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      近日，中國電研劉鑫團隊以《特殊環(huán)境下復合絕緣子老化特性及檢測方法研究進展》為題在《環(huán)境技術》2024年第5期上發(fā)表最新研究內容，第一作者為劉鑫，通訊作者為揭敢新。

 

      復合絕緣子老化會造成表面疏水性降低等問題，嚴重危害了輸配電線路外絕緣的可靠性。本文針對特殊環(huán)境下復合絕緣子嚴峻的老化問題，從特殊環(huán)境老化特性、老化檢測方法、重點研究方向進行了分類論述。首先，分析了濕熱、鹽霧、酸性和強輻射環(huán)境等特殊環(huán)境下復合絕緣子的老化特性研究進展，總結得出應注重提高特殊環(huán)境下硅橡膠材料的抗老化性能。其次介紹了現(xiàn)階段復合絕緣子老化檢測方法，從技術手段上可分為非接觸式表征和采集樣本試驗室表征兩大類，考慮在線監(jiān)測需求和復合絕緣子具有疏水恢復性，提出非接觸老化表征方法是評估復合絕緣子老化的首選方法。最后綜合調研結果，以熱帶海洋環(huán)境為例提出復合絕緣材料環(huán)境適應性的重點研究方向，為領域學者提供一定的參考。

 

引言

 

硅橡膠復合絕緣子具有重量輕、疏水性好、運輸安裝方便的優(yōu)點。其被廣泛用于配電和輸電線路的外絕緣中。然而，隨著長期運行，特別是在特殊環(huán)境中，硅橡膠復合絕緣子可能會發(fā)生故障。復合絕緣子的眾多故障引起了研究者對其故障原因及故障診斷技術的關注。

 

復合絕緣子的損傷和失效機制與陶瓷和玻璃絕緣子有很大不同。導致其失效的原因主要有以下兩個方面：一種是臺風等外力因素造成的絕緣子芯棒斷裂的機械故障，發(fā)生的可能性較??；另是老化現(xiàn)象引起的電氣故障，圖1為交流線路上的老化復合絕緣子，老化會引起硅橡膠復合絕緣子的疏水性能下降，此類事件將導致絕緣子的表面閃絡和大規(guī)模停電。

圖1  退役的老化絕緣子

隨著先進材料工程技術的發(fā)展，復合絕緣子用高分子材料的性能可以通過多種方式提高，以提高其長期使用，但老化問題并未很好的解決。目前國內外學者對復合絕緣子的老化進行了廣泛的研究。研究主要集中在以下幾個方面：復合絕緣子老化特性及機理、復合絕緣子老化表征方法、特殊環(huán)境下的復合絕緣子老化現(xiàn)象及分析。

 

目前電力行業(yè)對于復合絕緣子老化特性及機理、復合絕緣子老化表征方法的研究已經(jīng)非常豐富，對鹽霧、輻射、強電場等特殊環(huán)境的復合絕緣子老化現(xiàn)象研究也有一定進展，但是諸如熱帶海洋等實際特殊環(huán)境下的研究相對較少。因此本文主要分析了特殊環(huán)境下復合絕緣子老化特性的研究進展，介紹了現(xiàn)階段復合絕緣子老化檢測方法，并針對綜述結果以熱帶海洋環(huán)境為例提出今后的重點研究方向。

 

特殊環(huán)境下復合絕緣子老化特性

 

面對特殊環(huán)境下復合絕緣子突出的老化問題，本章節(jié)重點綜述濕熱、鹽霧、酸性環(huán)境以及輻射、電應力環(huán)境對絕緣子老化的影響。

 

1、濕熱、鹽霧、酸性環(huán)境

 

1) 濕熱環(huán)境

為了確定在污染和清潔的熱帶地區(qū)，絕緣子是否能承受超過規(guī)定極限的電應力，進行了現(xiàn)場和實驗室試驗。選擇了兩個試驗點，一個是位于斯里蘭卡西海岸的Koggala (KG站點)的沿海站點，另一個是位于該國中部的Peradeniya (PG站點)的內陸站點。KG場地為重污穢區(qū)。KG和PG站點的年平均降雨量分別約為2400毫米和1800毫米，KG站相對濕度為75 ~ 95%，PG站相對濕度為70 ~ 90%。

圖2  熱帶環(huán)境運行5年的絕緣子

經(jīng)過5年的現(xiàn)場暴露后，在現(xiàn)場試驗期間，雖然測試的復合絕緣子中沒有一個閃絡過，但表面產(chǎn)生了樹狀變色，這很可能是由某些放電活動引起的，如圖2(a)所示。此外，在絕緣子上發(fā)現(xiàn)了生物生長，如圖2(b)、圖2(c)所示。

