不同運行條件下復合絕緣子傘裙老化特性研究

賀姣姣

(陜西省地方電力(集團)有限公司榆林電力分公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

復合絕緣子因其質量輕、耐污性能優(yōu)異、維護簡單等優(yōu)點而被廣泛應用于電力系統(tǒng)中[1-2]，但是，由于復合絕緣子構成材料多樣，不同材質界面間易因其本身質量問題、密封不嚴受潮、粘接不緊密有空隙等原因造成局部放電，進而造成硅橡膠護套燒蝕穿孔、芯棒斷裂等一系列嚴重問題[3-4]。硅橡膠傘裙與外部環(huán)境直接接觸，易受空氣中不同污穢成分、溫濕度、氣候等條件影響，不同的運行環(huán)境下，傘裙老化特性不同[5-7]。通過檢測硅橡膠傘裙憎水性、硬度等宏觀表征，以及傘裙微觀形貌、元素含量等能夠得到復合絕緣子傘裙老化程度較為準確的結果[8-9]。如文獻[10]搭建了復合絕緣子試驗平臺，模擬電暈放電、鹽灰密等環(huán)境因素，測試并分析了不同環(huán)境中復合絕緣子憎水性的喪失和恢復特性。文獻[11]采用傅里葉紅外光譜分析(FTIR)對浸泡在不同酸堿溶液中的復合絕緣子硅橡膠傘裙進行了檢測，從而分析了不同酸堿環(huán)境下硅橡膠傘裙的老化狀況。文獻[12]利用傅里葉紅外光譜分析和硬度測試方法，分析了同一電壓等級、相同運行環(huán)境下處于不同位置復合絕緣子的老化特性，但上述研究并沒有綜合考慮復合絕緣子本身運行條件和外部真實環(huán)境雙重作用下的老化情況。

為更好地評價不同運行條件下復合絕緣子傘裙老化特性，評估其運行性能，本文在充分考慮外部環(huán)境的情況下，對不同電壓等級、不同生產廠家、不同運行年限、不同運行環(huán)境的復合絕緣子進行了憎水性和傅里葉紅外光譜的對比分析，從而進一步明確了影響復合絕緣子安全運行的主要因素，并給出了相應的運維建議。

1 復合絕緣子傘裙老化表征

復合絕緣子傘裙是以羥基封端的硅氧烷作為基礎膠料，在交聯(lián)劑等的作用下，在高溫下交聯(lián)形成三維網狀結構的高分子硅橡膠。已有的研究表明，配方良好的硅橡膠耐紫外線性能、熱穩(wěn)定性及耐電蝕能力良好，但受運行環(huán)境影響，運行后的復合絕緣子傘裙表面會出現(xiàn)很多變化，如變色或表面析出白色粉末等，更嚴重者會出現(xiàn)傘裙表面龜裂、發(fā)粘、發(fā)霉等。目前，運行中復合絕緣子硅橡膠傘裙普遍存在的老化現(xiàn)象主要集中在部分產品表面憎水性下降、硬度增加和抗撕裂強度變差等。

憎水性下降包括表面憎水性以及憎水遷移性下降，這是傘裙劣化的最直接表現(xiàn)。通過憎水性試驗(靜態(tài)接觸角法(CA法)、動態(tài)接觸角法、噴水分級法(HC法)、動態(tài)滴水法等)能有效檢測出復合絕緣子表面憎水性[9-10]。

硅橡膠的主鏈為Si-O-Si，側鏈主要是甲基基團Si-(CH3)2，主鏈和側鏈的完整程度可以反映硅橡膠的老化程度，而硅橡膠中的C-H、Si-CH3是非極性基團，緊密排列在主鏈的外部，是硅橡膠具有憎水性的主要原因，在外界水分空氣的作用下，硅橡膠逐漸氧化并引入親水性的-OH，因此-OH能反映硅橡膠的憎水性。硅橡膠的基團中，Si-C鍵能相對較低，比較容易遭到破壞，因此傘裙在運行過程中逐漸老化，Si-C可以作為硅橡膠老化程度的表征[11-12]。

通過采用噴水分級法宏觀檢測復合絕緣子憎水性，采用傅里葉紅外光譜微觀檢測復合絕緣子不同基團吸收峰面積，可以有效評估不同運行條件下復合絕緣子傘裙老化特性。

2 老化特性檢測與分析

為評價在網復合絕緣子的運行狀態(tài)，根據現(xiàn)行的架空輸電線路運行規(guī)程[13]及中國電科院關于復合絕緣子抽檢周期的建議，對運行時間超過8年或處于較惡劣運行環(huán)境下的復合絕緣子開展質量抽檢工作，共抽檢了33個廠家批次的153支在運復合絕緣子。所抽檢復合絕緣子運行年限分布如圖1所示。

