架空裸导线绝缘包覆用硅胶绝缘性能的研究*

潘正焘，麦嘉颖，石兰兰，赖敏琪，董铭达

（广东电网有限责任公司清远清新供电局，广东 清远 511500）

0 引 言

架空裸导线是电力系统中主要使用的一种输电线，该线主要以钢芯铝绞线为主，其由钢芯和铝股绞制作形成，该导线不存在绝缘层，具有良好的散热性能，能够完成较大电流的输送[1-3]。架空裸导线在运行过程中，为保证其绝缘性，通常会采用绝缘护套对其进行绝缘处理[4]。由于架空裸导线服役在室外自然环境中，绝缘护套的绝缘性能受到自然环境的影响，并且电流输送过程中会产生一定的温度[5]，在该温度的作用下，绝缘保护套的性能会下降，进而发生绝缘老化或者损坏情况，导致架空裸导线发生漏电以及线间闪络[6]。常用的绝缘护套整体分为两种，分别为聚烯烃与硅橡胶，陈田，等人[7]研究了硅橡胶复合绝缘材料在紫外老化条件下的相关特性，但是该方法的试验条件较为单一，在高温等其他条件下的性能研究仍旧存在不足。王永强，等人[8]对硅橡胶在老化条件下的介电特性和热学性能展开了分析，但是，对于其绝缘性能其他方面的研究仍旧存在不足。绝缘性是通过不导电物质对于带电体的绝缘保护，其能够有效避免带电体发生触电，文中以硅胶绝缘保护套为例研究了架空裸导线绝缘包裹用的绝缘保护套的绝缘性能。

1 硅胶绝缘性能研究

1.1 试验原材料和设备

1.1.1 试验原材料

架空裸导线的特殊应用性导致其对于绝缘性能的要求较高[9]，本文以硅胶绝缘保护套为例展开相关研究。文中以甲基乙烯基硅橡胶（MVQ）为主材料，其生产厂为山东新动能化学有限公司，其耐受温度范围为-50~250 ℃，并且防潮、耐电弧、电晕以及电绝缘性能均良好，外观呈现无透明状态，其密度在1.12~1.3 g/cm3范围内；文中选择氮化硼作为填充料，其生产厂为常州迈诺进出口有限公司，其粒径大小为5 μm，热导率为3 300 W·m-1·K-1，通常为黑色或者棕色，其具有较好的抗化学侵蚀性，密度为2.29 g/cm3，熔点为2 700 ℃（生化），其作为改性剂，提升混合料的亲油疏水性；双2.5 硫化试剂，武汉承天精细化工有限公司生产，其为淡黄色液体，沸点为50~52 ℃之间，液体黏度为6.5 mPa·s，凝固点位8 ℃；四[β-（3，5- 二叔丁基-4- 羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯，其生产厂为河南龙基化工有限公司，其为白色结晶粉末；硅烷偶联剂kh-550，生产厂为杭州杰西卡化工有限公司，沸点为217 ℃，其主要用于提升塑料的抗弯、抗压以及剪切等物理性能，同时可改善聚合物的润湿性和分散性。

1.1.2 试验仪器

精密分析天平（ES125SM），广州播勒泰科技有限公司；真空干燥箱（型号DZF-6050），背景中科博达仪器科技有限公司；电热鼓风干燥箱（型号DHG-9013A），陕西英琪药研仪器设备有限公司；电动搅拌器（型号OS20-S），安庆洁佳仪器设备有限公司；旋转黏度计（型号ZNN-D6B），青岛恒泰达机电有限公司；密炼机（型号CF-1L），东莞市昶丰机械科技有限公司；开炼机（型号XL-KLYP1），扬州市天发试验机械有限公司；硫化仪（型号GX-LH-2000A），扬州市江都区开源试验机械生产厂；旋转黏度计（型号NDJ-1C），河北中仪伟创试验仪器有限公司；电气强度测试仪（型号ZJC100kV），北京中航时代仪器设备有限公司；紫外线老化试验箱（型号YT1215），上海盛世慧科检测设备有限公司；扫描电镜（型号TESCAN SOLARIS），青岛聚好测电子科技有限公司。

1.2 样本制备

1.2.1 材料处理

文中在进行绝缘硅胶样本制备时，为提升绝缘硅胶的性能，选择氮化硼作为导热绝缘填料，其和MVQ 在相互作用时，二者的表面能差异显著，二者之间的相容性较差，因此，导致氮化硼填料粉体结团，该现象对提升硅胶材料的力学性能产生不良影响[10-11]。因此，本试验为提升硅胶的性能，选择用硅烷偶联剂kh-550 进行处理。

