佘 凱

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

復(fù)合絕緣子由于其優(yōu)異的耐污閃性能而倍受電力行業(yè)青睞,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)掛網(wǎng)復(fù)合絕緣子數(shù)量已突破700萬(wàn)支,居世界首位[1]。但是復(fù)合絕緣子用外護(hù)套材料高溫硫化硅橡膠是一種有機(jī)高分子材料,在運(yùn)行過程中由于受到光照、高溫、氧氣、電弧等因素的作用,其運(yùn)行狀態(tài)不斷劣化,即老化,出現(xiàn)憎水性能劣化、硬度上升、褪色等現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至引起憎水性能喪失、外護(hù)套龜裂破損等,引發(fā)污閃、內(nèi)擊穿、脆斷等惡性電力故障,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行[2]。

為此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)復(fù)合絕緣子老化特性進(jìn)行了大量的研究[3],通過5 000 h多因素人工加速老化試驗(yàn)、轉(zhuǎn)輪法試驗(yàn)、1 000 h鹽霧法、紫外老化等人工加速老化試驗(yàn),模擬復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中受到的光照、積污、受潮、局部放電現(xiàn)象,研究不同環(huán)境因素作用下硅橡膠材料憎水性能、硬度、官能團(tuán)含量等性的變化規(guī)律[4],但由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)過程復(fù)雜等因素的影響,難以廣泛應(yīng)用于復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估工作中。為此,搭建氙燈老化和熱氧老化人工加速老化試驗(yàn)平臺(tái),研究不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)復(fù)合絕緣子憎水性能、硬度、褪色程度、質(zhì)量損失、微觀形貌等性能的變化規(guī)律,提出了適用于運(yùn)行復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估的人工加速試驗(yàn)方法,試驗(yàn)結(jié)果為復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作的開展提供了參考。

1 試品及試驗(yàn)方法

1.1 試品

a.高溫硫化硅橡膠新品,為國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的同一批次新品,與該廠家生產(chǎn)復(fù)合絕緣子外護(hù)套用高溫硫化硅橡膠材料配方和制造工藝一致。

b.運(yùn)行復(fù)合絕緣子,如表1所示,選取110 k V電壓等級(jí)D級(jí)污區(qū)樣品3個(gè)廠家復(fù)合絕緣子作為試驗(yàn)樣品。

表1 運(yùn)行復(fù)合絕緣子基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

a.氙燈人工加速老化。采用氙弧燈模擬全陽(yáng)光光譜,輻照強(qiáng)度1 000 W/m2。測(cè)量氙燈老化前后樣品憎水性能、機(jī)械扯斷強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、硬度及微觀形貌。

b.熱氧人工加速老化。根據(jù)硅橡膠材料的熱重分析實(shí)驗(yàn)可知,硅橡膠大分子的裂解溫度一般為340℃左右,采用熱空氣干燥箱,分別設(shè)置加熱溫度為250℃、270℃和290℃,測(cè)量不同時(shí)間段內(nèi)樣品的質(zhì)量損失、硬度及褪色程度。

2 氙燈老化試驗(yàn)過程中復(fù)合絕緣子運(yùn)行特性

采用高溫硫化硅橡膠新品進(jìn)行氙燈人工加速老化,模擬日光照射下,硅橡膠材料的老化特性,試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為200 h,試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 氙燈老化前后硅橡膠材料性能對(duì)比

圖1 氙燈老化前后硅橡膠材料表面微觀形貌

由表2和圖1可以看出,氙燈老化前后樣品硬度出現(xiàn)略微下降,憎水性能基本保持不變,機(jī)械扯斷強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度略有上升,但變化幅度不大,這可能由于硅橡膠材料本身為基膠、氫氧化鋁、二氧化硅等多種物質(zhì)的混合物,混煉過程中存在一定的不均勻度,因此所測(cè)結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差;樣品表面微裂紋增加,但僅存在于樣品表面,裂紋寬度和深度較小。

通過上述分析,可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過200 h日光照射后硅橡膠材料未出現(xiàn)明顯的性能劣化現(xiàn)象,硅橡膠材料在陽(yáng)光照射下的老化過程較為緩慢,短時(shí)間內(nèi)難以模擬陽(yáng)光照射對(duì)硅橡膠材料性能影響的變化規(guī)律,此時(shí)若需研究日光照射下硅橡膠材料的性能變化規(guī)律,需大幅度增加日光輻照強(qiáng)度或延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間,增加了試驗(yàn)時(shí)間及試驗(yàn)難度,不適宜應(yīng)用于復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作中。

3 熱氧老化過程中復(fù)合絕緣子運(yùn)行特性

設(shè)置加熱溫度為250℃,測(cè)量不同時(shí)間段內(nèi)的質(zhì)量損失比例、邵氏硬度和褪色程度,褪色程度用顏色空間L×a×b中的L值表示,結(jié)果見圖2。

圖2 250℃熱氧老化試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出,試驗(yàn)過程中樣品質(zhì)量剩余比例呈降低趨勢(shì),硬度呈增加趨勢(shì),分析其原因?yàn)?隨著溫度的增加,硅橡膠材料中氫氧化鋁填料脫水,而且硅橡膠部分材料與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起硅橡膠樣品質(zhì)量減少,硬度增加。同時(shí),硅橡膠材料與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成有機(jī)材料出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,硅橡膠色澤加深,其L×a×b空間中顏色明度L值下降。試驗(yàn)初期硅橡膠表面材料與氧氣在高溫下快速發(fā)生變化,造成樣品質(zhì)量剩余比例與邵氏硬度快速變化,但當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間繼續(xù)增加,硅橡膠材料反應(yīng)深度增加,向內(nèi)層發(fā)展,由于表層材料的保護(hù)效應(yīng),反應(yīng)速度下降,質(zhì)量剩余比例和硬度變化趨勢(shì)趨于平緩。質(zhì)量剩余比例和硬度測(cè)試結(jié)果符合復(fù)合絕緣子的自然老化過程,但顏色明度L變化趨勢(shì)與自然老化復(fù)合絕緣子表現(xiàn)趨勢(shì)相悖。

