真菌對硅橡膠絕緣子電氣性能影響的研究

陳 杰，安之煥，唐占元，盧志超，高 健，韋克強，馮 娜，楊世芳

（1.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海 西寧 810000；2.華北電力大學 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071000）

0 引言

目前復(fù)合絕緣子是電力系統(tǒng)中使用最多的絕緣子。環(huán)境污染會導(dǎo)致空氣中的有害物質(zhì)大幅增加，使得戶外絕緣設(shè)備發(fā)生污閃的可能性增大，從而對電網(wǎng)的可靠運行造成極大的威脅[1-2]。生物污染在熱帶及亞熱帶地區(qū)比較常見，在這些地區(qū)的絕緣設(shè)備表面會不同程度地出現(xiàn)微生物附著，并形成親水性的生物膜，導(dǎo)致較厚的生物積污，難以徹底清除[3-4]。H C FLEMMING[5]研究表明形成的生物膜通常由細菌、真菌、原生動物和藻類的混合種群共存。S WALLSTROM等[6]對表面存在生物膜的硅橡膠絕緣子進行了檢測，發(fā)現(xiàn)所有被測絕緣體上的生物都是由單細胞綠藻、細菌和絲狀真菌組成。當污層被水分潤濕時，絕緣子表面的電場分布發(fā)生改變，出現(xiàn)導(dǎo)電層，隨后在強電場作用下發(fā)生絕緣子閃絡(luò)。此時硅橡膠絕緣子的絕緣性能會發(fā)生很大改變。H E ROJAS等[7]研究發(fā)現(xiàn)，被真菌生物污染后，陶瓷和聚合物絕緣體的閃絡(luò)電壓分別降低了約21%和8%。R S GORUR等[8]針對佛羅里達州熱帶環(huán)境內(nèi)陸研究發(fā)現(xiàn)，與沒有明顯霉菌生長的其他硅橡膠絕緣子相比，具有明顯霉菌生長的硅橡膠絕緣子的表面電阻和污染耐受能力顯著降低。

此外，生物膜還會引起pH值、氧化還原電位、氧和鹽濃度的梯度，以及影響與表面腐蝕相關(guān)的參數(shù)[5]。真菌分泌大量胞外酶的能力[9]以及易在表面定植的能力，都會促使材料快速降解，因此真菌在生物抗性測試中尤為重要[10]。硅橡膠材料柔軟而有彈性，真菌菌絲更容易滲透到聚合物材料中，會在表面附近形成多孔結(jié)構(gòu)[4]，從而使絕緣材料產(chǎn)生裂縫和孔隙，這導(dǎo)致材料的機械穩(wěn)定性降低，并為水分進入絕緣材料提供了通道[11]。

絕緣子上生物膜的存在可能會影響硅橡膠絕緣子材料的功能和特性[12]。

S KUMAGAI[13]提到霉菌生長時絕緣子幾乎沒有疏水性。M N DINESH等[14]認為在鹽霧條件下，有、無生物污染的絕緣子性能基本相同。R S GORUR等[12]研究得出大氣中的鹽分不利于霉菌生長的結(jié)論。以上結(jié)論的差異可能是因為鹽分濃度不同導(dǎo)致霉菌生長密度的不同，進而引起對硅橡膠絕緣子的影響程度不同。XIA G等[15]認為與地衣生長相比，絕緣子表面的霉菌生長對安全操作具有更大的危害。在雨天或薄霧條件下，具有較大霉菌生長的復(fù)合絕緣子在運行時非常危險。WANG J等[3]也研究發(fā)現(xiàn)，如果大部分絕緣子被生物膜覆蓋，特別是在生物膜沒有隔離成較小區(qū)域的情況下，硅橡膠絕緣子的運行狀態(tài)將受到很大影響。

硅橡膠產(chǎn)品中的各種添加劑可以作為定植微生物的初始營養(yǎng)素，使微生物得以在硅橡膠表面形成穩(wěn)定的生物膜，進而導(dǎo)致硅橡膠的憎水性、絕緣性能急劇下降。相應(yīng)地電氣設(shè)備的絕緣性能和使用壽命也會受到不同程度的影響。