准备1 L 体积浓度为90%的乙醇水溶液，通过精密分析天平称取1 g 硅烷偶联剂kh-550，将其置于备好的水溶液中，在40℃温度下进行搅拌处理，持续时间为30 min。将搅拌后的液体取出置于室温环境下，加入100 g 1.005 6 mol/L 碱液进行搅拌，调节混合液pH 值为4.5，将调好的混合液体置于温度为80 ℃水浴中，继续搅拌6 h；过滤搅拌后的液体，用蒸馏水冲洗3 次；在此基础上，采用抽滤器进行抽滤，并且将其置于真空干燥箱，温度为100 ℃，干燥处理8 h 后取出，放入干燥器中备用。

1.2.2 硅胶绝缘材料制备

取100 phr 的MVQ、1 g 硅烷偶联剂kh-550、10 phr 季戊四醇酯以及10 phr 氮化硼，将其加入密炼机中进行处理，当其扭矩不再发生变化后，停止密炼，取出密炼胶。为增加胶体的可塑性，对密炼胶进行塑炼处理，该处理采用小型双辊开炼机完成[12]。在此基础上再进行混炼处理，在该处理阶段中，需加入适量硫化剂，混炼胶内部填充完全均匀后停止操作，以此可获取大分子链的聚合物，再通过硫化仪硫化处理该聚合物，将其倒入指定的长方形模具中固化48 h[13]，将固化完成的绝缘硅胶裁剪成哑铃状，尺寸大小为12 cm×6 cm×2 cm，裁剪完成的材料为获取的绝缘硅胶样本。同样方法，增加氮化硼的含量，使其为15 phr 和20 phr，再制备2 种不同氮化硼填料含量的绝缘硅胶样本，制备的样本分别用J01、J02、J03 编号表示。绝缘硅胶制备工艺流程如图1 所示。

图1 制备工艺流程Fig. 1 The preparation process

1.3 性能测试方法

硅胶的绝缘性能与其力学性能存在直接联系，力学性能越好，在服役过程中的抗老化性能越佳，对绝缘性能的影响越小[14]。因此，在测试硅胶的绝缘性能前，先测试绝缘胶的相关力学性能和交联密度、热膨胀系数。除此之外，绝缘硅胶用于架空裸导线后，需在导线进行电流输送的情况下进行服役，因此，绝缘硅胶的绝缘性能会直接受到电流击穿、介电损耗、电弧烧蚀等情况的影响，因此，绝缘硅胶的性能测试主要包含击穿强度性能、介电性能、耐电弧烧蚀老化性能和电绝缘性能几个方面。

（1）黏度测试

采用旋转黏度计对绝缘胶在固化前的黏度进行测定，测定时间为制备完成后的60 min 内。

（2）交联密度测试

交联密度也称为交联度，本试验中采用HG/T3870-2006 标准，进行交联密度测试。将质量为m0的绝缘硅胶放入装有甲苯溶液的容器中，将容器密封处理后，放入真空干燥箱，在30 ℃进行烘干处理，持续时间为24 h，达到时间后，取出容器，并从容器中取出绝缘硅胶样本，将样本表面的水分擦拭干净，放于精密分析天平上测试样本的质量，该质量即为溶胀后质量，用m1表示。依据m1的结果计算样本相邻交点之间的链段相对分子质量，用Mc表示，在此基础上计算样本的交联密度D，计算公式为：

式中：ρ0和ρ1均表示密度，前者对应甲苯溶液，后者为样本溶胀前；Vm表示溶剂的摩尔体积；γ 和γ0均表示橡胶相体积分数，前者对应橡胶溶胀后，后者对应溶胀前。X 表示常数。

（3）力学性能测试

将裁剪好的绝缘硅胶样本置于电子万能试验机上，测定其拉伸强度、断裂伸长率，拉伸速度设为500 mm/min。

拉伸强度φ 的计算公式为：

式中：F 表示断裂时最大力；W 表示样本拉伸部位的宽度和厚度。

断裂伸长率φ 的计算公式为：

式中：L 和L0均表示绝缘硅胶样本长度，前者对应断裂时，后者对应初始。

（4）耐电弧烧蚀老化性能测试

架空裸导线在使用过程会产生电弧，该电弧直接影响绝缘硅胶的耐老化性能，耐老化性能如果破坏严重，则架空裸导线绝缘性能也会降低[15]。文中搭建耐电弧烧蚀老化性能测试装置进行测试。采用该装置进行测试，将样本放置于装置台中间，然后将试样的两侧分别连接针状电极，电极的一端为220 V 电压，另一端接地，电极和样本之间的角度为45°，两个电极之间的距离为8 cm，将装置电流接通后，利用两个电极之间产生的电弧对样本表面进行烧蚀，持续时间为20 min，电流大小为10 mA。

