基于陷阱特性的运行复合绝缘子老化定量评估

梁 英 靳 哲 刘云鹏 陈逸昕

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 保定 071003）

0 引言

复合绝缘子具有优异的防污闪性，在我国特高压工程中得到了大量应用，其长期运行性能也越来越被相关人员所关注，而复合绝缘子的耐老化性及寿命评估则成为研究热点。目前，对现场复合绝缘子老化状态的评估主要是通过现场在线监测和实验室离线测试两种途径[1-4]。实验室测试属于离线检测，不易受现场复杂电磁环境的干扰，故具有可靠性较高、易实现等优势，成为复合绝缘子老化状态评估时普遍采用的方式。研究者提出了诸多实验室评价复合绝缘子老化状态的指标和方法，包括闪络电压、泄漏电流、憎水性、硬度、撕裂强度以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等。这些参量大多直接反映了复合绝缘子的表面性能。

实际上，复合绝缘子老化是在电应力、机械力及环境应力综合作用下发生并发展，不仅会改变表面特性，也可能影响本征特性，即体特性[5-9]。近年来，热刺激电流法（Thermal Stimulated Current，TSC）逐步应用于对高聚物老化后的空间电荷特性研究中[10-13]，指出现场复合绝缘子老化后会产生更多较深能级的陷阱，然而未对绝缘子老化状态的界定进行定量描述[12]。研究者通过分析硅橡胶材料的TSC与静态接触角的变化，建立了特定老化条件（电晕放电）下陷阱特性与接触角间的定量关系[13]，对现场绝缘子的指导性不强。同时，憎水性、闪络特性等均属材料的表面性能，易受环境因素的影响且具有反复性，与材料本征特性间的对应性尚无定论。

体积电阻率是绝缘材料的一个重要电参量，且高聚物的体积电阻率与温度之间具有一定相关性[14,15]。复合绝缘子外绝缘是以硅橡胶为基材的高聚物，其体积电阻率-温度特性应遵循一定规律，当不再满足此规律时，将意味着材料寿命的终结。利用这一现象可为 TSC技术在定量评估复合绝缘子严重老化时的标准制定提供参考。同时，TSC测试与体积电阻率均与材料的本征特性相关且同属材料电特性测试范畴，两者间具有紧密联系。

基于此，本文以两厂家运行不同年限的复合绝缘子为研究对象，借助TSC技术对其陷阱特性进行测试，利用研制的针对小尺寸试样的三电极系统对试样的体积电阻率-温度特性进行了观测，通过FTIR和SEM等手段研究分析了试样的陷阱特性和其体积电阻率-温度特性间的相关性，进而探讨了陷阱特性在现场复合绝缘子严重老化定量评估中的应用。

1 试验部分

1.1 试样制备

鉴于TSC及FTIR等测试均对试样的厚度及均匀性具有一定要求，因此首先需考虑如何从复合绝缘子伞裙上获得厚度较薄且均匀的试样。复合绝缘子材料韧性大，伞裙形状特殊，且多年运行后可能存在较为严重的粉化现象，采用常规方法切取厚度均匀平整的大尺寸试样难度较大。课题组为此研发了一套复合绝缘子专用切片仪，如图1所示。利用该仪器可直接从绝缘子伞裙上切取直径 20mm，厚1.3mm的圆形试样。

图1 复合绝缘子专用切片仪Fig.1 Special sliced instrument of composite insulators

研究表明，绝缘子运行环境等背景信息对其老化特性会产生一定影响[16]。故文中所选同一厂家绝缘子均来自运行环境相近的地区。另外，考虑到绝缘子表面电场分布可能对其老化带来一定程度的影响，所取试样均来自绝缘子高压端第一片伞裙的上表面，且将上表面均匀划分为四个区域分别进行取样以削弱方位造成的影响，如图2所示。如无特别说明，文中的测试结果皆为四片试样的平均值。

图2 试验取样示例Fig.2 Sketch map for sampling

为了去除绝缘子输运和久置后表面附着的杂质和吸收的水分，试验前使用无水乙醇对试样表面进行清洗，并用去离子水冲洗后放入干燥箱在30℃环境中干燥24h备用。试验时，试样两面蒸镀厚50nm的金膜以保证 TSC以及体积电阻率-温度测试中试样与电极的良好接触（见图2）。根据绝缘子厂家及运行年限的不同对试样进行了编号，列于表1。

