外絕緣用液體硅橡膠的自然老化因素研究

楊翠茹，陳 燦，饒章權(quán)，陸 海，林一峰，賈志東，楊朝翔

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510600； 2. 清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

外絕緣用液體硅橡膠的自然老化因素研究

楊翠茹1，陳 燦2，饒章權(quán)1，陸 海2，林一峰1，賈志東2，楊朝翔2

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510600； 2. 清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

近年來，液體硅橡膠（Liquid Silicone Rubber, LSR）已經(jīng)在外絕緣領(lǐng)域得到了較為廣泛的應用，但是目前對其耐老化性能的研究還不夠深入。尤其是在中國南方地區(qū)使用時，高溫、高濕環(huán)境更容易導致液體硅橡膠的老化。在許多地區(qū)都觀察到了電流、電壓互感器的液體硅橡膠絕緣外套的龜裂、老化現(xiàn)象，對設(shè)備的安全運行產(chǎn)生了影響。本文設(shè)計并實施了在光照、高溫、高濕、電暈等老化因素作用下的液體硅橡膠人工老化試驗，并對老化試驗后的樣品進行了硬度、力學性能、憎水性、光澤度以及SEM、FTIR等微觀性能試驗和分析。認為在光照作用下，高溫、高濕環(huán)境對液體硅橡膠具有加速老化作用，表現(xiàn)為硬度上升、憎水性下降、光澤度下降，并且在表面出現(xiàn)細微裂紋。

老化因素；氙燈；高溫高濕；硬度；憎水性；鏡向光澤度

引言

硅橡膠液體硅橡膠按照商品形態(tài)可以分為混煉硅橡膠和液體硅橡膠兩類。與混煉硅橡膠不同，液體硅橡膠的基料具有自流平性和觸變性，使用時一般可不使用大型加工設(shè)備[1,2]。加成型液體硅橡膠在交聯(lián)硫化的過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物、收縮率小、能深層硫化、對基材無腐蝕，其物理機械性能和電性能可以達到甚至超過混煉硅橡膠的水平，因此得到了廣泛應用[3]。目前在部分變電站設(shè)備，如互感器、斷路器、避雷器的外絕緣護套也使用了液體硅橡膠。但是近年來，南方電網(wǎng)公司出現(xiàn)了大范圍的液體硅橡膠護套老化、硬化、龜裂現(xiàn)象，護套表面的憎水性和耐漏電起痕性能大大下降，嚴重影響了設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行。

本文對廣東電網(wǎng)公司東莞供電局北柵變電站及汕頭供電局500kV變電站進行了走訪和調(diào)研，對變電站內(nèi)發(fā)生龜裂老化的互感器進行了試驗研究。發(fā)現(xiàn)老化現(xiàn)象在互感器的高壓、低壓端并無顯著差異。傘裙、護套都發(fā)生了老化。在傘裙上，老化現(xiàn)象呈現(xiàn)出上表面比下表面嚴重，邊沿比根部嚴重的現(xiàn)象。據(jù)此，推測自然環(huán)境因素可能是導致液體硅橡膠發(fā)生這種老化現(xiàn)象的主要原因。

本文基于對復合絕緣子長期性能的研究[4]，提取影響因素，設(shè)計了一系列人工老化試驗，模擬光照、高溫、高濕、電暈放電等因素對液體硅橡膠的耐老化性進行研究。以確定導致液體硅橡膠發(fā)生老化的原因。

1 樣品的選取和試驗方案設(shè)計

1.1 樣品的選取

發(fā)生老化現(xiàn)象的互感器護套使用的是某公司生產(chǎn)的雙組分加成型液體硅橡膠，為了研究這種液體硅橡膠在不同條件下的耐老化能力，本文使用某公司Xiameter品牌的RBL 1541/10P型雙組分加成型液體硅橡膠為樣品，進行了耐老化性能試驗。

1.2 試驗方案設(shè)計

通過對現(xiàn)場MWB互感器護套的分析發(fā)現(xiàn)，硅橡膠絕緣護套的老化有以下幾個特征：

1)硅橡膠絕緣護套的老化表現(xiàn)為：傘裙表面粉化，喪失彈性，顏色變白，硬度上升；在受到外力作用的情況下會產(chǎn)生不可恢復的龜裂裂紋。說明硅橡膠護套的老化并不是單純的材料龜裂，而是伴隨著材料本身材質(zhì)的變化。

2)硅橡膠絕緣護套的所有位置均發(fā)生嚴重的老化現(xiàn)象。高壓端、低壓端的老化程度并無明顯區(qū)別。

3)通過解剖傘裙可以發(fā)現(xiàn)，傘裙上表面的粉化層厚度要大于下表面，傘裙邊緣的粉化層厚度大于傘裙內(nèi)部；說明陽光、降雨等外界自然因素可能對護套的老化有加速作用。

