歐慶然

(廣州供電局，廣東 廣州 510235)

對已劣化的硅橡膠復(fù)合套管的傘群表面進(jìn)行修復(fù)處理，消除硅橡膠傘裙傘套脆化、硬化、粉化、開裂等缺陷，恢復(fù)硅橡膠復(fù)合套管傘裙表面的憎水性和憎水遷移性，保證硅橡膠復(fù)合套管具有良好的防污閃性能，是確保硅橡膠復(fù)合套管設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要措施。

1 硅橡膠復(fù)合套管使用特點(diǎn)

硅橡膠復(fù)合空心設(shè)備具有重量輕、耐污性能和防爆性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。硅橡膠復(fù)合空心設(shè)備取代瓷空心設(shè)備在互感器、斷路器及套管等電氣設(shè)備上使用，既提高了電氣設(shè)備的耐污等級，又克服了瓷空心設(shè)備易碎、易開裂和易爆炸的隱患。

復(fù)合套管具有絕緣性能穩(wěn)定、耐污性能好、重量輕、防爆、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合套管一般由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂套筒和硅橡膠傘裙護(hù)套組成。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂套筒作為內(nèi)絕緣的同時(shí)，還起到機(jī)械支承作用。硅橡膠傘裙護(hù)套一方面作為良好的外絕緣，另一方面還起到保護(hù)樹脂套筒免受惡劣大氣環(huán)境侵襲的作用。

我國使用硅橡膠復(fù)合材料作為輸變電設(shè)備已有十幾年的歷史。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，硅橡膠復(fù)合絕緣材料的機(jī)械性能、電氣性能和穩(wěn)定特性等均能滿足運(yùn)行要求。但是，部分硅橡膠復(fù)合套管在運(yùn)行一定年限后會出現(xiàn)傘裙表面憎水性減弱，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诃h(huán)境因素單獨(dú)作用下，有機(jī)材料的性能會因各種物理變化和化學(xué)變化而劣化，同時(shí)在電場、機(jī)械負(fù)荷與環(huán)境因素的共同作用下有機(jī)材料性能會進(jìn)一步劣化。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指出，污穢與濕潤共存所導(dǎo)致的電暈放電、表面放電以及紫外線、酸雨等侵蝕是影響硅橡膠復(fù)合材料劣化的主要因素，其中表面放電的影響最為顯著。

2 硅橡膠材料設(shè)備特性

目前電力系統(tǒng)使用的復(fù)合設(shè)備、復(fù)合套管及涂料的主要成分是硅橡膠。有機(jī)硅橡膠材料是由線性聚硅氧烷混入補(bǔ)強(qiáng)填料，在加熱加壓條件下經(jīng)過硫化生成的特殊合成彈性體。因?yàn)樗昝赖仄胶饬藱C(jī)械性能和化學(xué)性能，所以能很好地滿足不同的應(yīng)用條件。高溫硫化硅橡膠是目前高壓復(fù)合設(shè)備、復(fù)合套管中應(yīng)用比較廣泛的傘裙護(hù)套材料，它是由未經(jīng)硫化(交聯(lián))的分子量為45萬～70萬的聚二甲基硅氧烷和補(bǔ)強(qiáng)填料、阻燃填料、抗電弧填料、結(jié)構(gòu)控制劑、硫化劑等混合后，經(jīng)過加熱加壓硫化而成的。它具有優(yōu)良的電氣絕緣性能及優(yōu)良的抗電暈、抗電弧、防水防潮等性能。

硅橡膠傘裙在復(fù)合套管的外面起承受高電場和保護(hù)玻璃鋼套管的作用，因此要求其具有電絕緣性、耐漏電起痕、耐電弧、耐候、阻燃、耐低溫及實(shí)用的物理機(jī)械性能。為此，在硅橡膠混煉中添加氫氧化鋁粉末來提高它的耐漏電起痕等級，添加白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)填料來提高它的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等機(jī)械性能，添加三氧化二鐵來改善它的耐熱性能等。

