棒形悬式复合绝缘子老化性能的评估

李晓明，薄学微，卢声彦，朱 明

棒形悬式复合绝缘子老化性能的评估

李晓明，薄学微，卢声彦，朱 明

（大连电瓷集团股份有限公司，辽宁 大连116600）

为了评估运行中棒形悬式复合绝缘子的老化性能，保证线路安全性，从实际运行线路选取不同运行年限的110 kV棒形悬式复合绝缘子作为研究对象，对其进行了外观检查试验、机械性能试验和憎水性试验的研究，并借助所使用HTV材料的微观试验（FTIR、SEM、TGA），从微观上分析和探讨棒形悬式复合绝缘子的老化机理。研究表明：定期对运行中棒形悬式复合绝缘子进行宏观和微观试验，可实现对棒形悬式复合绝缘子老化性能的评估。

棒形悬式复合绝缘子；HTV；老化

0 前言

复合绝缘子以其重量轻、耐污闪性能好、维护方便等优点广泛应用于输电线路中[1]。至今已有近40年的历史，已在世界上27个国家和地区使用。早期复合绝缘子材质包括脂肪族环氧树脂、二元和三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯及室温硅橡胶等，由于这些材料制造的复合绝缘子使用一定时间后因老化而漏电起痕等问题，即使是绝缘、耐候、憎水等性能比较优越的室温硫化硅橡胶凃覆在陶瓷绝缘子表面上，也会因机械损伤及腐蚀开裂而漏电起痕。从20世纪70年代高温硫化硅橡胶材料的开发，并以其优异的憎水性恢复和迁移特性作为制造复合绝缘子伞套材料关键因素[2-7]，在复合绝缘子制造中得以广泛应用。迄今为止，棒形悬式复合绝缘子在网运行已达60万支[8]。在运行中复合绝缘子承受日照、污秽、鸟害、冰雪、温差及空气中有害物质等大气环境老化因素和电场、电流等电老化因素以及长期工作负载等机械老化因素的影响，使得硅橡胶绝缘子逐步老化。其宏观表现为硅橡胶材料表面龟裂、憎水性部分或完全丧失、机械性能和绝缘性能下降等现象；微观上表现为硅橡胶分子结构变化，分子键断裂等情况；最终导致棒形悬式复合绝缘子表面畸变，湿闪电压和污闪电压下降，造成输电线路运行闪络故障[9-12]。

笔者选取运行不同年限的110 kV棒形悬式复合绝缘子作为样品，通过对其进行外观检查、机械性能、憎水性，红外光谱、热失重及扫描电镜等分析对其安全寿命进行评估，进一步完善复合绝缘子老化的预测方法以及为及时发现和更换性能老化的复合绝缘子，防止线路闪络，提高供电可靠性奠定理论基础。

1 宏观运行性能分析

1.1 外观质量及憎水性检查

根据DL/T 257、GB/T19519和DL/T864标准[13-15]分别对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行外观检查及憎水性测试试验。试验结果见表1。从表1可看出，随着运行时间的延长，棒形悬式复合绝缘子憎水性有下降趋势。运行14年的复合绝缘子伞裙材料表面出现脆化现象，运行24年的产品在端部密封部位出现裂纹。由此可见，通过外观检查和憎水性测试可以反映棒形悬式复合绝缘子老化程度。

表1 棒形悬式复合绝缘子外观质量及憎水性Table 1 The visual examination and hydrophobicity of long rod composite insulator

1.2 机械性能测试

根据DL/T 257、GB/T19519和DL/T864标准分别对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行硬度和撕裂强度试验。试验结果见图1。

图1 硬度和撕裂强度随时间变化曲线Fig.1 The curve diagram of hardness and tear strength versus time

从图1可看出，随着运行时间的延长，棒形悬式复合绝缘子伞裙材料硬度增大，撕裂强度减小。由于棒形悬式复合绝缘子长期运行中在环境气候和机械作用力等因素的影响下，硅橡胶分子链发生断裂，断裂后的自由基再相互作用产生交联结构，从而使材料变硬、变脆。因此，硅橡胶硬度和撕裂强度的变化情况可反映出硅橡胶材料的老化趋势。

