外绝缘用液体硅橡胶的自然老化因素研究

杨翠茹，陈 灿，饶章权，陆 海，林一峰，贾志东，杨朝翔

（1. 广东电网公司电力科学研究院，广州 510600； 2. 清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

外绝缘用液体硅橡胶的自然老化因素研究

杨翠茹1，陈 灿2，饶章权1，陆 海2，林一峰1，贾志东2，杨朝翔2

（1. 广东电网公司电力科学研究院，广州 510600； 2. 清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

近年来，液体硅橡胶（Liquid Silicone Rubber, LSR）已经在外绝缘领域得到了较为广泛的应用，但是目前对其耐老化性能的研究还不够深入。尤其是在中国南方地区使用时，高温、高湿环境更容易导致液体硅橡胶的老化。在许多地区都观察到了电流、电压互感器的液体硅橡胶绝缘外套的龟裂、老化现象，对设备的安全运行产生了影响。本文设计并实施了在光照、高温、高湿、电晕等老化因素作用下的液体硅橡胶人工老化试验，并对老化试验后的样品进行了硬度、力学性能、憎水性、光泽度以及SEM、FTIR等微观性能试验和分析。认为在光照作用下，高温、高湿环境对液体硅橡胶具有加速老化作用，表现为硬度上升、憎水性下降、光泽度下降，并且在表面出现细微裂纹。

老化因素；氙灯；高温高湿；硬度；憎水性；镜向光泽度

引言

硅橡胶液体硅橡胶按照商品形态可以分为混炼硅橡胶和液体硅橡胶两类。与混炼硅橡胶不同，液体硅橡胶的基料具有自流平性和触变性，使用时一般可不使用大型加工设备[1,2]。加成型液体硅橡胶在交联硫化的过程中不产生副产物、收缩率小、能深层硫化、对基材无腐蚀，其物理机械性能和电性能可以达到甚至超过混炼硅橡胶的水平，因此得到了广泛应用[3]。目前在部分变电站设备，如互感器、断路器、避雷器的外绝缘护套也使用了液体硅橡胶。但是近年来，南方电网公司出现了大范围的液体硅橡胶护套老化、硬化、龟裂现象，护套表面的憎水性和耐漏电起痕性能大大下降，严重影响了设备和系统的安全运行。

本文对广东电网公司东莞供电局北栅变电站及汕头供电局500kV变电站进行了走访和调研，对变电站内发生龟裂老化的互感器进行了试验研究。发现老化现象在互感器的高压、低压端并无显著差异。伞裙、护套都发生了老化。在伞裙上，老化现象呈现出上表面比下表面严重，边沿比根部严重的现象。据此，推测自然环境因素可能是导致液体硅橡胶发生这种老化现象的主要原因。

本文基于对复合绝缘子长期性能的研究[4]，提取影响因素，设计了一系列人工老化试验，模拟光照、高温、高湿、电晕放电等因素对液体硅橡胶的耐老化性进行研究。以确定导致液体硅橡胶发生老化的原因。

1 样品的选取和试验方案设计

1.1 样品的选取

发生老化现象的互感器护套使用的是某公司生产的双组分加成型液体硅橡胶，为了研究这种液体硅橡胶在不同条件下的耐老化能力，本文使用某公司Xiameter品牌的RBL 1541/10P型双组分加成型液体硅橡胶为样品，进行了耐老化性能试验。

1.2 试验方案设计

通过对现场MWB互感器护套的分析发现，硅橡胶绝缘护套的老化有以下几个特征：

1)硅橡胶绝缘护套的老化表现为：伞裙表面粉化，丧失弹性，颜色变白，硬度上升；在受到外力作用的情况下会产生不可恢复的龟裂裂纹。说明硅橡胶护套的老化并不是单纯的材料龟裂，而是伴随着材料本身材质的变化。

