濕熱環(huán)境下復(fù)合絕緣子端部護(hù)套水分入侵深度研究

焦才明， 楊昌建，劉云舒，任雙贊，楊傳凱，賈志東

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，西安 710032； 2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；3.清華大學(xué)深圳國際研究生院，深圳 518055）

引言

復(fù)合絕緣子因其優(yōu)異的憎水性、耐污等性能已在我國各省大范圍應(yīng)用[1-4]。在實際運(yùn)行過程中絕緣子硅橡膠材料會受到電場、光照、污穢等許多電氣、環(huán)境應(yīng)力[5-7]的作用，這些應(yīng)力會導(dǎo)致硅橡膠材料出現(xiàn)老化情況。陜西漢中、安康等地屬于典型的濕熱地區(qū)，這種運(yùn)行環(huán)境下水分侵入壓接式絕緣子后會出現(xiàn)端部發(fā)熱、機(jī)械破壞負(fù)荷下降等異?，F(xiàn)象[9,10]，為此。本文選取三組運(yùn)行于濕熱環(huán)境下的復(fù)合絕緣子，利用傅里葉紅外光譜技術(shù)對其端部護(hù)套老化情況進(jìn)行了研究，隨后選取傘裙硅橡膠試樣，利用長時間水煮和水浸泡試驗?zāi)M試驗環(huán)境[10]，研究了水分滲入硅橡膠護(hù)套的深度。試驗發(fā)現(xiàn)濕熱運(yùn)行環(huán)境下絕緣子端部護(hù)套老化深度有限，水分無法大量滲透穿過壓接式絕緣子護(hù)套導(dǎo)致異常現(xiàn)象產(chǎn)生。

1 試驗樣品及試驗過程

1.1 試驗樣品

為研究濕熱環(huán)境下復(fù)合絕緣子端部護(hù)套材料的老化情況及水分能夠滲入護(hù)套厚度的深度，本文選取三支已運(yùn)行13 年的110 kV 絕緣子試樣進(jìn)行了研究，這三支復(fù)合絕緣子為同一生產(chǎn)廠家、同一批次產(chǎn)品，且運(yùn)行于同一輸電線路同一桿塔或相鄰桿塔，因此可以認(rèn)為其老化情況基本處于同一水平。將上述三支絕緣子樣品分別編號為NO.1、NO.2 和NO.3。

1.2 試驗過程

本文首先選取上述三支絕緣子的高壓端及低壓端的端部護(hù)套試樣，利用傅里葉紅外光譜[11]對其老化情況進(jìn)行了初步探究。

濕熱環(huán)境下水分侵入絕緣子端部后會導(dǎo)致其異常溫升和機(jī)械破壞負(fù)荷值下降，為探究濕熱環(huán)境下水分滲入復(fù)合絕緣子端部護(hù)套的深度，參照相關(guān)研究[10]，本文選取與護(hù)套成分及老化情況都較相似的端部第一片傘裙試樣，利用水煮試驗和水浸泡試驗?zāi)M嚴(yán)酷的濕熱環(huán)境，研究了水分侵入端部護(hù)套的深度。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 護(hù)套老化情況初步研究

復(fù)合絕緣子硅橡膠護(hù)套的主要成分是高溫硫化硅橡膠，110 kV絕緣子試樣的護(hù)套厚度約為5 mm。有相關(guān)研究[12]得出復(fù)合絕緣子在自然條件下運(yùn)行時其傘裙老化深度為微米級別，可以將傘裙內(nèi)層的試樣等同于出廠時的新樣。本節(jié)選取NO.1 號復(fù)合絕緣子傘裙內(nèi)層樣品，將其等效為該絕緣子出廠時新樣品，隨后選取NO.1、NO.2、NO.3 三支絕緣子高壓端和低壓端端部護(hù)套的外層和內(nèi)層樣品，切取護(hù)套內(nèi)層試樣時保證其距離表層厚度大于2 mm，并利用傅里葉紅外光譜試驗對上述13 個樣品進(jìn)行了分析，具體分析對比結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，端部護(hù)套內(nèi)層、外層的紅外光譜和傘裙內(nèi)層相比，并未有新的光譜產(chǎn)生或消失?；诖吮疚倪x取波數(shù)為790 cm-1左右的Si-(CH3)2基團(tuán)作為表征老化的依據(jù)，在該基團(tuán)處將光譜進(jìn)行局部放大可以看出，在誤差允許的情況下，紅外光譜波形出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，相比于端部護(hù)套外層試樣，No.1 號絕緣子傘裙內(nèi)層、NO.1、NO.2、NO.3 號絕緣子高壓端及低壓端護(hù)套內(nèi)層試樣波形峰值相對較高，其中傘裙內(nèi)層試樣和端部護(hù)套內(nèi)層試樣波峰值基本相同，由此可以說明端部硅橡膠護(hù)套內(nèi)層試樣和傘裙內(nèi)層試樣一樣并未出現(xiàn)老化現(xiàn)象。高壓端和低壓端的護(hù)套雖然在運(yùn)行過程中所承受的老化因素有差別，但其內(nèi)層試樣成分基本一致且基本未發(fā)生變化，證明正常運(yùn)行下的任何老化因素對硅橡膠的影響是有限的。

