基于改進多因素老化法的極寒地區復合絕緣子傘裙性能退化研究

張欣偉， 周麗英， 王 博， 戴雨薇，端木天翔， 郭鑫喆， 劉佳浩， 邢云琪

（1. 國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010000；2. 河北工業大學 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130）

0 引 言

復合絕緣子具有造價低廉和安裝維護簡單等優點，同時其電氣性能和力學性能優異，被廣泛應用于電網工程建設中[1-2]。但是相對于陶瓷和玻璃絕緣子而言，復合絕緣子硅橡膠傘裙更容易受運行環境影響而發生老化。復合絕緣子在紫外線[3]、污穢[4-5]、電暈放電[6-8]、冰雪[9]等因素作用下，材料表面容易產生缺陷，導致材料的耐污閃性能[10]和憎水性能[11]下降，對于電網的安全運行產生嚴重隱患。復合絕緣子老化的主要原因是硅橡膠嚴重劣化進而在粘結交界面處產生局部放電，從而導致出現掉串和炸裂等問題[12]。

曾磊磊等[13]提出通過噴水分級法測試不同運行年限的復合絕緣子憎水性能，結果表明伴隨著運行時間的增加，絕緣子的憎水性能變得越來越差。孫進等[14]通過掃描電鏡（SEM）觀測老化復合絕緣子的表面微觀形貌，發現隨著老化時間的增加，試樣表面逐漸出現裂紋和密集的孔洞，并且缺陷不斷增加。M NOUREDDINE 等[15]對硅橡膠傘裙在熱老化時電導率和閃絡電壓的變化進行了研究，發現隨著老化時間的延長，硅橡膠的電導率提高。王晨暉等[16]研究了硅橡膠傘裙不同位置的老化性能，結果表明，老化之后傘裙兩端位置的性能下降最嚴重。王青錄[17]通過斜面測試法測試了老化前后復合絕緣子的耐電痕化能力，結果表明，老化之后耐電痕化能力降低，但是仍然表現出很高的耐電痕化能力。曾磊磊等[18]研究了濕熱老化前后復合絕緣子的介電性能，發現老化之后絕緣子的介電常數和介質損耗都顯著提高。TU Y 等[19]研究了復合絕緣子上、下表面的老化程度，發現在上層的絕緣子受到紫外線的老化影響比較嚴重，導致硅橡膠的陷阱能級增加。E M SAVADKOOHI 等[20]研究了不均勻污染老化狀態下復合絕緣子電性能的變化規律，發現污染的不均勻程度越高，樣品的閃絡電壓越低。目前，研究人員從材料性能、外觀表征與電氣性能角度出發，結合當地典型環境因素，提出了多因素復合絕緣子老化的狀態評估和壽命預測方法，但是缺少對于絕緣子在極寒溫度環境下的狀態評估。

本研究搭建人工多因素老化平臺，模擬極寒地區復合絕緣子的運行環境對復合絕緣子進行老化試驗，通過SEM 觀測老化前后硅橡膠傘裙的微觀形貌變化，通過紅外光譜分析老化前后材料各基團的吸收峰強度，運用靜態接觸角法測試材料老化前后的憎水性能，通過測試材料老化前后的硬度以及斷裂伸長率來判斷材料的力學性能變化情況。此外，對材料老化前后的電導率、介電常數、介質損耗、閃絡電壓和陷阱能級進行測試分析。

1 試 驗

搭建人工多因素老化平臺，模擬極寒地區復合絕緣子的運行環境，采用的儀器設備主要有高低溫循環老化箱、容量為20 kVA 的單相隔離變壓器、單相頻率為50 Hz 的調壓變壓器、電容量為400 pF 的電容分壓器。遵循ISO 4892-3-2006 對人工加速紫外老化試驗的相關要求，采用長波紫外線（UVA）作為紫外輻照光源模擬絕緣子在正常運行時所受的紫外輻射。

考慮復合絕緣子在內蒙古東部地區所受自然環境影響，以內蒙古根河地區為例，冬季極端溫度可達-58℃，夏季溫度一般為20～25℃，結合運行環境中濕度、電場、光照以及降雨的影響，制定老化試驗方案如表1所示。

表1 改進的多因素老化方案Tab.1 Improved multi-factor ageing scheme

與GB/T 22079—2008 提出的老化方案相比，為了更好地模擬實際運行環境，本方案將一次老化循環試驗分為0～24 h 和25～48 h 兩個階段：0～24 h包含高溫、高濕、高壓、紫外環境；25～48 h 包含低溫、高壓環境。通過氙燈模擬紫外輻照，輻照的強度為0.85～0.95 kW/m2；爬電比距采用GB/T 19519—2014規定的34.6 mm/kV，施加電壓為30 kV，雨水電導率約為10 μS/cm；對實驗的溫度和濕度進行設置，溫度設置為50℃±3℃和-60℃±3℃、濕度設置為85%±3%。每240 h取出老化樣品進行測試。

