特高壓輸電用復合絕緣子HTV硅橡膠的耐候性能變化研究*

范銀婷，吳舜娟，林利宏，馮志新，李蓬烈，陳俊楓

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東 廣州 510665）

我國從20世紀80年代開始研發復合絕緣子，直至1985年由高溫硫化硅橡膠作為主要材料的復合絕緣子首次掛網運行。HTV硅橡膠具有優異的憎水性、穩定的力學性能、高絕緣性能等優點[1-4]，經過大量實踐證明，在電力系統外絕緣中使用HTV硅橡膠材料，可以有效減少污閃問題，確保電網安全穩定運行，因此高溫硫化硅橡膠復合絕緣子逐漸取代了玻璃和陶瓷類絕緣子。近年來，隨著我國“西電東送”計劃及特高壓輸電工程的大力開展，高溫硫化硅橡膠復合絕緣子在特高壓電網應用越來越廣泛[5]。但隨著運行年限增加，硅橡膠復合絕緣子在紫外線輻射、污穢、沿海多霧、潮濕等自然環境因素影響下容易出現表面開裂、憎水性能下降、硬化以及起痕等老化現象，對特高壓輸電線路的安全穩定運行有著不可忽視的威脅[6]。因此，對影響復合絕緣子老化的因素進行分析，預知其運行環境對輸電線路的安全運行至關重要。

本文分析了復合絕緣子傘裙護套材料高溫硫化硅橡膠在特高壓線路中的應用環境和老化過程，選擇熒光紫外、鹽霧以及濕熱三種老化類型，模擬惡劣自然環境下的老化過程，采用拉伸性能測試、介電常數測試以及FITR紅外光譜測試等手段評估硅橡膠絕緣子老化程度。

1 材料與方法

1.1 試樣準備

為了考察運行環境對特高壓(Ultra high voltage ,UHV)用復合絕緣子用HTV硅橡膠的老化特性的影響，對市面上大量復合絕緣子進行了遴選，選取了一款用于800kV特高壓用絕緣傘裙護套的產品質量頗受好評的HTV硅橡膠材料作為研究對象。

1.2 人工加速老化試驗

紫外光氧老化試驗選用美國Q-lab公司生產的熒光紫外老化箱，依據GB/T 16422.3-2014 《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第3部分熒光紫外燈》規定執行，采用方法C：2型（UVB-313）燈，試驗時間為3000h，每1000h取樣一次。

鹽霧老化試驗按照GB/T 2423.17-2008《電工電子產品環境試驗 第二部分試驗方法 試驗Ka：鹽霧》。選用美國Q-lab公司生產的Q-FOG CCT-1100鹽霧試驗箱進行鹽霧老化2000h，每1000h取樣一次。

濕熱老化試驗方法參照GB/T 15905-1995《硫化橡膠濕熱老化試驗方法》。選擇70℃×85%RH、80℃×85% RH、90℃×85%RH三個試驗點老化1000h。

1.3 測試項目及儀器

選用島津國際貿易（上海）有限公司的AG-IC 20KN型電子拉力機，依據GB/T 528-2009，拉伸速度為500mm/min，夾具間距離80mm，標距25mm，在(23±2)℃和(50±10)%RH的標準環境下進行拉伸性能試驗。依據GB/T 529-2008，撕裂速度為500mm/min，夾具間距離為50mm，在(23±2)℃和(50±10)%RH的標準環境下進行撕裂性能試驗。

選用日置電機株式會社的SM7110高阻計，每組取三個試樣，尺寸均為100mm×100mm×2mm，依據GB/T 1692-2008，施加電壓為500V，對試樣進行體積電阻率測量。選用上海愛義電子設備有限公司的高頻Q表，依據GB/T 1409-2006，測量試樣在1MHz下相對介電常數和介質損耗因數。

采用布魯克光譜儀器公司的TENSOR27紅外光譜儀，采取表面反射法，對試樣的微觀結構進行分析，此方法不需對樣品進行任何處理，可以有效地判斷材料的化學結構的變化程度，為硅橡膠材料老化程度提供依據。

