硅橡膠復(fù)合絕緣子憎水性的試驗(yàn)手段研究

何 軍，鄧馥郁

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川 遂寧　629200）

硅橡膠復(fù)合絕緣子憎水性的試驗(yàn)手段研究

何 軍，鄧馥郁

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川 遂寧629200）

摘要:本文利用試驗(yàn)手法對(duì)硅橡膠復(fù)合絕緣子的憎水性進(jìn)行研究，采集數(shù)據(jù)并分析，對(duì)高電壓輸電技術(shù)中絕緣子的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的意義.

關(guān)鍵詞:復(fù)合絕緣子；硅橡膠；憎水性；試驗(yàn)手段

在我國(guó)高壓輸電線路上，采用的絕緣子按材料來(lái)劃分，有傳統(tǒng)的陶瓷絕緣子和玻璃絕緣子，新型絕緣子有復(fù)合絕緣子、半導(dǎo)體釉絕緣子等.近年來(lái)復(fù)合絕緣子在線路中的使用量劇增，而硅橡膠（SIR）因?yàn)槠鋬?yōu)良的電氣性能則成為了目前使用得最多的復(fù)合絕緣材料.

硅橡膠在電氣應(yīng)用中具有優(yōu)異的絕緣性能和功能性，在極端溫度中能保持絕緣作用和介電強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)絕緣材料的能力范圍，使所有可比材料望塵莫及.本文針對(duì)硅橡膠復(fù)合絕緣子外絕緣特性測(cè)試，分析、研究了硅橡膠復(fù)合絕緣子憎水性、接觸角等技術(shù)參數(shù)新試驗(yàn)方法與測(cè)試手段.

1　絕緣子特性關(guān)鍵參數(shù)

1.1憎水性

硅橡膠材料優(yōu)良的電氣性能一個(gè)重要表現(xiàn)是它良好的憎水性.在復(fù)合絕緣子行業(yè)中，憎水性也被稱為濕潤(rùn)性，由硅橡膠的表面張力決定.

如果把水珠滴在不同的固體平面上，平鋪成水層或者水膜，那么該固體屬于親水材料，如果液滴縮成一個(gè)球狀或者半球狀，則該材料具有良好的憎水性.本論文試驗(yàn)中所用到的室溫硫化橡膠就是具有較好憎水性的，液滴在它的表面上幾乎成完美的半球狀.然而硅橡膠表面的憎水性并不是一成不變的，隨著其表面環(huán)境條件的不同其憎水性會(huì)暫時(shí)減弱甚至消失.由于硅橡膠材料自身的特性，能使其表面暫時(shí)消失的憎水性又得以恢復(fù).

現(xiàn)在，普遍認(rèn)同硅橡膠絕緣子（SIR）表面憎水性恢復(fù)的主要機(jī)理是表面積滿污穢后，硅橡膠本身的憎水性可以遷移到污層表面，即污層表面也有了憎水性.按照遷移分子的類別和遷移過(guò)程可以將憎水性遷移機(jī)理分成以下三種：

1）硅橡膠分子末端頭的伸長(zhǎng)游離效應(yīng)浸潤(rùn)污穢物，使其外表面出現(xiàn)憎水性.

2）硅橡膠表面上卷曲較長(zhǎng)的硅氧烷鏈段受污穢物作用，浸潤(rùn)污穢物使其出現(xiàn)憎水性.

3）硅橡膠內(nèi)尚未被交鏈的低分子移動(dòng)，使其污穢物表面出現(xiàn)憎水性.

我們?cè)谌缦路矫嬲J(rèn)識(shí)還比較欠缺：自然條件下哪些因素對(duì)硅橡膠（SIR）憎水性的動(dòng)作性能和長(zhǎng)期使用性能產(chǎn)生的影響最大以及這些因素對(duì)硅橡膠物理性質(zhì)的影響，這些因素包括交叉耦合（硫化）密度、填充物數(shù)量、穩(wěn)定添加劑的用量等.材料的自身老化所產(chǎn)生的影響也有待研究.

