硅橡膠材質的鐵路接觸網線抗環境電暈與老化能力研究

摘 要：針對鐵路接觸網線材料受環境影響易發生老化的問題，探究環境對硅橡膠老化規律的影響。試驗結果表明，針對同種硅橡膠材料，霧霾環境的破壞最為嚴重，其次是鹽霧環境，最后是高濕度環境。試驗研究的3種硅橡膠材料中，硅橡膠主體的質量分數低，氫氧化鋁質量分數高的A類硅橡膠在經過高濕度環境，鹽霧環境與霧霾環境電暈老化后，微觀形貌保持相對完整，且表面附著物較少，不易發生污閃的情況。老化后，硅橡膠靜態接觸角分別下降至56.58°、50.38°和40.33°。經過8 h恢復后，其表面靜態接觸角均恢復至90°左右，在各種環境中均表現出良好的抗電暈老化能力。

關鍵詞：硅橡膠材料；老化性能；憎水性能；接觸網線材料

中圖分類號：

TQ336.4+2

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0106-04

Research on the anti-environmental corona aging and ability of railway catenary wire made of silicone rubber

LI Defang

（Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，National Energy Group，Suning 062350， Hebei China）

Abstract：Aiming at the problem that railway catenary wire materials are prone to aging under the influence of environment，the influence of environment on the aging law of silicone rubber was explored.The test results showed that for the same silicone rubber material，the haze environment was the most devastating，followed by the salt fog environment，and finally the high humidity environment.Among the three kinds of silicone rubber materials studied，the microscopic morphology of Class A silicone rubber with low mass fraction of the main body and high mass fraction of aluminum hydroxide remained relatively intact after corona aging in high humidity environment，salt fog environment and haze environment，and there were few surface attachments，which was not prone to pollution flashover.After aging，the static contact angle of silicone rubber decreased to 56.58°，50.38° and 40.33° respectively.After 8 h recovery，the static contact angle of its surface was restored to about 90°，and it showed good resistance to corona aging in various environments.

Key words：silicone rubber material;aging performance;hydrophobicity;catenary wire material

硅橡膠材料由于其絕緣、質量輕、易于維護等特性，在鐵路接觸網線中得到了廣泛使用。一旦鐵路接觸網線中的硅橡膠材料發生老化，其抗污閃性能就會變差，對電力系統的安全穩定運行產生嚴重的影響。對此，部分學者也進行了很多研究，如選擇了3類不同配比硅橡膠材料，研究了不同配比硅橡膠材料在霧霾條件下的電暈老化規律［1］。研究了硅橡膠在濕熱鹽霧環境下老化性能的變化［2］。從微觀形貌方面探究了硅橡膠電暈老化特性［3］。研究了高溫環境下，硅橡膠老化規律［4］。以上學者的研究為硅橡膠老化規律提供了一些參考，但目前并沒有系統研究多種環境下硅橡膠老化規律。基于此，本試驗以文獻［5］方法為參考，系統研究了不同環境下不同硅橡膠的老化規律，為后續改善硅橡膠電暈老化提供一些參考。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：甲基乙烯硅膠（AR），奧凱硅新材料；白炭黑（AR），屹諾新材料；氫氧化鋁（AR），銘潤化工。

主要設備：XL G2型掃描電鏡（復納科學儀器）；ZJ-6900型光學接觸角測試儀（北斗精密儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

由于硅橡膠成分對其老化性能起決定性作用，因此需要提前對接觸網線硅橡膠材料成分組成進行設計，具體見表1。

由于鐵路接觸網線的老化主要與環境相關，試驗對不同成分的硅橡膠材料在不同環境下電暈老化100 h后性能進行測試，進而表征硅橡膠的抗電暈老化能力，具體試驗設計見表2。

1.2.2 試驗過程

（1）將硅橡膠材料制作成直徑為110 mm，厚度為2 mm的圓形樣品，用酒精將其表面擦拭干凈。然后在環境溫度為20 ℃的無塵環境銅板的作用下消除其表面電荷，消除時間為1 d;

（2）將消除了電荷的硅橡膠放入針-板老化電極中，并將放電間隙控制在10 mm;

（3）通過改變霧化器中的溶液種類及濃度，在環境控制箱中模擬試驗所需的環境。待環境箱內環境穩定后，通過示波器對多個時段無感電阻上的電暈脈沖進行采集，然后通過 MATLAB對數據進行分析。通過環境控制箱內臭氧傳感器采集的數據，對試驗過程中臭氧濃度與溫度值曲線進行繪制。

