陳曉春, 李洛琦,吳照國(guó),鄭敏聰,王建國(guó),周仲康
(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601;2. 香港理工大學(xué),香港特別行政區(qū);3. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)
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掛網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙性能研究
陳曉春1, 李洛琦2,吳照國(guó)3,鄭敏聰1,王建國(guó)3,周仲康1
(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601;2. 香港理工大學(xué),香港特別行政區(qū);3. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)
摘要:針對(duì)復(fù)合絕緣子在各種環(huán)境因素和運(yùn)行應(yīng)力的作用下,其外絕緣材料高溫硫化硅橡膠會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加出現(xiàn)老化的問(wèn)題,對(duì)4支運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子和1支新絕緣子的傘裙材料進(jìn)行了硬度、憎水性、體積電阻率、表面電阻率和電氣強(qiáng)度的測(cè)量,以及熱重分析(thermogravimetricanalysis,TGA)和掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope,SEM)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合絕緣子在長(zhǎng)期運(yùn)行后,其傘裙硬度增加,憎水性和電氣強(qiáng)度有所減弱,表面的有機(jī)聚合物含量變少,無(wú)機(jī)殘留物的含量相對(duì)增加,硅橡膠在氮?dú)鈿夥罩械臒岱€(wěn)定性高于空氣氣氛中的熱穩(wěn)定性,SEM結(jié)果顯示,運(yùn)行10年后傘裙表面孔洞直徑多小于5μm,而運(yùn)行15年以上者則出現(xiàn)大于10μm的孔洞。
關(guān)鍵詞:復(fù)合絕緣子;傘裙材料;熱重分析;電鏡掃描;硬度;憎水性
復(fù)合絕緣子的外絕緣材料為高溫硫化硅橡膠,具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性,耐污性能好,污閃電壓高,同時(shí)也具有重量輕、免清掃、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì),因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中運(yùn)行,不可避免地承受日照、濕度、溫差和污穢等各種環(huán)境因素的侵蝕,隨著時(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)外絕緣材料老化的問(wèn)題[3-4],從而影響絕緣子的正常運(yùn)行,因此對(duì)其外絕緣材料的老化性能進(jìn)行研究非常必要[5-7]。
本文選取安徽電網(wǎng)4支運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子和1支新絕緣子作為試樣,對(duì)其外絕緣材料進(jìn)行了硬度、憎水性、電阻率和電氣強(qiáng)度的測(cè)量,熱重分析(thermogravimetricanalysis,TGA)以及掃描電子顯微鏡(scanningelectonmicroscope,SEM)檢測(cè),獲得了運(yùn)行后復(fù)合絕緣子的材料老化特征,為復(fù)合絕緣子材料老化狀態(tài)的診斷和評(píng)估提供了參考依據(jù)。
1試驗(yàn)
1.1試品
根據(jù)抽樣的具體情況,選取運(yùn)行年限為5~15年的4支絕緣子(試樣編號(hào)為2—5),運(yùn)行地區(qū)的污穢等級(jí)較高,均為E1,復(fù)合絕緣子試樣具體信息見(jiàn)表1(編號(hào)1為新絕緣子)。
表1復(fù)合絕緣子試樣基本信息
試樣編號(hào)線路名稱廠家運(yùn)行時(shí)間/a污穢等級(jí)1—X0—2敬瓶5901D15E13太胡745線H10E14盛繁2875Z10E15月獅459線Z6E1
1.2試驗(yàn)內(nèi)容
本文主要側(cè)重研究復(fù)合絕緣子運(yùn)行后傘裙材料的老化狀況和理化性能,因此選擇了憎水性、傘裙主要電氣性能、TGA及SEM檢測(cè)對(duì)以上試樣進(jìn)行分析。
根據(jù)GB/T24622—2009《絕緣子表面濕潤(rùn)性測(cè)量導(dǎo)則》,測(cè)試絕緣子憎水性的方法有接觸角法、表面張力法和噴水分級(jí)法。本試驗(yàn)采用噴水分級(jí)法。具體操作步驟如下:首先將樣片放在與水平面成20°~30°的位置,將噴霧瓶噴嘴置于距樣片表面25cm處,每秒噴1次,持續(xù)20~30s,在噴霧結(jié)束10s內(nèi)完成拍照。
根據(jù)GB/T2011—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》,本次試驗(yàn)采用A型邵氏硬度計(jì),選擇試樣的不同位置(相距至少6mm)測(cè)量硬度值3次,取其平均值。
根據(jù)GB/T1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測(cè)定》,本文用Keithley的6517高阻儀對(duì)絕緣子傘裙材料進(jìn)行體積電阻率和表面電阻率測(cè)試。