圖1 端部護(hù)套老化對比

2.2 水分侵入端部護(hù)套深度

前述已經(jīng)說明了復(fù)合絕緣子端部傘裙和端部護(hù)套內(nèi)部成分基本一致，所以性能也基本保持一致。為了快速證明濕熱環(huán)境下水分侵入硅橡膠護(hù)套的深度，選取NO.1 絕緣子端部第一片傘裙，將其放置在鹽溶液中分別進(jìn)行水煮及水浸泡7 天、14 天、21 天和28 天的模擬老化試驗，來探究游離態(tài)水分在護(hù)套中的侵入深度。選取傘裙時切取厚度大于6 mm 的區(qū)域。水分在硅橡膠材料中不僅有滲透作用，在自然環(huán)境下還會從硅橡膠中擴(kuò)散出去。在水煮和水浸泡試驗結(jié)束后，立即對所選試樣進(jìn)行切片，硅橡膠材料雖然具有一定的吸水性，但其吸水能力相對較弱，水分侵入深度可能較淺，為了更進(jìn)一步的明確侵入深度，在水煮和水浸泡試驗時間較短的情況下，切取試樣時應(yīng)保證試樣的厚度在毫米以下。為了精確地表征游離態(tài)水分在護(hù)套中的侵入深度，本節(jié)選取波數(shù)為1 644 cm-1[13]的H2O 基團(tuán)波峰相對高度來表征水分在硅橡膠所選深度處的含量多少。試驗結(jié)果如下所示：

2.2.1 水煮模擬試驗侵入深度研究

水煮7 天試驗結(jié)束后切取深度為110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣，圖2 所示為水煮7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比。除特殊說明外，本文中后面xxμm 試樣均指該試樣距硅橡膠表面為xxμm 的試樣。

圖2 水煮7 天樣品

選取波數(shù)為1 644 cm-1的H2O 基團(tuán)并將其局部放大可以看出，外層試樣存在明顯的H2O基團(tuán)，而110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣在H2O 基團(tuán)處波形較平緩，考慮到傅里葉紅外光譜分析水分深度的局限性，上述試驗可以說明水煮7 天的試樣在深度大于110 μm 后侵入的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖3所示為水煮14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比。水煮14 天試驗結(jié)束后切取深度為250 μm、650 μm 和1 mm 的試樣。方法同上，將波數(shù)為1 644 cm-1的H2O 基團(tuán)作為參考依據(jù)，可以看出水煮14 天的試樣在該波峰處所有選取試樣波形均比較平緩，說明水煮14 天試樣在深度大于250 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖3 水煮14 天樣品

圖4所示為水煮21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水煮21 天試驗結(jié)束后切取深度為650 μm、1 mm 和1.7 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為650 μm 和1 mm 的試樣在選取基團(tuán)處波形較明顯，而深度為1.7 mm的試樣和內(nèi)層試樣在該基團(tuán)處波形較平緩，說明水煮21 天的試樣在深度大于1.7 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖4 水煮21 天樣品

圖5所示為水煮28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水煮28 天試驗結(jié)束后切取深度為500 μm、1.2 mm、1.6 mm、2 mm、2.5 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為500μm的試樣在所選取基團(tuán)處波形非常明顯，深度為1.2 mm、1.6 mm 和2 mm 的試樣在該波峰處波形較明顯，深度為2.5 mm 的試樣和內(nèi)層試樣在該波峰處波形較平緩，說明水煮28天的試樣在深度大于2.5 mm 后侵入的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。由圖5 還可以看出深度為500 μm 的試樣和其他深度的試樣相比波峰較高，說明水分在硅橡膠材料中擴(kuò)散是一個漸進(jìn)的過程，且隨著水分的不斷侵入，硅橡膠深度較淺的區(qū)域存留的水分會越來越多。