1.3 性能測試

1.3.1 微觀形貌

通過XLG2型掃描電鏡觀察硅橡膠老化前后的微觀形貌。

1.3.2 憎水性分析

通過ZJ-6900型光學接觸角測試儀測試老化前后硅橡膠表面靜態接觸角，進而表征硅橡膠材料的憎水性。

2 結果與討論

2.1 環境對硅橡膠材料的影響

先固定硅橡膠種類為A類橡膠，對環境影響硅橡膠材料的規律進行研究。

2.1.1 微觀形貌

經過高濕度環境老化后，硅橡膠表面出現較明顯的裂紋、孔洞、溝壑和鋁粒填充物，其中裂紋數量較多，但寬度較小，深度也相對較淺；而經過鹽霧老化后的硅橡膠材料表面裂紋數量較高；濕度老化后材料表面裂紋數量有所減小，但寬度明顯增加，且在材料表面有大量導電粒子的結晶與材料原本的鋁粒填充物；而經過霧霾老化后，硅橡膠材料表面出現較多深度深，寬度小的表面裂縫，在裂縫表面附著有較多的二氧化硅粉塵顆粒。也就是說，對于同種硅橡膠材料，高濕度環境的破壞小于鹽霧環境和霧霾環境。

2.1.2 憎水性分析

通過表面靜態接觸角及其隨時間恢復特性曲線對硅橡膠材料的憎水性進行分析，結果見圖1。

由圖1可知，經過6 h恢復后，高濕度老化后靜態接觸角恢復到了89.05°，繼續增加恢復時間，靜態接觸角幾乎不發生變化。這就說明經過高濕度環境老化后，硅橡膠表面憎水性受到了永久性破壞［6-7］。而鹽霧老化后的硅橡膠材料經過8 h恢復后，表面靜態接觸角恢復至89°，這再次說明了硅橡膠材料表面憎水性受到較嚴重的永久性破壞。而霧霾環境老化后的硅橡膠材料經過8 h恢復后，靜態接觸角恢復至92°，較高濕度老化和鹽霧老化恢復率更高。綜合表面靜態接觸角和靜態接觸角隨時間恢復特性的結論可知，鹽霧環境下硅橡膠表面憎水性喪失最為嚴重，其次是霧霾環境，最輕的是高濕度環境［8-9］。在鹽霧環境下，材料親水性良好，使得復合材料在電網中發揮作用時，更易發生污閃，進而影響安全性能［10-11］。

2.2 高濕度環境對不同種類硅橡膠材料的影響

2.2.1 微觀形貌

經過高濕度老化處理后，3種硅橡膠表面均受到較明顯的破壞，有裂紋、孔洞和溝壑存在。對比3種硅橡膠材料老化后微觀形貌可以發現，A類硅橡膠表面出現較多寬度較窄的裂紋，只有少量的鋁粒填充物。而B類硅橡膠表面裂紋數量雖然有一定減少，但裂縫的寬度增加，其表面有明顯的鋁粒填充物出現。而C類硅橡膠經過老化后，不僅裂紋多，且寬度和深度也明顯多于其余2類硅橡膠，表面出現大量的填充物，粗糙度明顯增加。可認為3種硅橡膠中，A類硅橡膠最適合在高濕度環境運行。

2.2.2 憎水性測試

通過靜態接觸角恢復曲線對不同硅橡膠憎水性影響進行表征，結果見圖2。

由圖2可知，經過高濕環境電暈老化100 h后，3種硅橡膠材料表面憎水性均明顯下降。其中，C類硅橡膠表面靜態接觸角下降的最多，A類硅橡膠表面接觸角下降程度最小，下降后靜態接觸角約為56.58°。經過8 h恢復后，3種硅橡膠的靜態接觸角并沒有太大差異，A類硅橡膠靜態接觸角恢復的最高，約為93.31°。經過高能電子轟擊后，A類硅橡膠表面保留了更多的憎水性基團，因此A類硅橡膠表面接觸角下降程度最小［12-13］。綜上，A類硅橡膠在經過高濕度環境老化后，保留了一定憎水性，且經過一段時間恢復后，靜態接觸角恢復的最高，因此可認定，A類硅橡膠最適合在高濕度環境運行。

