复合绝缘子用硅橡胶材料设计性能和检测方法分析

杨 磊,张 锐,武文华,张 虎,徐偲达,梁进祥,袁光裕

(中国电力科学研究院有限公司,武汉 430074)

0 引言

硅橡胶材料凭借优异的憎水性、阻燃性、耐高低温性、抗老化性、电绝缘性和工艺操作性等,不仅应用于汽车、航空航天、建筑和医疗等事业[1-3],在电力行业也得到广泛运用,特别是高压输电用复合绝缘子,在解决我国电网污闪事故上发挥了重要作用[4-7]。相比于电瓷绝缘子和玻璃绝缘子,复合绝缘子起步较晚,20世纪90年代初才逐步被大量投入到电网,由于重量轻、强度高、爬距比大、防污性能好、衫裙不易碎和运输方便等优点[8-14],在国内得到了极快发展,硫化硅橡胶伞裙材料作为复合绝缘子外绝缘的关键,直接影响输电线路的安全稳定[15-18],因而提高硅橡胶性能一直是电力行业的重要研究课题。

通过汇总近几年国内主流生产企业送检的复合绝缘子用硅橡胶材料的性能试验结果,基于数据分布情况掌握国内生产现状,对硅橡胶材料在复合绝缘子领域的选型应用、性能检测和技术发展提供指导性意见[19-22]。

1 设计性能

复合绝缘子技术的快速进步,支撑了国内电力工业的发展,同时也直接影响到大电网的安全稳定,因而合格的材料、合理的设计和优良的工艺都必不可少。为全面考核复合绝缘子用硅橡胶材料的设计性能,电力行业绝缘子标准化技术委员会于2009年首次制定和发布了DL/T 376统一评价标准,并于2019年对标准重新修订,更新发布DL/T 376—2019《聚合物绝缘子伞裙和护套用绝缘材料通用技术条件》[23],各项技术参数要求详见表1。据统计,近年来我单位累计开展了近50家制造企业委托的复合绝缘子用硅橡胶材料检测试验,合格产品的测试结果分布详见表1。

表1 复合绝缘子用硅橡胶各项性能标准要求和主流参数Table 1 Performance standard requirements and main parameters of silicone rubber for composite insulator

2 性能分布情况

2.1 憎水性试验

硅橡胶材料憎水性包括初始特性、减弱特性、恢复特性和迁移特性,是复合绝缘子耐污闪能力的重要指标,目前常用的表征方法包括静态接触角法和喷水分级法。喷水分级法相比静态接触角法操作简单、客观真实且受局部因素影响小,通过样品表面的水珠形态将憎水性分为7个等级,HC1级为最强级别(见图1(d))。统计近50家(下同)送检样品的喷水分级情况,结果显示,初始特性所有样品均为HC1级,减弱特性(分布情况见图1(a))超过半数分布在HC3级,恢复特性(分布情况见图1(b))65%分布在HC2级,迁移特性(分布情况见图1(c))基本分布在HC2和HC3级,不同产品的憎水性在满足标准要求的同时表现出一定的差异性。

图1 憎水性试验分布情况和试验照片Fig.1 Distributionof hydrophobicity and testpicture

2.2 电气性能试验

硅橡胶材料作为复合绝缘子外绝缘的重要组成部分,是绝缘子长期在高压环境中运行的关键,标准中通常用交流击穿强度来表征硅橡胶的电气绝缘性能,样品厚度统一规定为1 mm。统计送检样品击穿强度(交流)分布情况见图2,整体结果满足标准要求但跨度较大,超过80%的产品击穿强度在20 kV/mm～25 kV/mm范围内,有少量产品超过30 kV/mm,表明不同制造企业在配方和工艺上存在较大差异。

图2 击穿强度(交流)分布情况和击穿样品Fig.2 AC puncture strength distribution and breakdown sample

2.3 机械性能试验

复合绝缘子在生产、运输、安装和运行中均可能受到机械应力作用,因此硅橡胶材料需要具有一定的机械性能,通常采用拉伸强度、拉断伸长率和抗撕裂强度来进行表征。统计结果显示,拉伸强度(分布情况见图3(a))超过60%分布在4 MPa～5 MPa,拉断伸长率(分布情况见图3(b))近半数分布在150%～250%,抗撕裂强度(分布情况见图3(a))54%分布在10 kN/m～15 kN/m,各项参数跨度均较大,不同生产企业存在明显差异。