真菌的生長會導(dǎo)致絕緣子的憎水性急劇下降，其絕緣性能也會受到影響，但影響程度目前暫無統(tǒng)一定論。到目前為止，大部分文獻的研究對象仍為硅橡膠絕緣子表面綠藻、青苔的生長及地衣和真菌的混合生長，針對真菌本身對硅橡膠絕緣子影響情況研究相對較少。而真菌污染在戶外運行的絕緣子生物污染中占據(jù)不小的比重。目前尚無真菌污染引發(fā)硅橡膠絕緣子跳閘的故障，這是因為絕緣子表面產(chǎn)生大面積真菌附著現(xiàn)象后，運檢人員會及時清除或者更換該絕緣子，所以目前覆菌硅橡膠絕緣子運行年限有限，菌類尚不能對其穩(wěn)定運行造成威脅。但有必要對真菌長時間、大面積附著的硅橡膠絕緣子的電氣性能進行研究，用以判斷真菌對硅橡膠絕緣性能的影響以及制定防治策略。

本文將在實驗室條件下培養(yǎng)的真菌移植到絕緣子表面，然后對受污染的絕緣子進行靜態(tài)接觸角、鹽密和灰密及污閃電壓的測量，從而分析真菌對于硅橡膠絕緣子憎水性的抑制情況及對污閃電壓的影響。

1 微生物污穢特性及樣品制備

1.1 微生物混合污穢的生長及分布特性

XIA G等[15]認為在相同的環(huán)境條件下，絕緣子的表面會同時出現(xiàn)地衣和霉菌，地衣主要集中在上表面，而霉菌則主要集中在下表面。A F LEON等[16]提到這種霉菌是一種真菌，其在絕緣子表面會產(chǎn)生菌落。菌類一般趨向于生長在熱帶和亞熱帶的森林山地區(qū)域或沿海高鹽密污穢地區(qū)，沿海的高鹽密為真菌生命體提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)。同時，真菌膜層的胞外多聚物可溶解鹽分、吸引灰分，進一步提高污穢地區(qū)的鹽灰密[17-20]。

1.2 試驗材料的制備

1.2.1 真菌懸浮液的制備

白腐真菌是已知的最具有攻擊性的降解真菌之一，為絕緣子主要污染菌種。在之前的研究中發(fā)現(xiàn)白腐真菌為優(yōu)勢種群，因此，本研究選擇白腐真菌黃孢原毛平革菌（phanerochaetc chrysosporium）為試驗菌種，菌種在顯微鏡下的形貌如圖1所示。

圖1 顯微鏡下的白腐真菌Fig.1 White-rot fungus under microscope

菌株采用沙氏葡萄糖液體培養(yǎng)基培養(yǎng)，培養(yǎng)基使用胰酪胨5.0 g，蛋白胨5.0 g，葡萄糖20.0 g混合調(diào)制而成，溫度為25℃，最終pH維持在5.6±0.2。

取30.0 g培養(yǎng)基粉末溶解于1 L純水中，在醫(yī)用立式蒸汽滅菌器中用蒸餾水蒸氣進行高溫高壓滅菌，于115℃條件下滅菌20 min并冷卻至室溫。真菌凍存管開啟前，先用75%酒精棉擦拭凍存管表面進行消毒，防止其他微生物的污染。用滅菌接種環(huán)將白腐真菌接種至液體培養(yǎng)基中。整個操作過程在無菌操作臺中通風進行。此后，培養(yǎng)液在溫度為（25±1）℃、濕度≥80%及24 h光照的人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10天。

采用抽濾的方式將真菌培養(yǎng)液中的真菌與液體培養(yǎng)基進行分離。在進行抽濾之前，用力震蕩燒瓶使分散菌絲體將真菌從孢子中釋放出來。然后用纖維濾紙過濾菌絲，將抽濾后得到的物質(zhì)溶解在滅菌純水中。

1.2.2 硅橡膠樣品的制備

將10 mL液體室溫硫化硅橡膠（RTV）均勻地倒在90 mm×15 mm的細菌培養(yǎng)皿中，待樣品凝固后用無水乙醇對樣品進行清洗備用。

本試驗采用定性分析的方式探究真菌濃度對硅橡膠絕緣子電氣性能的影響。在5個相同的無菌燒杯中分別加入N、4N/5、3N/5、2N/5、N/5 mL的真菌懸浮液，然后每個燒杯均用無菌純水稀釋到20 mL，從而實現(xiàn)N、4N/5、3N/5、2N/5、N/5五個不同的真菌懸浮液濃度等級，其中N是細胞濃度，取值為106個/mL。再將稀釋后得到的20 mL溶液分別倒入5個硅橡膠樣品表面（此時真菌懸浮液恰好完全浸沒硅橡膠樣品），從而形成5組不同真菌濃度接種的硅橡膠樣品。將硅橡膠樣品在實驗室條件下自然干燥24 h。