在老化傘裙上裁取尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的試樣，采用掃描電子顯微鏡（GAIA3，TESCAN）觀測老化前后材料的微觀形貌。裁取尺寸為10 mm×10 mm×5 mm 的試樣，通過傅里葉紅外光譜分析儀（V80 型，布魯克公司）分析材料分子鏈和官能團變化情況。裁取尺寸為1 mm×2 mm×5 mm 的試樣，采用高溫接觸角測量儀（DSAHT 型，KRUSS）在溫度為25℃、相對濕度為68%、大氣壓為97.9 kPa的條件下進行水接觸角測試。

在老化傘裙上隨機選取6個點，按照GB/T 6031—2017 進行硬度測試，測試時間為30 s，取6 次測量結果的平均值。將不同老化時間硅橡膠制備成GB/T 528—2009 中的2 型試樣，如圖1 所示，采用萬能拉伸機測量試樣的斷裂伸長率。

裁取尺寸為40 mm×40 mm×5 mm 的試樣，采用三電極法測試老化前后硅橡膠傘裙的直流表面電導率。裁取尺寸為20 mm×20 mm×5 mm 的試樣，采用寬頻介電譜儀測試不同老化時間試樣的介電常數和介質損耗因數。裁取尺寸為20 mm×20 mm×5 mm 的試樣以1 kV/s 的升壓速率測試材料的閃絡電壓，每個老化時間試樣測試5 次。裁取尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的試樣進行表面電位衰減測量。

2 結果與分析

2.1 復合絕緣子硅橡膠傘裙理化性能研究

圖2是復合絕緣子老化不同時間后的SEM 圖。從圖2可以看出，未老化樣品表面平滑，沒有裂紋和孔洞等缺陷產生，當老化240 h 時，材料表面的變化并不明顯，材料表面出現了顆粒物堆積的現象[21]，但是隨著老化時間的增加，硅橡膠材料表面出現密集的裂紋和孔洞并且孔洞逐漸變大，此外還有較多的顆粒物堆積。

圖3是復合絕緣子老化不同時間后的紅外光譜圖。根據圖3中吸收峰波數的不同可以分辨出不同的官能團，硅橡膠側鏈中存在疏水基團[22]，在老化過程中硅橡膠的分子鏈斷裂，進而導致主鏈和側鏈基團對應的特征峰強度發生變化。老化過程中帶電粒子對硅橡膠沖擊造成的物理腐蝕產生了密集的裂紋和孔洞，化學腐蝕導致圖2 所示硅橡膠表面的顆粒物堆積[23]。主鏈硅氧鍵所在吸收峰位置為1 020 cm-1，側鏈中-CH3所在吸收峰位置為1 270 cm-1和2 955 cm-1。在3 695～2 795 cm-1波段，紅外光譜的變化主要是由于O-H 鍵的變化引起的。伴隨著老化程度的增加，各官能團的含量降低，吸光度下降。材料有機成分逐漸消耗，絕緣材料降解，主鏈結構受損，導致硅橡膠材料表面主鏈斷裂。低溫下硅橡膠結晶度增加，小分子鏈段交聯成大分子鏈段，老化降溫過程中產生的水分會在硅橡膠表面發生氧化水解反應，分子結構的改變使得材料內部的小分子更容易擴散出來，降低材料的絕緣性能。隨著老化時間的增加，吸收峰強度逐漸下降，說明在老化過程中無機阻燃劑氫氧化鋁Al(OH)3逐漸分解，材料表面產生的游離羥基更容易揮發。紅外光譜結果表明，在老化過程中伴隨著分子鏈的斷裂，在微觀形貌上表現為微孔和裂紋，影響材料的性能。

圖3 復合絕緣子老化不同時間后的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of composite insulators after ageing for different time

為了研究老化過程中硅橡膠表面憎水性能的變化情況，通過測量水接觸角來衡量老化不同時間的復合絕緣子的憎水性能，結果如圖4 所示[24]。硅橡膠的憎水性能主要由疏水基團-CH3決定，從圖3中可以看出，隨著老化時間的增加，-CH3吸收峰強度降低，分子鏈的斷裂使材料甲基含量下降，導致憎水性能降低。

圖4 復合絕緣子老化不同時間后的水接觸角Fig.4 Water contact angle of composite insulators after ageing for different time