3 硅橡膠傘裙劣化分析

硅橡膠傘裙常年暴露在大氣環(huán)境中，除長期承受強(qiáng)電場作用外，還經(jīng)常受到日曬、雨淋、風(fēng)沙、高溫和嚴(yán)寒等惡劣氣候條件的影響，必然會出現(xiàn)絕緣老化的問題。雖然硅橡膠具有優(yōu)異的耐光輻射、耐高低溫、耐臭氧和耐霉菌等抗老化性能，但由于硅橡膠中硅氧烷分子結(jié)構(gòu)質(zhì)量的差異，各種填充劑顆粒表面性能作用不同，都將降低其耐老化性能。

強(qiáng)電場作用下的局部放電、冷熱聚變、酸雨導(dǎo)致的受潮水解和紫外線等高能射線輻射的長期作用，是導(dǎo)致硅橡膠材料老化的主要原因。而材料老化也會使設(shè)備的機(jī)電性能變壞。

3.1 局部放電引起硅橡膠材料劣化損傷的機(jī)理

(1) 局部放電產(chǎn)生的帶電粒子撞擊硅橡膠表面，使有機(jī)硅橡膠分子的主鏈斷裂，發(fā)生解聚或變成低分子。

(2) 局部放電使設(shè)備表面局部溫度上升，高溫又誘發(fā)硅橡膠材料化學(xué)分解。

(3) 局部放電產(chǎn)生的活性氣體O3、NO、NO2等的氧化作用和氧化物產(chǎn)生的H+的腐蝕作用，能使硅橡膠材料加速劣化，形成線型或環(huán)狀小分子。硅橡膠材料中的顏料、填料會從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分離出來，產(chǎn)生粉化等現(xiàn)象。

(4) 局部放電產(chǎn)生的紫外線或X射線的中長波部分會導(dǎo)致硅橡膠材料分解、解聚。

3.2 紫外線等高能射線輻射引起的老化機(jī)理

硅橡膠材料中的Si-O-Si鍵及Si-C鍵對部分波長紫外線的選擇性吸收是其耐老化性能的關(guān)鍵。作為到達(dá)地面的太陽光中波長最短的部分，紫外線具有很高的能量。太陽光中243 nm波長紫外線的能量為482 kJ/mol，310 nm波長紫外線的能量為399 kJ/mol，365 nm波長紫外線的能量為328 kJ/mol。而作為聚二甲基硅氧烷分子中的主要化學(xué)鍵，S-O鍵鍵能為447 kJ/mol，Si-C鍵鍵能為301 kJ/mol。

硅橡膠表現(xiàn)出優(yōu)異的憎水性是由于圍繞硅氧主鏈緊密排列的非極性甲基基團(tuán)向表面取向，屏蔽了硅氧鍵的強(qiáng)極性作用。不同波長的紫外線幾乎可以選擇性地破壞聚二甲基硅氧烷分子中幾乎所有的化學(xué)鍵。而硅橡膠優(yōu)良的卷曲性源自Si-O鍵可以大范圍運(yùn)動的鍵角，部分波長適宜的紫外線可破壞Si-O化學(xué)鍵，這是造成硅橡膠試樣發(fā)生硬化、柔順性降低的主要原因，同時(shí)一定波長的紫外線切斷Si-C鍵后，硅橡膠傘裙的有機(jī)組分和顏料、填料會失去相互間的作用力，在表面形成粉末狀態(tài)，從而造成傘裙表面粉化現(xiàn)象。Si-C鍵斷裂后，甲基基團(tuán)會脫離原來的Si-O鏈，在一定波長紫外線的強(qiáng)能量作用下其中的部分化學(xué)鍵又被切斷，部分甲基基團(tuán)被破壞，從而造成硅橡膠表面憎水性的喪失。但是C-H鍵和Si-C鍵斷裂后，交聯(lián)反應(yīng)依然會發(fā)生，這一變化將導(dǎo)致小分子物質(zhì)的數(shù)量，尤其是鏈節(jié)數(shù)在3～15之間的小分子的數(shù)量發(fā)生增減變化，小分子物質(zhì)遷移到硅橡膠試樣表面，會對憎水性產(chǎn)生補(bǔ)償作用。因此，紫外線光源下的硅橡膠傘裙憎水性沒有明顯的變化，但化學(xué)作用引起的性能劣化則較明顯。可見，硅橡膠復(fù)合套管表面劣化是多種因素共同作用的結(jié)果。

