憎水性恢复特性是衡量硅橡胶外绝缘特性的重要参数之一。通常情况下，老化越严重的硅橡胶试品憎水性损失越严重，表现为更易发生污闪，绝缘性能有所下降。

使用ZJ-6900光学接触角测试仪测量老化试品的表面静态接触角。通过注射器向样品表面滴下10 μL的蒸馏水，分别测试单霾、盐雾以及雾霾环境中电晕1、2、3、4、8、12、16 min作用下的静态接触角。为了研究样品的憎水性恢复特性，将样品静置于无尘环境中2、4、6、8 h后再次测量其憎水性。测量时保证样品清洁干燥，测量5次后取其均值作为当前状态的静态接触角。

1.5 试品表面泄漏电流测试

硅橡胶在不同情况下老化后，其表面电阻因为老化程度不同有所差异。泄漏电流的测量与闪络试验共享平台。具体试验方法如下：

1) 将不同环境中老化的硅橡胶样品按 30 mm×30 mm的大小切样，然后与指形电极固定，调整电极之间的试品距离为10 mm，将整个装置放入人工雾室中。

2) 通过超声波雾化器雾化去离子水并通入雾室中，控制雾室相对湿度为95%。

3) 按照GB/T 26218.3—2011规定的爬电比距标准试验，以b等污秽度等级测定，在电极两端施加0.36 kV的交流电压。试品泄漏电流的波形通过数字示波器并联电阻R直接采集不同老化环境试品的泄漏电流，本次测试采样率为12.5 kHz。

2 试验结果与分析

2.1 各环境下电晕老化的外观形貌

在单霾环境、硫酸铵环境、硝酸钠环境、雾霾环境中经历电晕老化100 h，待试验结束后，观察其老化后的外观形貌，如图7所示。

图7 各雾霾参数下电晕老化100 h后外观形貌

从图7中可以看出，不管硅橡胶材料是处于哪种环境中电晕老化，其表面都有白色物质产生。白色物质呈圆形状分布，这与多针电极的圆形分布一致。从图(a)中可以看出，硅橡胶表面的白色物质为硅藻土粉末，电晕产生的电子束将环境中的硅藻土不断轰击并使其粘附在硅橡胶材料表面，随着老化时间的增加，硅藻土的集聚也越来越多。图(b)和图(c)中2种盐雾环境下的硅橡胶表面同样出现了白色物质，但其分布相对来说较为杂乱，可能原因是硅橡胶表面并非光滑水平，盐雾溶液降落在老化试品表面，溶液在重力的作用下扩散，电晕放电作用于盐溶液后“蒸干”了其中的水分，在硅橡胶表面形成了无机盐晶体。图(d)中雾霾环境下白色物质的量更多，该环境中的颗粒物在高湿度条件下更容易沉积在硅橡胶表面。通过观察可知，该白色物质为硅藻土颗粒物，用适量的蒸馏水洗该物质，测试其电导率，其值为1.2 mS/cm，说明该白色物质中还含有一定量的无机盐成分。

2.2 交流湿闪试验结果及分析

在RH≈95%的相对湿度条件下进行沿面闪络试验，试验结果如图8所示。可以得知，随着试品老化时间由8 h增加到100 h，单霾环境、硫酸铵环境、硝酸钠环境、雾霾环境中的闪络电压分别从4.91、6.21、6.28、5.87 kV下降到4.32、3.43、3.55、3.32 kV。其中，老化8 h的试品中，硝酸钠盐雾环境下的闪络电压6.28 kV为测试结果最大值；老化100 h的试品中，雾霾环境下的闪络电压3.32 kV为测试结果最小值。从图8中可明显看出，不同环境下的湿闪电压随着老化时长的增加而出现下降。其中单霾环境中老化试品的湿闪电压从4.91 kV下降到4.32 kV，仅下降了0.59 kV，下降的幅度为12.02%。在单霾条件下，老化时长越长，硅橡胶表面沉积的颗粒物越多，越容易阻碍电子束对材料表面的破坏。其次，即使在高湿度条件下，硅藻土颗粒也很难与水作用形成导电离子，因此闪络电压仅是略有下降。与单霾环境情况不同的是，试品的湿闪电压在其他3种环境中老化降低明显得多。电晕放电的电子束对硅橡胶材料表面的轰击破坏是影响因素之一。除此之外，在高湿度条件下，硅橡胶材料表面沉积的大量可溶性物质吸收水分后形成的导电离子也是原因之一。相对来说，在硫酸铵盐雾环境中电晕老化后，其湿闪电压较低。就交流闪络试验结果来看，在硫酸铵盐雾环境下的电晕老化对硅橡胶材料表面的破坏作用更明显。