表1 绝缘子试样信息Tab.1 Information for samples

1.2 TSC试验

TSC测试原理如图3所示，利用温度控制器将试样温度升至Tb，闭合开关S1对试样施加直流电压Vb一定时间tb，保持Vb一定，将试样温度迅速降至某一低温，然后打开S1撤去Vb，将微电流计接通试样上下表面，以一定的升温速率β（K/min）升温。温度很低时，试样中的偶极子和被俘获的陷阱电荷处于“冻结”状态，电路里没有电流流过。之后随着温度的升高，被俘获的陷阱电荷逐渐获得能量成为可移动的粒子，同时材料高分子链上尺寸由小到大的偶极子也将依次发生退极化，在外电路形成电流，从而可得到TSC谱。利用相关算法经解谱即可获得陷阱电荷Q及陷阱能H等参数[17]。

图3 TSC测试原理Fig.3 TSC test principle

为防止加压时出现表面闪络，该 TSC试验在4×10-3Pa的真空环境下进行。同时，为了提高测试精度，采用Keithley 6517B型静电计测量外电路的微电流（输入阻抗高达 200TΩ，最小可测电流为1fA，读数率为 425读数/s）。试验时，施加的极化电压Vb为 10kV，确定的极化温度Tb、极化时间tb及升温速率β分别为316K、20min和2K/min。

1.3 体积电阻率-温度测试

文中试样的直径为 20mm，而体积电阻率测试的现有标准中推荐的试样直径为 80mm。显然，无法直接利用现有标准对制备的试样进行测试。为此，根据三电极测试原理自行研制了针对现场绝缘子小尺寸试样的体积电阻率测试系统，并对系统的测试精度及稳定性进行了验证。利用该系统对试样的体积电阻率随温度的变化进行了测试，有关测试系统及测试过程等可参考文献[18]。一般情况下，高分子材料的体积电阻率与温度间满足

式中，T为热力学温度；A为常数；E为电导活化能。可见，lnρv- 1T具有一定相关性，文中体积电阻率-温度特性均指lnρv- 1T关系。

2 试验结果与讨论

2.1 TSC测试

两厂家各绝缘子试样的TSC曲线如图4所示。为了对比复合绝缘子投运前后的老化程度，对两厂家的新试样也进行了测试（新试样取自同一系列绝缘子伞裙的上下表面中间，即不易受到外界因素影响的部分[17]），分别标记为 Anew和 Bnew。从图4可以看出：①A、B两厂家试样的TSC曲线形状具有一定区别，而同一厂家试样的TSC曲线形状相近，两厂家试样的TSC曲线均在318K附近出现了一主峰，说明不同厂家的绝缘子基材大致相同，而配方或工艺可能存在一定差别。②总体上，随着运行年限的增加，两厂家复合绝缘子的TSC峰值呈增加趋势，且运行时长超过 10年的试样，其对应的 TSC峰值变化较显著。相对而言，试样B4的变化最为明显，其峰值电流达到了128pA。考虑到各试样峰值电流所对应的温度变化不大，仅根据TSC曲线计算了各试样的陷阱电荷量，相关参数列于表2。表中同时给出了试样陷阱电荷量相对变化率，即其陷阱电荷量与新试样的比值。从表中可以看出，A、B厂家新试样的陷阱电荷量并不相同，这也说明两厂家绝缘子微观结构存在一定差别。同时，陷阱电荷量相对变化率随着运行年限的增加有所增大，且试样B4变化最大，说明只有当绝缘子结构变化达到一定程度时才会引起陷阱电荷量的显著改变。

图4 不同运行年限绝缘子试样的TSC谱图Fig.4 TSC spectrogram of A and B series samples

表2 两厂家运行不同年限的试样陷阱参数Tab.2 Trap parameters for samples with different operating years from A and B manufacturers

2.2 体积电阻率-温度测试

图5给出了两厂家各绝缘子试样的体积电阻率-温度测量结果（三次）。同时对三次测量结果的平均值进行了线性拟合，并计算了相应曲线的线性相关度R2（见图5）。可以看出，A系列试样的lnρv随着温度的升高近乎线性递减。对于运行15年之久的试样A4，其线性相关性明显低于A系列其他试样；对于B系列试样，运行5年的试样B1的lnρv- 1T满足线性变化，其余三种试样均未呈现出明显规律性，同时曲线对应的线性相关性较弱。

