基于振荡水滴法和放电特性的复合绝缘子老化研究

陈晓芸,李任展,冯 帆

(1.郑州电力高等专科学校,郑州 450000;2.恒大电气有限公司,浙江 温州 611133;3.国网河南省电力公司新密市供电公司,郑州 450000)

0 引言

自20世纪60年代以来,复合绝缘子已在输配电线路得到广泛应用[1-4]。高温硫化(High Temperature Vulcanized,HTV)硅橡胶不仅具有优异的电气、化学和机械性能,还具有优良的老化特性,因此HTV是较好的复合绝缘子材料之一[5-8]。然而,复合绝缘子在挂网运行中不可避免会受到日照、污秽、冰雪、高湿及温差等大气环境的影响,同时还会受到强电场、暂态冲击等作用,这些因素导致复合绝缘子憎水性及憎水迁移性的下降或丧失[9-11],加速复合绝缘子的老化。

复合绝缘子老化的常规检测方法为外观检查[12]、憎水性检测[13]、硬度检测[14]、傅里叶红外光谱(FTIR)检测[15]、X-射线光电子能谱(XPS)分析[16]等。聂永欣等人[17]扫描电子显微镜(SEM)、XPS对实验室老化后的绝缘子试品的微观特性进行分析,提取新型老化表征参数并提出性能综合检测方法及老化诊断指标;陈钰珺[18]等人以东南沿海的退役硅橡胶复合绝缘子为对象,与未服役的硅橡胶复合绝缘子进行对比,通过SEM/能量色散谱(EDS)、FTIR、激光共聚焦显微拉曼、热重分析(TGA)及差示扫描量热仪(DSC)来研究退役硅橡胶复合绝缘子的表面污秽和老化特征;中国电力科学院邓桃等[19]采用静态接触角法及HC喷水分级法对运行年限在7～9年的复合绝缘子的憎水性进行老化测试;文献[20]通过测试老化不同年限复合绝缘子样品表面憎水性、表面粗糙度等方法对其老化特性进行评价。但上述方法很难真实地反映复杂环境中复合绝缘子老化状态及其电气性能。因此,探索一种适用于复杂环境下的复合绝缘子老化状态,并能反映其电气性能的检测方法变得尤为重要。

本研究通过HTV硅橡胶试样对复合绝缘子进行了振荡水滴法(Oscillating Water Droplet,OWD)试验,并使用Phantom Cine Viewer软件记录和分析试验结果和图像,以测量水滴在试样上稳定所需的时间;接着,对试样进行表面水滴接触角测量,并通过SEM拍摄的图像分析新试样、2 000 h及3 000 h曝光时间下紫外线循环和冷凝循环的老化试样和完全受损试样的表面上水滴接触角的差异和老化程度;采用BRUKER-ContourGT光学轮廓仪测量不同试样的表面粗糙度,以评估其憎水性;最后,进行了试样表面的介电击穿电压测试,结果发现,随着老化时间的增加,击穿电压降低,击穿电压的变化反映了复合绝缘子表面的损坏的严重程度。

1 试样和制备

本节介绍了试样制备的详细过程。试样尺寸为40 mm×40 mm×1.5 mm,根据ASTM G154[21]标准规定的老化过程,对试样进行相关性能老化,老化因素包括紫外线、水分和温度变化。老化周期通过使用加速老化测试仪(QUV)实现自动化。老化的详细过程,包括受损试样的制备方法,在以下各节中描述。

1.1 紫外线辐射和冷凝循环下的老化

根据ASTM G154(循环4)标准,在QUV老化试验机内对3个试样进行老化。此循环分为以下两个步骤:首先,在70 ℃恒温和1.55 W/m2辐射水平的UVA-340 nm紫外光源下,将试样老化8 h;其次,在没有任何紫外线源的情况下,将试样在50 ℃恒温下冷凝4 h。这两个步骤每12 h重复一次,此外,3个试样曝露时间分别为1 000 h、2 000 h和3 000 h。

1.2 紫外线辐射和热循环下的老化

在许多内陆地区,气候干燥,空气湿度低,降雨量少。极热和低湿度会对高压绝缘子的表面性能产生负面影响。为分析此类极端气候对试样老化的影响,本节研究试样在不受水分影响条件下的老化过程。该老化循环类似ASTM D154标准中的J循环,将3个试样在50 ℃的恒温和0.68 W/m2辐照度的UVA-340 nm紫外线源条件下分别曝露1 000 h、2 000 h和3 000 h。通过试样的老化结果,以此分析极热和紫外线辐射对硅橡胶的影响。