為了研究導致硅橡膠絕緣護套老化的因素，項目組對LSR進行了不同類型的人工加速老化試驗。分別模擬硅橡膠絕緣護套在運行中的陽光照射、高溫、高濕以及可能的電暈等因素造成的老化，見表1、表2。

1.2.1 氙燈老化試驗

陽光的照射，尤其是太陽光中紫外線的照射，往往是造成硅橡膠絕緣材料老化的重要原因。因此，模擬太陽光的照射情況對硅橡膠材料進行人工加速老化試驗是非常有必要的。

氙燈燈管具有輻照功率強、與太陽光的光譜分布相近的特點，因此適合用來模擬太陽光照射下的硅橡膠材料老化過程。

表1 老化試驗中涉及到的影響因素

表2 老化試驗后LSR性能分析試驗

試驗采用水冷型氙燈老化箱，氙燈功率6kW，最大輻照強度1.8kW/m2。以200小時為一組試驗進行氙燈老化，試驗具體參數(shù)如表3。

1.2.2 蒸餾水浸泡試驗

將液體硅橡膠樣品浸泡于蒸餾水中，間隔一段時間后取出，對其宏觀性能和微觀形貌進行研究。

1.2.3 恒溫恒濕試驗

本文采用生化培養(yǎng)箱來控制試驗溫度，使之保持在40℃。利用飽和鹽溶液控制環(huán)境濕度[9]，具體的做法是在密封的容器中加入一定量的飽和鹽溶液，然后通過支架將實驗室制作的硅橡膠樣品放在飽和鹽溶液的上方。試驗中利用飽和MgCl2溶液，飽和NaCl溶液，飽和K2SO4溶液三種鹽溶液，分別使樣品上方的空氣相對濕度保持在31.6±0.2%、74.7±0.2%和96.4±0.4%。

1.2.4 電弧燒蝕老化試驗

本文利用斜面法試驗裝置來模擬液體硅橡膠在運行過程中可能受到的電弧燒蝕作用。試驗利用GB/T 6553-2003《評定在嚴酷環(huán)境條件下使用的電氣 絕緣材料耐電痕化和蝕損的試驗方法》中推薦的斜板試驗進行。

1.2.5 自然環(huán)境老化試驗

作為人工加速老化試驗的對比，項目組設(shè)置了一組自然老化樣品，將把實驗室新制的液體硅橡膠樣品直接放在樓頂?shù)钠脚_上，使之暴露于自然環(huán)境之中，然后每兩個月對這兩組樣品進行一次性能檢測，并將檢測的結(jié)果與其他樣品進行對比。深圳市位于北緯22。27'～22。52'，為了使得樣品達到最佳老化效果，樣品架采用面向東南的位置擺放，傾角約22°。

1.2.6 室內(nèi)環(huán)境老化對比試驗

表3 氙燈老化試驗相關(guān)實驗參數(shù)

作為自然環(huán)境老化試驗的對比，項目組設(shè)置了一組室內(nèi)樣品。將實驗室制作的LSR樣品直接放在室內(nèi)陰涼的地方，讓他們暴露于室內(nèi)環(huán)境之中，同時避免光照。然后每2000小時對這兩組樣品進行一次性能檢測，并將檢測的結(jié)果與其他樣品進行對比。

通過室內(nèi)老化樣品和室外老化樣品的對比，可以分析出自然環(huán)境中除陽光照射和雨水外的其他因素對液體硅橡膠老化所產(chǎn)生的影響。

2 試驗

2.1 試驗樣品的分類

由于每種試驗方案模擬的運行條件和使用的設(shè)備都不相同，因此試驗持續(xù)的時間也不同。試驗時間最短為電暈老化試驗的120h，最長為自然老化試驗的6000h。在試驗期間和結(jié)束的時候，分別對樣品進行宏觀性能檢測和微觀分析。

2.2 宏觀性能測試

2.2.1 硬度

本文使用手持型邵氏A型硬度計來測量樣品的硬度，測量結(jié)果如表4所示。。

2.2.2 力學性能

試驗使用的是某公司生產(chǎn)的微機控制電子萬能試驗機CMT-6102。

表4 邵氏硬度測量結(jié)果

根據(jù)道某公司公布的HVI 1541/10P 液體硅橡膠的性能數(shù)據(jù)，項目組分別測定了其拉伸強度、扯斷伸長率、撕裂強度等機械性能[7,8]。

從試驗結(jié)果來看，經(jīng)歷過不同老化試驗之后的LSR樣品之間的機械性能相差不大，各樣品的拉伸強度數(shù)值均為3.4～3.7MPa，扯斷伸長率約400%，撕裂強度（新月形試樣，有缺口）約11～12kN/m。