2 真菌在硅橡膠表面污穢特性的研究

2.1 靜態(tài)接觸角

憎水性通過測量靜態(tài)接觸角進行分析，測量時采用微量進水器把少量的去離子水（如2 μL）滴在硅橡膠表面，滴3次液滴，當液滴穩(wěn)定在表面上并且三相邊界不移動，此時液滴切面和固體平面的夾角就是靜態(tài)接觸角，如圖2中的θ1和θ2。

圖2 靜態(tài)接觸角Fig.2 Static contact angle

分別對真菌濃度為N、4N/5、3N/5、2N/5、N/5的真菌懸浮液接種的硅橡膠樣品試片進行測量，編號依次為1、2、3、4、5，另設(shè)一組對照組，編號為0。

每個硅橡膠樣品試片分別在不同方位隨機選取5個點測量接觸角，并取5次測量結(jié)果的平均值作為該濃度下的靜態(tài)接觸角。將3次重復(fù)試驗的平均值作為最終該濃度下的靜態(tài)接觸角。

接種不同濃度真菌懸浮液的硅橡膠樣品表面靜態(tài)接觸角測量圖像如圖3所示。

圖3 靜態(tài)接觸角圖像Fig.3 Static contact angle images

從圖3可以看出，當接種的真菌懸浮液濃度為N/5時，雖有真菌覆蓋在硅橡膠樣品上，但濃度不高，接觸角沒有明顯的變化，水滴仍然呈現(xiàn)大圓，說明低濃度的真菌對硅橡膠樣品的憎水性影響不大；真菌懸浮液濃度為2N/5時，相對于對照組，水滴已經(jīng)有向周圍擴散的趨勢；當真菌懸浮液濃度為3N/5時，相較于前面幾組樣品，水滴擴散得相對明顯；當濃度繼續(xù)增大，沒有再呈現(xiàn)出明顯的水滴狀。

通過圖3可直觀地看到，隨著接種在硅橡膠樣品表面真菌懸浮液濃度的增大，受污染的硅橡膠樣品表面靜態(tài)接觸角不斷變小，從鈍角慢慢演變成銳角，水滴鋪開的范圍也越來越大。這表明了硅橡膠樣品表面憎水性會因真菌的存在而明顯下降，真菌濃度越大，靜態(tài)接觸角變小越明顯。

每個樣品從不同方位分別測取5個水滴的靜態(tài)接觸角，測試液滴為2 μL純水，該樣品的靜態(tài)接觸角為5次不同方位測量下測得的靜態(tài)接觸角的平均值。試驗重復(fù)3次。3組樣品多次靜態(tài)接觸角數(shù)值如表1～3所示。每組試驗中不同濃度下對應(yīng)樣品的靜態(tài)接觸角已經(jīng)為5次隨機采樣得到的平均值，由于試驗重復(fù)了3次，應(yīng)再取3次重復(fù)試驗的平均值作為該濃度下的靜態(tài)接觸角，如表4所示。

表1 第1組硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角Tab.1 Static contact angle of silicone rubber samples in group 1

表2 第2組硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角Tab.2 Static contact angle of silicone rubber samples in group 2

結(jié)合圖3和表4可以看出，接種真菌的硅橡膠樣品表面的靜態(tài)接觸角隨著真菌濃度的增大不斷減小，說明硅橡膠表面會隨著真菌濃度增大逐漸失去憎水性。標準硅橡膠絕緣子的靜態(tài)接觸角為（95±5）°，考慮到材料樣品中可能含有雜質(zhì)，樣品表面較為粗糙，使得對照樣品的靜態(tài)接觸角偏大。同時由于硅橡膠材料具有憎水遷移特性，在真菌懸浮液晾干后，硅橡膠的硅氧烷小分子可能會遷移到絕緣子表面。雖然真菌為親水性物質(zhì)，但在接種的真菌濃度較小時，可能會受到硅橡膠憎水遷移特性的影響使其靜態(tài)接觸角變化不大；隨著真菌濃度的增大，靜態(tài)接觸角的減小開始明顯。

表3 第3組硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角Tab.3 Static contact angle of silicone rubber samples in group 3

表4 硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角平均值Tab.4 Mean value of static contact angle of silicone rubber sample

將6組樣品每隔4 h測一次靜態(tài)接觸角，用來表征樣品的憎水遷移過程，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，對照組與樣品1、2都表現(xiàn)出良好的憎水遷移性。在24 h以內(nèi)6組試品的憎水遷移性都有一定的恢復(fù)，并在24 h后逐漸達到穩(wěn)態(tài)。樣品3、4最后無法恢復(fù)良好的憎水性，靜態(tài)接觸角小于90°時憎水性喪失。

