复合绝缘子硅橡胶伞裙老化状态评估方法综述

曾磊磊， 张 宇， 曾 鑫， 李唐兵， 邓志斌， 王 鹏， 万 华， 徐碧川， 刘玉婷， 童 超， 童 涛， 徐 倩

(1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院， 南昌 330096； 2.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000；3.国网江西省电力有限公司， 南昌 330077)

0 引 言

20世纪50年代，采用三元乙丙橡胶、聚四氟乙烯和混合橡胶等材料作为伞套材料的复合绝缘子问世[1-2]。70年代开始研制硅橡胶复合绝缘子[3]，由于硅橡胶特有的憎水性和憎水迁移性，大大提高了绝缘子的耐污闪性能，复合绝缘子逐渐被广泛采用。我国于20世纪80年代初开始使用HTV复合绝缘子，得益于大面积污闪、大力发展直流输电及特高压输电三大机遇，复合绝缘子在我国发展十分迅速，截至到2014年，我国110 kV及以上电压等级的输电线路上运行的复合绝缘子已经突破700万支，在投运的特高压线路中，复合绝缘子的用量达到65%～70%[4-5]。

由于在运行过程中长期承受电场、机械应力，再加上复杂多变的气候环境的作用，随着运行年限的增加，复合绝缘子硅橡胶伞裙材料逐渐老化，导致潮气入侵，引发局部放电与异常发热，乃至于出现断裂、掉串等严重后果[6-12]，威胁了电网的安全稳定运行。因此，合理准确的评估复合绝缘子的老化状态，从而对采取针对性的措施，比如立即更换或者加大巡检力度等，就显得十分必要。目前针对复合绝缘子老化状态的评估方法众多，各有其优缺点，还没有统一的标准和指标[13-18]。结合笔者研究成果，本研究从传统和新的老化评估方法两个方面，综述了当前复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化评估进展，探讨了复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化状态评估发展方向，以期给电力部门和生产厂家在评价和运维与更换决策时提供指导。

1 硅橡胶伞裙老化评估方法概况

复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化状态评估是输电线路外绝缘的关键问题，受到了国内外学者的广泛关注。早期传统老化评估方法的研究主要集中在：通过现场观察及在实验室采用常规的伞套表面测试手段，评估其老化状态，如：外观检查、憎水性测试及红外热成像等方法。近年来，研究人员认识到硅橡胶伞裙老化过程中发生的化学反应，在宏观上会导致其不同组分质量的改变，在微观上会引发表面微观形貌、化学基团及内部陷阱参数的改变，由此衍生出了扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy，SEM)、热重分析(Thermo gravimetric analysis，TGA)、傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)以及热刺激电流测试(Thermally stimulated current，TSC)等方法来评估复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化状态。

下面将结合笔者的研究成果，从传统和新评估的方法两个方面，具体介绍和分析上述方法的评估指标和优缺点。

2 传统老化评估方法分析

常用的老化评估方法主要为外观检查、喷水分级法(hydrophobicity class，HC)、静态接触角法和红外成像法等。

2.1 外观检查

外观检查是电力部门最普遍的巡检方法，运行人员在塔下利用肉眼、望眼镜或者通过无人机载摄像机拍摄图片或视频来观测。外观检查主要是查看复合绝缘子是否存在明显的缺陷，比如：伞套粉化程度、是否存在裂纹、孔洞、破损；芯棒是否裸露、断裂以及金具是否滑移。外观检查主要是对复合绝缘子劣化情况做一个基本的判断，比较简单易行，缺点是：外观检查作为一种粗糙的检测手段，只能够发现一些外部明显、需要立即处理的缺陷，无法发现复合绝缘子内部缺陷。