1.3 完全损坏的试样

通过对新试样表面进行人工染污以制备受损试样。在每升蒸馏水中加入10 g氯化钠和40 g高岭土,溶液电导率为61 μS,染污温度为24.6 ℃,使用电导率仪(HANNA HI8633N)测量。根据标准IEC 60507[22]和AS4436[23],当溶液电导率大于50 μS 时污秽等级为非常严重。在新试样表面上喷洒污染物溶液,并将染污后的试样静止10 min后放置在点对点电极之间,电极之间相距2 cm,与试样表面呈45°夹角,见图1。施加适当电压后两个电极之间的试样表面发生沿面放电直至发生闪络。该过程重复50次,以制备表面“完全损坏”的试样。

图1 完全损坏闪络试验装置

完全损坏试样的性能与硅橡胶的最终降解阶段的性能非常相似。每个闪络过程都会产生极高的紫外线辐射和极高的温度(超过300 ℃),这足以使表面失去其憎水性,并将表面改变为与憎水性相反的亲水状态。如果闪络过程重复50次,则表面可视为亲水或完全损坏。

2 试验方法

使用接触角测量装置、振荡水滴测试系统和扫描电子显微镜对以上4种试样(新试样、在冷凝循环下老化的试样、在紫外线循环(Ultraviolet Cycle,UV)下老化的试样和完全受损试样)的表面老化状况进行了检测,并对试样进行了表面击穿电压测试。

2.1 SEM测量

通过SEM评估每个老化过程后试样的表面形貌。使用FEI Quanta 200 SEM和EDAX Si(Li)X射线探测器检查试样表面。在低真空模式(67 Pa)、20 kV 加速电压下以5.0的光斑尺寸运行仪器,在放大1 000倍的条件下,拍摄了SEM照片,用于分析硅橡胶绝缘体的表面状况的微观结构。

2.2 表面粗糙度测量

使用ContourGT光学轮廓仪对4种试样的表面粗糙度进行评估。ContourGT光学轮廓仪使用5x放大透镜(干涉测量)。试验在最终试样老化3个月后进行。在每个试样上的取8个不同点上进行试验,并获得平均值,以比较不同老化试样的表面粗糙度。

2.3 憎水性测量

测量复合材料憎水性最常用的方法称为座滴法。高速接触角测量装置OCAH200用于测定水滴的快速吸收和扩散,每秒可以拍摄高达240张图像。在座滴法中,使用注射器将水滴滴至试样表面上,在软件SCA-20提供的电子注射器模块的控制下滴下10 μL蒸馏水,使用安装在显微镜上的摄像机测量静态接触角。相机在水滴下1 min 内连续拍摄憎水性图片,并将其传输至计算机保存。最后,根据SCA-20中提供的预设拟合函数计算静态接触角。需要注意的是,在老化完成3个月后对试样进行了憎水性测量,在此期间,进行其他各种测量时,憎水性恢复根据文献[14]完成。

2.4 OWD法

在老化循环中,UV循环和冷凝循环是两种常见的测试方法。UV循环是老化循环中的一种测试方法,该测试通过紫外线辐射和温度循环变化的方式模拟真实环境中的条件,以此评估材料、产品或设备在长期使用中对太阳紫外线辐射的耐受能力。冷凝循环是老化循环中的另一种测试方法,该测试通过温度和湿度的循环变化的方式模拟现实世界中的潮湿条件,以此评估材料、产品或设备在潮湿环境下的耐久性。

为测试自由下落后水滴在冲击下的行为,我们比较了水滴在新试样、受损试样和两种老化循环(UV循环和冷凝循环)下的老化试样在硅橡胶上稳定所需的时间。高速摄像机(Vision Research Phantom v1610)使用65mm f/4.5 Macro Nikkor镜头和Nikon PB-6伸缩对焦镜腔装置,该装置与试样表面呈45°水平固定。

接触角测量装置OCAH200用作支撑试样的底座,并通过OCAH200中的电子注射器模块控制溶液的滴落。接触角测试中常用的滴液体积为1 μL～10 μL,试验测试了2 μL和5 μL两种液滴体积,测量的接触角几乎完全一样,为了高速摄像机下方便观察液滴的稳定状态,选择了较大的液滴体积即5 μL 进行测试。OCAH200配液装置的溶液滴落速率为5 μL/s。如图2所示,在实验中,将注射器尖端(Hamilton 100 μL)置于试样上方1 cm处。

