不同运行条件下复合绝缘子伞裙老化特性研究

贺姣姣

(陕西省地方电力(集团)有限公司榆林电力分公司，陕西 榆林 719000)

0 引 言

复合绝缘子因其质量轻、耐污性能优异、维护简单等优点而被广泛应用于电力系统中[1-2]，但是，由于复合绝缘子构成材料多样，不同材质界面间易因其本身质量问题、密封不严受潮、粘接不紧密有空隙等原因造成局部放电，进而造成硅橡胶护套烧蚀穿孔、芯棒断裂等一系列严重问题[3-4]。硅橡胶伞裙与外部环境直接接触，易受空气中不同污秽成分、温湿度、气候等条件影响，不同的运行环境下，伞裙老化特性不同[5-7]。通过检测硅橡胶伞裙憎水性、硬度等宏观表征，以及伞裙微观形貌、元素含量等能够得到复合绝缘子伞裙老化程度较为准确的结果[8-9]。如文献[10]搭建了复合绝缘子试验平台，模拟电晕放电、盐灰密等环境因素，测试并分析了不同环境中复合绝缘子憎水性的丧失和恢复特性。文献[11]采用傅里叶红外光谱分析(FTIR)对浸泡在不同酸碱溶液中的复合绝缘子硅橡胶伞裙进行了检测，从而分析了不同酸碱环境下硅橡胶伞裙的老化状况。文献[12]利用傅里叶红外光谱分析和硬度测试方法，分析了同一电压等级、相同运行环境下处于不同位置复合绝缘子的老化特性，但上述研究并没有综合考虑复合绝缘子本身运行条件和外部真实环境双重作用下的老化情况。

为更好地评价不同运行条件下复合绝缘子伞裙老化特性，评估其运行性能，本文在充分考虑外部环境的情况下，对不同电压等级、不同生产厂家、不同运行年限、不同运行环境的复合绝缘子进行了憎水性和傅里叶红外光谱的对比分析，从而进一步明确了影响复合绝缘子安全运行的主要因素，并给出了相应的运维建议。

1 复合绝缘子伞裙老化表征

复合绝缘子伞裙是以羟基封端的硅氧烷作为基础胶料，在交联剂等的作用下，在高温下交联形成三维网状结构的高分子硅橡胶。已有的研究表明，配方良好的硅橡胶耐紫外线性能、热稳定性及耐电蚀能力良好，但受运行环境影响，运行后的复合绝缘子伞裙表面会出现很多变化，如变色或表面析出白色粉末等，更严重者会出现伞裙表面龟裂、发粘、发霉等。目前，运行中复合绝缘子硅橡胶伞裙普遍存在的老化现象主要集中在部分产品表面憎水性下降、硬度增加和抗撕裂强度变差等。

憎水性下降包括表面憎水性以及憎水迁移性下降，这是伞裙劣化的最直接表现。通过憎水性试验(静态接触角法(CA法)、动态接触角法、喷水分级法(HC法)、动态滴水法等)能有效检测出复合绝缘子表面憎水性[9-10]。

硅橡胶的主链为Si-O-Si，侧链主要是甲基基团Si-(CH3)2，主链和侧链的完整程度可以反映硅橡胶的老化程度，而硅橡胶中的C-H、Si-CH3是非极性基团，紧密排列在主链的外部，是硅橡胶具有憎水性的主要原因，在外界水分空气的作用下，硅橡胶逐渐氧化并引入亲水性的-OH，因此-OH能反映硅橡胶的憎水性。硅橡胶的基团中，Si-C键能相对较低，比较容易遭到破坏，因此伞裙在运行过程中逐渐老化，Si-C可以作为硅橡胶老化程度的表征[11-12]。

通过采用喷水分级法宏观检测复合绝缘子憎水性，采用傅里叶红外光谱微观检测复合绝缘子不同基团吸收峰面积，可以有效评估不同运行条件下复合绝缘子伞裙老化特性。

2 老化特性检测与分析

为评价在网复合绝缘子的运行状态，根据现行的架空输电线路运行规程[13]及中国电科院关于复合绝缘子抽检周期的建议，对运行时间超过8年或处于较恶劣运行环境下的复合绝缘子开展质量抽检工作，共抽检了33个厂家批次的153支在运复合绝缘子。所抽检复合绝缘子运行年限分布如图1所示。