圖4 硅橡膠樣品的憎水遷移性Fig.4 Hydrophobic migration of silicone rubber samples

2.2 鹽密和灰密

2.2.1 鹽密

鹽密全稱為等值附鹽密度（ESDD），指外絕緣設(shè)備上單位表面積的等值鹽密。測量方法：使用一定量的蒸餾水將硅橡膠表面的污穢全部洗掉，用哈希9531400-Proket Pro型電導(dǎo)率儀測量污穢溶液電導(dǎo)率，再通過公式換算轉(zhuǎn)化為等值鹽密。

在實驗室中模擬絕緣子的積污，可直接對真菌懸浮液進行電導(dǎo)率的測量。對不同濃度真菌懸浮液用電導(dǎo)率測試筆進行電導(dǎo)率的測量。并通過式（1）進行鹽密的換算。

式（1）中：D為電導(dǎo)率測量值，μS/cm；S為每片被測硅橡膠表面積，cm2；K為換算系數(shù)（若D≤800 μS/cm，K=0.910；若 800 μS/cm≤D≤3 000 μS/cm，K=0.925；若3 000 μS/cm≤D≤20 000 μS/cm，K=0.938）。

對5個不同濃度下的真菌懸浮液接種的硅橡膠進行鹽密的測量。硅橡膠均裁成直徑為90 mm的圓形試片，表面積為63.6 cm2。分別測量不同濃度真菌懸浮液的電導(dǎo)率，代入式（1）后得到不同真菌懸浮液濃度下硅橡膠的鹽密值，如表5所示。從表5可以看出，隨著真菌懸浮液濃度的增大，硅橡膠樣品表面的鹽密值逐漸升高。

表5 硅橡膠樣品的等值鹽密Tab.5 Equivalent salt density of silicone rubber samples

2.2.2 灰密

灰密全稱為非溶性沉積物密度（NSDD），是指外絕緣設(shè)備上單位表面積的等值灰密。

直接采用一定體積下不同濃度的真菌懸浮液進行處理，并通過式（2）進行灰密（NSDD）的換算。

式（2）中：Wf為干燥條件下含污穢的濾紙質(zhì)量，g；Ws為干燥條件下濾紙自身的質(zhì)量，g；S為硅橡膠的表面積，cm2。

對濾紙進行編號，一種濃度的真菌懸浮液使用一張濾紙。與鹽密測量同理，只用對不同濃度下的真菌懸浮液進行灰密的測量。真菌懸浮液體積與真菌數(shù)量有關(guān)，因此進行灰密測量時采用的不同濃度真菌懸浮液樣品體積需要嚴格保持一致。將濾紙分成5組，1～5組編號分別對應(yīng)真菌懸浮液濃度為N/5、2N/5、3N/5、4N/5、N。

首先稱量每組干燥濾紙的質(zhì)量，隨后采用真空泵對20 mL的不同濃度真菌懸浮液進行抽濾，之后將濾紙放進真空干燥箱，在100℃下干燥20 min。干燥結(jié)束后立即用分析天平稱出每張濾紙的質(zhì)量，稱重過程應(yīng)在30 s之內(nèi)完成，并按照編號做好記錄。不同真菌懸浮液濃度下硅橡膠樣品的灰密值如表6所示。

表6 硅橡膠樣品的等值灰密Tab.6 Equivalent grey density of silicone rubber samples

將上述所得到的等值灰密除以等值鹽密，結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，灰密約為鹽密的2.92倍，說明灰密對硅橡膠樣品的影響更大。

表7 灰密和鹽密的比值Tab.7 The specific value between NSDD and ESDD

由表5～6可知，隨著真菌懸浮液濃度的增大，硅橡膠樣品表面的鹽密和灰密也有所提高。在戶外運行情況下，受真菌污染的絕緣子由于表面不再光滑，很容易在絕緣子表面積污積水，這將更加容易引發(fā)真菌在其表面生長繁殖。當絕緣設(shè)備表面憎水性能下降時，常常伴隨著鹽密和灰密的提高，從而對絕緣子的電氣特性產(chǎn)生影響，進而危害電網(wǎng)安全。