图3 机械性能分布情况和试验照片Fig.3 Mechanical strengthdistribution and testpicture

2.4 硬度变化试验

作为复合绝缘子的伞裙和护套材料,硅橡胶材料需要足够的硬度来保证伞形结构,同时需要在冷热交替环境应力下保持相对稳定性,实验室一般通过测量水煮前后硬度和硬度变化率来进行检测。统计结果显示,硬度(分布情况见图4(a))超过60%分布在60ShoreA～70ShoreA,硬度变化率(分布情况见图4(b))将近一半分布在0～2%,目前国内生产工艺已经能将硬度和稳定性控制在较好的水平。

图4 硬度变化分布情况Fig.4 Hardness change distribution

2.5 其他试验

除上述各项性能外,还需要硅橡胶材料在严苛的高压环境下即使发生了表面放电也能够保持稳定,不会发生严重的电蚀损和起火燃烧等问题,实验室通常采用耐漏电起痕试验和垂直燃烧试验来进行考核。统计结果显示,在TMA4.5级条件下,电蚀损的深度分布在0.5 mm～1.8 mm范围内,阻燃性能均能达到FV-0级。

3 分析与建议

国内主流企业生产的硫化硅橡胶材料设计性能基本能够满足标准DL/T 376—2019要求和高压输电需求,不同制造企业的样品试验结果分散性和跨度较大,表明国内配方、工艺等制造水平存在一定差异。目前,DL/T 376—2019仅考虑了一般运行工况,所提出的技术参数和检验规则是通用要求,我国地域辽阔,存在高污染区、沿海地区、高风沙区和长期高湿区等环境,实际运行条件复杂多样,针对这些区域,硅橡胶绝缘材料的设计、选型和选用原则也需区别对待,才有可能实现复合绝缘子预期使用寿命的目标。

硅橡胶中的主要成分包括甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、氢氧化铝填料和二氧化硅填料等,其中PDMS结构呈螺旋状,主链为Si-O-Si有序排列,且Si-O键极性可相互抵消,侧链为非极性的Si-(CH3)2基团,在高温和交联剂等作用下交联形成三维网状结构,网状内部未交联的非极性小分子可迁移至表面,使得硅橡胶材料具有很好的憎水性能[24-26]。憎水性一直是复合绝缘子关注的重点,特别是长期运行后憎水性保持能力、迁移能力以及环境应力消除后的恢复能力,而PDMS含量高低直接影响憎水性能的优劣,目前电力行业标准中尚未对其作出规定,建议可在通用技术条件中引入胶体含量测试方法,保证复合绝缘子的耐污闪性能[27-31]。此外,目前部分企业生产的硅橡胶在其他性能参数方面相对标准要求尚有很大裕度,建议优先保证憎水性长期运行持久性,在一定范围内可平衡标准中的其他部分参数。

运行工况下的复合绝缘子处于漫长而复杂的环境中,硅橡胶材料受到多重应力作用,包括光、热、电、机械作用力等因素,目前电力行业标准中的通用技术条件均是独立考核单项性能,与实际运行情况不完全吻合,在试验条件允许的条件下,可考虑设计引入多因素试验方法,综合评估硅橡胶的性能,得出更加贴合实际的试验数据,保证电网安全运行的可靠性。

4 结论

1)目前国内复合绝缘子用硅橡胶设计性能已完全满足标准要求和高压输电需求,但不同厂家参数分散性较大,原料配方、制造工艺和生产水平存在差异;

2)基于复合绝缘子运行环境和功能的差异性,可针对性的研发、生产、送检不同配方和设计的硅橡胶材料,便于后期产品选型;

3)PDMS胶体含量的高低直接决定硅橡胶憎水性的优劣,建议可在标准中引入胶体含量的检测方法,确保入网复合绝缘子伞裙和护套的含胶量;

4)复合绝缘子用硅橡胶性能设计上,在优先保证憎水性长期运行持久的前提下,可考虑适当平衡现行标准中部分其他参数要求;

5)在现行硅橡胶的技术标准中,可考虑引入多因素综合试验方法,充分结合各种运行因素进行性能测试,保证结果更具实际性和参照价值。