硅橡胶绝缘材料的直流漏电起痕研究

2023-10-18朱勇*

科学技术创新 2023年24期

朱勇*

（泰州学院机电工程学院，江苏泰州）

随着复合绝缘子在电力系统中使用数量的不断增加，特别是在直流输变电工程中应用范围的不断拓展，其老化问题逐渐引起人们的重视[1-3]。复合绝缘子外绝缘多采用的是高温硫化硅橡胶材料。当硅橡胶作为外绝缘材料使用时，在各种恶劣的气候环境条件，例如太阳光紫外线、盐雾、台风、雨雪、酸雨等影响下，都会造成硅橡胶的物理和化学损伤，从而影响其绝缘性能。特别是在重污染地区，尽管硅橡胶的憎水性会迁移到绝缘子的表面污层，但是在恶劣天气中，绝缘子表面会发生电晕、火花放电，致使绝缘子表面污层的憎水性逐渐丧失。当表面污层完全呈亲水性时，湿润的污层就会形成电解液导电通路，从而发生污闪。另外在湿润环境下，当硅橡胶绝缘子憎水性尚存时，其表面会形成若干个细长污液带和污液带间的高阻干区。这些干区上能够形成数量较多的局部电弧，当这些电弧逐步发展和合并，最终也会形成闪络。即使不发生闪络，这一系列的气候、环境和电气因素也会造成有机材料绝缘子的老化，降低其绝缘性能[4-5]。

由表面放电所引起的电弧老化是复合绝缘子用硅橡胶老化的主要因素，因此电力行业对复合绝缘子用绝缘材料的耐电痕和电蚀损性能做出了要求，并构建了试品的斜面试验方法。目前，在国标GB/T6553-2014《严酷环境条件下使用的电气绝缘材料评定耐电痕化和蚀损的试验方法》中对交流电压作用下耐表面电弧蚀损的试验方法已经非常成熟[6]。但是对直流斜面法的研究还不充分，由于直流电没有交流电的过零点现象，所以电弧持续的热分解更强，作用机理也有所不同，如果仅仅将电压进行替换，依然采取交流斜面法的判定依据是不科学的。本文将研究直流斜面法下硅橡胶绝缘材料的漏电起痕现象，通过调整电压大小、作用时间、污液滴速等相关参数，对直流斜面法进行系统的研究，积累相关数据，为行业相关标准的修订提供依据。

1 实验

1.1 实验装置

试验采用GB/T 6553 标准中所规定的倾斜平板法，实验电路如图1 所示。试验过程中交流变压器输出的交流电经高压硅堆整流成直流电压后施加到试样上，当泄漏电流超过60 mA 时过流保护装置动作，切断电源。试样的安放如图2 所示，试样为压制的6 mm 厚平板状高温硫化硅橡胶，一组5 个试样，呈45°倾斜安装，同步进行试验。试验开始后，污液由上部电极处按一定速率滴下，经滤纸后沿试样的下表面向下部电极处流下。当污液接近下电极时，局部的高电场引发电弧放电，并沿污液向上延展，直至熄灭。当污液再次流下时，电弧放电再次发生。在如此循环往复的表面电弧热量作用下，试样表面将会产生蚀损现象。试验时间为6 h，如过程中未发生因过电流切断电源，且5 个试样的蚀损深度均不超过2.5 mm，则认为试验通过，以通过试验的最高试验电压作为试样的耐漏电起痕等级。

图1 直流耐漏电起痕试验装置示意图

图2 试样安装示意图

1.2 实验参数

试验采取了不同电压、不同污液滴速进行试验。在试验中随时观察试片老化情况，一旦发现烧蚀深度达到2.5 mm，即停止试验。本试验采取直流3 kV、3.5 kV、4 kV、4.5 kV 和5 kV 五个电压等级，0.075 mL/min、0.15 mL/min、0.2 mL/min、0.3 mL/min、0.6 mL/min 和0.9 mL/min 六个污液滴速水平对硅橡胶试样进行试验（注：为验证电压的影响，串联电阻R 统一选取22kΩ），以电弧烧蚀深度对老化效果进行评价。

