空间电荷技术在复合绝缘子老化判断中的应用

梁栋，彭庆军，李天福

(1.华北电力大学研究生工作站，昆明 650217;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院博士后工作站，昆明 650217)

0 前言

复合绝缘子以其重量轻、机械强度高、表面憎水性强、耐污闪性能好等优点，在电力系统中得到了广泛的应用［1－4］。但是作为有机材料，硅橡胶伞裙材料不可避免的要受外界恶劣环境的影响而发生老化，从而影响绝缘子的绝缘性能，严重时甚至会引发事故［5－6］。随着复合绝缘子挂网时间的增加，其发生闪络和损坏的事例也日趋增多。常见的复合绝缘子现场损坏原因主要可分为两大类，第一类是机械方面的损坏，第二类是电气性能的劣化，主要表现在泄漏电流增加、憎水性部分或全部丧失，可导致击穿、沿面闪络等绝缘事故［7－11］。研究表明，伞套材料的老化是造成复合绝缘子性能劣化的重要因素［11－15］。因此，复合绝缘子运行状态即老化状态的检测诊断受到了运行部门和相关学者的广泛关注。

目前对于现场复合绝缘子老化状况的检测方法主要有观察复合绝缘子表面状态、憎水性等级(hydrophobicity class，HC)喷水分级测试及硬度测试等，其中HC 喷水分级法在现场复合绝缘子的老化特性评价中应用最为广泛。然而，传统的检测方法如HC 喷水分级法是基于肉眼观察的主观判断方法，其检测结果可能会出现较大误差［16，17］。同时，研究表明复合绝缘子的憎水性并不只与老化有关，还与气候、温度等多种因素有关［6］。传统的老化分级方法并不能准确评价复合绝缘子的老化状态，探寻能准确有效评估与判断复合绝缘子老化状态的新方法是十分有意义的。

热刺激电流(TSC)方法近几年在研究介质电传导机理和电荷存储现象中得到了广泛应用［13－15］。借助于热刺激电流试验能检测到绝缘材料的微观电特性，有望为复合绝缘子老化程度的诊断及评价提供新方法。

1 复合绝缘子老化状态评价现状

复合绝缘子老化评估方法如下:

1)通过喷水分级法 (hydrophobicity class，HC)测量憎水性能，级别越高说明绝缘子老化程度越严重;

2)通过复合绝缘子的泄漏电流测量判断硅橡胶的老化程度，泄漏电流越大说明老化程度越严重;

3)利用扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察绝缘子表面的微观镜像，微观表面孔洞、缺陷越多说明老化越严重;

4)通过能谱分析复合绝缘子各层面存在的化学元素，其他杂质元素(尤其是金属元素)含量越高说明老化越严重;

5)通过观察表面粉化、测量硬度和抗拉能力等评估绝缘子老化状态［16－19］。

近年来，新的老化状态评估方法诞生，如基于热刺激电流(thermally stimulated current，TSC)的检测法，傅里叶红外光谱分析法(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)、紫外成像老化检测法、基于核磁共振的老化检测法等也得到了较广泛的应用［20－26］。此外，也针对硅橡胶材料和复合绝缘子进行了一些实验室条件下老化特性及机理的研究，主要包括一些可造成复合绝缘子老化的作用因素，如表面放电(电晕放电、电弧放电)、潮湿、紫外线、温度及污秽等，也包括伴随着电晕放电的过程中产生的硝酸与臭氧这类影响因素［13－14，27－31］。但是，传统方法所得到的测量结果受主观因素影响较大，采用原有的基于憎水特性的评价方法并不能完全可靠的反映绝缘子的实际老化状态。

2 复合绝缘子老化判断新方法

2.1 热刺激电流原理

电介质中的缺陷能态的研究主要是通过介质中的缺陷能态以及能态密度的分布分析判断电介质材料电气性能的变化、电介质的老化状态。缺陷能态密度分布特性的不同，直接与材料微结构(晶区、非晶区型界面、结构晶相等)等相关，会直接制约材料的电气特性，材料的老化等都与材料的缺陷能态以及能态密度的分布有一定的联系，因此缺陷能态是一个将材料微观特性及结构与材料的电气性能相结合的桥梁。现代材料中缺陷能态测试技术的发展，使得寻找这种桥梁以建立一种直接的联系成为可能。