2.2 喷水分级法

喷水分级法最早由瑞典输电研究所(STRI，Swedish Transmission Research Institute)提出[19]，采用HC(hydrophobicity class)等级来表征试品的憎水性能，从HC1～HC7共7个等级被定义，等级越低说明憎水性能越好，其中HC3及以下为憎水性状态，HC5及以上为亲水性状态。测试过程为：首先利用喷水壶向绝缘子表面洒水，然后通过目测观察表面水滴状态来判断HC级别，若绝缘子表面为相互独立、分布均匀的椭球状的细小水珠，则说明HC等级低，为疏水状态；反之，若表面为连续成片水膜，则说明HC等级高，为亲水状态。由于HC喷水分级法简便易行，运维人员可直接手持喷壶登塔在线喷水，不需要停电，是目前现场复合绝缘子的老化评价中应用最为广泛方法之一。某220 kV线路不同运行年限的复合绝缘子进行的HC分级结果[20]，见图1。

图1 复合绝缘子HC分级图Fig.1 HC classification of composite insulator

由图1可以明显看出，运行5年的复合绝缘子HC为2，仍然保持良好的憎水性能，而运行10年以上的绝缘子憎水性大大降低，已经为亲水状态，说明复合绝缘子的憎水性与运行年限存在着负相关关系，也即随着运行年限的增加，复合绝缘子逐渐老化，憎水性越来越差。这表示HC分级法确实可以通过复合绝缘子憎水性的丧失来反映绝缘子的老化情况。然而，由于HC分级法是基于检测人员的肉眼观察来评定憎水等级，其检测结果会受到主观因素影响而出现一定误差。

2.3 静态接触角法

为了克服HC分级法主观判断带来的误差，客观准确的衡量材料表面的憎水状态，静态接触角法应运而生[21]。接触角是指水滴、试品交界处的切线与试品表面的夹角，见图2。接触角的大小表示了水滴的圆度，从而表征样品的憎水性能，并且接触角越大表明憎水性越好，大于90°为憎水状态，小于90°为亲水状态。

图2 接触角示意图Fig.2 Schematic diagram of contact angle

图3是使用JC2000D1型接触角测量仪测得的某运行4年的复合绝缘子伞裙的接触角图片[22]。

图3 复合绝缘子接触角Fig.3 Contact angle of composite insulators

从图3可以看出，该复合绝缘子的接触角远超90°，仍然保持较好的憎水性能。

静态接触角法相比喷水分级法，能够更加准确、客观的表征复合绝缘子憎水性能，但由于其测试条件更加严格，基本不能在现场使用。

2.4 红外热像法

复合绝缘子老化后，伞套绝缘电阻下降，内部气隙导致局部放电，以及水分入侵引起反复极化等原因都可能造成复合绝缘子发热[22,6]。因此，复合绝缘子是否发热及发热程度也将作为其老化评估的指标。红外热像法即是利用红外热像仪检测绝缘子的发热状况[23-24]。笔者对运行不同年限的500 kV复合绝缘子施加运行电压，并利用红外热像仪观察发热状况，结果见图4[25]。在左右两边各悬挂一支屏蔽复合绝缘子用以均匀电场，不对其进行分析。

图4 红外热像图Fig.4 Infrared thermography

图4中，从左到右依次为：屏蔽绝缘子、运行2年绝缘子、运行5年绝缘子、新绝缘子、运行10年并发生断裂绝缘(后文简称为断裂绝缘子)和屏蔽绝缘子。由图4可知，除去新复合绝缘子没有发热外，其余样品均有明显温升，并且运行2年和5年样品的发热位置集中在高压端，而断裂绝缘子的发热区域从断裂处延伸至中部，绝缘子有将近一半的长度存在发热现象，发热区域远大于其他样品。此外，还得到了各样品加压过程中的温升时域特性，见图5。

图5 温升时域特性曲线Fig.5 Temperature rise time domain characteristic curve

因此，红外热成像法由于具有方便、快捷，可远距离在线检测等优点，在电力部门已得到普遍应用。然而由于对流和辐射的不断进行，只有发热速率大于散热速率，热量累积才能表现为温升，因此，红外热成像法对于导通性电阻致热缺陷，或者显著局部放电等严重缺陷具有较好的检测效果，对于老化前期的复合绝缘子检测效果不佳。