2)硅橡胶绝缘护套的所有位置均发生严重的老化现象。高压端、低压端的老化程度并无明显区别。

3)通过解剖伞裙可以发现，伞裙上表面的粉化层厚度要大于下表面，伞裙边缘的粉化层厚度大于伞裙内部；说明阳光、降雨等外界自然因素可能对护套的老化有加速作用。

为了研究导致硅橡胶绝缘护套老化的因素，项目组对LSR进行了不同类型的人工加速老化试验。分别模拟硅橡胶绝缘护套在运行中的阳光照射、高温、高湿以及可能的电晕等因素造成的老化，见表1、表2。

1.2.1 氙灯老化试验

阳光的照射，尤其是太阳光中紫外线的照射，往往是造成硅橡胶绝缘材料老化的重要原因。因此，模拟太阳光的照射情况对硅橡胶材料进行人工加速老化试验是非常有必要的。

氙灯灯管具有辐照功率强、与太阳光的光谱分布相近的特点，因此适合用来模拟太阳光照射下的硅橡胶材料老化过程。

表1 老化试验中涉及到的影响因素

表2 老化试验后LSR性能分析试验

试验采用水冷型氙灯老化箱，氙灯功率6kW，最大辐照强度1.8kW/m2。以200小时为一组试验进行氙灯老化，试验具体参数如表3。

1.2.2 蒸馏水浸泡试验

将液体硅橡胶样品浸泡于蒸馏水中，间隔一段时间后取出，对其宏观性能和微观形貌进行研究。

1.2.3 恒温恒湿试验

本文采用生化培养箱来控制试验温度，使之保持在40℃。利用饱和盐溶液控制环境湿度[9]，具体的做法是在密封的容器中加入一定量的饱和盐溶液，然后通过支架将实验室制作的硅橡胶样品放在饱和盐溶液的上方。试验中利用饱和MgCl2溶液，饱和NaCl溶液，饱和K2SO4溶液三种盐溶液，分别使样品上方的空气相对湿度保持在31.6±0.2%、74.7±0.2%和96.4±0.4%。

1.2.4 电弧烧蚀老化试验

本文利用斜面法试验装置来模拟液体硅橡胶在运行过程中可能受到的电弧烧蚀作用。试验利用GB/T 6553-2003《评定在严酷环境条件下使用的电气 绝缘材料耐电痕化和蚀损的试验方法》中推荐的斜板试验进行。

1.2.5 自然环境老化试验

作为人工加速老化试验的对比，项目组设置了一组自然老化样品，将把实验室新制的液体硅橡胶样品直接放在楼顶的平台上，使之暴露于自然环境之中，然后每两个月对这两组样品进行一次性能检测，并将检测的结果与其他样品进行对比。深圳市位于北纬22。27'～22。52'，为了使得样品达到最佳老化效果，样品架采用面向东南的位置摆放，倾角约22°。

1.2.6 室内环境老化对比试验

表3 氙灯老化试验相关实验参数

作为自然环境老化试验的对比，项目组设置了一组室内样品。将实验室制作的LSR样品直接放在室内阴凉的地方，让他们暴露于室内环境之中，同时避免光照。然后每2000小时对这两组样品进行一次性能检测，并将检测的结果与其他样品进行对比。

通过室内老化样品和室外老化样品的对比，可以分析出自然环境中除阳光照射和雨水外的其他因素对液体硅橡胶老化所产生的影响。

2 试验

2.1 试验样品的分类

由于每种试验方案模拟的运行条件和使用的设备都不相同，因此试验持续的时间也不同。试验时间最短为电晕老化试验的120h，最长为自然老化试验的6000h。在试验期间和结束的时候，分别对样品进行宏观性能检测和微观分析。

2.2 宏观性能测试

2.2.1 硬度

本文使用手持型邵氏A型硬度计来测量样品的硬度，测量结果如表4所示。。

2.2.2 力学性能

试验使用的是某公司生产的微机控制电子万能试验机CMT-6102。

表4 邵氏硬度测量结果

根据道某公司公布的HVI 1541/10P 液体硅橡胶的性能数据，项目组分别测定了其拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度等机械性能[7,8]。

