霉菌染污狀態下硅橡膠復合絕緣子的沿面閃絡特性分析

陳天羽， 楊世芳， 劉云鵬， 李泳霖， 耿江海， 王 瑤， 賈志東， 夏云峰

（1.華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003；2.國網濟南供電公司，山東 濟南 250000；3.清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055；4.海南電網有限責任公司輸電運檢分公司，海南 海口 570203）

0 引 言

硅橡膠復合絕緣材料具有優異的憎水性和良好的耐污閃性能，其在高壓絕緣領域應用十分廣泛[1-5]。我國幅員遼闊，氣候環境復雜，其中廣東、四川、云南等地區屬亞熱帶季風氣候，高壓輸電線路經過溫濕及濕熱地區時，空氣中漂浮的大量菌類孢子在適宜天氣條件下會在硅橡膠絕緣子表面粘附、萌發，這種霉菌染污硅橡膠絕緣子的現象難以避免[6-7]。

霉菌附著對硅橡膠絕緣子的影響程度存在一定爭議，國內外學者[8-9]在四川雅安、四川廣安、云南昭通、美國佛羅里達州和德克薩斯州的內陸地區發現運行的絕緣子上有黑色生物的生長跡象，采集生物樣品，經鑒定有黑曲霉菌的存在。各國學者對霉菌染污硅橡膠進行了相關研究，如對美國沿海氣候佐治亞州[8]以及內陸氣候德克薩斯州與佛羅里達州[9]等地區的支柱絕緣子觀察到黑點形式的黑曲霉菌污染，推論出霉菌的生長取決于硅橡膠配方[8]。S M GUBANSKI 等[7]與A F LEóN 等[10]提出，由硅橡膠混合物制成的絕緣體可支持霉菌等微生物生長。XIA G L 等[11]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。OUYANG X G 等[12]和A F LEóN 等[13]研究發現，霉菌污染絕緣子后，陶瓷和聚合物絕緣子的閃絡電壓分別降低了約21%和8%。M N DINESH 等[14]認為霉菌的染污易形成生物膜，從而吸收空氣中的水分，形成親水性生物膜，進而在絕緣子表面出現導電層，容易引發硅橡膠絕緣子的閃絡，給電網安全穩定運行造成潛在的威脅。但R GORUR 等[15]指出霉菌覆著硅橡膠絕緣子的現象很普遍，數量不足以肉眼可見，對復合絕緣子電性能的影響相當小，且霉菌滲入材料表面的速度極慢，不太可能將材料分解。以上研究結論在霉菌對硅橡膠絕緣子影響程度上具有一定的差異性，目前學者對熱帶地區的低壓配電網復合絕緣子藻類附生現象研究較多，結果表明附生藻類的絕緣子濕閃電壓會降低10%～30%，且泄漏電流明顯增大，但對于霉菌附生絕緣子影響的研究較少，因此亟需展開霉菌染污復合絕緣子的沿面閃絡特性研究[16]。

溫濕環境是霉菌生長必不可少的條件，絕緣子傘裙下支柱連接處水分蒸發較慢，會在較長時間內處于濕潤狀態，故霉菌極易在硅橡膠絕緣子傘裙下遮光處以及芯棒附近大量繁殖，如圖1 所示。通過研究美國弗羅里達州、四川雅安市、云南昭通市3個存在霉菌染污現象地區的氣溫、濕度等環境因素，發現霉菌生長在熱帶、亞熱帶氣候居多，且更易生長于濕度差距較大的地區以及湖泊附近，在實際變電站中，發現絕緣子上霉菌生長不均勻，但由支柱向外生長。

圖1 霉菌污染絕緣子Fig.1 Mold contaminated insulator

本文選取上述3個地方生長的黑曲霉菌種作為實驗菌種，并將附著有黑曲霉菌的懸式絕緣子串作為研究對象，模擬不同鹽灰密等級，在霉菌染污狀態下，對懸式絕緣子串進行閃絡試驗，研究絕緣子串電氣性能的變化規律。為探究其影響機理，在實驗室條件下，通過靜態接觸角、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜分析（FTIR）測試，對受污染的硅橡膠復合絕緣材料進行憎水性、表面微觀形貌、化合物結構分析，研究霉菌污染對硅橡膠絕緣子的影響。