图2 接触角装置上OWD的实验装置

如图3所示,使用Phantom Cine Viewer软件记录和分析水滴的连续帧,以测量水滴在硅橡胶试样上稳定所需的时间,液滴与表面接触线之间的角度不再变化时视为稳定状态。软件记录和分析水滴的连续帧,以测量水滴在硅橡胶试样上稳定所需的时间。

图3 Phantom Cine Viewer中的水滴图像

2.5 介质沿面击穿试验

与将空气作为绝缘介质相比,在加强绝缘介质中的沿面放电电压试验可以更好地表征试样表面的老化程度与放电电压的关系。本研究选择了在加强绝缘介质中(如变压器油)进行试验,并称之为介质沿面击穿试验。

为了测定硅橡胶绝缘子表面的介电击穿电压值,根据IEC60243-1:1998[24],使用了图4所示的电极配置。如图4所示,将试样置于一对针形电极下,针尖直径为0.8 mm,与试样平面成45°。两电极之间的距离为10 mm。绝缘材料的电气强度随温度的变化而变化,根据IEC60243-1:1998[24],本试验的环境条件恒定,试样周围规定温度保持在±2 K范围内。

图4 试样表面的介质击穿试验装置

根据IEC60296[25],变压器油为最合适的介质。实验在20 ℃下一个装有5 L变压器油的试验罐中进行,试样浸在变压器油中。一个电极接地,另一个电极通过限流电阻器(49 kΩ)连接到高压试验变压器(单相50 Hz、220/100 000 V和10 kVA)。用电压表测量施加在电极上的电压。将每个试样置于试验电压(13 kV)下20 s,直到发生击穿。如果未发生击穿,电压将以每20 s、1 kV的步长升高,直到发生击穿。将击穿试验重复4次,获得试验结果的平均值。

本研究分别对新试样、2 000 h及3 000 h曝光时间下紫外线循环和冷凝循环的老化试样和完全受损试样分别进行了介质沿面击穿电压测试。

3 试验结果分析与讨论

本研究的目的是通过比较接触角的变化、水滴在表面上稳定的时间以及使用SEM从表面形貌捕获的图像进行定性比较,评估硅橡胶表面憎水性的时间降低。

3.1 试样SEM测量结果及分析

硅橡胶的劣化程度可通过比较SEM拍摄的试样表面图像进行评估,新试样和3 000 h冷凝循环试样的SEM图像分别如图5(a)、(b)所示。为了清晰表现表面粗糙度的外观,试样倾斜45°。倾斜试样的图像如图5(c)和5(d)所示。

图5 放大时1 000倍试样的SEM图像

目测可见,没有出现开裂等重大损伤。然而,可以看出,这些显微照片显示的微观结构不同。相比老化的硅橡胶试样,新试样表面更均匀、多孔结构更少,表面粗糙度和孔隙率随着老化而增加。

3.2 表面粗糙度测量结果及分析

为研究和评估老化过程,用表面粗糙度评估硅橡胶户外绝缘的憎水状态和性能。

图6显示了新试样的表面粗糙度分布,其平均粗糙度深度(Roughness depth,RZ)为14.94 μm。在图7中,受损试样的表面孔隙度更大,RZ为30.73 μm。

图6 新试样表面粗糙度分布(RZ=14.94 μm)

图7 受损试样表面粗糙度分布(RZ=30.73 μm)

从每个试样中选取8个不同点测量表面粗糙度值,结果如从图8所示,可以看出,与其他未受损试样相比,受损试样的表面粗糙度更大。2000-CO试样的最大值高于3000-CO,可能是由于每种试样的测量数量有限。新试样表面粗糙度平均值(平均值)的标准偏差等于0.75,但受损试样的标准偏差等于4.75,可见,损坏的试样的表面粗糙度远远大于新试样的表面粗糙度。

图8 不同试样的(最大、最小和平均)表面粗糙度

3.3 憎水性测量结果及分析

在所有试样上都可以清楚地观察到接触角的变化,包括新试样、受损试样和老化循环的试样。依据IEC 62073标准[26-27],根据16个点的平均值测量每个试样的接触角。接触角结果如图9所示。