2.3 SEM和FTIR测试

图5 不同运行年限绝缘子试样的ln ρv - 1TFig.5 ln ρv - 1 T for samples with different operating years from A and B manufacturers

对试样进行SEM测试，以观测绝缘子运行过程中发生的表面形貌变化。需要注意的是测试前将清洗了绝缘子表面以排除污秽等的影响。图6所示为各试样放大500倍的典型SEM结果。对比观察各图，可以发现A系列试样表面布满孔洞状缺陷，且随着运行年限的增加孔洞由絮状变得更为致密，尤以试样A4表面的孔洞面积最大；与A厂相比，试样B1表面差别不大，主要为孔洞，而其他三种试样表面的缺陷形式以裂纹、裂缝为主，甚至出现大片沟壑状裂缝。

图6 SEM测试结果Fig.6 SEM results of samples

同时，为了观测试样表面化学结构的异同，进行了ATR-FTIR测试。根据所得FTIR谱图，采用吸收峰面积法对 A、B系列试样的主链结构 Si-O-Si和侧链结构Si-CH3进行了定量分析，结果如图7所示。显然，两厂家的试样经过多年运行后，其材料中的Si-O-Si和Si-CH3含量均有不同程度的降低。相对而言，Si-CH3结构变化幅度较大，而A4、B2、B3、B4试样的减少幅度明显大于其他试样。

图7 两厂家试样上表面的FTIR吸收峰面积对比Fig.7 Comparison of absorption peak areas of FTIR spectrum for samples

2.4 结果分析

分析图4的TSC谱图及表2中的陷阱参数，可以发现总体上随着投运时间的增加，两厂家的试样的陷阱电荷量呈增加趋势且运行时长超过 10年的试样更为显著。根据图6的SEM测试结果可知，运行过程中试样表面出现了一系列新的界面态，A厂家试样以孔洞状缺陷为主，且随着运行年限的增加孔洞由絮状变得更为致密，B厂家的试样表面则主要出现了裂纹、裂缝等缺陷形式。由 FTIR测试结果可知，复合绝缘子材料的主链结构逐渐被打断产生许多可移动的短链结构。可见，复合绝缘子长期经受机电及环境应力的作用，其内部结构逐渐发生变化，出现了更多的物理缺陷和化学陷阱。这些缺陷在TSC加压过程中势必捕捉更多的电荷，表现在TSC曲线中即为电流峰峰值的增加。

另一方面，与其他高聚物类似，硅橡胶材料的lnρv- 1T之间通常满足线性关系。A厂家运行若干年后的试样，其lnρv- 1T曲线呈线性变化，说明 A厂家生产的复合绝缘子在运行多年后仍基本保持着高聚物的固有属性。运行 15年之后的试样 A4其lnρv- 1T线性相关度则较低。对于B厂家的复合绝缘子，运行10年后其试样的lnρv- 1T未显现任何规律，可见其高分子结构已大部分受到破坏。从SEM及FTIR分析图可以清楚地看到，试样A4表面的结构缺陷形式有别于A厂其他试样，而B厂绝缘子从B2开始，其表面逐渐出现明显长而深的裂缝且对应的 Si-CH3结构随着运行年限的增加呈现较大的变化。试样 B2的微观形貌和化学结构均较 B3变化明显，这就解释了为什么B2的陷阱电荷量相对变化率比B3大且其对应的lnρv- 1T线性相关度也低。

2.5 讨论

高聚物材料的微观聚集态结构和化学结构是影响材料性能的重要因素。其中，自由体积作为高聚物的一种重要的本征结构缺陷，是指高聚物材料中分子链段间无规分布的孔穴，这些孔穴为分子链运动提供了必要的空间，与高聚物的力学性能、电学性能等密切相关[19]。