根據(jù)GB1408.1—2006《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分:工頻下試驗(yàn)》,將所有測(cè)試樣品均用磨片機(jī)加工成2mm厚,誤差在±0.1mm內(nèi),試驗(yàn)前用無(wú)水乙醇將樣品表面清洗干凈,每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)點(diǎn),3個(gè)點(diǎn)的擊穿電壓值偏離中值(3個(gè)測(cè)量值的中間值)不應(yīng)大于15%,否則重新試驗(yàn),取3個(gè)測(cè)量值的平均值作為該樣品的擊穿電壓值。
TGA實(shí)驗(yàn)氣氛分別為氮?dú)夂涂諝?,升溫速度?0 ℃/min;SEM采用Sinion200肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,加速電壓為10.0kV。
2結(jié)果與討論
2.1硅橡膠憎水性、硬度及主要電氣性能檢測(cè)
目前,復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的技術(shù)參數(shù)和檢測(cè)方法普遍參照DL/T376—2010《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》。相較于其他指標(biāo),憎水性能和電氣性能是影響復(fù)合絕緣子能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[8-10],因此本文對(duì)運(yùn)行后復(fù)合絕緣子的傘裙進(jìn)行了硬度、憎水性、交流與直流電氣強(qiáng)度、體積與表面電阻率等參數(shù)的測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙主要性能參數(shù)測(cè)量結(jié)果
試樣編號(hào)憎水性等級(jí)硬度擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度/(MV·m-1)交流直流體積電阻率/(Ω·m)表面電阻率/Ω1HC16523.3061.304.45×10142.31×10142HC47016.3842.702.90×10149.32×10133HC47118.3345.033.89×10131.69×10134HC37817.9541.537.21×10134.65×10135HC37919.2559.203.60×10136.93×1013
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T376—2010對(duì)硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定:邵氏硬度不小于50,體積電阻率不小于1.0×1012Ω·m,表面電阻率不小于1.0×1012Ω,交、直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)分別不小于20MV/m和30MV/m。由表2可知,運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的硬度均大于70,明顯比新樣品偏高;體積電阻率和表面電阻率比新樣品偏低,但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;復(fù)合絕緣子傘裙的直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在40~60MV/m之間,均滿足要求,但隨著運(yùn)行年數(shù)的增加,直流和交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢(shì),尤其是運(yùn)行后傘裙的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均在20MV/m以下,已不滿足要求。
2.2TGA
TGA是高分子的常規(guī)表征手段,可用于表征結(jié)構(gòu)相變,分析殘余單體和溶劑含量,用于添加劑的檢測(cè)和熱降解的研究[11]。為了研究運(yùn)行后復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的熱穩(wěn)定性和各組分的相對(duì)含量變化,對(duì)老化后的樣品進(jìn)行了氮?dú)鈿夥障碌腡GA。復(fù)合絕緣子傘裙的成分組成主要包括3個(gè)部分:高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子;低分子物質(zhì),主要包括催化劑、硅烷偶聯(lián)劑、硫化劑、硅油以及硅氧烷小分子等;無(wú)機(jī)填料,主要是補(bǔ)強(qiáng)劑白炭黑SiO2和阻燃劑氫氧化鋁(aluminumtrihydrate,ATH)。在TGA實(shí)驗(yàn)中, 220~350 ℃階段主要是低分子蒸發(fā)和Al(OH)3填料部分脫水階段,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,ATH的熱分解失重主要發(fā)生在200~420 ℃,該階段Al2O3·3H2O的3個(gè)結(jié)晶水可以失去2.5個(gè)。350~600 ℃階段為高分子物質(zhì)聚硅氧烷分子的熱分解損失質(zhì)量階段,該階段化學(xué)鍵如C—C、Si—O、Si—C開(kāi)始斷裂,隨著溫度升高,高分子物質(zhì)分解加劇,熱降解速率也逐漸加大,在400~500 ℃區(qū)間,降解速率達(dá)到最大值。溫度大于700 ℃階段則僅剩無(wú)機(jī)殘?jiān)?,主要是ATH失去結(jié)晶水后形成的Al2O3以及在20~700 ℃內(nèi)幾乎不失重的白炭黑。