1.2接觸角

要弄清硅橡膠材料憎水性喪失的主要原因，首先得了解憎水性的機(jī)理：液體對(duì)固體的濕潤(rùn)程度通?？梢杂靡?、固相之間形成的接觸角的大小來(lái)表示.

所謂接觸角是指液體與固體間的界面與液體表面的切線間夾角，用θ表示.通常將接觸角θ=90°定為臨界角.對(duì)一定的液體來(lái)說(shuō)θ＞90°的表面成為憎水性表面；θ＜90°的表面稱為親水性表面.

對(duì)于液滴來(lái)說(shuō)，固體表面張力、液體表面張力和液固界面張力這三個(gè)力維持著它的平衡，液體對(duì)固體表面能否濕潤(rùn)取決于幾個(gè)界面張力的相對(duì)大小，固體表面的憎水性狀態(tài)由材料的表面張力決定，目前尚無(wú)直接準(zhǔn)確測(cè)定固體表面張力的方法.故考慮采取用接觸角法反映固體表面張力.可由圖1表示：

圖1　接觸角

2　關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖2所示，兩塊銅制平板電極平行放置，一塊平板電極串聯(lián)一個(gè)5千歐的保護(hù)電阻后接到高壓電源上，另一塊電極接地.將長(zhǎng)方體室溫硫化橡膠水平放置到極板中間并固定.試驗(yàn)時(shí)將水滴水平放置在硅橡膠復(fù)合絕緣子上，并用高速視頻顯微鏡記錄水滴變化狀況，在條件不允許情況下，可用高清攝像頭代替高速視頻顯微鏡.

圖中裝置的尺寸參數(shù)：室溫硫化橡膠試樣長(zhǎng)50.18mm、寬20.8mm、厚12.6mm，銅片厚0.2mm，兩銅片間平行間距14.72mm.

圖2　試驗(yàn)裝置圖

2.2試驗(yàn)方法

將電導(dǎo)率分別為1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的NaCl液滴放置在長(zhǎng)方體室溫硫化橡膠試樣上，進(jìn)行三組試驗(yàn)，分別施加交流電壓、正直流電壓和負(fù)直流電壓，記錄液滴形變過(guò)程.

2.3試驗(yàn)過(guò)程

2.3.1正直流電源作用下

用酒精清潔室溫硫化橡膠試樣表面；

1）配置電導(dǎo)率分別為 1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的五種NaCl溶液；

2）取1.0mS/cm、體積為2微升的NaCl液滴放置在試樣中央，打開(kāi)正直流電源，從0kV開(kāi)始逐漸加大電壓，觀察到液滴發(fā)生明顯變形時(shí)將電壓逐漸減小關(guān)閉電源，并記下該時(shí)刻電壓的大小，清潔試樣表面；

3）按上述方法依次記錄下電導(dǎo)率分別為2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm時(shí)液滴形變時(shí)刻的電壓大小.比較可知約在正電壓大小為8kV時(shí)液滴發(fā)生形變，由此確定本試驗(yàn)固定電壓取8kV；

4）取1.0mS/cm的鹽水液滴2微升，滴在已清潔干燥后的試樣表面中心，高倍顯微鏡從上至下垂直錄像，液滴呈近似完美的圓形.顯微鏡連于一臺(tái)PC機(jī)上.加正直流電壓8kV，同時(shí)按下按鈕，記錄下整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中液滴的形變情況.經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)一都進(jìn)行十分鐘比較合適；

5）十分鐘后停止記錄數(shù)據(jù)，將電源電壓逐漸調(diào)至零后關(guān)閉電源，用接地導(dǎo)線對(duì)裝置放電，用究竟擦拭試樣表面，試驗(yàn)結(jié)束；

6）重復(fù)5、6兩個(gè)步驟分別對(duì)電導(dǎo)率為2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的鹽水液滴進(jìn)行試驗(yàn)，得到正直流電源作用下的五組數(shù)據(jù).