1 實 驗

1.1 主要原材料

懸式絕緣子若干，型號為FXBW4-10/100。

1.2 樣品的制備

稱取10 g黑曲霉菌倒入500 mL三角瓶容器中，加入100 mL 去離子水進行分散作為母液菌懸液。將母液菌懸液在100 mL三角瓶中進行稀釋，用移液槍吸取5.0 mL 母液菌懸液加入至45 mL 無菌水中充分混勻。用移液槍吸取1.0 mL 上述稀釋液并加入9 mL無菌水置于20 mL刻度試管中，按濃度比為1∶10 進行系列梯度稀釋，分別得到1∶1×101、1∶1×102、1∶1×103、1∶1×104不同稀釋度的菌懸液。取3 個連續且霉菌含量適宜的稀釋度，充分振蕩，用移液槍分別吸取0.1 mL 不同稀釋度的菌懸液，加入至預先制備好的固體培養基平板上，分別用一次性無菌塑料涂布棒將不同稀釋度的菌懸液均勻的涂于瓊脂表面，每一稀釋度重復3次，同時以無菌水做空白對照，將培養基平板置于30℃條件下培養48 h。通過鏡檢手段進行菌落計數確定黑曲霉菌的數量，由式（1）計算得到單位質量有效活菌數。

式（1）中：nm為單位質量有效活菌數（億/g）；kv1為稀釋倍數；m0為樣品質量（g）；v2為菌懸液加入量（mL）。

經過計算配置了5 組不同濃度霉菌溶液，濃度分別為105、106、107、108、109個/cm2，同時得到相應濃度等級菌液染污的硅橡膠復合絕緣子，并模擬4 種不同污穢等級進行染污。根據GB/T 26218.4—2010相關要求[17]，將無機污染物設置成4 個污穢等級的鹽密（ESDD）和灰密（NSDD），如表1 所示。為模擬現場實際情況，污染區域為除去上傘裙上表面以及下傘裙下表面的的全部區域，染污面積為486.3 cm2，染污區域如圖2所示。

表1 污穢等級的鹽灰密Tab.1 The equivalent salt deposit density(ESDD) and non-soluble deposit density(NSDD) of pollution level mg/cm2

圖2 絕緣子染污面積示意圖Fig.2 The diagram of insulator contamination area

2 結果與分析

2.1 污閃閃絡試驗

為分析霉菌對絕緣子電氣性能的影響，本文采用直線型污染帶進行閃絡特性測試。根據GB/T 4585—2004 相關要求[18]，首先使用去離子水清潔絕緣子串，晾干后進行染污。設置4 組不同等級的鹽灰密，在每個等級鹽灰密下設置5 組不同霉菌濃度染污的絕緣子串，涂刷污穢后在室內自然晾干，選用銅線將額定電壓為110 kV 的變壓器連接一端電極，另一端電極連接接地裝置后將其置于起霧裝置中，待起霧裝置起霧，硅橡膠絕緣子串表面達到飽和受潮的要求時進行后續試驗，實驗接線原理如圖3 所示。對每個樣品采用定量涂刷法進行染污，通過升壓法測試樣品，升壓速率為0.45 kV/s，環境溫度為25℃，先后閃絡5 次，閃絡前后間隔15 min，重新飽和潤濕，將5 次實驗的平均值作為最終閃絡電壓[19-20]。電弧沿污穢帶迅速發展，貫穿兩極，呈現出明亮的電弧放電通道，如圖4 所示。實驗設有對照組，在潔凈的狀態下，閃絡電壓可達到100.4 kV。

