復合套管材料老化及修復新技術

廣東電網公司東莞供電局變電管理二所 周錫球 吳 軻 曾憲文 葉偉標

廣東冠能電力科技發展有限公司 王 斌 呂偉桃 鄧海輝

1.前言

在電力行業中，硅橡膠絕緣材料由于具有良好的電氣絕緣性能、耐侯性及憎水性遷移特性，正獲得越來越廣泛的使用。相比傳統的陶瓷材料，硅橡膠絕緣材料的重量更輕，僅為陶瓷絕緣材料的三分之一；憎水性更好，絕緣子串污閃電壓較陶瓷提高2倍以上；運行更安全，不爆炸，無須零值檢測；生產工藝更簡單，容易制造大型產品[1]。目前電力行業中，復合套管、復合絕緣子、復合霹雷器、斷路器、變壓器、高壓開關、穿墻套管、增爬傘裙等均使用了HTV硅橡膠。在電壓互感器外殼、空氣斷路器用絕緣筒、電容器用套管、變壓器用出線套管、瓷/玻絕緣子串、高壓開關用耐SF6套管等設備上也有采用室溫硫化硅橡膠；在電線、電纜的絕緣材料方面有使用液體硅橡膠。

復合套管是電力行業中單個設備使用硅橡膠材料較多的設備，表面澆注的硅橡膠傘套絕緣性好，憎水性強，質地柔軟。在電場環境下，除光照、雨水、空氣中鹽分顆粒、風速等自然環境對其有一定老化影響外，局部放電、局部高溫及由此產生的臭氧、氮氧化物、高能射線，都加速硅橡膠傘套老化[2-4]，導致表面龜裂，其絕緣性、憎水性、耐漏電起痕性能下降。實際檢測發現硅橡膠傘套老化只影響復合套管表面電氣及理化性能，并不會影響內部設備運行，因此，對出現老化的護套，相比更換整只新套管造成巨大經濟負擔、大量更換時間及由此導致的停電損失，修復老化受損的硅橡膠傘套，使整個護套各項性能指標恢復到正常運行要求更經濟可行。本文通過分析硅橡膠傘套老化的原因，提出了一種新的修復老化硅橡膠傘套方法。

2.硅橡膠傘套老化原因分析

硅橡膠分子Si-O主鏈，硅氧鍵鍵能459.8kJ/mo1，高出可見光光子能量范圍(158～309kJ/mol)許多，側鏈多為有機基團，整個分子結構穩定，是一種既含無機結構又含有機基團的特殊材料，使用壽命長。傘套由硅橡膠材料混入多種助劑加熱加壓硫化澆注而成。高鍵能主鏈與助劑分子纏繞包覆，使得整個硅橡膠材料綜合使用壽命較普通有機材料高出許多，但在各種因素影響下，依然存在老化問題。

硅橡膠傘套老化宏觀因素可分為三類。內部因素、自然因素和特定環境因素。內部因素包括原料硅橡膠分子量大小、加工工藝，助劑本身也影響到傘套電氣理化性能[5]，白炭黑會吸附水份導致分子鏈降解，交聯劑會降低硅橡膠斷裂伸長率[6]，偶聯劑會改變碳酸鈣與硅橡膠的相容性，從而影響傘套的性能[7]等；自然因素包括陽光、雨水、空氣中的鹽份顆粒、酸堿性氣體、氣候冷熱交替、風速等，紫外輻照使硅橡膠有硬化、填充物外露的趨勢[8]，堿性物質會加劇硅橡膠降解[9、10]；特定環境因素即電場環境，如電暈放電、局部高溫、臭氧等，局放使硅橡膠傘套的重要性能憎水性降低，局部高溫使硅橡膠熱分解，且隨著電暈時間持續，硅橡膠表面結構遭到嚴重破壞，引起表面氧化反應，分子鏈交聯[11-16]，放電擊穿空氣產生的O3、NO、NO2等強氧化性氣體，特別是O3能破壞硅氧主鍵、導致硅橡膠拉伸強度等機械性能顯著下降[17、18]，放電是加劇硅橡膠傘群老化的重要原因。

硅橡膠傘套老化微觀結構分析，可以將其分為硅橡膠分子主鏈斷裂和側鏈自由基破壞兩個方面。硅橡膠側鏈為有機基團，氧化機理是典型的自由基氧化機理，有機基團活性高，容易發生老化，這是硅橡膠老化的主要原因。主鏈為-Si-O-無機結構，氧化機理相對復雜，目前研究表明，SiO主鏈以解扣降解的方式進行，同時伴隨無規斷裂降解，氧化產物為硅醇基[19]，降解機理如式一。硅橡膠分子鏈斷裂，傘形屏蔽結構被破壞，使外部能量可以直接作用分子主鏈，同時斷裂的分子鏈失去了對填料的保護等，傘套老化誘發眾多微觀結構變化，最終導致材料電氣、理化性能低于運行標準。

3.硅橡膠傘套修復

一旦硅橡膠傘套出現降解老化，電氣理化性能會發生無法逆轉的減弱。結合實際運行中檢測到的電流互感器硅橡膠傘套老化狀況分析可知，硅橡膠傘套老化是由外而內的，傘群上表面老化程度比下表面嚴重，高壓側老化程度比低壓側嚴重，傘沿老化程度比傘套主體研制。運行七年的護套，硅橡膠傘套表面嚴重粉化龜裂，助劑析出，粉化層中的硅橡膠含量極低，但表面1mm以下的硅橡膠材料幾乎保持著新制備時的電氣、理化性能。根據這一老化特點，項目組制定了分兩步實施的已老化硅橡膠傘套修復方案：(1)去除傘套表面已老化龜裂層；(2)使用修復材料直接從性能完好的硅橡膠層進行補強。