从试验结果来看，经历过不同老化试验之后的LSR样品之间的机械性能相差不大，各样品的拉伸强度数值均为3.4～3.7MPa，扯断伸长率约400%，撕裂强度（新月形试样，有缺口）约11～12kN/m。

2.2.3 憎水性

项目组分别采用了静态接触角法和喷水分级法来测定各种硅橡胶样品的憎水性。测量静态接触角时使用的测量仪器是静态接触角测量仪。测量静态接触角时，控制每次滴液4μl，然后对每片样品进行5次测量，最后取5次测量结果的平均值作为静态接触角的测量结果。测量结果如表5所示。

在现场进行绝缘子憎水性能测试时，更常用的一种方法是喷水分级法。喷水分级法主要是由瑞典输电研究所提出的，这种方法采用HC等级来表征憎水性状态，一共分为7级并给出分级判断和标准图片。其中HC1～HC3为憎水性状态，HC4为中间过渡状态，HC5～HC7为亲水性状态。

表5 静态接触角测量结果

测试时，具体的操作方法为：用普通喷壶对样品表面喷洒水雾，大概每5秒钟喷洒一次，连续喷洒20次后观察水分在样品表面的分布情况，喷洒时不可直接对样品喷洒，而是让喷嘴朝向空中，让液滴自然下落到样品表面。然后对比分级判据和标准图片，从而得到绝缘子表面的憎水性状况。

本文对室外自然老化、氙灯老化、电晕老化和恒温恒湿老化的样品进行了测试，测试结果如图1所示。

图1 老化试验后的样品憎水性示意图

2.2.4 光泽度

表面光泽度测量主要用于油漆、涂层、金属机件平整度检测等[9]。当样品表面出现老化后，由于细小的裂痕等原因会导致样品表面粗糙度上升，进而导致表面光泽度的下降。在试验过程中使用型号为WGG60-E的表面光泽度计对几种样品的表面进行了测量（表6）。

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

本文使用清华大学深圳研究生院新材料研究中心的VERTEX70红外光谱仪进行ATR-FTIR（衰减全反射红外光谱）分析。分别对自然老化试验和氙灯老化试验后的样品进行分析，并绘制了图谱。

图2、图3为经历自然老化试验、氙灯老化试验之后的样品图谱，可以看到，图谱的形状同未老化的液体硅橡胶相比并没有明显变化，但是Si-O链节吸收峰和Si-C链节吸收峰的高度显著降低。

本文选取1260cm-1，1000～1100cm-1，800cm-1附近的最大峰值作为样品的“指纹”吸收峰，对不同老化程度的样品进行定量分析，可得到如表7所示的各吸收峰具体数值。

表6 镜向光泽度测量结果

图2 自然老化4000h后的FTIR图谱

图3 氙灯老化400h后的FTIR图谱

表7 FTIR图谱特征吸收峰值

2.4 扫描电镜观察分析

本文使用了S-4800型扫描电子显微镜对氙灯老化试验、自然老化试验和恒温恒湿老化试验后的样品进行了微观分析，见图4。

图4 老化试验后的样品扫描电镜图像

对人工加速老化试验后样品的SEM图像进行观察可以发现，试样的表面都变得较为粗糙。对比斜面法烧蚀后的硅橡胶和新制试样的SEM图像可以发现，电弧烧蚀后的硅橡胶试样呈现出类似晶体的颗粒状形态，但是与老化试样不同之处在于，其结构仍然致密，放大后无明显可见的缝隙和孔洞。大部分样品的表面都较为完好，没有裂纹出现，只有自然老化6000h的样品表面出现了裂纹。

3 试验结果分析

本文对比了氙灯老化试验、自然环境老化试验、室内老化试验、恒温恒湿老化试验样品的硬度和憎水性，得到如下结果，见图5。

样品的硬度直接反映了硅橡胶材料的交联度，硬度的上升表明材料内部交联度上升，是老化过程的开始。从试验结果来看，自然老化和氙灯老化试验的样品硬度上升最大。其中自然老化样品所处空气湿度为深圳市户外环境湿度，氙灯老化样品所处空气湿度较低，这说明光照是导致硅橡胶交联度上升的主要原因。同时，恒温恒湿老化样品的硬度也有较大上升，说明高温高湿环境也对交联度上升有促进作用，见图6、图7。