 

文獻研究說明微生物的附著和發(fā)展一般不會導致復合絕緣子橡膠外殼的性能嚴重下降，微生物生長似乎對絕緣子性能沒有影響。但在中國西南部和南部的絕緣子和RTV涂層絕緣子上已經(jīng)觀察到藻類，如圖3所示，且研究結果表明，藻類增強了鹽的分散性，降低了絕緣子的疏水性，只是當藻類覆蓋率小于20%時，對絕緣子的影響是有限的。

圖3  綠藻在運行的復合絕緣子傘裙上附生

2) 鹽霧環(huán)境

文獻使用鹽霧模擬沿海地區(qū)含鹽的高濕度環(huán)境，發(fā)現(xiàn)鹽霧處理后樣品的性能惡化。鹽霧處理的樣品在電應力和熱應力作用下變得粗糙和多孔。測試表明硅橡膠分子鏈斷裂，填料被消耗，降低了樣品的耐電弧性。吸濕性等物理化學性能的劣化會降低絕緣強度。因此，在鹽霧環(huán)境中，電導率較高的硅橡膠樣品更容易變質劣化，這表明鹽霧加速了硅橡膠的老化。

 

3) 酸性環(huán)境

引起硅橡膠老化的其他酸性環(huán)境因素包括酸（鹽酸外）、臭氧和氮氧化物，例如氮氧化物可吸收水分轉化為硝酸。已有研究表明，絕緣子長時間服役于強酸性環(huán)境，其表面會在酸的影響下被嚴重破壞。酸性物質會使硅橡膠主鏈上的極性Si-O鍵斷裂，生成極性Si-OH鍵，下圖為反應化學過程。酸性環(huán)境下硅橡膠的老化反應與表面Si-C鍵和C-H鍵斷裂不同，主鏈斷裂生成的Si-OH鍵具有親水性，會導致硅橡膠材料疏水性嚴重下降。

圖4  由于酸和硅橡膠之間的反應而形成的Si–OH鍵

 

2、 輻射、電應力環(huán)境

 

1)輻射環(huán)境

在輻射環(huán)境中暴露于伽馬射線的聚合物材料有兩種影響，第一種涉及鍵斷裂，導致交聯(lián)或分子量降低。第二種涉及到含氧化合物的形成，特別是材料在表面。隨著輻照劑量的增加，能量越大，氧化指數(shù)對交聯(lián)的貢獻越大，對聚合物的損害越大。在沙特阿拉伯中部進行的實驗也得出了類似的結論，那里的紫外線輻射水平很高。此外，紫外線輻射可以加速小分子從硅橡膠本體向污染層表面的遷移，但污染和層厚度可以增加疏水性轉移時間。

 

目前普遍認為紫外線是影響高分子絕緣材料老化的主要因素之一。傳輸?shù)降孛娴淖贤饩€最短波長為290nm，能量為396.3kJ/mol。盡管此能量水平通常不足以直接引發(fā)硅橡膠高分子主鏈的發(fā)生斷裂，但在與其他不利因素協(xié)同作用時，其對硅橡膠側鏈上的甲基基團卻能誘發(fā)氧化反應，進而促成材料表面的老化進程。如圖5所示，紫外線作用下，硅橡膠表層的C-Si鍵與C-H鍵可能遭受斷裂，釋放出具有較高活性的自由基。這些自由基易于與大氣中的氧氣發(fā)生化學反應，于材料表面生成親水性基團，并產(chǎn)生甲烷等氣，長期下來導致硅橡膠發(fā)生不可逆的老化與降解。

圖5  硅橡膠在紫外線照射作用下的化學反應

2) 電應力環(huán)境

硅橡膠復合絕緣材料的運行環(huán)境條件通常還包括設備運行引起的強電場影響。設備運行或故障引起的電暈或電弧放電會在絕緣材料表面產(chǎn)生帶電離子和電子的沖擊，可能會引起材料高分子主鏈斷裂，分子發(fā)生解聚?？諝馐茈姂Νh(huán)境的影響，產(chǎn)生活性氧原子、臭氧、氮氧化合物等高氧化性物質，這導致絕緣子處于酸性環(huán)境中，引起分子鏈的斷裂，造成材料劣化和性能下降。因此，電應力對硅橡膠復合絕緣材料作用的過程最為復雜，同時發(fā)生物理和化學老化，顯著影響硅橡膠的性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電暈放電電壓和暴露時間的增加，復合絕緣子硅橡膠表面的疏水性惡化，且正極性比負極性電暈對老化的有害影響更大。此外，很有趣的發(fā)現(xiàn)是，垂直風會加速硅橡膠的疏水性損失，而平行風會抑制硅橡膠的疏水性損失，風速越大，影響越大。