3 老化评估新方法分析

传统方法主要研究复合绝缘子老化所引起的外在表现，如从外观粉化、憎水性及发热程度等方面入手，评估复合绝缘子的老化状况。这些方法比较简便、直观，但未涉及复合绝缘子硅橡胶伞裙老化过程中的化学反应与微观形貌、结构的改变，因而无法对材料老化进行量化分析与剩余寿命预测。近年来，研究人员认识到硅橡胶伞裙老化过程中发生的化学反应，在宏观上会导致其不同组分质量的改变，在微观上会引发表面微观形貌、化学基团及内部陷阱参数的改变，由此衍生出了扫描电子显微镜、热重分析、傅里叶红外光谱分析以及热刺激电流测试等方法。相较于传统评估方法，新方法有更完备的理论支撑，使进一步量化与寿命评估成为可能。

3.1 扫描电镜分析

SEM分析是一种常用的材料分析手段，能实现对材料的从几十到几万倍放大，从而对材料的表面状况进行微观观察。图6为新试样和运行10年复合绝缘子硅橡胶伞裙的SEM结果，放大倍数为2 000倍[26]。

从图6可以看出，新试样的SEM图像表面平整、光洁，未见孔洞、裂纹和颗粒物，而运行10年的伞裙表面基本未见平整的区域，布满了粉化聚集成团的颗粒物，且出现较宽、较深的裂纹，表示该样品已严重老化。上述分析结果说明可通过SEM观察硅橡胶伞裙表面状况来判断复合绝缘子的老化程度，表面裂纹数量越多、宽度越大、孔洞越密集、颗粒物越明显，则其老化程度越高。为了能够量化分析样品的微观形貌，文献[22]指出，可利用Image-Pro Plus 6.0软件测量SEM图片中颗粒物及裂纹的几何特征，从而得到样品微观形貌的量化参数。

图6 扫描电镜分析结果Fig.6 The results of SEM analysis

此外，由于每次SEM实验只能分析一个微观区域，其实验结果存在一定的分散性，为了减小误差，应该多测量几个位置的SEM图片。

3.2 热重分析

HTV硅橡胶伞裙的主要成分包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、阻燃剂氢氧化铝(ATH)和白炭黑二氧化硅，其中ATH的分解温度为220 ℃～350 ℃，PDMS主要在350 ℃～570 ℃范围内发生热解，白炭黑的熔点为1 600 ℃[27]。而热重分析实验的温度范围为30 ℃～800 ℃，因此，在实验过程中，主要发生ATH和PDMS的分解，并且第一阶段的失重量表征ATH的含量，第二阶段的是失重量表征PDMS的含量。笔者在实验室对HTV硅橡胶进行湿热老化，制备了老化不同时长的硅橡胶样品，并将其与运行10年的硅橡胶伞裙(两者配方一致)分别进行热重分析实验，实验结果见图7[26]。

图7 热重分析实验结果Fig.7 The results of TG analysis

由图7可知，湿热老化0至26天样品的第一阶段失重量几乎没有差别，而运行老化10年样品第一阶段的失重量也远低于湿热老化样品，说明湿热老化过程中基本不会发生ATH的分解，而运行10年样品的ATH已经发生了严重的分解。此外，随着湿热老化时间的增加，各样品第二阶段的失重量逐渐降低，其中湿热老化26天样品第二阶段的失重量与运行老化10年样品的失重量趋于一致，说明湿热老化与运行老化过程中均发生了PDMS分解，且裂解程度与老化时间正相关。