2 結果與討論

針對未老化、紫外老化1000h、2000h、3000h和鹽霧老化1000h、2000h，以及不同濕熱條件老化1000h的HTV硅橡膠樣品的力學性能、電氣性能以及FTIR紅外光譜的結果進行分析，研究HTV硅橡膠在不同老化條件和不同老化時間下性能變化規律。

2.1 力學性能

與原始樣品對比，經過熒光紫外老化、鹽霧老化和濕熱老化后的試樣力學性能均有一定程度下降。

從表1～表3拉伸強度的結果可以看出，人工加速老化1000h后，紫外老化樣品的拉伸強度略微下降，鹽霧樣品和80℃×85%RH條件下的濕熱樣品的拉伸強度有較明顯下降。人工加速老化2000h后，紫外老化樣品強度持續略微下降，而鹽霧樣品強度下降明顯。當熒光紫外老化3000h后，下降程度不足鹽霧老化2000h。說明鹽霧老化對樣品拉伸強度影響最大。

從表1～表3撕裂強度的結果可以看出，人工加速老化1000h后，紫外老化樣品和濕熱樣品的撕裂強度略微下降，而鹽霧樣品撕裂強度下降較明顯，人工加速老化2000h后紫外老化樣品的撕裂強度下降明顯，鹽霧樣品撕裂強度略微下降，說明在短時間內，鹽霧老化對樣品的撕裂強度影響稍大，但在長時間老化下，熒光紫外老化對樣品的撕裂強度影響較大。

表1 熒光紫外老化前后特高壓用HTV硅橡膠試樣的力學性能Table 1 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

從表3可以看出，在三種濕熱條件（濕度相同，溫度不同）中，溫度越高，力學性能反而有所增大，可以推斷是90℃下硅橡膠發生二次硫化，力學性能因二次硫化而增高。

表2 鹽霧老化前后特高壓用HTV硅橡膠試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after salt-spray fog aging

表3 濕熱老化(1000h)前后特高壓用HTV硅橡膠試樣的力學性能Table 3 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

2.2 電氣絕緣性能

體積電阻率常用來表征材料的電氣絕緣性質，材料的體積電阻率越高，其作為電絕緣部件的效能通常就越好[7]。復合絕緣子HTV硅橡膠老化后相對介電常數的增大會導致電場畸變，從而引發電暈和局部放電， GB/T 18890.3-2002中提到了對硅橡膠相對介電常數要求介于2.5～3.5。介電損耗增大不僅會消耗過多電能，還會造成材料異常發熱，這兩者都會加速復合絕緣子的老化，甚至引發斷串等嚴重事故[8]。因此，對復合絕緣子HTV硅橡膠材料進行體積電阻率和介電性能的分析十分有必要性。

由表4結果可以看出，與新品對比，熒光紫外老化1000h、2000h，體積電阻率下降，樣品的絕緣性下降，分子鏈斷裂后樣品極性略減小，相對介電常數略微減小。熒光紫外3000h后，分子鏈間發生交聯反應，體積電阻率增大，相對介電常數增大。介質損耗因數在紫外老化3000h后仍無明顯變化。

表4 熒光紫外老化前后特高壓用HTV硅橡膠試樣的電氣絕緣性能Table 4 Insulation properties of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

由表5結果可以看出，鹽霧老化1000h后，體積電阻率有明顯下降，說明電氣絕緣性能明顯下降，相對介電常數增大，可見試樣老化劣化，分子鏈發生斷裂，在電場作用下容易被極化，從而使得相對介電常數增大。鹽霧老化2000h后，體積電阻率和相對介電常數與鹽霧1000h的結果接近，而由于分子鏈斷裂，極化產生的損耗隨著試樣老化程度加深而逐漸增大，因此介質損耗因數明顯增大。

由表6看出，HTV硅橡膠在70℃×85%RH的濕熱條件下老化1000h后體積電阻率發生明顯下降，說明在70℃×85%RH的濕熱老化后，HTV硅橡膠絕緣性下降。在80℃×85%RH，90℃×85%RH濕熱條件下老化1000h后，體積電阻率恢復至原始值，可以推斷在80℃和90℃下由于硅橡膠的二次硫化，絕緣性能有所改善。而相對介電常數和介質損耗因數在以上幾種濕熱環境下與原始樣品對比保持率良好。