2 微观检测分析

2.1 FTIR分析

试验使用Spectrum 10傅里叶红外光谱仪对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行FTIR分析，随着运行时间的延长，其Si-CH3和Si-O官能团吸收峰面积呈减小趋势。图2、图3中所示为运行24年的复合绝缘子，其与运行5年的复合绝缘子相比，其中Si-CH3官能团吸收峰面积下降30%，Si-O官能团吸收峰面积下降20%，表明其硅橡胶材料内部化学键已经发生断裂，材料憎水性明显下降，这与其宏观性能分析结果相一致。Si-CH3官能团吸收峰面积的变化主要反映硅橡胶材料侧链断裂程度，Si-O官能团吸收峰面积的变化主要反映硅橡胶材料主链断裂程度。主链、侧链的断裂程度反映了硅橡胶材料的老化程度。因此，通过FTIR方法测定Si-CH3和Si-O官能团吸收峰并计算出峰值面积可以反映出硅橡胶材料的老化趋势。

图2 硅橡胶红外光谱分析Fig.2 Infrared spectroscopic analysis on silicone rubber

图3 硅橡胶红外吸收峰面积随时间变化曲线Fig.3 The curve diagram of infrared absorption peak area versus time

2.2 能谱分析

试验使用日本电子SM-6510扫描电镜对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行EDS分析，测定硅橡胶材料中C、O和Si元素含量。见图4。

图4 C、Si、O元素含量Fig.4 Contents of C，Si and O elements

图4中从运行5年到运行24年的棒形悬式复合绝缘子，其硅橡胶材料中C、Si元素含量随运行时间延长呈下降趋势，O元素含量随运行时间延长呈上升趋势。

2.3 热失重分析

试验用SDT Q600 V20.9 Build 20热分析仪对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行TGA分析，测定硅橡胶材料中橡胶组分的百分含量。见图5。

图5 硅橡胶含量随时间变化曲线Fig.5 The content curve diagram of silicone rubber versus time

从图中可看出，棒形悬式复合绝缘子材料中橡胶组分含量随运行时间延长呈下降趋势。随着运行时间的延长，硅橡胶材料自身化学键发生断裂，材料逐渐老化，其有机物大分子结构发生变化，其有机物含量减少，这与FTIR测定的官能团吸收峰面积变化结果相吻合。因此，通过TGA方法测定棒形悬式复合绝缘子材料中橡胶组分含量可以反映出硅橡胶材料的老化趋势。

3 结论

1）通过对运行不同年限的棒形悬式复合绝缘子进行外观检查、憎水性试验、机械性能试验，试验结果表明随着运行年限的延长其硅橡胶材料老化趋势越明显。

2）借助FTIR、TGA、SEM等方法对棒形悬式复合绝缘子进行微观结构分析，结果表明，硅橡胶材料的微观结构随运行年限延长不断发生变化，与宏观表现相吻合，从而确定微观结构改变可以反映出硅橡胶材料的老化趋势。

3）定期对棒形悬式复合绝缘子各项性能进行检测分析，评估运行中棒形悬式复合绝缘子的安全寿命，可以保证线路运行的安全性。

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The Aging Performance Evaluation for Long Rod Composite Insulator

LI Xiaoming，BO Xuewei，LU Shengyan，ZHU Ming
（Dalian Insulator Co.，Ltd.，Dalian 116600，China）

In this study，110 kV long rod composite insulators with different years in operation are selected for evaluating the aging property of long rod composite insulators，thereby ensuring the secu⁃rity of power line.Visual inspection and hydrophobic tests are carried out.Characterizations such as FT⁃IR，SEM，and TGA are used to investigate the aging mechanism of long rod composite insulators.The re⁃sults show that aging property of long rod composite insulator can be evaluated effectively by the combina⁃tion of macro tests and microscopic characterization.

long rod composite insulator；HTV；aging

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.043

2016-09-09

李晓明（1981—），女，工程师，现从事复合绝缘子研究工作。