當復合絕緣子電壓等級、運行環(huán)境、所處地區(qū)污穢等級、運行年限、生產廠家不同時，復合絕緣子的老化程度及特性均存在一定差異。為更好地評估不同運行條件下復合絕緣子傘裙的老化程度，優(yōu)化運行中復合絕緣子運維策略，考慮實際情況，在已抽檢的153支復合絕緣子中選取具有不同特點的復合絕緣子進行憎水性和傅里葉紅外光譜分析并對比，并通過傘裙試品的熱重分析進行驗證。

圖1 抽檢復合絕緣子運行年限分布情況

2.1 被試樣品

不同的復合絕緣子廠家因原材料配方、生產工藝等不同，所生產的復合絕緣子產品質量可能存在較大差異。為保證測試分析結果的科學性，對已抽檢的153支復合絕緣子進行分析，最終篩選出生產廠家相同，運行年限、所處地區(qū)污穢等級和運行環(huán)境不同的復合絕緣子作為被試品。根據分析側重點不同，將被試品分為3組，并測試其憎水性。

從153支復合絕緣子中選取運行于某重污穢地區(qū)的2條35 kV線路由同一廠家生產的3支復合絕緣子，分別標記為01、02、03號試品。其中01號與02號為同一線路絕緣子，依據“運行時間超過8年”原則抽選，03號為相鄰線路復合絕緣子，依據“處于較惡劣運行環(huán)境下”原則抽選。此3支復合絕緣子電壓等級、生產廠家和所處環(huán)境污穢等級均相同，運行年限不同，試品信息如表1所示。

表1 運行年限不同的復合絕緣子試品

從153支復合絕緣子中選取運行于同一條110 kV線路上同一廠家生產的6支復合絕緣子，分別標記為04-09號試品，其運行年限為11年，依據“運行時間超過8年”原則抽選。該線路運行于環(huán)境污穢等級不同的區(qū)域，04-06號試品環(huán)境污穢等級為c， 07-09號試品環(huán)境污穢等級為b，其他條件相同。此6支復合絕緣子電壓等級、生產廠家和運行年限均相同，04-06號與07-09號所處環(huán)境污穢等級不同，試品信息如表2所示。

表2 所處環(huán)境污穢等級不同的復合絕緣子試品

從153支復合絕緣子中選取運行于不同環(huán)境下的2條110 kV線路由同一廠家生產的4支復合絕緣子，分別標記為10、11號試品，其運行環(huán)境為沙漠，運行年限為12年；12、13號試品，其運行環(huán)境為化工廠，運行年限為13年，均依據“運行時間超過8年”原則抽選。此4支復合絕緣子電壓等級、生產廠家相同，運行年限相近(根據運行經驗，同廠家生產的復合絕緣子運行年限僅相差1年的，其老化程度相差不大)，但10、11號與12、13號運行環(huán)境不同，試品信息如表3所示。

表3 運行環(huán)境不同的復合絕緣子試品

需要說明的是，為保證試品分析結果的準確性，避免單一試品因其特異性帶來分析誤差，因此，表2、表3中同類試品均為2支及以上。此外，如圖2所示測試的憎水性等級可作為判斷復合絕緣子傘裙老化特性的參考。

(a)05號試品-HC2

(b)01號試品-HC5

2.2 傅里葉紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀測量復合絕緣子硅橡膠傘裙紅外光譜的吸收峰位置和強度能夠準確分析傘裙的微觀化學結構變化。硅氧烷主要基團及其特征吸收峰波數范圍如表4所示。

表4 硅氧烷主要基團及其特征吸收峰波數范圍

因此，對表1—表3中的復合絕緣子試品進行紅外光譜對比分析，能直觀判斷出不同試品的微觀化學結構變化，即老化差異。

1)對表1中的3支試品進行傅里葉紅外光譜分析，光譜對比如圖3所示。

分析圖3可知，01號試品的-OH含量(3 700～3 200 cm-1)略高于02號和03號試品，且其主鏈Si-O-Si(1 100～1 000 cm-1)和側鏈Si-(CH3)2(840～790 cm-1)的吸收峰都比較低，主鏈和側鏈被破壞表明傘裙的老化比較嚴重，因此01號試品的憎水性比02號和03號差，這與噴水分級法試驗的結果一致。進一步分析圖2，運行年限分別達8年和13年的試品，其硅橡膠傘裙主要的憎水性官能團含量下降(-OH含量上升)明顯，且8年到13年比4年到8年的吸光率差值要大很多；比較波段在1 500 cm-1至3 000 cm-1的官能團吸收峰，4年和8年的試品幾乎相同，而13年的試品吸收峰劇增。這些表明隨著運行年限的增加，復合絕緣子傘裙會逐漸老化，硅橡膠主鏈和憎水性官能團會逐漸遭到破壞，尤其是在運行年限超過某個時間后老化進程會突然加速。