圖3 實驗接線原理圖Fig.3 Experimental wiring schematic diagram

圖4 污閃閃絡示意圖Fig.4 The schematic diagram of pollution flashover

在不同污穢等級下，霉菌染污濃度對閃絡電壓的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出，在同一污染等級下，隨著霉菌濃度的增加，閃絡電壓明顯降低，平均下降10%，相較于原始對照組，電壓下降率均為50%～75%。在不同污穢等級下，隨著鹽灰密的增加，電場畸變嚴重，閃絡電壓下降明顯，但當污穢等級達到IV 級時，閃絡電壓不再下降，IV 級污穢的閃絡電壓普遍高于或等于III級污穢的閃絡電壓，這是因為隨著污穢等級增加，普通污穢相較霉菌污穢與硅橡膠表面直接接觸的比例增加，從而降低了霉菌的影響程度。

圖5 不同污染等級的閃絡電壓Fig.5 The flashover voltage of different pollution levels

圖6為不同霉菌濃度下硅橡膠的閃絡電壓下降率。從圖6可以看出，在同一污穢等級下，隨著霉菌濃度的增加，硅橡膠復合絕緣材料的沿面閃絡電壓下降率不斷升高，當霉菌濃度達到107個/cm2時，閃絡電壓基本達到飽和。在排除無機污染的影響，只考慮霉菌附著的條件下，閃絡電壓最低可降至原始水平的76%。在同一霉菌濃度下，由于霉菌生長會破壞硅橡膠絕緣材料的表面結構，對其絕緣性能也有影響，導致絕緣材料表面結構呈現親水性，此時由于鹽灰密可吸收水分，鹽灰密對絕緣子閃絡的影響會更顯著，大幅降低了閃絡電壓，影響其絕緣性能，發生閃絡現象。為驗證霉菌染污后硅橡膠絕緣子串閃絡電壓下降的原因，進行了后續的研究。

圖6 霉菌染污下硅橡膠絕緣的閃絡電壓下降率Fig.6 The flashover voltage drop rate of silicone rubber insulation under mold contamination

2.2 憎水性及憎水遷移性

使用JC200D 型動靜態接觸角測量儀，利用靜態接觸角測量法對霉菌染污絕緣子的憎水性以及憎水遷移性進行研究。用蘸取無水酒精的棉棒將樣品擦拭干凈，防止霉菌或生物膜對結果造成影響。每次測量時滴5 μL 去離子水，取5 個不同方位點測量靜態接觸角，取平均值作為最終靜態接觸角測量結果。

標準硅橡膠復合絕緣材料的接觸角為（95±5）°。靜態接觸角測量結果如圖7(a)所示，可以看出無霉菌染污對照組的靜態接觸角為103.08°，說明該材料具有很強的憎水性。霉菌濃度為105個/cm2和106個/cm2的樣品靜態接觸角下降至80°以下，說明憎水性被破壞。霉菌濃度為107～109個/cm2的樣品靜態接觸角均下降到50°～40°，靜態接觸角隨霉菌濃度增加逐漸減小且變化越來越明顯，呈現較強的親水性。憎水性光學照片如圖7(b)所示，可以看出隨著隨霉菌濃度增加，接觸角逐漸變小，親水性表現愈發明顯。

圖7 靜態憎水角平均值與憎水性光學照片Fig.7 The mean value of static hydrophobic contact angle and hydrophobic optical photograph

為探究霉菌對絕緣子憎水恢復性的影響程度，將上述試片放入25℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中，每經過4 h 測試一次靜態接觸角，結果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著時間增加，試片的憎水性有不同程度的恢復，經過48 h 后，霉菌濃度為105個/cm2和106個/cm2的樣品靜態接觸角均恢復至（95±5）°且趨于飽和，其余樣品的靜態接觸角均未恢復到標準值，霉菌濃度為107～109個/cm2的樣品靜態接觸角較低，說明低濃度菌液會影響硅橡膠復合絕緣材料的憎水性，將霉菌去除后憎水性會恢復至接近正常狀態，但當霉菌到達一定濃度后，會導致硅橡膠復合絕緣材料的憎水性喪失，靜態接觸角降低至40°左右。