图8 不同环境中电晕老化试品的湿闪电压均值

2.3 老化试品表面电阻率测试结果及分析

2.3.1表面电阻率测试结果及分析

对试品进行表面电阻率测试，测试结果如图9所示。可以看出，试品表面电阻率随老化时长的增加而下降。单霾条件下老化24、48 h的试品，其表面电阻率相较于其他环境老化时明显更大，说明试品表面受电晕放电的破坏作用不大，其绝缘性能保持得较好。而在其他环境下时，试品的表面电阻率较低，硅橡胶表面受到的破坏作用明显，说明电晕放电时试品受到环境中带电离子的影响较大。

图9 电晕放电老化试品的表面电阻率

2.3.2体积电阻率测试结果及分析

体积电阻率测试结果如图10所示，测试时试品电压为直流0.5 kV。从试验结果中可知，不管何种老化环境，随着老化时长的增加，试品的体积电阻率都减小了。可能的原因是硅橡胶的表面被电晕放电破坏，导致硅橡胶材料的整体绝缘性能下降。试品在相同老化时间、不同老化环境下的体积电阻率相近，原因可能是在老化过程中，环境中的各雾霾成分会逐渐停留在材料表面，形成一层保护薄膜，这在一定程度上阻碍了电晕放电老化的进程，因而对内部的破坏并不严重，并未波及内部的绝缘性能。

图10 电晕放电老化试品的体积电阻率

2.4 试品憎水性分析

2.4.1憎水丧失特性测试结果及分析

未老化样品的静态接触角测试结果如图11所示，初始状态的静态接触角为108.916°，憎水性良好。分别测试不同环境下电晕老化时间为1、2、3、4、8、12、16 min的样品静态接触角，试验结果如图12所示。

图11 初始样品的静态接触角测试结果

从图12中可以看出，环境因素对样品表面的静态接触角影响较小，而受老化时间的影响很大，图中曲线变化近乎一条直线下降。在不同环境中电晕老化16 min后，样品的静态接触角下降到20°～35°。相对来说，与单霾、雾霾环境相比，盐雾环境对硅橡胶样品的憎水性影响更大。

图12 样品在不同环境下电晕老化的憎水性变化

2.4.2憎水性恢复特性测试结果及分析

图13(a)—(d)依次为单霾、硫酸铵、硝酸钠、雾霾环境下老化不同时长、恢复时间与静态接触角的试验曲线。可以看出，不论硅橡胶样品在哪种环境中电晕老化，也不论老化时长是多少，其静态接触角在前2 h内均恢复十分迅速，恢复度占总恢复度的比例超过50%，恢复速率在后6 h减慢，有趋于某个稳定值的态势。最终在8 h后，不同样品的憎水性都能够达到80°～100°。从图13中可知，在相同的恢复时长内，同种环境下老化8 h的样品比老化更长时长样品的恢复度更高。这可能是因为硅橡胶表面状态的破坏程度跟老化时长有关，老化时长越长的样品，其表面状态就越难恢复。因此，在相同恢复时间内，老化时间越短的样品越能恢复到较高的静态接触角水平。