当复合绝缘子电压等级、运行环境、所处地区污秽等级、运行年限、生产厂家不同时，复合绝缘子的老化程度及特性均存在一定差异。为更好地评估不同运行条件下复合绝缘子伞裙的老化程度，优化运行中复合绝缘子运维策略，考虑实际情况，在已抽检的153支复合绝缘子中选取具有不同特点的复合绝缘子进行憎水性和傅里叶红外光谱分析并对比，并通过伞裙试品的热重分析进行验证。

图1 抽检复合绝缘子运行年限分布情况

2.1 被试样品

不同的复合绝缘子厂家因原材料配方、生产工艺等不同，所生产的复合绝缘子产品质量可能存在较大差异。为保证测试分析结果的科学性，对已抽检的153支复合绝缘子进行分析，最终筛选出生产厂家相同，运行年限、所处地区污秽等级和运行环境不同的复合绝缘子作为被试品。根据分析侧重点不同，将被试品分为3组，并测试其憎水性。

从153支复合绝缘子中选取运行于某重污秽地区的2条35 kV线路由同一厂家生产的3支复合绝缘子，分别标记为01、02、03号试品。其中01号与02号为同一线路绝缘子，依据“运行时间超过8年”原则抽选，03号为相邻线路复合绝缘子，依据“处于较恶劣运行环境下”原则抽选。此3支复合绝缘子电压等级、生产厂家和所处环境污秽等级均相同，运行年限不同，试品信息如表1所示。

表1 运行年限不同的复合绝缘子试品

从153支复合绝缘子中选取运行于同一条110 kV线路上同一厂家生产的6支复合绝缘子，分别标记为04-09号试品，其运行年限为11年，依据“运行时间超过8年”原则抽选。该线路运行于环境污秽等级不同的区域，04-06号试品环境污秽等级为c， 07-09号试品环境污秽等级为b，其他条件相同。此6支复合绝缘子电压等级、生产厂家和运行年限均相同，04-06号与07-09号所处环境污秽等级不同，试品信息如表2所示。

表2 所处环境污秽等级不同的复合绝缘子试品

从153支复合绝缘子中选取运行于不同环境下的2条110 kV线路由同一厂家生产的4支复合绝缘子，分别标记为10、11号试品，其运行环境为沙漠，运行年限为12年；12、13号试品，其运行环境为化工厂，运行年限为13年，均依据“运行时间超过8年”原则抽选。此4支复合绝缘子电压等级、生产厂家相同，运行年限相近(根据运行经验，同厂家生产的复合绝缘子运行年限仅相差1年的，其老化程度相差不大)，但10、11号与12、13号运行环境不同，试品信息如表3所示。

表3 运行环境不同的复合绝缘子试品

需要说明的是，为保证试品分析结果的准确性，避免单一试品因其特异性带来分析误差，因此，表2、表3中同类试品均为2支及以上。此外，如图2所示测试的憎水性等级可作为判断复合绝缘子伞裙老化特性的参考。