 

綜上所述，引起復合絕緣子材料老化的三個主要因素為物理老化、化學老化和電老化。造成物理老化的因素包括紫外線照射和局部高溫。導致化學老化的因素包括酸堿、臭氧和氮氧化物。電老化過程通常伴隨著物理和化學老化，其老化效應更嚴重、更快。聚合物絕緣體在高濕度下最容易隨著電暈放電而老化，尤其是在鹽霧、酸性和強輻射環(huán)境中。因此，在上述環(huán)境下，應更加重視聚合物絕緣子的在線監(jiān)測，提高硅橡膠材料的抗老化性能。

 

復合絕緣子老化檢測方法

 

1.電參量檢測方法

 

1)泄露電流

泄露電流的測試主要集中于評價復合絕緣子污穢程度的試驗中，用以預防污閃。目前還未有研究將泄露電流用于絕緣子老化狀態(tài)的評估，但是絕緣子老化會導致表面泄露電流的幅值和諧波含量增加，后續(xù)研究可將泄露電流參數(shù)用于絕緣子老化狀態(tài)的評估。

 

2)閃絡電壓

復合絕緣子的閃絡電壓是評價其是否可以正常運行的重要指標，從電壓形式上分為交直流閃絡試驗、雷電/操作沖擊閃絡試驗，從運行環(huán)境上分為污穢閃絡試驗、覆冰閃絡試驗、鹽霧閃絡試驗等。

 

3)電導特性測試

材料的電導特性和空間電荷分析已經(jīng)用于絕緣材料的老化狀態(tài)評估中。目前有兩種應用形式，一是根據(jù)材料在直流電下開始形成空間電荷時的場強，即電老化閾值，作為材料老化程度判據(jù)。二是通過材料空間電荷的積聚及數(shù)量進行評估。

 

2.物理特征檢測方法

 

物理特征檢測方法主要包括外觀形貌、內外顏色對比、疏水性測試、硬度測試等。

1)外觀形貌

檢查絕緣子外觀形貌特征，通過肉眼觀察復合絕緣子材料表面是否出現(xiàn)脆化、裂紋、電蝕、粉化等現(xiàn)象，大致評估絕緣子老化狀態(tài)。

 

2)內外色差

老化會導致表層顏色的變化，對復合絕緣子材料進行切片，對比材料表面下2mm顏色相比表面顏色差異，根據(jù)經(jīng)驗評估材料老化程度。

 

3)疏水性

優(yōu)秀的疏水性能有助于抑制傘裙表面積聚的泄漏電流，進而提升絕緣子防污閃能力。根據(jù)IEC/TS 62073-2003可采用為靜態(tài)接觸角法、表面張力法及HC噴水分級法對絕緣子表面疏水性進行評估。

 

4)硬度測試

對材料進行硬度測試能夠在一定程度上揭示其力學特性。復合絕緣子的硅橡膠材料在老化后機械性能隨之也會發(fā)生變化，因此也可通過材料的硬度測試表征復合絕緣子的老化程度。

 

5)微觀圖像

掃描電子顯微鏡（SEM）有助于直觀地探索聚合物絕緣子表面的微觀形態(tài)變化，并識別肉眼不易看到的缺陷或變形，如粗糙度變化。這有助于提供老化聚合物絕緣體微觀形態(tài)特性的總體概述，并確定實驗室加速老化試驗和實際樣品的使用壽命是否具有可比性。

 

3.化學特征檢測方法

 

1)傅里葉紅外光譜測試分析（FTIR）

傅里葉紅外光譜可分析材料表面官能團組成成分，可利用傅里葉紅外光譜特性分析高分子絕緣材料化學鍵或特征官能團(Si-O和Si-CH3)的特性及變化，從而分析電力復合絕緣材料的老化特征及老化機理。

 

2)X射線光譜儀分析(EDX)

EDX分析用于獲得硅橡膠材料的表面元素百分比。隨著老化的增加，Si和C的含量通常會降低，而氧的含量會增加，通過元素含量可以表征老化程度。

 

3)介電常數(shù)

介電常數(shù)是表征電場下電介質存儲靜電能的重要參數(shù)，還可以指示電介質的極化程度。電介質的介電常數(shù)越小，其蓄積靜電勢能的能力相對越弱，這一特性從某種程度上表明該電介質具有更優(yōu)的絕緣性能。因此，寬帶介電譜儀測量的介電常數(shù)也可以作為表征聚合物絕緣體老化的參數(shù)。

 

4) 熱分析技術

此外，還利用了各種熱分析技術，包括差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA），來研究聚合物絕緣體中有機成分的轉化。根據(jù)參考文獻中描述的試驗結果，熱分析技術對聚合物絕緣子的性能評估具有重要價值。