复合绝缘子外绝缘基材为HTV硅橡胶，其分子主链由硅氧键构成，侧链是甲基与硅原子相连。在紫外光、污湿及放电等因素作用下，其晶态结构可能遭到破坏，增大了自由体积，形成更多结构缺陷。而主链硅氧键是极性键，易受到其他极性化学物质攻击而断裂，在高能粒子作用下也可能断裂，之后还将引发硅氧链的逐渐断裂形成短链，产生更多化学陷阱且这些断链结构也为分子链运动提供了一定空间[20-23]。另外，硅橡胶的硅碳键或碳氢键可能断裂形成自由基。硅橡胶老化后这些新结构和新基团的引入是材料内部产生更多陷阱的主要原因。同时，lnρv- 1T中随着温度的升高，当材料的自由体积与某种结构单元体积大小相当时，该单元便有了自由运动的机会，使得离子迁移率增加，进而降低了体积电阻率[14]。而在某一温度区域内，材料中用于某种结构单元自由运动的自由体积越大，则可移动粒子越易运动，宏观上可能使材料的lnρv- 1T发展趋势发生改变。

由此可见，硅橡胶材料的陷阱特性与lnρv- 1T特性均能够从一定程度上反映材料内部的物理或化学结构变化情况。对于高聚物，某种因素致使材料内的陷阱增加时，通常伴随着材料自由体积的增大，进而影响所测得的lnρv- 1T曲线发展趋势。当lnρv不再随着温度的升高而降低或lnρv- 1T曲线线性相关度明显下降时，说明材料不再具备高聚物的固有属性，也即意味着材料寿命的终结。

基于此，通过测试复合绝缘子材料的陷阱电荷量，结合对应的lnρv- 1T特性，可对现场复合绝缘子的严重老化程度进行界定。就本文所选取的两厂家复合绝缘子而言，对比表2和图5可以发现，两厂家新绝缘子的陷阱电荷量及lnρv- 1T曲线线性相关度有所差别，故在进行老化状态评估时应区别对待。A厂家运行 15年的试样 A4，其lnρv- 1T线性相关性较差，可将对应的陷阱电荷量相对变化率2.20作为A厂绝缘子老化严重的阈值；B厂运行10年后的试样B2，其lnρv- 1T曲线线性相关度已呈严重下降，故将对应的陷阱电荷量相对变化率 2.35设定为其老化严重的标准。运行 19年之久的试样B4的陷阱电荷量相对变化率（4.41）超过了该阈值，而运行15年的绝缘子B3对应的陷阱电荷量相对变化率却位于阈值之下。该结果与对应试样的微观结构变化一致。可见，复合绝缘子的老化只有达到一定程度时才会引起陷阱电荷量的显著改变，且其老化程度并非简单地随着运行年限的增加而加剧。

3 结论

（1）复合绝缘子运行过程中可能引发其陷阱特性的变化，随着运行年限的增加，两厂家复合绝缘子的陷阱特性变化（陷阱电荷量相对变化率）总体上与对应的lnρv- 1T特性变化（线性相关度）具有负相关性。

（2）复合绝缘子的老化只有达到一定程度时才会引起陷阱电荷量的显著改变，且其老化程度并非简单地随着运行年限的增加而加剧。

（3）复合绝缘子的陷阱特性与其微观结构的变化存在一定联系，老化引起的材料结构变化及化学基团的产生是造成更多陷阱电荷量的主要原因。

（4）根据陷阱特性，结合对应的lnρv- 1T变化，可对现场复合绝缘子的严重老化进行界定：A厂运行15年的绝缘子，其lnρv- 1T线性相关性较差，对应的陷阱电荷量相对变化率2.20可作为A厂绝缘子老化严重的阈值，B厂阈值为2.35。

需要注意的是，文中提出了现场复合绝缘子严重老化时的陷阱特性阈值，由于不同厂家在材料配方和制造工艺上存在一定差别，制定该阈值时需予以区分。另外，如何界定老化进程中各老化状态的陷阱阈值是今后进一步深入研究的内容。

[1]关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]程养春,李成榕,王晓刚,等.DL-1型合成绝缘子检测仪现场测试分析[J].高电压技术,2003,29(5):42-44.

Cheng Yangchun,Li Chengrong,Wang Xiaogang,et al.Analysis of Field Test of DL-1 composite insulator detector[J].High Voltage Engineering,2003,29(5):42-44.

[3]Berg M,Thottappillil R,Scuka V,et al.Hydrophobicity estimation of HV polymeric insulating materials development of a digital image processing method[J].IEEE Transactions on and Electrical Insulation Society,2001,8(6): 1098-1107.

[4]唐良瑞,张晶,孙毅.基于信息测度和 Hausdorff距离的复合绝缘子憎水性等级判定[J].电工技术学报,2009,24(1): 35-41.