氙灯老化、自然环境老化、恒温恒湿老化试验样品的憎水性都有明显下降。自然老化和恒温恒湿老化样品的憎水性下降最明显，HC等级已经降到3级。

图7 老化试验后样品的憎水性

4 结论

根据试验结果，可以对导致硅橡胶材料老化的因素得出如下结论：

1）光照是导致老化现象发生的主要原因之一。长时间的光照会导致硅橡胶材料交联度上升，表现为硬度上升。

2）高温、高湿的环境会促进老化现象的发生。高温高湿的环境不仅可以促使硅橡胶材料的交联度上升，同时更可以导致憎水性的下降。

3）老化现象的发生是在光照、高温、高湿因素共同作用下导致的结果。从试验结果来看，只有同时满足这三项条件的自然老化试验有最为明显的老化效果，不但硬度上升、憎水性下降，SEM电镜扫描甚至在样品表面观测到了龟裂裂纹；而缺乏高湿度的氙灯老化试验、缺乏光照的恒温恒湿试验以及室内老化对比试验的样品都没有达到这样的老化程度。

[1]梁曦东, 李震宇, 周远翔. 交流电晕对硅橡胶材料憎水性的影响[J].中国电机工程学报, 2007,(27): 19-23.

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[3]梁英, 李成榕, 丁立健. 电晕强度对HTV硅橡胶陷阱特性的影响[J].高电压技术, 2009,(1): 135-140.

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[5]陈倩倩, 刘晓东, 孙立广, 等. 微波萃取-原子荧光光谱法优化测定海鸟生物粪中的甲基汞[J]. 光谱学与光谱分析, 2011,(1): 249-252.

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[7]GB/T 528-2009. 硫化橡胶或热塑性橡胶.拉伸应力应变性能的测定[S], 2009.

[8]韩雷. GB/T529-1999《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤型、直角型和新月型试样)》简介[J]. 化工标准化与质量监督, 2000,(10): 2-3.

[9]GB/T 13891-2008，建筑饰面材料镜向光泽度测定方法[S].

杨翠茹，女，工学博士，广东电网公司电力科学研究院，主要研究方向为高压外绝缘防污闪技术与有机绝缘材料老化。

陈灿，男，博士研究生，主要研究方向为硅橡胶绝缘材料老化机理与表征。

Study on the Infl uence Factors of Natural Aging of Liquid Silicone Rubber Used for External Insulation

YANG Cui-ru1, CHEN Can2, RAO Zhang-quan1, LU Hai2, LIN Yi-feng1, JIA Zhi-dong2, YANG Zhao-xiang2
（1. Guangdong Electric Power Research Institute, Guangzhou 510600; 2. Graduate School of Tsinghua University, Shenzhen 518055）

In recent years, liquid silicone rubber (LSR) has been widely used in the external insulation field. However, further study on the aging resistant performance is still required. Especially when it is used in southern parts of China, of which the high temperature and humidity environment could accelerate the aging process. It is reported that cracking and chalking phenomena were observed on the liquid silicone rubber sheath of PT and CT. In this paper, a series of ageing experiments were designed and carried out to test the performance of liquid silicone rubber when exposed to factors such as high temperature, high humidity, sun exposure and corona discharge. After the experiments, characteristics such as hardness, hydrophobicity, glossiness and mechanical properties were tested and micro analyzing method like SEM and FTIR were used to study the change of micro structure and functional group abundance. It is concluded that high temperature, high humidity and sun exposure play significant roles in the degradation of liquid silicone rubber, which could lead to the rise of hardness, loss of hydrophobicity, decrease of glossiness and surface cracking. The results also show that the change of mechanical properties of liquid silicone rubber were tiny.

aging factor；xenon light；high temperature and humidity；hardness；hydrophobicity；mirror glossiness

TM85

A

1004-7204（2014）01-0041-07