表6 濕熱老化（1000h）前后特高壓用HTV硅橡膠試樣的電氣絕緣性能Table 6 Insulation properties of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

2.3 FTIR表征結果及分析

依據峰高以及峰面積的變化，能夠反映分子鏈斷裂情況。Si-O-Si基團對應的特征峰變化情況反映了主鏈的斷裂情況，Si-CH3、Si(CH3)2、C-H基團對應的吸收峰減小程度反映了側鏈的斷裂程度。FTIR分析結果如圖1所示

圖1 不同條件下老化1000h前后特高壓用HTV硅橡膠FTIR全譜和特征峰譜圖Fig.1 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after aging for 1000h under different conditions

對未老化、紫外老化1000h、濕熱老化1000h以及鹽霧老化1000h的HTV硅橡膠樣品進行紅外光譜分析得到圖1(a)全譜圖，與主鏈相關的Si-O-Si峰面積和峰值減小，表明HTV硅橡膠的主鏈發生斷裂，可能使得力學性能下降。由圖1(b)可以看出，不同條件老化后與主鏈相關的Si-O-Si峰面積和峰值依次減小的為熒光紫外老化、濕熱老化、鹽霧老化，說明鹽霧老化后HTV硅橡膠力學性能下降最明顯，其次是濕熱老化。與側鏈相關的Si-CH3、Si(CH3)2相關的特征峰面積和峰值減小表明Si-C結合鍵斷裂，Si-C鍵斷裂會造成憎水性下降，使體積電阻率降低。從圖1(c)、(d)可以看出，鹽霧老化1000h后樣品表面與Si-CH3、Si(CH3)2相關的特征峰面積和峰值下降程度最大，因此鹽霧老化1000h后HTV硅橡膠的體積電阻率下降最明顯。

對未老化、熒光紫外老化1000h、2000h以及3000h的HTV硅橡膠樣品進行紅外光譜分析得到圖2(a)全譜圖，從整體上看，老化后特征峰面積和峰值均有一定程度下降。由圖2(b)可以看出，隨著輻照時間延長，Si-O-Si峰面積和峰值先減小后增大。分析可知，熒光紫外老化1000h、2000h后Si-O-Si峰面積和峰值略微減小的原因是除了紫外輻射光中存在極少量波長小于290nm的光子，使得Si-O鍵斷裂，另外紫外輻照使主鏈兩側對稱分布的非極性甲基基團(-CH3)2從硅氧主鏈上脫落，使得Si-O-Si峰強度略微減弱。而相對介電常數受主鏈影響，所以相對介電常數無明顯變化。熒光紫外老化3000h后，Si-O-Si峰面積和峰值增大，這是由于主鏈之間發生進一步的交聯反應，使得Si-O鍵相對含量增加。部分甲基基團的脫落和主鏈之間的交聯均導致HTV硅橡膠表面極性增強，在電場下容易極化，因此相對介電常數增大。由圖2(c)、(d)可知，Si-CH3和Si(CH3)2反射峰強度的變化規律與Si-O-Si峰強度變化規律相同，呈現出先減弱后增強的趨勢，Si-O-Si峰面積和峰值減小的原因是紫外輻射光中的290～400 nm紫外線光子能量為413～299 kJ/mol，足以切斷硅橡膠中部分Si-C和C-H鍵，Si-C結合鍵斷裂，生成新的自由基。Si-C鍵與HTV憎水性密切相關，Si-C斷裂，會造成憎水性下降。而憎水性下降會使HTV硅橡膠容易吸收空氣中的水分，水的微弱電離會使載流子濃度增加，使體積電阻率下降。因此在熒光紫外老化1000h、2000h后，體積電阻率下降，而熒光紫外老化3000h后，主鏈間發生進一步的交聯反應，導致Si(CH3)2、Si-CH3含量略微增加，體積電阻率增大。熒光紫外老化后主鏈和側鏈一定程度斷裂和交聯導致了力學性能呈現出一定程度下降。

圖2 熒光紫外老化前后特高壓用HTV硅橡膠FTIR全譜和特征峰譜圖Fig.2 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