2.3.2負(fù)直流電源作用下

具體步驟與正直流電源一樣，只是所取固定電壓變?yōu)樨?fù)13kV，同樣得到五組數(shù)據(jù).

2.3.3交流電源作用下

具體步驟與正直流電源一樣，所取固定電壓也為8kV，同樣得到五組數(shù)據(jù).

不加任何電壓的情況下，在試樣表面分別滴上五種電導(dǎo)率的NaCl液滴，用攝像頭從與試樣表面水平的角度錄像，截取圖片測(cè)量接觸角，主要用于比較不同電導(dǎo)率對(duì)接觸角的影響，因此液滴大小不用與前面的一致，為了方便測(cè)量，取液滴體積為5微升.

3　數(shù)據(jù)處理

3.1視頻數(shù)據(jù)的處理步驟

1）視頻記錄的是液滴形變的全過(guò)程，三個(gè)電源分別有五個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)總時(shí)長(zhǎng)六百秒；

2）從零時(shí)刻開(kāi)始到結(jié)束時(shí)刻，每十秒截取一張圖片，即每個(gè)視頻截圖六百?gòu)垼?/p>

3）將這些圖片在PHOTOSHOP中放大，測(cè)量每張圖片中液滴的最大長(zhǎng)度（單位cm），記錄下來(lái)；

4）從零時(shí)刻開(kāi)始到結(jié)束時(shí)刻，以十秒為記，用MATLAB畫(huà)出時(shí)間-液滴長(zhǎng)度曲線；

5）每個(gè)視頻均按照這個(gè)方法處理，可以得到總共十五組圖片數(shù)據(jù)；

6）記錄每個(gè)電壓等級(jí)下，五個(gè)電導(dǎo)率的液滴開(kāi)始形變的時(shí)間，繪制電導(dǎo)率—時(shí)間柱狀圖.

3.2接觸角的處理

1）每個(gè)電導(dǎo)率一個(gè)視頻，共五個(gè)，攝像頭從與試樣表面水平的角度錄像；

2）從視頻截取液滴完好放置在試樣上初始時(shí)刻的圖片；

3）分別測(cè)量五個(gè)電導(dǎo)率下半球狀液滴的高度、長(zhǎng)度；

4）用測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算出五個(gè)電導(dǎo)率下的接觸角大?。?/p>

5）繪制電導(dǎo)率-接觸角柱狀曲線圖.

參考文獻(xiàn):

［1］崔江流，宿志一，易輝.我國(guó)硅橡膠復(fù)合絕緣子的應(yīng)用與展望［J］.中國(guó)電力，1999，32（1）.

［2］宿志一.全國(guó)電力系統(tǒng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行情況綜述［J］.電氣世界，2003（6）.

［3］George G.K et al.Flashover mechanism of silicone rubber insulators used for outdoor insulation［J］. IEEETrans.OnPowerDelivery，1995，10（4）：1965-1966.

［4］張星海.影響絕緣子污穢閃絡(luò)的因素［J］.四川電力技術(shù)，1989.

責(zé)任編輯：張隆輝

中圖分類號(hào)：TM 85

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2094（2015）02-0156-03

收稿日期:2015-01-01

作者簡(jiǎn)介：何軍（1963-），男，重慶萬(wàn)州人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系副教授、高級(jí)工程師.研究方向：電氣自動(dòng)化.鄧馥郁（1984-），女，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系助教.研究方向：電氣自動(dòng)化.

On the Test Method of Silicone Rubber Composite Insulators Hydrophobicity

HE Jun，DENG Fuyu.
（Sichuan Vocational and Technical College， Suining Sichuan 629000）

Abstract：This paper studies the hydrophobicity of silicone rubber composite insulators using the test method， both data collection and analysis have been made. It has realistic significance for the development of high voltage insulators in transmission technology.

Keywords:Composite Insulators； Silicone Rubber； Hydrophobicity； Biodegradability； Test Method