基于陷阱特性的運行復合絕緣子老化定量評估

梁 英 靳 哲 劉云鵬 陳逸昕

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室 保定 071003）

0 引言

復合絕緣子具有優異的防污閃性，在我國特高壓工程中得到了大量應用，其長期運行性能也越來越被相關人員所關注，而復合絕緣子的耐老化性及壽命評估則成為研究熱點。目前，對現場復合絕緣子老化狀態的評估主要是通過現場在線監測和實驗室離線測試兩種途徑[1-4]。實驗室測試屬于離線檢測，不易受現場復雜電磁環境的干擾，故具有可靠性較高、易實現等優勢，成為復合絕緣子老化狀態評估時普遍采用的方式。研究者提出了諸多實驗室評價復合絕緣子老化狀態的指標和方法，包括閃絡電壓、泄漏電流、憎水性、硬度、撕裂強度以及傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）等。這些參量大多直接反映了復合絕緣子的表面性能。

實際上，復合絕緣子老化是在電應力、機械力及環境應力綜合作用下發生并發展，不僅會改變表面特性，也可能影響本征特性，即體特性[5-9]。近年來，熱刺激電流法（Thermal Stimulated Current，TSC）逐步應用于對高聚物老化后的空間電荷特性研究中[10-13]，指出現場復合絕緣子老化后會產生更多較深能級的陷阱，然而未對絕緣子老化狀態的界定進行定量描述[12]。研究者通過分析硅橡膠材料的TSC與靜態接觸角的變化，建立了特定老化條件（電暈放電）下陷阱特性與接觸角間的定量關系[13]，對現場絕緣子的指導性不強。同時，憎水性、閃絡特性等均屬材料的表面性能，易受環境因素的影響且具有反復性，與材料本征特性間的對應性尚無定論。

體積電阻率是絕緣材料的一個重要電參量，且高聚物的體積電阻率與溫度之間具有一定相關性[14,15]。復合絕緣子外絕緣是以硅橡膠為基材的高聚物，其體積電阻率-溫度特性應遵循一定規律，當不再滿足此規律時，將意味著材料壽命的終結。利用這一現象可為 TSC技術在定量評估復合絕緣子嚴重老化時的標準制定提供參考。同時，TSC測試與體積電阻率均與材料的本征特性相關且同屬材料電特性測試范疇，兩者間具有緊密聯系。

基于此，本文以兩廠家運行不同年限的復合絕緣子為研究對象，借助TSC技術對其陷阱特性進行測試，利用研制的針對小尺寸試樣的三電極系統對試樣的體積電阻率-溫度特性進行了觀測，通過FTIR和SEM等手段研究分析了試樣的陷阱特性和其體積電阻率-溫度特性間的相關性，進而探討了陷阱特性在現場復合絕緣子嚴重老化定量評估中的應用。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

鑒于TSC及FTIR等測試均對試樣的厚度及均勻性具有一定要求，因此首先需考慮如何從復合絕緣子傘裙上獲得厚度較薄且均勻的試樣。復合絕緣子材料韌性大，傘裙形狀特殊，且多年運行后可能存在較為嚴重的粉化現象，采用常規方法切取厚度均勻平整的大尺寸試樣難度較大。課題組為此研發了一套復合絕緣子專用切片儀，如圖1所示。利用該儀器可直接從絕緣子傘裙上切取直徑 20mm，厚1.3mm的圓形試樣。

圖1 復合絕緣子專用切片儀Fig.1 Special sliced instrument of composite insulators

研究表明，絕緣子運行環境等背景信息對其老化特性會產生一定影響[16]。故文中所選同一廠家絕緣子均來自運行環境相近的地區。另外，考慮到絕緣子表面電場分布可能對其老化帶來一定程度的影響，所取試樣均來自絕緣子高壓端第一片傘裙的上表面，且將上表面均勻劃分為四個區域分別進行取樣以削弱方位造成的影響，如圖2所示。如無特別說明，文中的測試結果皆為四片試樣的平均值。

圖2 試驗取樣示例Fig.2 Sketch map for sampling

為了去除絕緣子輸運和久置后表面附著的雜質和吸收的水分，試驗前使用無水乙醇對試樣表面進行清洗，并用去離子水沖洗后放入干燥箱在30℃環境中干燥24h備用。試驗時，試樣兩面蒸鍍厚50nm的金膜以保證 TSC以及體積電阻率-溫度測試中試樣與電極的良好接觸（見圖2）。根據絕緣子廠家及運行年限的不同對試樣進行了編號，列于表1。