(a)05号试品-HC2

(b)01号试品-HC5

2.2 傅里叶红外光谱分析

采用傅里叶红外光谱仪测量复合绝缘子硅橡胶伞裙红外光谱的吸收峰位置和强度能够准确分析伞裙的微观化学结构变化。硅氧烷主要基团及其特征吸收峰波数范围如表4所示。

表4 硅氧烷主要基团及其特征吸收峰波数范围

因此，对表1—表3中的复合绝缘子试品进行红外光谱对比分析，能直观判断出不同试品的微观化学结构变化，即老化差异。

1)对表1中的3支试品进行傅里叶红外光谱分析，光谱对比如图3所示。

分析图3可知，01号试品的-OH含量(3 700～3 200 cm-1)略高于02号和03号试品，且其主链Si-O-Si(1 100～1 000 cm-1)和侧链Si-(CH3)2(840～790 cm-1)的吸收峰都比较低，主链和侧链被破坏表明伞裙的老化比较严重，因此01号试品的憎水性比02号和03号差，这与喷水分级法试验的结果一致。进一步分析图2，运行年限分别达8年和13年的试品，其硅橡胶伞裙主要的憎水性官能团含量下降(-OH含量上升)明显，且8年到13年比4年到8年的吸光率差值要大很多；比较波段在1 500 cm-1至3 000 cm-1的官能团吸收峰，4年和8年的试品几乎相同，而13年的试品吸收峰剧增。这些表明随着运行年限的增加，复合绝缘子伞裙会逐渐老化，硅橡胶主链和憎水性官能团会逐渐遭到破坏，尤其是在运行年限超过某个时间后老化进程会突然加速。

图3 运行年限不同的复合绝缘子红外光谱对比

考虑相关规程规定中建议的复合绝缘子抽检试验周期，综合此次试验结果，判断这个时间年限注意值为8年。为验证这一结果，对包括01～13号试品在内的153支、33个厂家批次的复合绝缘子进行抽检试验，对其中水扩散试验结果不合格的25支试品的运行年限进行统计，其中仅2支试品的运行年限在8年以下，而运行年限超过8年的复合绝缘子出现水扩散试验不合格的概率高达90%以上。

综合上述结果，运维单位应加强对运行年限较长，尤其是超过8年的复合绝缘子憎水性检测，并根据年度抽检试验结果及时采取更换或加强复合绝缘子状态监测的运维策略。

2)对表2中的6支试品进行傅里叶红外光谱分析，光谱对比如图4所示。

图4 所处地区污秽等级不同的复合绝缘子红外光谱对比

测量到的特征官能团的吸收峰面积如表5所示。

表5 测得不同复合绝缘子特征官能团的吸收峰面积

通过比较可以看出，04，05，06号和07，08，09号试品的憎水性基团(Si-CH3)含量相差不大，表明宏观憎水性也相差不大，这与喷水分级法试验的结果一致。04，05，06号的主链Si-O-Si基团吸收峰面积相对较小，表明这3支试品主链的破坏较严重，伞裙老化程度高，耐老化性能不如07，08，09号，表明环境污秽等级越高(污染越严重)，空气中的污染物对硅橡胶伞裙的不利影响也越严重，甚至可能出现腐蚀伞裙表面的情况，从而导致伞裙老化进程加快，憎水性丧失的也越快；因此，运维单位要加大对运行于较重污秽地区，尤其是排放酸性污染气体厂区附近复合绝缘子的状态检(监)测。

3)对表3中的4支试品进行傅里叶红外光谱分析，光谱对比如图5所示。

图5 运行环境不同的复合绝缘子红外光谱对比

测量到的特征官能团的吸收峰面积如表6所示。

通过比较可以看出，总体上12，13号试品的主链和侧链的吸收峰面积大于10，11号试品，表明12，13号试品硅橡胶伞裙的老化程度相对较轻，其憎水性基团含量也相对较高，表明伞裙的憎水性也更好。

表6 测得不同复合绝缘子特征官能团的吸收峰面积

根据表3数据，12，13号试品的运行年限更长，环境中主要的污秽成分为化工厂废气，而10，11号试品环境中主要的污秽成分为砂石尘土。分析图4、表6所测得的红外光谱分析数据，可知在中度污秽情况下(污秽等级不大于d级)，运行于沙漠环境条件下的复合绝缘子硅橡胶伞裙相较于一般工业环境条件下的伞裙老化程度更重，憎水性等级更低。分析可能的原因是砂石尘土在风力作用下对复合绝缘子伞裙表面造成了一定的磨损，从而导致其憎水性降低；而化工粉尘等污秽附着于伞裙表面后，由于硅橡胶伞裙具有的憎水迁移性，反而能保持相对较好的憎水性。

仔细检查10，11号试品的伞裙表面，发现虽然其颜色和外观无明显异常，但用酒精擦拭表面后仔细观察，其相较于其他试品稍显粗糙。查阅相关运行资料，10，11号试品运行于沙漠环境，当地风速常年在8 m/s以上，表明大风带起的沙石确实会对复合绝缘子伞裙造成一定损伤。