圖8 靜態接觸角恢復曲線Fig.8 Static contact angle recovery curves

2.3 微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測硅橡膠表面被霉菌腐蝕后的微觀形貌，檢測儀器為美國-FEINOVA 公司NANO 230 型場發射掃描電鏡，該電鏡加速電壓為1～30 kV，放大倍數為200～200 000，分辨率為1.0 nm（15 kV）。在使用掃描電鏡對樣品進行觀測前，需要進行噴金處理，隨后放入SEM 腔體進行微觀形貌測試，放大倍數分別為500、2 000、10 000、20 000。樣品尺寸約為5 mm×5 mm×2 mm，其中有兩個樣品用無水乙醇擦拭以保證表面潔凈，作為無霉菌附著樣品進行對比。

霉菌腐蝕后硅橡膠樣品形貌如圖9所示。從圖9(a)可以看出，菌絲橫生，菌絲上有若干孢子附著；將樣品經酒精擦拭后放大2 000倍，形貌如圖9(b)所示，從圖中可以看出表面呈絮狀形態，凹凸不平，不夠平整光滑，有明顯的裂縫和孔隙等表面結構劣化；將霉菌附著的硅橡膠區域放大至2 000 倍，形貌如圖9(c)所示，從圖中可以看出硅橡膠表面被菌絲纏繞以及孢子附著，表面存在裂縫；將霉菌附著樣品放大至10 000 倍，形貌如圖9(d)所示，從圖中可以看出硅橡膠表面劣化出現孔洞并且周圍有明顯的孢子附著；將去除霉菌樣品放大至20 000 倍，形貌如圖9(e)所示，從圖中可以看出去除霉菌菌絲后硅橡膠表面未看到孢子以及菌絲的存在，存在多個不規則的孔洞，孔徑為0.5～2.5 μm。

圖9 樣品掃描電鏡圖Fig.9 SEM images of samples

2.4 化學基團

為探究霉菌附著前后硅橡膠表面結構的變化特征，利用傅里葉紅外光譜儀進行測試，儀器為布魯克北京科技有限公司生產的原位紅外檢測儀，型號為INVENIOS。切取樣品長和寬都為3 mm 的小方塊進行測試，掃描范圍為400～4 000 cm-1，記錄各波段光譜的透射率。

硅橡膠復合絕緣材料的主要特征吸收峰如圖10所示。從圖10可以看出，波數從高到低依次可以觀察到硅橡膠的特征峰主要有硅醇羥基以及阻燃劑填料Al(OH)3中的O-H 吸收峰（波數為3 200～3 700 cm-1）、硅橡膠側鏈甲基Si-CH3中的C-H 不對稱吸收峰（波數為2 960 cm-1）、硅橡膠側鏈甲基Si-CH3中的C-H 對稱吸收峰（波數為1 260 cm-1）、硅橡膠主鏈Si-O-Si 中的Si-O 鍵吸收峰（波數為1 005 cm-1）、交聯基團Si(CH3)2中的Si-C 鍵吸收峰（波數為787 cm-1）。在硅橡膠的分子結構中，甲基基團-CH3是憎水的，賦予硅橡膠的憎水性能，而硅橡膠中的無機填料和硅結構，尤其是硅醇羥基-OH 是親水性的，甲基的降低會造成硅橡膠的憎水性下降[21-24]。

圖10 硅橡膠復合絕緣材料紅外光譜曲線Fig.10 FTIR curve of silicone rubber composite insulating material

為研究霉菌對硅橡膠絕緣材料破壞程度，將5種不同霉菌濃度樣品的紅外光譜與對照組進行對比，結果如圖11所示。

圖11 霉菌染污硅橡膠紅外光譜對比圖Fig.11 FTIR comparison of mold contaminated silicone rubber

從圖11(a)可以看出，相較于對照組，隨著霉菌濃度的增加，C-H 吸收峰的強度明顯減弱，說明樣品表面側鏈上的甲基數量減少，而甲基的數量與材料的憎水性密切相關。從圖11(b)可以看出，隨著霉菌濃度的增加，波數為2 360 cm-1的Si-H 特征峰強度有所增強。從圖11(c)可以看出，波數為1 260 cm-1、1 005 cm-1分別對應的C-H 對稱吸收峰和Si-O吸收峰與對照組相比均有所減弱，說明有機成分不論是長鏈含量還是交聯程度方面，其強度均有所下降。從圖11(d)可以看出，波數為787 cm-1的Si-C 吸收峰強度明顯減弱，有機基團的相對含量減少，但在波數為680 cm-1的C-H特征峰明顯增強。