2.2.3 憎水性

項目組分別采用了靜態(tài)接觸角法和噴水分級法來測定各種硅橡膠樣品的憎水性。測量靜態(tài)接觸角時使用的測量儀器是靜態(tài)接觸角測量儀。測量靜態(tài)接觸角時，控制每次滴液4μl，然后對每片樣品進行5次測量，最后取5次測量結(jié)果的平均值作為靜態(tài)接觸角的測量結(jié)果。測量結(jié)果如表5所示。

在現(xiàn)場進行絕緣子憎水性能測試時，更常用的一種方法是噴水分級法。噴水分級法主要是由瑞典輸電研究所提出的，這種方法采用HC等級來表征憎水性狀態(tài)，一共分為7級并給出分級判斷和標準圖片。其中HC1～HC3為憎水性狀態(tài)，HC4為中間過渡狀態(tài)，HC5～HC7為親水性狀態(tài)。

表5 靜態(tài)接觸角測量結(jié)果

測試時，具體的操作方法為：用普通噴壺對樣品表面噴灑水霧，大概每5秒鐘噴灑一次，連續(xù)噴灑20次后觀察水分在樣品表面的分布情況，噴灑時不可直接對樣品噴灑，而是讓噴嘴朝向空中，讓液滴自然下落到樣品表面。然后對比分級判據(jù)和標準圖片，從而得到絕緣子表面的憎水性狀況。

本文對室外自然老化、氙燈老化、電暈老化和恒溫恒濕老化的樣品進行了測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 老化試驗后的樣品憎水性示意圖

2.2.4 光澤度

表面光澤度測量主要用于油漆、涂層、金屬機件平整度檢測等[9]。當樣品表面出現(xiàn)老化后，由于細小的裂痕等原因會導致樣品表面粗糙度上升，進而導致表面光澤度的下降。在試驗過程中使用型號為WGG60-E的表面光澤度計對幾種樣品的表面進行了測量（表6）。

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

本文使用清華大學深圳研究生院新材料研究中心的VERTEX70紅外光譜儀進行ATR-FTIR（衰減全反射紅外光譜）分析。分別對自然老化試驗和氙燈老化試驗后的樣品進行分析，并繪制了圖譜。

圖2、圖3為經(jīng)歷自然老化試驗、氙燈老化試驗之后的樣品圖譜，可以看到，圖譜的形狀同未老化的液體硅橡膠相比并沒有明顯變化，但是Si-O鏈節(jié)吸收峰和Si-C鏈節(jié)吸收峰的高度顯著降低。

本文選取1260cm-1，1000～1100cm-1，800cm-1附近的最大峰值作為樣品的“指紋”吸收峰，對不同老化程度的樣品進行定量分析，可得到如表7所示的各吸收峰具體數(shù)值。

表6 鏡向光澤度測量結(jié)果

圖2 自然老化4000h后的FTIR圖譜

圖3 氙燈老化400h后的FTIR圖譜

表7 FTIR圖譜特征吸收峰值

2.4 掃描電鏡觀察分析

本文使用了S-4800型掃描電子顯微鏡對氙燈老化試驗、自然老化試驗和恒溫恒濕老化試驗后的樣品進行了微觀分析，見圖4。

圖4 老化試驗后的樣品掃描電鏡圖像

對人工加速老化試驗后樣品的SEM圖像進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，試樣的表面都變得較為粗糙。對比斜面法燒蝕后的硅橡膠和新制試樣的SEM圖像可以發(fā)現(xiàn)，電弧燒蝕后的硅橡膠試樣呈現(xiàn)出類似晶體的顆粒狀形態(tài)，但是與老化試樣不同之處在于，其結(jié)構(gòu)仍然致密，放大后無明顯可見的縫隙和孔洞。大部分樣品的表面都較為完好，沒有裂紋出現(xiàn)，只有自然老化6000h的樣品表面出現(xiàn)了裂紋。

3 試驗結(jié)果分析

本文對比了氙燈老化試驗、自然環(huán)境老化試驗、室內(nèi)老化試驗、恒溫恒濕老化試驗樣品的硬度和憎水性，得到如下結(jié)果，見圖5。

樣品的硬度直接反映了硅橡膠材料的交聯(lián)度，硬度的上升表明材料內(nèi)部交聯(lián)度上升，是老化過程的開始。從試驗結(jié)果來看，自然老化和氙燈老化試驗的樣品硬度上升最大。其中自然老化樣品所處空氣濕度為深圳市戶外環(huán)境濕度，氙燈老化樣品所處空氣濕度較低，這說明光照是導致硅橡膠交聯(lián)度上升的主要原因。同時，恒溫恒濕老化樣品的硬度也有較大上升，說明高溫高濕環(huán)境也對交聯(lián)度上升有促進作用，見圖6、圖7。