根据成因不同，一般地将陷阱分成两类，即结构(物理)陷阱和化学陷阱。对于高聚物来说，其大分子链正负电荷中心往往是重叠的，对外呈中性，而长链的端部、添加的化学杂质等往往形成化学陷阱，而晶体内的裂缝、晶相与非晶相的界面等则成为结构陷阱。当在电晕放电的持续作用下，产生的高能粒子不断碰撞试样表面，引起高分子降解断裂，热电子与聚合物相互作用形成自由基和低分子，在臭氧的作用下会发生氧化反应，产生许多不饱和键和端基，这些过程必定会产生许多正负电荷中心不重合的基团，吸引电荷，形成陷阱。同时，高能粒子的机械碰撞会引起试样表面的微观结构的改变，破坏聚合物的结构，形成结构缺陷。

通常注入材料的电子会被不同能级的陷阱捕捉。在环境温度变化时，随着温度的升高，被捕捉的电子获得释放，形成TSC 特性曲线。由TSC特性曲线可以确定陷阱电荷量、陷阱能级等参数，计算如公式(1)、(2)。其中β 为升温速率，Tm为TSC 电流曲线峰值对应的温度，T 是半峰值对应温度的差值。通常硅橡胶材料的老化会使得陷阱电荷量增大，陷阱能级加深［14］。

2.2 热刺激电流测试装置

常见的TSC 试验系统示意图如图1 所示，主要分为五部分:

1)直流加压部分;

2)电流的测量部分;

3)控温部分;

4)真空环境部分;

5)电流和温度的实时记录系统［26－27］。

图1 TSC 试验系统示意图

TSC 是一种热激励过程，先将试样在某一温度T1下，加外加电场极化一段时间后，维持电场强度不变，然后迅速将样品冷却至温度T2(T2＜T1)，撤去极化电场，用升温装置使试样线性升温，并同时测量外电路的短路电流。该电流与温度的曲线即为热刺激电流的曲线。通过对TSC 曲线的相关处理与计算就可以确定出材料表面的陷阱参数。

2.3 热刺激电流研究现状

将TSC 技术用于复合绝缘子的研究［32，33］。其对不同极化电压、不同极化温度、不同极化时间下复合绝缘子的TSC 特性进行研究，确定了适合用于复合绝缘子的试验参数，并对新旧绝缘子的TSC 特性、憎水性及SEM 微观特性进行综合比对，研究表明TSC 特性可以用于判断复合绝缘子的老化状态。

对复合绝缘子的TSC 特性进行了进一步的研究［35－37］。研究证明了复合绝缘子老化会使TSC 特性发生变化，即运行多年的绝缘子与新绝缘子相比陷阱电荷量增大，陷阱能级加深，同时所得结果与憎水性、红外光谱、SEM 等结果又良好的对应性。此外，对影响复合绝缘子老化的因素也做了一定的研究。研究表明，复合绝缘子的TSC 特性作为老化评价依据有其特有的优势。

建立了110kV 电压等级复合绝缘子微观运行性能评估模型。并且分析了电场强度、运行环境和运行年限对复合绝缘子老化程度的影响，结果表明，试样高压端老化速度最快，低压端次之，中间段最慢;重污区试样的老化速度明显较快，较轻污区试样老化速度相对缓慢;随着年限的增加，试样的老化程度呈递增趋势。电场强度、运行环境、运行年限三种因素对复合绝缘子老化程度的影响由强到弱依次为:运行年限－电场强度－运行环境［38］。

2.4 制约TSC 技术应用的因素

目前解决现场复合绝缘子影响因素繁多的主要方法为人工加速老化试验，通过因素控制建立TSC 数据与老化时间的关系，并与现场试样进行年限等效，分析各个因素的权重，并将TSC 特性与其他老化判断方法进行比对，从而建立完整TSC 数据库，以对TSC 特性进行分级。

3 结束语

传统的复合绝缘子老化判断方法只关心试样的宏观性能，而且测试手段本身存在明显的缺陷。TSC 技术作为一种以空间电荷测试手段，为研究材料微观特性及结构与材料的电气性能提供了桥梁。但目前TSC 技术用于复合绝缘子老化判断还处于探索阶段，还需大量的试验补充完善数据库，以得到统一的判断方法。另外TSC 特性的机理研究也亟待解决。

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