硅橡膠分子鏈的主鏈是靜態的，與時間無關，對于相同的樣品表面，甲基-CH3與硅氧鍵Si-O 的比值反應了有機組分消失的數量，同時也反映了憎水性下降和霉菌破壞狀態。對于特征吸收，通常用峰強度（峰高）來表示組分中基團的數量。表2為有機基團與無機基團的峰高比值。從表2 可以看出，經過霉菌附著后樣品的無機基團與有機基團含量比值高于對照組，說明與憎水性相關的甲基基團下降程度高于無機基團的下降程度，佐證了上文霉菌附著導致憎水性下降的結論。

表2 有機基團與無機基團的峰高比值Tab.2 Peak height ratio of organic groups to inorganic groups

3 討 論

在濕潤地區，霉菌染污硅橡膠復合絕緣材料的現象十分普遍，甚至在不帶電的情況下也會發生霉菌附著現象。閃絡電壓試驗表明霉菌的附著會對硅橡膠復合絕緣材料的電氣性能產生負面影響，耐污閃性能大幅降低。分析認為，霉菌的生長導致硅橡膠復合絕緣材料表面產生孔徑為0.5～2.5 μm 的不規則孔洞，霉菌濃度的增大導致硅橡膠材料化學鍵發生變化。在菌絲與孢子的共同作用下，硅橡膠表面結構發生變化，致使其憎水性降低，靜態接觸角降低至40°左右。相較于對照組，霉菌的附著加速了硅橡膠復合絕緣材料的老化，對其絕緣性能產生了負面影響。當遇到潮濕天氣時，附著霉菌的硅橡膠表面可形成連續的水膜，暴露在室外環境中，水膜會吸附無機鹽離子，導致其電導率增大，電場強度分布不均勻，對硅橡膠復合絕緣材料的閃絡電壓產生影響，給電力系統的穩定運行造成威脅。

4 結 論

（1）霉菌生長需要溫暖濕潤的氣候條件，在此氣候條件下霉菌極易在硅橡膠絕緣子傘裙下遮光處以及芯棒附近大量繁殖。

（2）在同一霉菌濃度、不同污穢等級條件下，硅橡膠復合絕緣子串的沿面閃絡電壓下降率不斷升高，在霉菌濃度為107個/cm2時出現拐點，下降速度放緩。在同一霉菌濃度下，鹽灰密的影響更顯著，因為鹽灰密可吸收水分。在排除無機污染的影響，只考慮霉菌附著的條件，閃絡電壓最低可降低至原始水平的76%，霉菌染污狀態下硅橡膠復合絕緣子的沿面閃絡電壓呈下降趨勢，霉菌污穢與無機污穢存在一定的差別。

（3）在霉菌染污狀態下硅橡膠復合絕緣材料的憎水性能受到影響，霉菌濃度越大，對憎水性的影響越明顯，最終導致材料憎水性的喪失。這表明霉菌染污會影響硅橡膠絕緣材料的絕緣特性以及憎水性，進而影響沿面閃絡特性。

（4）通過掃描電鏡測試可觀察到硅橡膠表面形成多個孔徑為0.5～2.5 μm 的不規則孔洞，菌絲的生長行為使硅橡膠表面出現明顯的裂縫和孔洞，導致表面結構嚴重劣化。通過紅外光譜測試，發現硅橡膠表面有機基團相對含量減少，出現Si-O-Si 主鏈斷裂、交聯網絡降解等表面結構變化的現象，從微觀的角度解釋了硅橡膠復合絕緣材料閃絡電壓的降低原因。