 

綜上所述，表征復合絕緣子老化的方法有很多，從技術手段上可分為兩大類。一種是非接觸表征方法。運行中的絕緣子適用于非接觸式表征。另一種是采集樣本并將其送回實驗室進行檢測。這種方法通常需要斷電以及更多的時間和人力資源。此外，復合絕緣子具有疏水恢復性。當樣品返回實驗室時，其特性可能會發(fā)生變化。因此，非接觸老化表征方法是評估復合絕緣子老化的首選方法。

 

研究展望

 

據(jù)上述分析，特殊環(huán)境的復合絕緣子更易于老化，因此，本文以典型的熱帶海洋環(huán)境為例，闡述研究展望。復合絕緣子在熱帶海洋環(huán)境下面臨更嚴重的環(huán)境挑戰(zhàn)，高溫、高濕、強光照環(huán)境下不僅會加速復合絕緣子的老化，引起復合絕緣子更快出現(xiàn)粉化，還存在更嚴重的鳥糞污染、強風撕裂、綠藻附生、芯棒酥朽斷裂問題。因此，為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，可根據(jù)熱帶海洋環(huán)境針對復合絕緣子的老化與故障失效問題開展以下研究：

1）熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子環(huán)境失效特性分析

根據(jù)地方電網(wǎng)-海南電網(wǎng)歷史運維數(shù)據(jù)，針對環(huán)境引起的復合絕緣子老化、失效以及故障案例進行調研分析，建立熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子的環(huán)境失效數(shù)據(jù)庫，提取引起復合絕緣子老化和環(huán)境失效的關鍵因素及特征。

 

2）熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子狀態(tài)評估方法研究(老化的在線檢測)

根據(jù)熱帶環(huán)境下復合絕緣子的環(huán)境失效特性，提取復合絕緣子老化特征，選取或開發(fā)復合絕緣子老化評價裝置或方法，對熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子老化狀態(tài)進行評估。根據(jù)前文分析，應對可在線監(jiān)測的非接觸老化表征方法重點研究。

 

3）熱帶海洋環(huán)境下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(進行不同環(huán)境剩余壽命的預測)

根據(jù)熱帶環(huán)境下復合絕緣子的環(huán)境失效特性，提取影響復合絕緣子老化的環(huán)境特征，開發(fā)相應的綜合環(huán)境監(jiān)測設備，對復合絕緣子應用所在地進行環(huán)境監(jiān)測，并建立不同環(huán)境下剩余壽命的預測模型，便于對在網(wǎng)復合絕緣子的老化狀態(tài)進行評估。

 

4）綜合老化加速試驗方法開發(fā)(特殊環(huán)境的等效試驗技術)

根據(jù)熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子的老化特征及機制，設計并開發(fā)復合絕緣子5000h多因素加速老化試驗。對將應用在熱帶海洋地區(qū)的復合絕緣子的環(huán)境耐久性進行試驗評估，填補特殊環(huán)境的等效試驗技術。

 

結論

 

面對特殊環(huán)境下復合絕緣子突出的老化問題，本文從特殊環(huán)境老化特性、老化檢測方法方面進行了分類綜述，并以典型的熱帶海洋環(huán)境為例，提出重點研究方向。

1) 分析了特殊環(huán)境下復合絕緣子老化特性的研究進展，復合絕緣子硅橡膠材料的老化可分為三種主要類型：物理老化、化學老化和電學老化。濕熱、鹽霧、酸性和強輻射環(huán)境等特殊環(huán)境下，其老化問題十分突出，應注重提高特殊環(huán)境下硅橡膠材料的抗老化性能。

 

2) 介紹了現(xiàn)階段復合絕緣子老化檢測方法，從技術手段上可分為非接觸式表征和采集樣本試驗室表征兩大類，考慮在線監(jiān)測需求和復合絕緣子具有疏水恢復性，提出非接觸老化表征方法是評估復合絕緣子老化的首選方法。

 

3)針對綜述結果以熱帶海洋環(huán)境為例提出今后的重點研究方向，分別為：熱帶海洋環(huán)境下復合絕緣子環(huán)境失效特性分析；復合絕緣子狀態(tài)評估方法研究(老化的在線檢測)；熱帶海洋環(huán)境下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(進行不同環(huán)境剩余壽命的預測)；綜合老化加速試驗方法開發(fā)(特殊環(huán)境的等效試驗技術)。

 

引用本文：

 

劉鑫,許可,許雪冬,揭敢新.特殊環(huán)境下復合絕緣子老化特性及檢測方法研究進展[J].環(huán)境技術,2024,42(05):47-54.