表1 絕緣子試樣信息Tab.1 Information for samples

1.2 TSC試驗

TSC測試原理如圖3所示，利用溫度控制器將試樣溫度升至Tb，閉合開關S1對試樣施加直流電壓Vb一定時間tb，保持Vb一定，將試樣溫度迅速降至某一低溫，然后打開S1撤去Vb，將微電流計接通試樣上下表面，以一定的升溫速率β（K/min）升溫。溫度很低時，試樣中的偶極子和被俘獲的陷阱電荷處于“凍結”狀態，電路里沒有電流流過。之后隨著溫度的升高，被俘獲的陷阱電荷逐漸獲得能量成為可移動的粒子，同時材料高分子鏈上尺寸由小到大的偶極子也將依次發生退極化，在外電路形成電流，從而可得到TSC譜。利用相關算法經解譜即可獲得陷阱電荷Q及陷阱能H等參數[17]。

圖3 TSC測試原理Fig.3 TSC test principle

為防止加壓時出現表面閃絡，該 TSC試驗在4×10-3Pa的真空環境下進行。同時，為了提高測試精度，采用Keithley 6517B型靜電計測量外電路的微電流（輸入阻抗高達 200TΩ，最小可測電流為1fA，讀數率為 425讀數/s）。試驗時，施加的極化電壓Vb為 10kV，確定的極化溫度Tb、極化時間tb及升溫速率β分別為316K、20min和2K/min。

1.3 體積電阻率-溫度測試

文中試樣的直徑為 20mm，而體積電阻率測試的現有標準中推薦的試樣直徑為 80mm。顯然，無法直接利用現有標準對制備的試樣進行測試。為此，根據三電極測試原理自行研制了針對現場絕緣子小尺寸試樣的體積電阻率測試系統，并對系統的測試精度及穩定性進行了驗證。利用該系統對試樣的體積電阻率隨溫度的變化進行了測試，有關測試系統及測試過程等可參考文獻[18]。一般情況下，高分子材料的體積電阻率與溫度間滿足

式中，T為熱力學溫度；A為常數；E為電導活化能。可見，lnρv- 1T具有一定相關性，文中體積電阻率-溫度特性均指lnρv- 1T關系。

2 試驗結果與討論

2.1 TSC測試

兩廠家各絕緣子試樣的TSC曲線如圖4所示。為了對比復合絕緣子投運前后的老化程度，對兩廠家的新試樣也進行了測試（新試樣取自同一系列絕緣子傘裙的上下表面中間，即不易受到外界因素影響的部分[17]），分別標記為 Anew和 Bnew。從圖4可以看出：①A、B兩廠家試樣的TSC曲線形狀具有一定區別，而同一廠家試樣的TSC曲線形狀相近，兩廠家試樣的TSC曲線均在318K附近出現了一主峰，說明不同廠家的絕緣子基材大致相同，而配方或工藝可能存在一定差別。②總體上，隨著運行年限的增加，兩廠家復合絕緣子的TSC峰值呈增加趨勢，且運行時長超過 10年的試樣，其對應的 TSC峰值變化較顯著。相對而言，試樣B4的變化最為明顯，其峰值電流達到了128pA。考慮到各試樣峰值電流所對應的溫度變化不大，僅根據TSC曲線計算了各試樣的陷阱電荷量，相關參數列于表2。表中同時給出了試樣陷阱電荷量相對變化率，即其陷阱電荷量與新試樣的比值。從表中可以看出，A、B廠家新試樣的陷阱電荷量并不相同，這也說明兩廠家絕緣子微觀結構存在一定差別。同時，陷阱電荷量相對變化率隨著運行年限的增加有所增大，且試樣B4變化最大，說明只有當絕緣子結構變化達到一定程度時才會引起陷阱電荷量的顯著改變。

圖4 不同運行年限絕緣子試樣的TSC譜圖Fig.4 TSC spectrogram of A and B series samples

表2 兩廠家運行不同年限的試樣陷阱參數Tab.2 Trap parameters for samples with different operating years from A and B manufacturers