2 结果与讨论

2.1 直流电弧蚀损

一般认为，斜面法试验的试品破坏属于热破坏。由试验观察可知，直流斜面法与交流斜面法相似，当污液由试样的上电极沿表面流下接近下电极时，触发电弧产生。此时，电弧的弧根一端连着下电极，另一端连着污液的下端。随着电弧燃烧热量的释放，部分污液将被蒸发，电弧的上弧根也随之向上延展，这意味着试样表面干区范围扩大。当电源电压不足以在干区维持高场强时，电弧即会熄灭。但当污液再次流下时，电弧将会重燃。所以试验过程实际上是一个间隙电弧不断反复作用的过程，持续的电弧热量是造成试品破坏的主要原因。

对于未填充的高温硫化硅橡胶而言，在空气中氧气存在的情况下，当受到持续高温作用时通常会在200 ℃到520 ℃因氧化和燃烧而明显失重。当温度超过520 ℃后，则会因为热分解而形成轻微失重[7]。作为复合绝缘子外绝缘材料的高温硫化硅橡胶，通常会添加氢氧化铝作为阻燃剂。氢氧化铝在230～310 ℃时会产生明显的重量损失，在310～540 ℃时会有平缓的重量损失，而在540 ℃以上时会有轻微的重量损失。如方程式（1）和（2）所示，氢氧化铝的结晶水可以在300℃和500 ℃左右进行两次释放。

在电弧高温的作用下，氢氧化铝分解产生水，水蒸发会吸收大量的热，同时生成的氧化铝具有高导热和耐高温作用，从而在一定程度上可降低电弧对材料的烧蚀。因此，对于填充了一定量氢氧化铝的高温硫化硅橡胶试样，在电弧放电的初期阶段，其损耗主要来自氢氧化铝的脱水反应，而硅橡胶基体的热氧化得到抑制。但随着试样表面氢氧化铝结晶水的消耗，电弧的热量将会作用于硅橡胶基体，产生热氧化和热分解，形成材料的热蚀损。

在直流漏电起痕试验过程中，由于直流电没有交流电的过零点现象，不会因为电压的转换而导致小电弧的熄灭，所以电弧燃烧时间更长，几率更大，故其烧蚀性更强。试验结果如图3 所示，由结果可知，直流电弧烧蚀深度随电压和污液滴速的升高而升高。过低的电压和污液滴速对试样表面的蚀损作用并不明显，而过高的电压和污液滴速则使得试样蚀损深度短时间内就超过了2.5 mm，均不利于对材料性能的评估。为有效表征硅橡胶材料的耐电弧蚀损能力，从试验数据中可以得出结论，在直流耐漏电起痕试验中，较为合适的试验电压是4～5 kV，污液滴速为0.3 mL/min～0.6 mL/min。

图3 直流斜面法的试样蚀损深度（2.5 mm 表示在6 h 内蚀深超过2.5 mm，试验停止）

2.2 红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分别对试样的烧蚀区域表面以及烧蚀区附近的未烧蚀区域体层和表面进行了分析，结果如图4 所示。通常情况下，硅橡胶材料具有一些特征红外峰，其中788 cm-1处为Si-C的伸缩振动峰，1 009 cm-1处为Si-O-Si 的伸缩吸收峰，1 259 cm-1处为Si-CH3中C-H 的对称变形振动峰，2 960 cm-1处为-CH3中C-H 的不对称伸缩振动峰，3 431 cm-1处为试样中-OH 的伸缩吸收峰[8]。从图4 中可知各主要官能团的吸收位置和强度存在一定差异，但未烧蚀区表面和体层各基团的变化较为一致，但烧蚀区表面较两者差异较大。

图4 硅橡胶试样的红外光谱

烧蚀区硅橡胶主体PDMS 的Si-CH3下降明显，作为侧链的Si-CH3在非烧蚀区表层含量与内部含量相比有一定的下降，但烧蚀区相较于非烧蚀区体层下降更为明显，说明烧蚀区材料因直流漏电起痕试验过程中的电热效应而发生了氧化损耗。此外，作为主链的Si-O-Si 含量，烧蚀区含量最高，非烧蚀区表层含量与内部含量相比有一定的升高，可以看出各位置老化程度不同且烧蚀区硅橡胶基体中有机硅向无机硅转化趋势最为明显，老化最为严重。