圖5 水煮28 天樣品

由上述水煮不同時長的四組試樣侵入深度來看，水分侵入的深度是隨著水煮時間逐漸深入的，同時可以得出，即便是在鹽溶液中水煮28 天的試樣，其深度大于2.5 mm 后滲透的水分較少，遠(yuǎn)未達(dá)到絕緣子護(hù)套的5 mm 深度。

2.2.2 水浸泡模擬試驗侵入深度研究

圖6所示為水浸泡7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡7 天試驗結(jié)束后切取深度為200 μm 和340 μm 的試樣。由圖中可以看出，外層試樣在選定基團(tuán)處波形較為明顯，而深度為200 μm 以及340 μm 的試樣在該基團(tuán)處波形較平緩，說明水浸泡7 天的試樣在深度大于200 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖6 水浸泡7 天樣品

圖7所示為水浸泡14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡14 天試驗結(jié)束后切取深度為180 μm、600 μm 和1 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為180 μm 的試樣波形較明顯，而深度為600 μm 和1mm 的試樣波形較平緩，說明水浸泡14 天的試樣在深度大于600 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖7 水浸泡14 天樣品

圖8所示為水浸泡21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比水，浸泡21 天試驗結(jié)束后切取深度為700 μm 和950 μm 的試樣。由圖中可以看出深度為700 μm 的試樣在選定基團(tuán)處波形明顯，而深度為950 μm 的試樣和內(nèi)層試樣在該基團(tuán)處波形平緩，說明水浸泡21 天的試樣在深度大于950 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖8 水浸泡21 天樣品

圖9所示為水浸泡28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡28 天試驗結(jié)束后切取深度為800 μm 和1.2 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為800 μm 的試樣在選定基團(tuán)處波形明顯，而深度為1.2 mm 的試樣在該基團(tuán)處波形平緩，說明水浸泡28 天的試樣在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖9 水浸泡28 天樣品

由水浸泡試驗結(jié)果可知，水分侵入深度也是一個循序漸進(jìn)的過程，由上述四組試驗侵入深度來看，水浸泡28 天的試樣水分侵入深度最深，但是在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不僅小于水煮試驗中水分含量相對較高的深度，而且遠(yuǎn)低于絕緣子端部護(hù)套的5 mm 深度。

2.2.3 小結(jié)

對比水煮試驗和水浸泡試驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在試驗時間相同的情況下，水煮試驗中水分侵入的深度要高于水浸泡試驗，說明溫度對水分在端部護(hù)套中的侵入有一定的加速作用。但是無論是水浸泡試驗還是水煮試驗，在深度大于2.5 mm 后滲透的水分相對含量較小，還未達(dá)到端部護(hù)套厚度的一半。而護(hù)套內(nèi)部基本未老化，隨著深度的增加，水分滲透的難度越大。依據(jù)相關(guān)研究[10]，水煮28 h 后復(fù)合絕緣子會出現(xiàn)明顯的溫升現(xiàn)象，本文中水分入侵端部護(hù)套厚度小于2.5 mm，在水煮及水浸泡28 天的時間里水分無法通過端部護(hù)套滲透進(jìn)入也證明日常運(yùn)行中護(hù)套并非水分入侵絕緣子端部得主要路徑。

3 結(jié)論

通過對濕熱地區(qū)運(yùn)行13年絕緣子端部護(hù)套老化情況進(jìn)行分析，并對端部硅橡膠材料進(jìn)行水浸泡和水煮試驗，可以的得到如下結(jié)論：

1）在長時間濕熱運(yùn)行環(huán)境下，各應(yīng)力因素對硅橡膠端部護(hù)套的老化程度有限，護(hù)套深度在2 mm 以下試樣基本未發(fā)生老化；

2）28 天的水煮和水浸泡模擬試驗中，水分侵入復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套深度有限，溫度可促進(jìn)水分在絕緣子端部護(hù)套中的擴(kuò)散。

3）濕熱運(yùn)行環(huán)境下護(hù)套并非水分入侵絕緣子端部的主要路徑，后續(xù)將結(jié)合本試驗結(jié)論深入研究濕熱環(huán)境下水分入侵絕緣子端部的路徑。