2.2 體積電阻率-溫度測試

圖5給出了兩廠家各絕緣子試樣的體積電阻率-溫度測量結果（三次）。同時對三次測量結果的平均值進行了線性擬合，并計算了相應曲線的線性相關度R2（見圖5）。可以看出，A系列試樣的lnρv隨著溫度的升高近乎線性遞減。對于運行15年之久的試樣A4，其線性相關性明顯低于A系列其他試樣；對于B系列試樣，運行5年的試樣B1的lnρv- 1T滿足線性變化，其余三種試樣均未呈現出明顯規律性，同時曲線對應的線性相關性較弱。

2.3 SEM和FTIR測試

圖5 不同運行年限絕緣子試樣的ln ρv - 1TFig.5 ln ρv - 1 T for samples with different operating years from A and B manufacturers

對試樣進行SEM測試，以觀測絕緣子運行過程中發生的表面形貌變化。需要注意的是測試前將清洗了絕緣子表面以排除污穢等的影響。圖6所示為各試樣放大500倍的典型SEM結果。對比觀察各圖，可以發現A系列試樣表面布滿孔洞狀缺陷，且隨著運行年限的增加孔洞由絮狀變得更為致密，尤以試樣A4表面的孔洞面積最大；與A廠相比，試樣B1表面差別不大，主要為孔洞，而其他三種試樣表面的缺陷形式以裂紋、裂縫為主，甚至出現大片溝壑狀裂縫。

圖6 SEM測試結果Fig.6 SEM results of samples

同時，為了觀測試樣表面化學結構的異同，進行了ATR-FTIR測試。根據所得FTIR譜圖，采用吸收峰面積法對 A、B系列試樣的主鏈結構 Si-O-Si和側鏈結構Si-CH3進行了定量分析，結果如圖7所示。顯然，兩廠家的試樣經過多年運行后，其材料中的Si-O-Si和Si-CH3含量均有不同程度的降低。相對而言，Si-CH3結構變化幅度較大，而A4、B2、B3、B4試樣的減少幅度明顯大于其他試樣。

圖7 兩廠家試樣上表面的FTIR吸收峰面積對比Fig.7 Comparison of absorption peak areas of FTIR spectrum for samples

2.4 結果分析

分析圖4的TSC譜圖及表2中的陷阱參數，可以發現總體上隨著投運時間的增加，兩廠家的試樣的陷阱電荷量呈增加趨勢且運行時長超過 10年的試樣更為顯著。根據圖6的SEM測試結果可知，運行過程中試樣表面出現了一系列新的界面態，A廠家試樣以孔洞狀缺陷為主，且隨著運行年限的增加孔洞由絮狀變得更為致密，B廠家的試樣表面則主要出現了裂紋、裂縫等缺陷形式。由 FTIR測試結果可知，復合絕緣子材料的主鏈結構逐漸被打斷產生許多可移動的短鏈結構。可見，復合絕緣子長期經受機電及環境應力的作用，其內部結構逐漸發生變化，出現了更多的物理缺陷和化學陷阱。這些缺陷在TSC加壓過程中勢必捕捉更多的電荷，表現在TSC曲線中即為電流峰峰值的增加。

另一方面，與其他高聚物類似，硅橡膠材料的lnρv- 1T之間通常滿足線性關系。A廠家運行若干年后的試樣，其lnρv- 1T曲線呈線性變化，說明 A廠家生產的復合絕緣子在運行多年后仍基本保持著高聚物的固有屬性。運行 15年之后的試樣 A4其lnρv- 1T線性相關度則較低。對于B廠家的復合絕緣子，運行10年后其試樣的lnρv- 1T未顯現任何規律，可見其高分子結構已大部分受到破壞。從SEM及FTIR分析圖可以清楚地看到，試樣A4表面的結構缺陷形式有別于A廠其他試樣，而B廠絕緣子從B2開始，其表面逐漸出現明顯長而深的裂縫且對應的 Si-CH3結構隨著運行年限的增加呈現較大的變化。試樣 B2的微觀形貌和化學結構均較 B3變化明顯，這就解釋了為什么B2的陷阱電荷量相對變化率比B3大且其對應的lnρv- 1T線性相關度也低。

2.5 討論

高聚物材料的微觀聚集態結構和化學結構是影響材料性能的重要因素。其中，自由體積作為高聚物的一種重要的本征結構缺陷，是指高聚物材料中分子鏈段間無規分布的孔穴，這些孔穴為分子鏈運動提供了必要的空間，與高聚物的力學性能、電學性能等密切相關[19]。