4 硅橡膠傘裙劣化現(xiàn)象

從硅橡膠傘裙的老化機(jī)理可以看到，硅橡膠傘裙的劣化和硅橡膠的配方、采用的填料、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境等有關(guān)。硅橡膠傘裙的老化形式主要有電老化，熱老化，機(jī)械應(yīng)力老化和環(huán)境老化幾種。熱老化是硅橡膠傘裙老化的主要形式之一。通過分析熱老化的原因，可以采用改變主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈基團(tuán)結(jié)構(gòu)、消除硅羥基、加入耐熱添加劑、加入少量硅樹脂等方法來提高其耐熱性。同時(shí)，也可在有機(jī)硅基團(tuán)上引入氟原子來改變硅橡膠傘裙對紫外線的耐受能力。氟的F-C鍵鍵能為485 kJ/mol，對太陽光中紫外光區(qū)(200～380 nm)的中長波可透過率在95 %以上，F(xiàn)-C鍵的斷裂需要很高的能量，因此F-C鍵對紫外線具有很強(qiáng)的耐受能力。

事實(shí)上，硅橡膠傘裙的某些變化并不妨礙復(fù)合套管的繼續(xù)使用，如褪色等。其他一些劣化現(xiàn)象在較長時(shí)間內(nèi)也不會對復(fù)合套管的安全運(yùn)行造成威脅，如硅橡膠傘裙表面輕微粉化、變硬等。但如果復(fù)合套管設(shè)備所承擔(dān)的功能發(fā)生不可逆的變化，如外硅橡膠傘裙的劣化導(dǎo)致傘群護(hù)套對玻璃鋼套管的保護(hù)作用喪失、導(dǎo)致其電氣機(jī)械性能嚴(yán)重下降，那么該復(fù)合套管就需要更換。

因此，復(fù)合套管設(shè)備傘裙的老化不完全等同于復(fù)合套管的老化。當(dāng)復(fù)合套管設(shè)備傘裙出現(xiàn)表面憎水性減弱或完全喪失，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象時(shí)，若采用必要的措施，恢復(fù)硅橡膠傘裙的表面性能，則可延長設(shè)備的使用壽命，保障設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

圖1示出某硅橡膠復(fù)合套管表面出現(xiàn)粉化、龜裂、憎水性喪失的狀況。圖1(a)中套管表面憎水性已完全喪失；圖1(b)中，從傘裙剝口處看，傘裙表面出現(xiàn)粉化、硅橡膠降解的現(xiàn)象，但中間的硅橡膠仍然完好。從硅橡膠復(fù)合套管的劣化狀況可以看出，硅橡膠復(fù)合套管的劣化是一個從外到里的過程。由于硅橡膠傘裙具有一定的厚度，因此解決劣化表面以及修復(fù)傘裙整體的機(jī)械性能是修復(fù)工作的重點(diǎn)。

5 硅橡膠傘裙的修復(fù)技術(shù)

由于硅橡膠傘裙的劣化是由外到里的一個過程，因此在硅橡膠傘裙制造中需要使其達(dá)到一定的厚度，以保證其機(jī)械強(qiáng)度。一般情況下，硅橡膠的表面劣化并不會影響到硅橡膠傘群護(hù)套對玻璃鋼套管的保護(hù)作用。采用合適的有機(jī)硅材料對硅橡膠傘裙進(jìn)行修復(fù)，是有效可行的。硅橡膠傘裙劣化修復(fù)主要通過對劣化硅橡膠傘裙表面的處理和新的硅橡膠涂層覆蓋2個步驟完成。