圖3 運行年限不同的復合絕緣子紅外光譜對比

考慮相關規(guī)程規(guī)定中建議的復合絕緣子抽檢試驗周期，綜合此次試驗結果，判斷這個時間年限注意值為8年。為驗證這一結果，對包括01～13號試品在內的153支、33個廠家批次的復合絕緣子進行抽檢試驗，對其中水擴散試驗結果不合格的25支試品的運行年限進行統(tǒng)計，其中僅2支試品的運行年限在8年以下，而運行年限超過8年的復合絕緣子出現(xiàn)水擴散試驗不合格的概率高達90%以上。

綜合上述結果，運維單位應加強對運行年限較長，尤其是超過8年的復合絕緣子憎水性檢測，并根據年度抽檢試驗結果及時采取更換或加強復合絕緣子狀態(tài)監(jiān)測的運維策略。

2)對表2中的6支試品進行傅里葉紅外光譜分析，光譜對比如圖4所示。

圖4 所處地區(qū)污穢等級不同的復合絕緣子紅外光譜對比

測量到的特征官能團的吸收峰面積如表5所示。

表5 測得不同復合絕緣子特征官能團的吸收峰面積

通過比較可以看出，04，05，06號和07，08，09號試品的憎水性基團(Si-CH3)含量相差不大，表明宏觀憎水性也相差不大，這與噴水分級法試驗的結果一致。04，05，06號的主鏈Si-O-Si基團吸收峰面積相對較小，表明這3支試品主鏈的破壞較嚴重，傘裙老化程度高，耐老化性能不如07，08，09號，表明環(huán)境污穢等級越高(污染越嚴重)，空氣中的污染物對硅橡膠傘裙的不利影響也越嚴重，甚至可能出現(xiàn)腐蝕傘裙表面的情況，從而導致傘裙老化進程加快，憎水性喪失的也越快；因此，運維單位要加大對運行于較重污穢地區(qū)，尤其是排放酸性污染氣體廠區(qū)附近復合絕緣子的狀態(tài)檢(監(jiān))測。

3)對表3中的4支試品進行傅里葉紅外光譜分析，光譜對比如圖5所示。

圖5 運行環(huán)境不同的復合絕緣子紅外光譜對比

測量到的特征官能團的吸收峰面積如表6所示。

通過比較可以看出，總體上12，13號試品的主鏈和側鏈的吸收峰面積大于10，11號試品，表明12，13號試品硅橡膠傘裙的老化程度相對較輕，其憎水性基團含量也相對較高，表明傘裙的憎水性也更好。

表6 測得不同復合絕緣子特征官能團的吸收峰面積

根據表3數據，12，13號試品的運行年限更長，環(huán)境中主要的污穢成分為化工廠廢氣，而10，11號試品環(huán)境中主要的污穢成分為砂石塵土。分析圖4、表6所測得的紅外光譜分析數據，可知在中度污穢情況下(污穢等級不大于d級)，運行于沙漠環(huán)境條件下的復合絕緣子硅橡膠傘裙相較于一般工業(yè)環(huán)境條件下的傘裙老化程度更重，憎水性等級更低。分析可能的原因是砂石塵土在風力作用下對復合絕緣子傘裙表面造成了一定的磨損，從而導致其憎水性降低；而化工粉塵等污穢附著于傘裙表面后，由于硅橡膠傘裙具有的憎水遷移性，反而能保持相對較好的憎水性。

仔細檢查10，11號試品的傘裙表面，發(fā)現(xiàn)雖然其顏色和外觀無明顯異常，但用酒精擦拭表面后仔細觀察，其相較于其他試品稍顯粗糙。查閱相關運行資料，10，11號試品運行于沙漠環(huán)境，當地風速常年在8 m/s以上，表明大風帶起的沙石確實會對復合絕緣子傘裙造成一定損傷。