由于傘裙表面受到多種老化因素的作用,相較于傘裙內(nèi)部的材料,其老化程度應(yīng)該更嚴(yán)重,因此對(duì)于這些運(yùn)行老化的試品,分別選取了傘裙表面和傘裙內(nèi)部2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比,將內(nèi)部的TGA曲線作為未老化或者輕微老化的參考依據(jù),從而判斷老化后的硅橡膠表面發(fā)生了何種化學(xué)變化。運(yùn)行后樣品的TGA結(jié)果雖然存在差別,但總體的變化趨勢(shì)是一致的,現(xiàn)以2號(hào)試樣為例(如圖1所示),分析TGA的結(jié)果及其反映出的各類物質(zhì)的相對(duì)變化。
由圖1可知,試樣在200 ℃以前幾乎不失重,只有很小的質(zhì)量變化, 這可能是試樣中所含水分蒸發(fā)帶來(lái)的影響,主要是試樣表面吸附水的物理性逸出。表層硅橡膠在200~300 ℃出現(xiàn)第一個(gè)失重臺(tái)階,失重18.39%;300~450 ℃出現(xiàn)第二個(gè)失重臺(tái)階,失重11.27%。內(nèi)層硅橡膠在250~350 ℃出現(xiàn)第一個(gè)失重臺(tái)階,失重13.84%;350~500 ℃出現(xiàn)第二個(gè)失重臺(tái)階,失重35.64%。相較于內(nèi)層,表層在低溫區(qū)的失重大,在中溫區(qū)的失重小,高溫區(qū)殘留的無(wú)機(jī)物更多。這些現(xiàn)象說(shuō)明表面的低分子物質(zhì)含量高于內(nèi)層,但有機(jī)聚合物高分子的含量低于內(nèi)層,因此硅橡膠分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴(yán)重。另外表層殘留了較高的ATH和白炭黑,相應(yīng)地減少了硅橡膠的含量,導(dǎo)致中溫區(qū)的熱分解產(chǎn)物相對(duì)較少。
圖1 2號(hào)試樣的TGA曲線
為了研究硅橡膠傘裙在不同氣氛下的熱穩(wěn)定性,本文還對(duì)運(yùn)行后的試樣(4號(hào)和5號(hào))進(jìn)行了氮?dú)夂涂諝鈿夥障碌臒嶂胤治觯话銇?lái)說(shuō),在氮?dú)鈿夥障?,硫化膠高分子在失重區(qū)主要是發(fā)生鏈斷反應(yīng);在空氣中加熱時(shí),分子鏈、側(cè)基的斷裂及部分交聯(lián)會(huì)同時(shí)發(fā)生,熱分解過(guò)程更復(fù)雜。對(duì)比二者的TGA曲線,可進(jìn)一步了解硅橡膠的熱分解特征。圖2為4號(hào)和5號(hào)試樣在兩種氣氛下的TGA曲線。
圖2 氮?dú)夂涂諝庀鹿柘鹉z的TGA曲線
由圖2可知,兩種氣氛下試樣在低溫區(qū)的第一個(gè)失重臺(tái)階的質(zhì)量損失基本相等,即低分子蒸發(fā)和填料脫水在兩種氣氛下的表現(xiàn)和進(jìn)程大致相似。但空氣氣氛下,硅橡膠第二個(gè)失重區(qū)的起始溫度明顯提前,可見(jiàn)硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低,這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于側(cè)鏈中甲基的存在導(dǎo)致聚硅氧烷高分子在空氣中更易于被氧化;并且質(zhì)量損失較氮?dú)鈿夥障碌拿黠@減少,這可能與裂解產(chǎn)物和試樣在空氣中被氧化后質(zhì)量增重有關(guān)。
2.3SEM檢測(cè)
SEM是觀察和研究材料微觀形貌的重要方法,可以檢測(cè)固體試樣表面的形貌特征,如不均勻性、相分離、裂紋、缺陷等[12-13]。新試樣以及老化后部分試樣的SEM圖像如圖3至圖5所示。
圖3 1號(hào)新試樣SEM圖像
圖4 2號(hào)試樣SEM圖像
圖5 3號(hào)試樣SEM圖像
由圖3至圖5可以看出,新試樣的SEM圖像顯示樣片表面較為平整、光滑,結(jié)構(gòu)均勻,填料填埋和包裹得很好。運(yùn)行10年后,3號(hào)試樣表面變得粗糙且凹凸不平,開(kāi)始出現(xiàn)大小不一的孔洞,但大部分孔洞的直徑都在5μm以下,少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面,其中塊狀或顆粒狀突出物應(yīng)為硅橡膠的無(wú)機(jī)填料,硅橡膠分子主鏈的斷裂等原因引起有機(jī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的破壞,從而導(dǎo)致其中的填充物暴露出來(lái)。運(yùn)行15年后,嚴(yán)重老化的試樣表面出現(xiàn)大量裂紋(如圖4所示),且孔洞和缺陷試樣的面積逐漸擴(kuò)大,破損嚴(yán)重的部位出現(xiàn)直徑超過(guò)10μm的孔洞,硅橡膠表面被分裂為一個(gè)個(gè)凹凸不平的塊狀結(jié)構(gòu)。SEM結(jié)果說(shuō)明,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,復(fù)合絕緣子的老化程度越明顯,可直觀地看出環(huán)境因素和各種運(yùn)行應(yīng)力對(duì)硅橡膠表面造成的老化影響。
3結(jié)論
從本文的試驗(yàn)結(jié)果可以初步得到以下結(jié)論:
a) 隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,交流和直流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢(shì),試樣的傘裙交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度均在20MV/m以下,按照DL/T376—2010對(duì)硅橡膠絕緣材料性能的規(guī)定,已不滿足要求。