圖1 老化龜裂的硅橡膠傘套表面

表面已老化龜裂層如圖1所示，為有一定硬度的脆性混合物，喪失憎水性，絕緣電阻下降，受外力輕微作用即開裂、粉化、脫落，可以通過打磨等物理手段去除，除去老化層的硅橡膠傘套露出內部未老化的硅橡膠，其表面憎水性、絕緣電阻幾乎與新出廠時的性能指標相同，但機械強度等性能顯著下降。此時通過具有補強功能的室溫硫化硅橡膠修復材料RSTV噴涂表面，在去掉老化層的硅橡膠傘套表面重新包覆一層RSTV材料，RSTV在空氣中自然固化6個小時后，電氣、理化性能即達到設計指標，提高硅橡膠傘套機械強度的同時，其表面的電氣性能也較老化層表面顯著提高。

4.修復前后硅橡膠傘套性能對比

以RSTV修復一臺電流互感器為例，通過實驗手段進行了檢測，來評價修復效果，并制定了四個評價指標：表面憎水性、絕緣電阻、直流泄露電流和交流泄漏電流。

4.1 表面憎水性

憎水性是硅橡膠傘套的重要性能指標，憎水性的強弱與材料表面的自由能級、粉化程度、泄漏電流和污閃電壓緊密相關，此次實驗使用噴水分級法評價修復前后硅橡膠傘套表面憎水性，測試結果見表1。

通過實驗測試發現，修復前的硅橡膠傘套表面幾乎完全喪失憎水性，噴水分級法評級為HC6～HC7級，修復后的硅橡膠傘套表面憎水性優異，噴水分級法評級為HC1級，靜態接觸角測試為114.3度，與新護套的表面憎水性能相當。

表1 硅橡膠傘套修復前后憎水性試驗數據

4.2 絕緣電阻

試驗方法：測量干燥表面和充分濕潤前后的絕緣電阻，每段傘群施加2500V試驗電壓。

試驗結果如表2所示。

通過測試護套高壓段、中間段和接地段硅橡膠傘群修復前后的絕緣電阻，實驗數據顯示，未修復的護套干燥狀態下高壓段和中間段無法達到＞100GΩ的標準要求，只有接地段達到要求，在充分濕潤狀態下高壓段、中間段和接地段的絕緣電阻均不能達到＞100GΩ的標準要求，且從GΩ級下降至MΩ級，絕緣性能無法滿足正常運行要求，修復后，無論在干燥或濕潤情況下，高壓段、中間段和接地段絕緣電阻均達到＞100GΩ的標準要求，修復效果顯著。

表2 絕緣電阻測試結果

4.3 直流泄漏電流測量

試驗方法：在傘套表面完全濕潤的情況下，每段傘群施加等效值為37.8kV的直流電壓。

試驗結果如表3所示。

修復前，由于傘套表面憎水性喪失嚴重，特別是上傘群憎水性分級為HC6～HC7級，在完全濕潤的狀態下，傘套表面大都形成連續的水膜，表面電導率很大，且形成連續通路，泄漏電流較大，達到mA級別，在施加電壓的過程中，放電產生的熱量會蒸發一定的水，表面逐漸干燥，電導率逐漸減小，泄漏電流逐漸減小，因此泄漏電流峰值出現在開始階段，測試時間1min。

而對于修復后的傘套表面，憎水性分級為HC1級，直流泄漏電流基本穩定，僅為uA級，偶爾有一個放電脈沖，峰值隨機出現，從接地段修復前后數據比較，泄漏電流從未修復時的4.8mA下降到修復后的27uA，修復效果顯著，測試時間約1min。

表3 直流泄漏電流測試結果

4.4 交流泄漏電流測量

試驗方法：在傘套表面完全濕潤的情況下，每段傘群施加64kV交流電壓。

修復后施加電壓時間為60s。

試驗結果如表4所示。

通過數據對比可以看出，傘套表面的交流泄漏電流從修復前的25mA下降至修復后的38uA(高壓段)，交流泄漏電流顯著減小。

通過以上實驗可以看出，在傘套出現老化后，其憎水性、絕緣電阻均降低到一個極低水平，流露電流也較大，對護套的安全運行造成隱患。通過RSTV材料修復后，各項性能指標出現了顯著改善，達到設備正常運行指標。

表4 交流泄漏電流測試結果

5.總結

硅橡膠傘套老化宏觀因素可分為三類：內部因素、自然因素和特定環境因素，微觀結構分析硅橡膠傘套老化由硅橡膠分子主鏈斷裂和側鏈自由基被破壞兩個方面組成，其中側鏈自由基反應是硅橡膠傘套老化的主要因素。

修復已經老化的硅橡膠傘套需分步驟進行，第一步去除傘套表面已老化龜裂層，第二步使用修復材料直接從性能完好的硅橡膠層進行補強，恢復護套的電氣理化性能。

室溫硫化硅橡膠修復材料RSTV直接作用于已去除老化層的硅橡膠傘套表面，能顯著改善硅橡膠傘套的理化性能，表面憎水性由HC6～7增至HC1，絕緣電阻由30MΩ增至＞100GΩ的標準值，交流泄漏電流和直流泄漏電流也從數十mA降至數十uA，說明RSTV對護套傘群有良好的修復性。

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