復合絕緣子外絕緣基材為HTV硅橡膠，其分子主鏈由硅氧鍵構成，側鏈是甲基與硅原子相連。在紫外光、污濕及放電等因素作用下，其晶態結構可能遭到破壞，增大了自由體積，形成更多結構缺陷。而主鏈硅氧鍵是極性鍵，易受到其他極性化學物質攻擊而斷裂，在高能粒子作用下也可能斷裂，之后還將引發硅氧鏈的逐漸斷裂形成短鏈，產生更多化學陷阱且這些斷鏈結構也為分子鏈運動提供了一定空間[20-23]。另外，硅橡膠的硅碳鍵或碳氫鍵可能斷裂形成自由基。硅橡膠老化后這些新結構和新基團的引入是材料內部產生更多陷阱的主要原因。同時，lnρv- 1T中隨著溫度的升高，當材料的自由體積與某種結構單元體積大小相當時，該單元便有了自由運動的機會，使得離子遷移率增加，進而降低了體積電阻率[14]。而在某一溫度區域內，材料中用于某種結構單元自由運動的自由體積越大，則可移動粒子越易運動，宏觀上可能使材料的lnρv- 1T發展趨勢發生改變。

由此可見，硅橡膠材料的陷阱特性與lnρv- 1T特性均能夠從一定程度上反映材料內部的物理或化學結構變化情況。對于高聚物，某種因素致使材料內的陷阱增加時，通常伴隨著材料自由體積的增大，進而影響所測得的lnρv- 1T曲線發展趨勢。當lnρv不再隨著溫度的升高而降低或lnρv- 1T曲線線性相關度明顯下降時，說明材料不再具備高聚物的固有屬性，也即意味著材料壽命的終結。

基于此，通過測試復合絕緣子材料的陷阱電荷量，結合對應的lnρv- 1T特性，可對現場復合絕緣子的嚴重老化程度進行界定。就本文所選取的兩廠家復合絕緣子而言，對比表2和圖5可以發現，兩廠家新絕緣子的陷阱電荷量及lnρv- 1T曲線線性相關度有所差別，故在進行老化狀態評估時應區別對待。A廠家運行 15年的試樣 A4，其lnρv- 1T線性相關性較差，可將對應的陷阱電荷量相對變化率2.20作為A廠絕緣子老化嚴重的閾值；B廠運行10年后的試樣B2，其lnρv- 1T曲線線性相關度已呈嚴重下降，故將對應的陷阱電荷量相對變化率 2.35設定為其老化嚴重的標準。運行 19年之久的試樣B4的陷阱電荷量相對變化率（4.41）超過了該閾值，而運行15年的絕緣子B3對應的陷阱電荷量相對變化率卻位于閾值之下。該結果與對應試樣的微觀結構變化一致。可見，復合絕緣子的老化只有達到一定程度時才會引起陷阱電荷量的顯著改變，且其老化程度并非簡單地隨著運行年限的增加而加劇。

3 結論

（1）復合絕緣子運行過程中可能引發其陷阱特性的變化，隨著運行年限的增加，兩廠家復合絕緣子的陷阱特性變化（陷阱電荷量相對變化率）總體上與對應的lnρv- 1T特性變化（線性相關度）具有負相關性。

（2）復合絕緣子的老化只有達到一定程度時才會引起陷阱電荷量的顯著改變，且其老化程度并非簡單地隨著運行年限的增加而加劇。

（3）復合絕緣子的陷阱特性與其微觀結構的變化存在一定聯系，老化引起的材料結構變化及化學基團的產生是造成更多陷阱電荷量的主要原因。

（4）根據陷阱特性，結合對應的lnρv- 1T變化，可對現場復合絕緣子的嚴重老化進行界定：A廠運行15年的絕緣子，其lnρv- 1T線性相關性較差，對應的陷阱電荷量相對變化率2.20可作為A廠絕緣子老化嚴重的閾值，B廠閾值為2.35。

需要注意的是，文中提出了現場復合絕緣子嚴重老化時的陷阱特性閾值，由于不同廠家在材料配方和制造工藝上存在一定差別，制定該閾值時需予以區分。另外，如何界定老化進程中各老化狀態的陷阱閾值是今后進一步深入研究的內容。

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