2.3 熱重分析

復合絕緣子硅橡膠傘裙的熱重分析可按照物質熱分解失重過程分為3個階段：一是220～350 ℃階段，低分子物質蒸發(fā)，阻燃劑氫氧化鋁(ATH)填料部分脫水；二是350～600 ℃階段，硅氧烷分子熱分解失重；三是溫度大于600 ℃階段，除ATH失去結晶水后形成的Al2O3，以及幾乎不失重的白炭黑外，其他物質均全部分解。根據上述不同階段物質含量變化，可有效分析硅橡膠傘裙的熱穩(wěn)定性和各組分的相對含量變化。

1)對04號和07號試品進行熱重對比分析，得到的熱重曲線對比如圖6所示。

圖6 污穢等級不同的復合絕緣子熱重曲線對比

根據圖6，第一階段中04號試品的ATH填料熱分解失重為11%，07號試品為13%，且07號試品的ATH填料熱分解速度較快(熱重曲線斜率更大)；第二階段中04號試品的硅氧烷熱分解失重達36%，07號試品為34%，且04號試品的硅氧烷熱分解速度較快(熱重曲線斜率更大)。表明04號試品的ATH填料含量較高，具有較好的耐電蝕損特性；07號試品的硅氧烷含量較高，具有較好的憎水性，這與憎水性測試和紅外光譜分析的結果一致。

2)對03號和12，13號試品進行熱重對比分析，得到的熱重曲線對比如圖7所示。

圖7 不同運行環(huán)境復合絕緣子熱重曲線對比

根據圖7，第一階段中03，12，13號試品ATH填料熱分解失重分別為15%，16%，14%，且03號試品的熱分解速度最慢；第二階段中03，12，13號試品硅氧烷熱分解失重分別為34%，33%，34.5%，且03號試品的分解速度最快。表明03號試品的熱穩(wěn)定性相較于另外兩支要差。此外，總體來看，12號試品的硅氧烷含量較高，具有較好的憎水性；13號試品的ATH填料含量較高，具有較好的耐電蝕損特性。

上述熱重分析結果表明，運行環(huán)境對復合絕緣子傘裙硅橡膠老化有較大影響。在化工廠等重污穢度環(huán)境中運行的復合絕緣子表面附著有較重的特殊污穢成分，在污穢物的侵蝕作用下，傘裙的硅氧烷含量和阻燃性無機填料含量都有明顯下降，傘裙的老化程度相較于輕污穢度地區(qū)要嚴重。

3 復合絕緣子運維建議

1)嚴格按照相關規(guī)程中規(guī)定的檢測周期對復合絕緣子進行憎水性檢測，尤其要對運行年限較長、運行環(huán)境為重污穢或特殊污穢地區(qū)(冶煉廠、化工廠、水泥廠等廠區(qū)周邊)的復合絕緣子重點監(jiān)測。對憎水性等級為HC6或憎水性在短時間內迅速降低的復合絕緣子及時更換并進行檢測，明確其劣化原因。

2)應加大對常年處于較大風速地區(qū)，環(huán)境為戈壁或荒漠線路所運行復合絕緣子的狀態(tài)檢測及監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有憎水性顯著下降情況的及時進行處理。

3)日常運維中要加強對復合絕緣子紅外成像檢測，對有明顯異常的要及時采取其他如紫外成像檢測、帶電憎水性檢測、無人機等手段進行復測驗證，發(fā)現(xiàn)有傘裙粉化、破損、變色或其他異常情況的要及時停電更換。

4)每年應根據輸電線路實際運行情況提前制定抽檢計劃并按時送檢，檢測結果返回后，要及時根據抽檢結果采取重點監(jiān)測或停電更換等措施，抽檢要求和原則按照標準規(guī)程中規(guī)定的執(zhí)行。

4 結 語

復合絕緣子作為輸電線路上最重要的電氣設備之一，其電氣和機械性能直接影響著輸電線路能否安全穩(wěn)定運行。加強對其宏觀和微觀方面的性能檢測，評估其老化程度，研究影響其運行的各類主要因素從而采取一系列措施是保證復合絕緣子安全運行的重要手段。本文對不同類型的復合絕緣子樣品進行了宏觀憎水性試驗，對硅橡膠傘裙進行了微觀傅里葉紅外光譜分析，并通過熱重試驗進行了驗證，得出不同運行年限、所處地區(qū)不同污穢等級以及不同污穢環(huán)境情況是影響復合絕緣子硅橡膠傘裙老化的主要因素。運維單位應重點關注運行年限較長、運行環(huán)境相對惡劣的復合絕緣子運行狀態(tài)，并根據其老化表征及時采取相應的處理措施。