2.3 热重分析

复合绝缘子硅橡胶伞裙的热重分析可按照物质热分解失重过程分为3个阶段：一是220～350 ℃阶段，低分子物质蒸发，阻燃剂氢氧化铝(ATH)填料部分脱水；二是350～600 ℃阶段，硅氧烷分子热分解失重；三是温度大于600 ℃阶段，除ATH失去结晶水后形成的Al2O3，以及几乎不失重的白炭黑外，其他物质均全部分解。根据上述不同阶段物质含量变化，可有效分析硅橡胶伞裙的热稳定性和各组分的相对含量变化。

1)对04号和07号试品进行热重对比分析，得到的热重曲线对比如图6所示。

图6 污秽等级不同的复合绝缘子热重曲线对比

根据图6，第一阶段中04号试品的ATH填料热分解失重为11%，07号试品为13%，且07号试品的ATH填料热分解速度较快(热重曲线斜率更大)；第二阶段中04号试品的硅氧烷热分解失重达36%，07号试品为34%，且04号试品的硅氧烷热分解速度较快(热重曲线斜率更大)。表明04号试品的ATH填料含量较高，具有较好的耐电蚀损特性；07号试品的硅氧烷含量较高，具有较好的憎水性，这与憎水性测试和红外光谱分析的结果一致。

2)对03号和12，13号试品进行热重对比分析，得到的热重曲线对比如图7所示。

图7 不同运行环境复合绝缘子热重曲线对比

根据图7，第一阶段中03，12，13号试品ATH填料热分解失重分别为15%，16%，14%，且03号试品的热分解速度最慢；第二阶段中03，12，13号试品硅氧烷热分解失重分别为34%，33%，34.5%，且03号试品的分解速度最快。表明03号试品的热稳定性相较于另外两支要差。此外，总体来看，12号试品的硅氧烷含量较高，具有较好的憎水性；13号试品的ATH填料含量较高，具有较好的耐电蚀损特性。

上述热重分析结果表明，运行环境对复合绝缘子伞裙硅橡胶老化有较大影响。在化工厂等重污秽度环境中运行的复合绝缘子表面附着有较重的特殊污秽成分，在污秽物的侵蚀作用下，伞裙的硅氧烷含量和阻燃性无机填料含量都有明显下降，伞裙的老化程度相较于轻污秽度地区要严重。

3 复合绝缘子运维建议

1)严格按照相关规程中规定的检测周期对复合绝缘子进行憎水性检测，尤其要对运行年限较长、运行环境为重污秽或特殊污秽地区(冶炼厂、化工厂、水泥厂等厂区周边)的复合绝缘子重点监测。对憎水性等级为HC6或憎水性在短时间内迅速降低的复合绝缘子及时更换并进行检测，明确其劣化原因。

2)应加大对常年处于较大风速地区，环境为戈壁或荒漠线路所运行复合绝缘子的状态检测及监测，发现有憎水性显著下降情况的及时进行处理。

3)日常运维中要加强对复合绝缘子红外成像检测，对有明显异常的要及时采取其他如紫外成像检测、带电憎水性检测、无人机等手段进行复测验证，发现有伞裙粉化、破损、变色或其他异常情况的要及时停电更换。

4)每年应根据输电线路实际运行情况提前制定抽检计划并按时送检，检测结果返回后，要及时根据抽检结果采取重点监测或停电更换等措施，抽检要求和原则按照标准规程中规定的执行。

4 结 语

复合绝缘子作为输电线路上最重要的电气设备之一，其电气和机械性能直接影响着输电线路能否安全稳定运行。加强对其宏观和微观方面的性能检测，评估其老化程度，研究影响其运行的各类主要因素从而采取一系列措施是保证复合绝缘子安全运行的重要手段。本文对不同类型的复合绝缘子样品进行了宏观憎水性试验，对硅橡胶伞裙进行了微观傅里叶红外光谱分析，并通过热重试验进行了验证，得出不同运行年限、所处地区不同污秽等级以及不同污秽环境情况是影响复合绝缘子硅橡胶伞裙老化的主要因素。运维单位应重点关注运行年限较长、运行环境相对恶劣的复合绝缘子运行状态，并根据其老化表征及时采取相应的处理措施。