b) 運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的體積和表面電阻率隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律不明顯。
c) 相比于新試樣,運(yùn)行后復(fù)合絕緣子傘裙的硬度均有上升,憎水性出現(xiàn)下降,但與運(yùn)行時(shí)間的線性關(guān)系不明顯。
d)TGA試驗(yàn)結(jié)果表明,運(yùn)行15年后的復(fù)合絕緣子傘裙表面的有機(jī)聚合物高分子含量明顯減少,低分子物質(zhì)和無(wú)機(jī)殘留物的含量相對(duì)增加,因此表層硅橡膠大分子的異裂斷鏈現(xiàn)象較內(nèi)層更嚴(yán)重。硅橡膠在氮?dú)夂涂諝鈿夥罩械蜏貐^(qū)的失重特征(主要是低分子蒸發(fā)和填料脫水)大致相似,但高分子聚合物的熱降解起始溫度明顯提前,可見(jiàn)硅橡膠在空氣中的熱穩(wěn)定性有所降低。
e)SEM結(jié)果顯示,新樣表面較為平整、光滑,填料填埋和包裹得很好。運(yùn)行10年后的試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)大小不一的孔洞,但大部分孔洞的直徑都在5μm以下,可見(jiàn)少量的塊狀或顆粒狀物敷在表面。運(yùn)行15后,試樣的孔洞和缺陷面積進(jìn)一步擴(kuò)大,破損嚴(yán)重的部位出現(xiàn)直徑超過(guò)10μm的孔洞,表面出現(xiàn)大量裂紋。
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Research on Shed Properties of Network Operating Composite Insulators
CHEN Xiaochun1, LI Luoqi2, WU Zhaoguo3, ZHENG Mincong1, WANG Jianguo3, ZHOU Zhongkang1
(1.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,Anhui230601,China; 2.TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKongSAR,China; 3.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)
Abstract:InallusiontotheproblemofexternalinsulationmaterialnamedHTVofcompositeinsulatorsbeagingwithincreaseofrunningtimeundervariousenvironmentandoperationstressconditions,hardness,hydrophobicity,volumeresistivity,surfaceresistivityandelectricstrengthisrespectivelymeasuredforshedmaterialsoffourrunningcompositeinsulatorsandonenewinsulatoraswellasthermogravimetricanalysis(TGA)andscanningelectonmicroscope(SEM)detectioniscarriedout.Experimentalresultsindicatethatafterlong-termoperation,shedhardnessofthecompositeinsulatorincreases,hydrophobicityandelectricstrengthdecreases,contentofsurfaceorganicpolymerdiminishesandcontentofinorganicresiduesrelativelyincreases.Inaddition,itisdiscoveredthatheatstabilityofsiliconerubberinnitrogenatmosphereishigherthanthatinairatmosphere.SEMresultshowsthatdiametersofholesonthesurfaceofshedhavingrunningforabout10yearsaremostlylessthan5μmanddiametersofholesonthesurfaceofshedrunningforover15yearsarelargerthan10μm.
Keywords:compositeinsulator;shedmaterial;thermogravimetricanalysis(TGA);scanningelectonmicroscope(SEM);hardness;hydrophobicity
收稿日期:2016-04-26
基金項(xiàng)目:國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司科技項(xiàng)目(52120514003R)
doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.019
中圖分類號(hào):TM216
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1007-290X(2016)06-0104-05
作者簡(jiǎn)介:
陳曉春(1982),女,安徽巢湖人。工程師,理學(xué)博士,從事合成材料與應(yīng)用方面的研究。
李洛琦(1995),女,安徽合肥人。在讀本科生,從事電氣工程與自動(dòng)化方面的研究。
吳照國(guó)(1990),男,湖北黃岡人。在讀碩士研究生,從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究。
(編輯闞杰)