對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖3所示,可以看出,自然老化后的2號(hào)試樣,其表層硅氧烷的衍射峰基本消失,而里層材料硅氧烷衍射峰相對(duì)明顯,表明復(fù)合絕緣子在老化過程中硅橡膠傘裙表面基膠材料(硅氧烷)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),測(cè)試結(jié)果證明了上述分析。

圖3 2號(hào)試樣XRD測(cè)試結(jié)果

2號(hào)試樣質(zhì)量損失比例和邵氏硬度變化趨勢(shì)明顯高于其它樣品,這是由于2號(hào)樣品運(yùn)行年限最長(zhǎng),其本身老化程度較為嚴(yán)重,硅橡膠材料穩(wěn)定性能最差,在高溫和氧氣的作用下,硅橡膠材料劣化速度最快,其硬度值上升至邵氏硬度計(jì)的最大值100 HA;1號(hào)試樣運(yùn)行年限最短,老化程度最輕,質(zhì)量損失比例和硬度變化趨勢(shì)最慢;1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)試樣在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)不同程度的鼓包現(xiàn)象,造成硬度測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)下降現(xiàn)象,但隨著溫度繼續(xù)上升,鼓包破裂,氣體釋放,其硬度測(cè)量值快速上升,以4號(hào)試樣最為明顯。

分別設(shè)置加熱溫度為270℃和290℃,重復(fù)上述試驗(yàn),結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 270℃熱氧老化試驗(yàn)結(jié)果

圖5 290℃熱氧老化試驗(yàn)結(jié)果

可以看出,隨著溫度的增加,質(zhì)量損失比例和硬度的變化趨勢(shì)加劇,但變化規(guī)律與250℃時(shí)一致,試驗(yàn)曲線可分為兩部分,一部分為快速變化階段,一般為試驗(yàn)進(jìn)行至4 h左右時(shí)結(jié)束,當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí),曲線進(jìn)入平穩(wěn)變化階段,變化趨勢(shì)較小,因此12 h的熱氧老化試驗(yàn),完全滿足試驗(yàn)需求。

熱氧老化可以模擬硅橡膠材料高溫氧化老化過程中的質(zhì)量損失和硬度上升現(xiàn)象,試驗(yàn)時(shí)間較短(12 h),可以作為復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作中抗老化能力的評(píng)估依據(jù)。

4 復(fù)合絕緣子老化過程中的氧化驗(yàn)證

為驗(yàn)證氧化現(xiàn)象是復(fù)合絕緣子的一個(gè)主要老化過程,本文對(duì)4支復(fù)合絕緣子樣品進(jìn)行XPS試驗(yàn),得到樣品表層及中心層硅橡膠材料Si元素、C元素和O元素的相對(duì)含量,如表3所示。

表3 試樣表層及里層Si、C、O元素相對(duì)含量

由表3可知,2號(hào)試樣表層氧元素的相對(duì)含量高達(dá)44.41%,遠(yuǎn)高于其他試樣,3號(hào)試樣次之,4號(hào)試樣氧元素的相對(duì)含量最低,以試樣中心層材料為該配方、工藝新品硅橡膠材料,以樣品表層及中心層氧元素的相對(duì)含量差值代表樣品老化前后的氧元素的相對(duì)含量增加值,可以看出2號(hào)樣品氧元素的相對(duì)含量增加增大,3號(hào)樣品次之,4號(hào)樣品氧元素的相對(duì)含量最小。

由此可見,復(fù)合絕緣子的老化過程伴隨著不斷的氧化過程,根據(jù)硅橡膠大分子的分子式可以推理其老化反應(yīng)化學(xué)式見圖6。

綜上所述,熱氧人工加速老化試驗(yàn)可以在一定程度上反應(yīng)復(fù)合絕緣子的老化反應(yīng)過程,通過測(cè)量熱氧人工加速老化過程中的質(zhì)量損失比例和硬度的變化值表征復(fù)合絕緣子的抗老化能力,可以作為復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的新判據(jù),且由于熱氧老化試驗(yàn)時(shí)間段、操作簡(jiǎn)便、試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單,可在運(yùn)行復(fù)合絕緣子老化評(píng)估工作中推廣。

圖6 硅氧烷結(jié)構(gòu)的氧化老化反應(yīng)過程

5 結(jié)論

a.短時(shí)間(200 h)氙燈人工老化并不會(huì)引起硅橡膠材料憎水性能耐、硬度、抗撕裂強(qiáng)度和機(jī)械扯斷強(qiáng)度及微觀形貌發(fā)生變化,不適宜應(yīng)用于運(yùn)行復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估中對(duì)其抗老化性進(jìn)行評(píng)估。

b.熱氧人工加速老化過程中復(fù)合絕緣子質(zhì)量損失比例和邵氏硬度出現(xiàn)明顯變化,且變化區(qū)域與試驗(yàn)溫度成正比,但樣品褪色程度變化不大,部分樣品表面出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,色澤加深。

c.復(fù)合絕緣子老化后氧元素含量增加,老化過程中存在明顯的氧化反應(yīng),熱氧人工加速老化具有試驗(yàn)時(shí)間短(12 h)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),可以表征復(fù)合絕緣子的抗老化性能,用于復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作中。