3 污閃試驗

3.1 試驗

通常在加壓條件下，戶外絕緣子會自然積污。在當?shù)胤e污最重時期將絕緣子取下進行測量。對一部分樣品測量鹽密、灰密，另一部分樣品置于人工霧室受潮使積污樣品達到吸水飽和狀態(tài)，再以逐漸升壓法測量樣品的閃絡(luò)電壓。每組樣品閃絡(luò)3次，并取其最低閃絡(luò)電壓作為該樣品的污閃電壓值。

因為是在實驗室模擬絕緣子的積污，研究對象為被真菌污染的硅橡膠絕緣子，所以可將受潮的樣品直接做沿面閃絡(luò)試驗。

將硅橡膠絕緣子分成6組。第0組為對照試驗，硅橡膠樣品不進行處理。1～5組對應(yīng)接種的真菌懸浮液濃度分別為N/5、2N/5、3N/5、4N/5、N。污閃試驗中樣品與憎水性試驗中的樣品相對應(yīng)，其鹽密和灰密分別見表5～6。

對樣品采用逐漸升壓法進行試驗。由于試驗設(shè)備的限制，硅橡膠絕緣子的受潮在人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)進行。先使絕緣子表面充分受潮，將硅橡膠絕緣子樣品放置在溫度為（25±1）℃、濕度≥95%及24 h光照的人工氣候培養(yǎng)箱中5 h。試驗過程中絕緣子一端接地，一端接工頻高壓，其余部分懸空。因為絕緣子樣品為大小相同的圓形，所以可以認為爬電距離近似相同。啟動工頻高壓試驗控制臺，合閘后均勻升壓，初始電壓為0。在升壓的過程中，出現(xiàn)滋滋的電流聲時表明絕緣子即將達到閃絡(luò)電壓，在某次加壓后一瞬間絕緣子發(fā)出響聲，工頻高壓試驗控制臺自動分閘并發(fā)出警報聲，此時記下電壓值為閃絡(luò)電壓。

對每組絕緣子樣品重復(fù)閃絡(luò)試驗5次，同時記錄下每一次的閃絡(luò)電壓值見表8～10。每組樣品的5次閃絡(luò)試驗結(jié)束后，采用他們的平均值作為該濃度樣品試片的閃絡(luò)電壓。將3次重復(fù)試驗的平均值作為該濃度下的最終閃絡(luò)電壓值。

表8 第1組硅橡膠絕緣子樣品的沿面閃絡(luò)電壓值Tab.8 The surface flashover voltage of the silicone rubber insulator samples in group 1

每組試驗中不同濃度下對應(yīng)試品的閃絡(luò)電壓值為5次閃絡(luò)得到的平均值，試驗重復(fù)3次，對各次試驗的不同濃度下得到的平均值再取3次重復(fù)試驗的平均值，即為該濃度下最終的閃絡(luò)電壓值。硅橡膠絕緣子樣品的閃絡(luò)電壓平均值如表11所示。

3.2 結(jié)果分析

從表11可以看出，由于第1組接種的真菌濃度較小，沿面閃絡(luò)電壓下降幅度相對較小。但即使?jié)舛冗M一步增大，硅橡膠絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓下降也不明顯。總體來看，污閃電壓稍有下降，但數(shù)值變化不大。這可能是因為該試驗中的樣品鹽密較低（最高鹽密約為0.04 mg/cm2）、灰密也較低（最高灰密約為0.1 mg/cm2），導(dǎo)致真菌的污穢溶解作用有限。在這種較為清潔的環(huán)境中，真菌單獨作用于硅橡膠表面，對硅橡膠的閃絡(luò)電壓影響不大。

表9 第2組硅橡膠絕緣子樣品的沿面閃絡(luò)電壓值Tab.9 The surface flashover voltage of the silicone rubber insulator samples in group 2

表10 第3組硅橡膠絕緣子樣品的沿面閃絡(luò)電壓值Tab.10 The surface flashover voltage of the silicone rubber insulator samples in group 3

表11 硅橡膠絕緣子樣品的沿面閃絡(luò)電壓值Tab.11 Flashover voltage of silicone rubber insulator sample

4 結(jié)論

（1）真菌污染會使硅橡膠絕緣子表面的憎水性下降。隨著樣品表面接種的真菌濃度增大，硅橡膠絕緣子表面逐漸失去憎水性。

（2）隨著真菌懸浮液濃度的增大，硅橡膠絕緣子樣品表面的鹽密和灰密有所提高。灰密對硅橡膠絕緣子樣品的影響更大。

（3）在較為清潔的環(huán)境中，真菌單獨作用于硅橡膠表面，對其閃絡(luò)電壓影響不大。