上述分析表明，热重分析实验得到硅橡胶伞裙的第一、第二阶段的失重量，分别对应其不同组分的含量，可以作为量化评估复合绝缘子老化状态的指标。

3.3 红外光谱分析

热重分析的结果表明，复合绝缘子硅橡胶伞裙老化过程中会发生PDMS和ATH的分解，由此将会导致材料中各化学基团的含量发生变化。因此，利用FTIR分析通过测量各基团的吸收峰或透光度，来评估样品的老化状态。

文献[28]对相同配方的运行4年和库存的800 kV 复合绝缘子硅橡胶伞裙进行FTIR分析，结果见图8。

图8 红外光谱分析结果Fig.8 The results of FTIR analysis

由图8可知，相比于库存样品，运行4年的硅橡胶伞裙未出现新的红外特征吸收峰，表明在老化过程中没有生成新的基团。此外，运行4年样品的Si-O-Si、Si-CH3、-OH等基团吸收峰强均比库存样品低，说明老化过程中PDMS与ATH均发生分解，与热重分析的结果一致。为了能够量化FTIR的结果，可对FTIR曲线积分，求取各特征吸收峰的面积，作为量化参数，评估样品的老化状态。

3.4 热刺激电流法

SEM的结果指出硅橡胶伞裙老化过程中会出现裂纹、孔洞等缺陷结构，TG和FTIR的结果表明，硅橡胶伞裙老化过程中会发生PDMS和ATH的分解，这些表现均会增大样品的陷阱数量与陷阱深度。因此，理论上可以利用样品的陷阱特性参数来表征其老化状态。文献[29]利用热刺激电流法表征复合绝缘子伞裙的老化状态，其测试系统见图9。

图9 TSC测试系统Fig.9 TSC test system

热刺激电流法的原理是对试品升温至某一温度T1，然后在T1下对其施加极化电场，保持该场强，利用液氮系统迅速降温至T2，使试品内载流子冻结，撤除极化电场，再对试品线性升温，激发刚刚被冻结的载流子形成电流，记录该电流随温度变化的数据，即得到热刺激电流曲线。

笔者利用热刺激电流法测量湿热老化不同时长的硅橡胶的陷阱特性。得到各样品的热刺激电流特性曲线见图10[26]。

图10 各样品的TSC特性曲线Fig.10 TSC characteristic curves of samples

利用公式(1)、(2)[29]分析TSC曲线，得到各样品的陷阱电荷量Q和陷阱能级E等特性参数，见图11。

(1)

(2)

式中：I为热刺激电流，pA；β为升温速率，K/min；t1，t2分别为升温始末时间，T1和T2分别为升温始末温度，K，本文分别为173 K和423 K；Tm为TSC曲线峰值电流对应的温度，K；ΔT为TSC电流峰半峰值对应的温度差；k为玻尔兹曼常数。

由图11可知，陷阱电荷量和陷阱能级均随湿热老化时间增加而增大。陷阱电荷量增大，表示随着老化时间增加，样品的陷阱总数增大；陷阱能级增大表示陷阱深度增大，能容纳的电荷数量增加，说明陷阱电荷量和陷阱能级均与老化时长正相关，可作为量化评估老化状态的参数。

图11 湿热老化样品的陷阱参数Fig.11 Trap parameters of hygrothermal aging samples

4 结 论

结合笔者的研究成果，从传统和新的老化评估方法两个方面，综述了当前复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化评估进展。传统方法主要涉及复合绝缘子老化引起的外在表现，包括外观检查、喷水分级法、静态接触角法及红外热像法等。这些方法比较简便、直观，但未涉及硅橡胶伞裙老化过程中化学组分的变化，无法对材料老化进行量化分析与剩余寿命预测。老化评估新方法包括扫描电子显微镜、热重分析、傅里叶红外光谱以及热刺激电流法等。这些新方法主要研究了硅橡胶伞裙老化过程中的微观形貌、组分质量、化学基团以及陷阱参数的变化，每种新方法均有对应的量化参数，使复合绝缘子硅橡胶伞裙老化评估的量化分析成为可能，将是今后的重点研究方向。