2.2 復合絕緣子硅橡膠傘裙力學性能研究

圖5是復合絕緣子老化不同時間后的硬度和斷裂伸長率測試結果。從圖5 可以看出，隨著老化時間的增加，試樣的硬度先增大后基本不變。這是因為復合絕緣子硅橡膠內部PDMS（聚二甲基乙烯基硅氧烷）和Al(OH)3的含量決定了材料本身的硬度[25]。老化過程中主鏈上的Si-O 斷裂，并且逐漸擴散到空氣中，導致PDMS 含量逐漸減少，剩下硬度高的Al(OH)3，導致硬度增加。從圖5 還可以看出，隨著老化程度的加深，材料的斷裂伸長率迅速下降，老化720 h 時斷裂伸長率較未老化試樣下降23.3%。在老化過程中，水汽向硅橡膠進行滲透，熱的作用加劇了水汽的滲透運動，在材料的內部造成了分子鏈的斷裂[26]，因此材料的斷裂伸長率迅速下降。在高低溫循環下，由于受到兩個大跨度的溫度影響，材料內部的部分分子鏈被“凍結”，導致材料內部產生撕裂，加速分子鏈的斷裂。

圖5 復合絕緣子老化不同時間后的硬度和斷裂伸長率Fig.5 Hardness and elongation at break of composite insulators after ageing for different time

2.3 復合絕緣子硅橡膠傘裙電氣性能研究

圖6是復合絕緣子老化不同時間后的表面電導率測試結果。從圖6 可以看出，隨著高低溫老化時間的增加，電導率依次增大。電導率變化的重要影響因素是載流子的濃度和遷移率[27]。隨著老化程度的加深，硅橡膠材料表面產生大量裂紋和孔洞等缺陷，導致出現大量陷阱，增加了載流子遷移速度，最終導致電導率增加。

圖6 復合絕緣子老化不同時間后的表面電導率Fig.6 Surface conductivity of composite insulators after ageing for different time

圖7為復合絕緣子老化不同時間后的介電常數和介質損耗因數變化規律。從圖7 可以看出，老化時間越長，硅橡膠的相對介電常數越大，高頻下的相對介電常數略微降低。介質損耗因數隨著老化時間的延長而不斷增加，并且在較高頻率下迅速下降。在高濕環境下，硅橡膠老化過程中表面容易產生電暈從而導致材料的分子鏈斷裂，使材料表面結構被破壞[28]。硅橡膠材料吸濕率增加，老化過程中水分進入材料，由于水的相對介電常數遠大于硅橡膠，水分的侵入使極化增強，導致介質損耗增大。

圖7 復合絕緣子老化不同時間后的介電特性Fig.7 Dielectric properties of composite insulators after ageing for different time

圖8是復合絕緣子老化不同時間后的閃絡電壓測試結果。從圖8 可以看出，硅橡膠傘裙老化運行時間為0、240、480、720 h 的尺度參數分別為28.96、28.89、27.20、25.80 kV，形狀參數分別為85.19、55.44、26.45、26.60，絕緣子老化時間為720 h 時的擊穿電壓與未老化絕緣子相比下降了10.9 %。

圖8 復合絕緣子老化不同時間后的閃絡電壓Fig.8 Flashover voltage of composite insulators after ageing for different time

圖9為復合絕緣子老化不同時間后的表面電位變化，可以看出復合絕緣子老化之后的表面電位衰減速率加快。圖10 為通過表面電位衰減法計算得出的陷阱能級分布。從圖10可以看出，隨著老化程度的加深，硅橡膠表面的深陷阱逐漸向淺陷阱發展，深陷阱密度減小，淺陷阱密度增加，載流子脫陷所需能量下降，使閃絡電壓下降[29]。淺陷阱相比于深陷阱將在很大程度上提高電荷輸運能力，因此老化后硅橡膠表面電位衰減速度變快[30]。

圖9 復合絕緣子老化不同時間后的表面電位衰減特性Fig.9 Surface potential attenuation characteristics of composite insulators after ageing for different time

圖10 復合絕緣子老化不同時間后的陷阱能級Fig.10 Trap energy level of composite insulators after ageing for different time

3 結 論

（1）在多因素老化過程中，硅橡膠材料表面產生了裂紋和孔洞等缺陷以及顆粒物的堆積，并且在老化過程中二甲基硅氧烷和阻燃劑氫氧化鋁發生分解，材料內部分子鏈大量斷裂。

（2）在多因素老化過程中，PDMS 發生分解，剩下硬度高的Al(OH)3，因此老化之后材料的硬度增加。隨著老化程度的加深，材料表面出現物理缺陷，分子鏈不斷斷裂，材料的斷裂伸長率持續下降，材料的力學性能降低，低溫老化條件下斷裂伸長率下降明顯。

（3）在多因素老化過程中，隨著老化程度不斷加重，陷阱密度的增加使載流子遷移速率加快，宏觀上表現為電導率增加，老化產生的物理缺陷會加速界面的極化，使得介電常數和介電損耗隨著老化程度的加深而不斷增加，低溫情況下介電常數和介質損耗因數明顯增加，材料劣化加速。

（4）在多因素老化過程中，硅橡膠材料表面變得粗糙，硅橡膠表面陷阱深度降低，載流子越發容易激發、脫陷，最終降低了硅橡膠的閃絡電壓。