對未老化、鹽霧1000h以及2000h的HTV硅橡膠樣品進行紅外光譜分析得到圖3(a)全譜圖，與新品對比，鹽霧老化后樣品主鏈和側鏈峰面積和峰值下降明顯，但鹽霧老化1000h后樣品和鹽霧老化2000h后樣品主鏈和側鏈峰面積和峰值變化較小。由圖3(b)可以看出，鹽霧老化1000h后主鏈Si-O鍵含量有明顯下降，HTV力學性能有明顯下降，而鹽霧2000h后主鏈Si-O含量持續下降，因此力學性能也略有下降。由圖3(c)、(d)可以看出，鹽霧1000h后側鏈Si-C含量明顯下降，鹽霧2000h側鏈Si-C含量與鹽霧1000h時接近，側鏈Si-C鍵斷裂，則導致憎水性下降，HTV硅橡膠容易吸收鹽霧中的水分和離子，由于離子的導電性，其體積電阻率下降，電氣絕緣性能下降。

圖3 鹽霧老化前后特高壓用HTV硅橡膠FTIR全譜和特征峰譜圖Fig.3 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after salt-spray fog

對于未老化和70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃ ×85%RH三種濕熱條件下老化1000h的HTV硅橡膠樣品進行紅外光譜分析得到圖4(a)全譜圖，從圖4(a)來看，濕熱老化對樣品的結構變化有一定影響。從圖4(b)來看，三種濕熱條件老化后Si-O-Si峰面積和峰值下降程度相近，因此力學性能下降程度接近。從圖4(c)、(d)可以看出，Si-CH3和Si-(CH3)2裂解程度與溫度呈正相關，溫度越高，Si-C鍵斷裂程度越大。其中在90℃×85%RH的濕熱條件下，樣品處于高濕高溫環境中，Si-C鍵斷裂程度最大，濕度和氧氣的作用能使硅橡膠中的側基發生氧化和交聯反應，導致HTV硅橡膠表面極性增強，在電場下容易極化。

圖4 不同濕熱條件老化（1000h）前后特高壓用HTV硅橡膠FTIR全譜和特征峰譜圖Fig.4 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

3 結論

采用熒光紫外老化、鹽霧老化和濕熱老化三種老化方式模擬特高壓用HTV硅橡膠在惡劣環境下的老化情況，并對老化前后的樣品進行力學性能和電氣性能分析，同時使用傅里葉紅外光譜對老化前后樣品的微觀結構進行分析。得出以下結論：

（1）采用UV-B紫外線對HTV樣品進行3000h的輻照過程中，輻照1000h后，力學性能和電氣性能無明顯變化，輻照2000h后，力學性能和電氣性能出現較明顯下降，輻照3000h后，力學性能持續略微下降，而電氣性能則有所回升。這是由于HTV樣品在紫外線輻照下發生光降解，使硅橡膠分子鏈斷裂和交聯，引發一系列反應過程，從而影響樣品的各項性能。

（2）采用鹽霧對HTV樣品進行2000h的腐蝕試驗，鹽霧1000h后，力學性能和電氣性能均有大幅下降，腐蝕2000h后，力學性能持續略微下降，電氣性能與1000h的結果保持一致。

（3）采用70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃× 85%RH三種濕熱條件對HTV樣品進行老化1000h，在以上三種濕熱條件中，濕度相同，溫度越高，力學性能和電氣性能保持率反而更高，這是由于力學性能因硅橡膠二次硫化而增大。從化學結構上看，Si-O-Si峰面積和峰值下降程度相近，Si-CH3和Si-(CH3)2裂解程度與溫度呈正相關，溫度越高，Si-C鍵斷裂程度越大。

（4）通過三種不同老化方式老化1000h后的結果來看，熒光紫外老化后樣品在短時間紫外輻照下力學性能和電氣性能變化最小，與主鏈和側鏈相關的化學鍵斷裂程度最小。其中鹽霧老化后樣品的力學性能和電氣性能下降程度最大，鹽霧老化后樣品中與Si-O-Si、Si-CH3以及Si-(CH3)2相關的特征峰面積減少程度最大，這也表明了鹽霧老化使HTV樣品化學鍵斷裂情況最嚴重，說明在鹽霧環境下，特高壓HTV硅橡膠容易老化。