5.1 劣化硅橡膠傘裙表面的處理

硅橡膠傘裙出現(xiàn)表面憎水性減弱或完全喪失，傘套脆化、硬化、粉化、開裂等劣化現(xiàn)象的主要原因是，硅橡膠中的Si-O鍵被破壞。被破壞的Si-O鍵在硅橡膠傘裙中形成松散形態(tài)的二氧化硅(白色粉末)，從而造成傘裙表面發(fā)白、發(fā)硬、粉化。因此對于劣化的硅橡膠傘裙表面，需要先清除其上的松散、已粉化的物質(zhì)，再采用含有低分子聚二甲基硅氧烷的專用表面處理劑對傘裙表面進(jìn)行處理，將傘裙表面上的Si-OH重新和新的聚二甲基硅氧烷進(jìn)行交聯(lián)，使新的硅橡膠涂層能很好地和原有的硅橡膠結(jié)合在一起。

對于硅橡膠傘裙出現(xiàn)的破損傘邊，可采用硅橡膠片進(jìn)行修補(bǔ)，硅橡膠片需在表面處理前預(yù)先制作或準(zhǔn)備。對于硅橡膠傘裙表面出現(xiàn)大的裂紋，可用專用修復(fù)膠進(jìn)行填補(bǔ)修復(fù)。

5.2 新涂層技術(shù)要求

5.2.1 硅橡膠涂層材料的選擇

劣化的硅橡膠傘裙雖然經(jīng)過表面交聯(lián)處理，但其機(jī)械性能和運(yùn)行初期相比已經(jīng)有大幅的下降。因此新硅橡膠涂層應(yīng)具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，要求新噴涂層的機(jī)械強(qiáng)度可以抵消因硅橡膠傘裙劣化而喪失的機(jī)械強(qiáng)度。

防爆破飛濺涂料是由有機(jī)硅預(yù)聚物、改性有機(jī)硅氟橡膠和芳綸特種纖維漿膜復(fù)合形成的，具有聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的涂料，其機(jī)械性能指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)械性能指標(biāo)對比

防爆破飛濺涂料已通過國網(wǎng)公司武漢高壓試驗(yàn)研究所的檢測、化學(xué)工業(yè)合成材料老化質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的5 000 h人工加速老化檢測、軍事科學(xué)院的現(xiàn)場爆破檢測，具有以下特性。

(1) 具有優(yōu)于硅橡膠復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度，可用于對劣化的硅橡膠傘裙進(jìn)行消缺、定型、修復(fù)以及恢復(fù)劣化的硅橡膠傘裙表面性能。

(2) 采用經(jīng)精密計(jì)算的物料搭配和合成工藝，設(shè)計(jì)出大于20年的使用壽命。

(3) 電氣絕緣性能優(yōu)良，耐污閃電壓提高2倍以上，能有效地防止污閃事故的發(fā)生。

(4) 優(yōu)良的憎水性和快速、均衡、持久的憎水遷移性，保證設(shè)備在惡劣氣候下能安全可靠運(yùn)行。

(5) 硅氟共聚涂層表面的自潔性能好，涂層耐酸、堿、鹽和強(qiáng)氧化劑腐蝕，在有效期內(nèi)免維護(hù)、免清掃。

(6) 涂層強(qiáng)度高、附著力超強(qiáng)，不影響設(shè)備檢修人員對設(shè)備表面的登踏。

(7) 耐臭氧、耐紫外線、耐環(huán)境老化，不起皮，不開裂，有效運(yùn)行時(shí)間長。

(8) 單組份常溫固化，使用方便，涂敷后可立即投運(yùn)，效率高。

5.2.2 硅橡膠涂層厚度的選擇

為了使劣化的硅橡膠傘裙能有效地定型，保證復(fù)合套管整體的完整以及恢復(fù)其性能，新噴涂的硅橡膠涂層厚度應(yīng)大于1 mm。

6 結(jié)束語

硅橡膠復(fù)合套管設(shè)備在互感器、斷路器及套管等電氣設(shè)備上應(yīng)用廣泛，其修復(fù)技術(shù)的運(yùn)用恢復(fù)和增強(qiáng)了硅橡膠復(fù)合套管傘裙表面的憎水性和憎水遷移性，保證了硅橡膠復(fù)合套管良好的防污閃性能，確保了電力設(shè)備和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。