（5）电绝缘性能测试

该性能采用电压击穿试验仪完成样本电绝缘性能的表征。在该测试过程中，电击电压大于20kV，测试标准为GB/T3048.8。

2 测试分析

2.1 黏度结果分析

对3 种氮化硼含量的绝缘硅胶样本J01、J02、J03 进行黏度测试，并获取3 种样本在固化过程中的黏度结果，如表1 所示。

表1 3 种样本在固化过程中的黏度结果Table 1 The viscosity results of three samples in the curing process

分析表1 测试结果可知：3 种样本在固化过程中，随着时间的增加，黏度发生不同程度的变化，但是J02 样本的黏度变化较小，在60 min 内，黏度结果均维持在30 000 mPa·s 上下，没有出现显著下降趋势。另外2 种样本则发生显著变化。结合绝缘硅胶的应用环境和需求，确定J02 的黏度性能最佳。

2.2 交联密度分析

获取3 个试样在相同的紫外线老化条件下，随着老化时间的增加，J01、J02、J03 样本的交联密度测试结果，如表2 所示。

表2 样本的交联密度测试结果Table 2 The crosslinking density test results of samples

分析表2 测试结果可知：随着老化时间的逐渐增加，3 种样本的交联密度结果也发生差异性变化，老化时间在5 d 时，3 个样本的交联密度结果均发生明显增加，最高分别达到2.06×105mol/g、3.11×105mol/g、3.08×105mol/g，随着老化时间的增加，交联密度结果开始逐渐下降。其中，J02、J03 两个样本的交联密度结果差距较小。

2.3 力学性能分析

获取J01、J02、J03 样本在不同温度下，φ、φ 的测试结果，如表3 所示。

表3 力学性能测试结果Table 3 The test results of mechanical properties

分析表3 测试结果可知：随着温度的不断增加，3 个试样的力学性能也存在不同变化，其中，随着温度的逐渐增加而先增加后下降，呈现下降趋势。其中，J02 的性能指标均优于另外2 种样本的性能结果，其最高值为0.83 MPa、最高值为933%。

2.4 耐电弧烧蚀老化性能分析

获取J01、J02、J03 样本在耐电弧烧蚀老化性能测试装置上，样本发生电弧烧蚀后，其电子扫描镜结果，如图2 所示。

分析图2 测试结果可知：3 个样本经过同样条件的电弧烧蚀测试后，样本均出现不同程度的烧蚀情况，其中，J02 的烧蚀程度严重程度最小，J01 的烧蚀程度最显著。因此，J02 的耐电弧烧蚀老化性能最佳。

2.5 电绝缘性能分析

获取J01、J02、J03 样本在25kV、35kV 2 种电击强度下，随着电击时间的逐渐增加，样本发生的击穿强度结果，如表4 所示。

表4 电绝缘性能测试结果Table 4 The electrical insulation performance test results

分析表4 测试结果可知：在2 种电击强度下，随着电击持续时间的逐渐增加，三种样本击穿强度存在显著差异，其中，J02 样本的击穿强度最小，在电击强度为25 kV 和35 kV 时，击穿强度结果均在14.5 kV/mm 左右，另外两种样本则在电击强度为35 kV 时，击穿强度最大值分别在18.2 kV/mm 和17.6 kV/mm，J02 样本的击穿强度比其他样本降低了3.1 kV/mm 左右。因此，J02 的电绝缘性能最佳。

3 结 论

为提升其绝缘性能，从而提升架空裸导线的应用性能，本文研究架空裸导线包覆用绝缘硅胶的绝缘性能，并制备不同材料含量的裸导线绝缘硅胶样本，对其相关性能展开测试。测试结果显示：不同材料含量的绝缘硅胶性能存在一定差异，综合分析，氮化硼含量为15 phr 的绝缘硅胶样本的性能最佳，其力学性能最佳，耐电弧烧蚀老化性能也明显优于其他两种含量的样本性能，有效保证硅胶的绝缘性能。导线施工过程中，可依据使用需求选择不同材料含量制备架空裸导线绝缘包覆用硅胶，从而提高架空裸导线的应用性能。