2.3 鹽霧環境對不同種類硅橡膠材料的影響

2.3.1 微觀形貌

經過鹽霧老化后，3種硅橡膠材料表面均出現明顯的裂紋、孔洞和溝壑。其中A類硅橡膠表面只有少量寬度較寬的裂縫，其表面附有大量分散的圓形鋁粒填充物與少量氯化鈉結晶物質。而B類硅橡膠表面裂縫數量增加，但寬度減小，同樣附著有大量大體積的圓形顆粒物。C類硅橡膠表面則出現較多寬度較小，深度較深的裂縫，其表面覆蓋有大量大體積的圓形填充物，使其表面粗糙度明顯增加。這是因為鹽霧環境會放大電暈放電能量［14-15］。而C類硅橡膠主體含量較高，因此其微觀形貌破壞的更嚴重［16-17］。而A類硅橡膠和B類硅橡膠的微觀破壞形態較為接近，因此可認定，A類與B類硅橡膠都較適合在鹽霧環境運行。

2.3.2 憎水特性

鹽霧老化后不同硅橡膠憎水性恢復特性見圖3。

由圖3可知，在鹽霧環境中對硅橡膠材料進行電暈老化100 h后，A 類與 B 類的靜態接觸角較為接近，分別為 50.38°和49.58°，而C類靜態接觸角約為44.52°。同時在圖3中還可觀察到A類和B類硅橡膠材料在全時段恢復速率基本一致，經過8 h恢復后，靜態接觸角分別恢復至91.33°和90.87°。因此，可認定A類與B類硅橡膠都較適合在鹽霧環境運行。

2.4 霧霾環境對不同種類硅橡膠材料的影響

2.4.1 微觀形貌

經過霧霾環境老化處理后，所有硅橡膠材料表面有明顯孔洞與溝壑存在。其中A類硅橡膠表面孔洞較少，有大量附著物與鋁粒填充物［18］。B類硅橡膠表面有孔洞數量明顯增多，溝壑相對較少。C類硅橡膠表面存在較大直徑的深孔洞，且溝壑明顯。從微觀形貌方面考慮，A硅橡膠更適合在霧霾環境中運行。

2.4.2 憎水性分析

霧霾老化后不同硅橡膠憎水性恢復特性見圖4。

由圖4可知，經過霧霾環境電暈老化100 h后，3種硅橡膠材料靜態接觸角降低程度差別較大。其中A類硅橡膠材料表面的靜態接觸角降低至 40.33°，B類和C類硅橡膠靜態接觸角分別降低至52.01°和 61.93°。也就是說，在霧霾環境中，C類硅橡膠材料憎水性保持良好。但在后續接觸角恢復過程中，A類恢復速率最快，平均為 6.2°/h，B類次之，恢復速率平均為 4.8°/h，C 類的恢復速率最慢，僅為 3.7°/h，且恢復后3種硅橡膠靜態接觸角基本一致，A類硅橡膠靜態接觸角約為89.97°。也就是說，C類硅橡膠雖然保持了較好的憎水率，但靜態接觸角恢復速率較慢。結合微觀形貌分析結果，C類硅橡膠老化后表面附著有較多顆粒物，在實際使用過程中，易發生污閃的情況，對電網安全造成威脅。而3種材料在恢復后憎水性類似，因此，選擇適合在霧霾環境下運行的硅橡膠材料為A類硅橡膠。

3 結語

（1）對于同種硅橡膠材料，霧霾環境對硅橡膠的破壞最為嚴重，其次是鹽霧環境，最后是高濕度環境;

（2）在高濕度環境中，表面靜態接觸角下降至56.58°，經過8 h恢復后，靜態接觸角恢復至93.31°，因此可認定A類橡膠最適合在高濕度環境運行;

（3）在鹽霧環境中，電暈老化100 h后，A類硅橡膠和B類硅橡膠的微觀破壞形態和靜態接觸角均較為接近，老化后靜態接觸角分別為 50.38°和49.58°，經過8 h恢復后，靜態接觸角分別恢復至91.33°和90.87°。因此可認定，A 類與 B 類硅橡膠都較適合在鹽霧環境運行;

（4）在霧霾環境中，電暈老化100 h后，A類硅橡膠表面孔洞較少，有大量附著物與鋁粒填充物，整體形貌較為完整。老化后表面的靜態接觸角降低至 40.33°，在靜態接觸角恢復的過程中，以6.2°/h的速率快速恢復，因此A硅橡膠更適合在霧霾環境中運行。

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