氙燈老化、自然環(huán)境老化、恒溫恒濕老化試驗樣品的憎水性都有明顯下降。自然老化和恒溫恒濕老化樣品的憎水性下降最明顯，HC等級已經(jīng)降到3級。

圖7 老化試驗后樣品的憎水性

4 結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果，可以對導致硅橡膠材料老化的因素得出如下結(jié)論：

1）光照是導致老化現(xiàn)象發(fā)生的主要原因之一。長時間的光照會導致硅橡膠材料交聯(lián)度上升，表現(xiàn)為硬度上升。

2）高溫、高濕的環(huán)境會促進老化現(xiàn)象的發(fā)生。高溫高濕的環(huán)境不僅可以促使硅橡膠材料的交聯(lián)度上升，同時更可以導致憎水性的下降。

3）老化現(xiàn)象的發(fā)生是在光照、高溫、高濕因素共同作用下導致的結(jié)果。從試驗結(jié)果來看，只有同時滿足這三項條件的自然老化試驗有最為明顯的老化效果，不但硬度上升、憎水性下降，SEM電鏡掃描甚至在樣品表面觀測到了龜裂裂紋；而缺乏高濕度的氙燈老化試驗、缺乏光照的恒溫恒濕試驗以及室內(nèi)老化對比試驗的樣品都沒有達到這樣的老化程度。

[1]梁曦東, 李震宇, 周遠翔. 交流電暈對硅橡膠材料憎水性的影響[J].中國電機工程學報, 2007,(27): 19-23.

[2]許喆. 復合絕緣子的長期運行性能試驗研究[D]. 山東大學, 2009.

[3]梁英, 李成榕, 丁立健. 電暈強度對HTV硅橡膠陷阱特性的影響[J].高電壓技術(shù), 2009,(1): 135-140.

[4]Xiong Y., Rowland S. M., Robertson J.,et al. Surface analysis of asymmetrically aged 400 kV silicone rubber composite insulators[J]. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2008, 15(3):763-770.

[5]陳倩倩, 劉曉東, 孫立廣, 等. 微波萃取-原子熒光光譜法優(yōu)化測定海鳥生物糞中的甲基汞[J]. 光譜學與光譜分析, 2011,(1): 249-252.

[6]崔雨. 飽和鹽溶液濕度發(fā)生器的原理與不確定度評定[J]. 中國儀器儀表, 2007,(3): 77-79.

[7]GB/T 528-2009. 硫化橡膠或熱塑性橡膠.拉伸應力應變性能的測定[S], 2009.

[8]韓雷. GB/T529-1999《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定(褲型、直角型和新月型試樣)》簡介[J]. 化工標準化與質(zhì)量監(jiān)督, 2000,(10): 2-3.

[9]GB/T 13891-2008，建筑飾面材料鏡向光澤度測定方法[S].

楊翠茹，女，工學博士，廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，主要研究方向為高壓外絕緣防污閃技術(shù)與有機絕緣材料老化。

陳燦，男，博士研究生，主要研究方向為硅橡膠絕緣材料老化機理與表征。

Study on the Infl uence Factors of Natural Aging of Liquid Silicone Rubber Used for External Insulation

YANG Cui-ru1, CHEN Can2, RAO Zhang-quan1, LU Hai2, LIN Yi-feng1, JIA Zhi-dong2, YANG Zhao-xiang2
（1. Guangdong Electric Power Research Institute, Guangzhou 510600; 2. Graduate School of Tsinghua University, Shenzhen 518055）

In recent years, liquid silicone rubber (LSR) has been widely used in the external insulation field. However, further study on the aging resistant performance is still required. Especially when it is used in southern parts of China, of which the high temperature and humidity environment could accelerate the aging process. It is reported that cracking and chalking phenomena were observed on the liquid silicone rubber sheath of PT and CT. In this paper, a series of ageing experiments were designed and carried out to test the performance of liquid silicone rubber when exposed to factors such as high temperature, high humidity, sun exposure and corona discharge. After the experiments, characteristics such as hardness, hydrophobicity, glossiness and mechanical properties were tested and micro analyzing method like SEM and FTIR were used to study the change of micro structure and functional group abundance. It is concluded that high temperature, high humidity and sun exposure play significant roles in the degradation of liquid silicone rubber, which could lead to the rise of hardness, loss of hydrophobicity, decrease of glossiness and surface cracking. The results also show that the change of mechanical properties of liquid silicone rubber were tiny.

aging factor；xenon light；high temperature and humidity；hardness；hydrophobicity；mirror glossiness

TM85

A

1004-7204（2014）01-0041-07