在不同环境下电晕老化100 h后，取出样品并静置2、4、6、8 h后，其憎水性恢复曲线如图14所示。可以看出，硅橡胶材料表面的静态接触角恢复特性与老化环境有关。

图13 不同环境中电晕老化后的憎水性恢复曲线

图14 不同环境中电晕老化100 h样品的憎水性恢复曲线

处于硫酸铵环境、硝酸钠环境中老化的样品，在恢复时长相同的条件下，它们的静态接触角恢复程度较小。说明样品在盐雾环境中发生老化后，其表面状态破坏严重。可能的原因是样品在盐雾环境中电晕放电老化，电子束轰击硅橡胶表面后，造成硅橡胶材料表面损伤，盐雾颗粒沉积在损伤部位，这些盐雾颗粒吸收环境中的水分后形成腐蚀性溶液，致使硅橡胶材料的损伤进一步加深，其内部憎水性基团的化学键断裂，所以其憎水性恢复较慢。当电晕放电发生在单霾环境和雾霾环境中时，随着老化时间的增加，样品表面慢慢的被环境中的硅藻土颗粒物所覆盖，电晕放电作用于样品表面的破坏减弱。因此，硅橡胶材料在不同环境中电晕老化后的憎水性恢复特性表现为盐雾环境小于雾霾环境，雾霾环境小于单霾环境。

2.5 试品泄漏电流分析

雾霾环境下老化试品的泄漏电流测试结果如图15所示。从泄漏电流测试结果可以看出，老化时长对试品泄漏电流的影响很大。对雾霾环境下的老化试品测试完毕后，对其他环境中的老化试品也进行泄漏电流测试。泄漏电流的有效值能够较好地表征绝缘子的外绝缘特性，按照式(2)的计算方式对泄漏电流进行有效值计算。

(2)

式(2)中：Irms为泄漏电流有效值，mA；N为采样点数；Ii为i时刻的泄漏电流值。

图15 雾霾环境中不同老化时长(h)试品表面泄漏电流曲线

经过式(2)计算后，不同环境下老化试品的泄漏电流有效值如图16所示。当试品老化时长为8 h时，不同环境中泄漏电流的有效值相差不大，在0.05～0.1 mA，其中雾霾环境中的泄漏电流有效值最小。处于单霾环境中老化的试品，随着老化时长的增加，泄漏电流有效值变化不大，增大的速率也越来越慢。而其他3种环境中老化试品的泄漏电流有效值增加较多，其速率在24～100 h范围变化不大。可能的原因是环境湿度较高时，环境中的水分子与沉积在试品表面的无机盐颗粒物结合形成导电离子，试品表面的绝缘性能因此下降。其次，硅橡胶试品在电晕放电的电子束轰击下表面发生老化，导致其本身外绝缘特性降低。在老化时间大于24 h后，硅橡胶试品处于盐雾环境中测得的泄漏电流有效值大于其他2种环境中老化的试品。说明处于盐雾环境中电晕老化的试品表面电阻更小，该环境下的电晕老化产生了更严重的破坏作用。结合憎水性与憎水性恢复来看，在电晕放电条件下，盐雾环境相比其他雾霾环境对硅橡胶表面的破坏作用更加明显，更有可能加深对硅橡胶的破坏。同时，材料在其过程中憎水性被破坏，污闪也更容易发生，由此威胁电网的安全运行。

图16 不同环境中泄漏电流的有效值

3 结论

1) 在雾霾环境中的绝缘子发生电晕放电老化时，环境中的颗粒物经过电场加速后撞击在材料表面，破坏了材料的表面结构，导致材料的理化特性发生了改变。其中表面电阻率和体积电阻率下降、静态接触角快速下降、泄漏电流的有效值增大，导致其外绝缘特性降低，湿闪电压随着老化时长的增加而下降。

2) 随着老化时长的增加，硅橡胶老化试品泄漏电流的有效值也随之增大，盐雾环境或雾霾环境中的无机盐成分是泄漏电流有效值增加的首要原因。单霾环境中老化时，由于环境中的无机盐成分很少，沉积在试品表面的无机盐粒子也较少，所以泄漏电流有效值增加较慢，硅橡胶试品老化后表面状态被破坏是泄漏电流有效值增加的主要原因。

3) 处在雾霾环境中的绝缘子发生电晕放电老化时，电晕放电老化在硫酸铵环境和硝酸钠环境中都能被加速，且硫酸铵的作用比硝酸钠更明显。