图9 不同试样的(最大、最小和平均)水滴接触角

为了防止由于憎水性恢复导致的憎水性能变化,在所有试样老化完成3个月后进行接触角试验[28-31]。从图9可以看出,冷凝循环下接触角的减小速度更快。新试样和UV循环(3 000 h)的接触角分别为114.7°和110.8°,而冷凝循环(3 000 h)的接触角为106.9°。同样,在老化3个月后对受损试样进行测量,以确保试样完全从闪络放电中恢复,受损试样的平均接触角为55.1°。

3.4 OWD试验结果及分析

图10显示了5.0 μL水滴落在新硅橡胶试样上的连续帧。这些图像序列显示了水滴接触表面时的影响以及水滴的早期振荡行为。图像之间的时间间隔为1 ms。液滴的振荡在389 ms时停止。

图10 新试样的OWD试验(初始40 ms)

图11显示了一个5.0 μL的水滴落在硅橡胶试样表面上的过程,硅橡胶冷凝循环老化3 000 h。图像之间的时间间隔为1 ms。液滴的振荡在405 ms时停止。

图11 3 000 h冷凝循环试样的OWD试验(初始40 ms)

图12显示5.0 μL水滴落在受损试样的硅橡胶试样表面的过程。由于试样表面的劣化,水滴的振荡在426 ms时停止。

图12 受损试样的OWD试验(初始40 ms)

图13中绘制了水滴在硅橡胶试样表面上稳定所需的时间,可见,老化程度越大,所需的稳定时间越长。硅橡胶表面张力影响水滴的运动。振荡的运动和模式在很大程度上取决于其边界面[32]。曲面边界会影响水滴的行为以及水滴在曲面上稳定所需的时间。老化越严重曲面边界越粗糙,液体所受到的表面张力方向越杂,需要的稳定时间越长。

图13 水滴在不同试样表面上稳定所需的时间

不同试样之间的时间差可能与试样表面施加在水滴上的力不同有关。第一个力是液滴下落时受到的向下的重力,第二个力是由表面张力产生的,使液滴在三个不同方向上发生变化,如图14所示。当第一个力和第二个力相等时,液滴将继续反弹,直到稳定。如图15所示,表面粗糙度越大,液滴稳定时间越长。

图14 试样表面影响水滴的运动和振荡的力

图15 表面粗糙度特性RZ平均值与液滴稳定时间的关系

3.5 介质击穿试验结果及分析

根据第2.5节所述的实验装置,通过比较试样的击穿电压平均值,可以评估硅橡胶的劣化程度。为了比较所有试样(新试样、2 000 h及3 000 h曝光时间下紫外线循环和冷凝循环的老化试样和损坏的试样)的击穿结果,测量了击穿电压的平均值。交流击穿试验的结果见表1。

表1 击穿电压与老化时间的关系

结果表明,随着老化时间的延长,击穿电压降低。与新试样相比,受损试样的击穿电压有显著差异。当试样损坏时,表面上的化学键会减弱,这有助于自由电子轻松地穿过绝缘体表面。

材料的击穿电压会因受电极间产生的不均匀场引起的场增强效应而降低。由于两个电极之间存在不均匀电场所导致试验中观察到的击穿电压巨大变化。冷凝循环老化试样的击穿电压低于UV循环老化试样的击穿电压,这是因为在冷凝循环中硅橡胶受到高湿度条件的影响,高湿度条件加速老化过程并破坏绝缘表面上的化学键。击穿电压和液滴稳定时间之间的线性关系如图16所示,击穿电压越低液滴稳定时间越长。

4 结语

本研究采用两种加速老化循环(UV循环和冷凝循环)对硅橡胶绝缘子试样进行老化,通过对各试样(新试样、2 000 h及3 000 h曝光时间下紫外线循环和冷凝循环的老化试样和完全受损试样)表面进行SEM测量、粗糙度测量、憎水性测量、OWD测量及介质击穿试验,不同老化试样的SEM图像表明,随着老化时间的延长,试样表面粗糙度和孔隙率增加,水滴在试样表面稳定所需的时间随着表面粗糙度的增加和接触角的降低而增加,憎水性降低,介质击穿电压随水滴在试样表面稳定所需的时间增加而降低,提出OWD法可以作为一种评估复合绝缘子憎水性和电气性能的方法;接触角测量清楚地表明,冷凝循环对老化试样的损伤程度高于紫外线循环。