Tang Liangrui,Zhang Jing,Sun Yi,et al.Estimating the level of hydrophobicity of composite insulators based on information measures and hausdorff distance[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(1): 35-41.

[5]徐征,郭盼,何晓龙,等.基于核磁共振原理的复合绝缘子老化问题研究[J].高压电器,2012,48(3):21-25.

Xu Zheng,Guo Pan,He Xiaolong,et al.Aging detection of composite insulator with nuclear magnetic resonance theory[J].High Voltage Apparatus,2012,48(3): 21-25.

[6]尹毅,肖登明,屠德民,等.空间电荷在评估绝缘聚合物电老化程度中的应用研究[J].中国电机工程学报,2002,22(1): 43-48.

Yin Yi,Xiao Dengming,Tu Demin.An application of space charge in valuing the electric ageing degree of insulating polymer[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(1): 43-48.

[7]Moudoud M,Megherbi M,Mekious M,et al.Thermal aging effect on charging and discharging currents in polymers under DC stress[C].IEEE International Symposium on Electrical Insulation,2008: 506-509.

[8]Mazzanti G,Montanari G C,Palmieri F.Quantities extracted from space-charge measurements as markers for insulation aging[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2003,10(2): 198-203.

[9]Chen G,Fu M,Liu X Z,et al.AC aging and space-charge characteristics in low-density polyethylene polymeric insulation[J].Journal of Applied Physics,2005,97(8): 1-7.

[10]尹毅,肖登明,屠德民,等.TSC/TSL联合谱在绝缘聚合物电老化研究中的应用[J].中国电机工程学报,2002,22(3): 1-5.

Yin Yi,Xiao Dengming,Tu Demin,et al.Application of TSC/TSL-united-spectra in investigation of electrical aging in insulating polymer[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(3): 1-5.

[11]梁英,李成榕,丁立健,等.合成绝缘子材料 TSC试验研究[J].电工技术学报,2006,21(2): 13-16,26.

Liang Ying,Li Chengrong,Ding Lijian,et al.Experimental test on TSC of the composite insulators[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(2): 13-16,26.

[12]张辉,屠幼萍,佟宇梁,等.基于 TSC测试的硅橡胶复合绝缘子伞裙材料老化特性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(19): 169-174.

Zhang Hui,Tu Youping,Tong Yuliang,et al.Study on aging characteristics of Silicone rubber sheds of composite insulators based on TSC test[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(19):169-174.

[13]梁英.高温硫化（HTV）硅橡胶电晕老化特性及机理的研究[D].保定: 华北电力大学,2008.

[14]李长明.高分子绝缘材料化学基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007.

[15]吴其晔,张萍,杨文君,等.高分子物理学[M].北京: 高等教育出版社,2011.

[16]杨晓辉.基于傅立叶变换红外光谱测试的复合绝缘子老化评估方法研究[D].保定: 华北电力大学,2012.

[17]李聪.复合绝缘子热刺激电流测量的实现与应用[D].保定: 华北电力大学,2012.

[18]陈逸昕.人工电晕老化条件下复合绝缘子材料体积电阻率特性研究[D].保定: 华北电力大学,2013.

[19]Liao K,Chen H,Awad S,et al.Determination of free-volume properties in polymers without orthopositronium components in positron annihilation lifetime spectroscopy[J].Macromolecules,2011,44(17): 6818-6826.

[20]Bin Ma,Johan Andersson,Stanislaw M Gubanski.Evaluating resistance of polymeric materials for outdoor applications to corona and ozone[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2010,17(2): 555-565.

[21]Bin Ma,Stanislaw M Gubanski.AC and DC Corona/Ozone-induced ageing of HTV Silicone rubber[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,18(6): 1984-1994.

[22]王建国,刘洋,方春华,等.交流电流对高温硫化硅橡胶性能的影响[J].高分子学报,2009(4): 331-337.

Wang Jianguo,Liu Yang,Fang Chunhua,et al.Performance influence of high temperature vulcanization silicone rubber by alternating current corona discharge[J].Acta Polymerica Sinica,2009(4): 331-337.

[23]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(27) : 19-23.

Ling Xidong,Li Zhenyu,Zhou Yuanxiang.Influences of AC corona on hydrophobicity of silicone rubber [J].Proceedings of the CSEE,2007,27(27): 19-23