鄭建軍，史賢達，田 峰，高云鵬

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

多分裂型高壓輸電線路在實際運行過程中常常會因微風或強風而引起導線的振動、舞動，長此以往還會導致緊固件的松動，進而造成導線磨損、斷股，嚴重時甚至還可能引發(fā)導線斷裂脫落等惡劣事故[1-2]。因此，為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，導線間隔棒開始逐漸在輸電線路中得到廣泛應用。

間隔棒是一種常見的防護型金具，其主要通過固定各分裂導線間的間距以起到防止導線間的鞭擊、抑制微風振動和次檔距振蕩的作用[3-4]。依據(jù)性能特點，間隔棒可分為剛性間隔棒、阻尼間隔棒及柔性間隔棒等種類；根據(jù)分裂子導線數(shù)量，間隔棒則可以分為二分裂、三分裂、四分裂、六分裂、八分裂間隔棒等類型[5-7]。使用過程中，間隔棒必須具有足夠的握著力以防止出現(xiàn)松動、順線移動等故障，從而避免導線因長期風振而引發(fā)的磨損[8]。目前，國內(nèi)輸電線路所用的間隔棒類型大多為阻尼型，該類型的間隔棒主要采用橡膠作為阻尼材料，使用過程中阻尼橡膠通過吸收振動能達到有效防止導線磨損的效果。因此，阻尼橡膠材料的優(yōu)劣對間隔棒的使用性能具有十分重要的影響[9-11]。劉鵬等人通過對分裂導線間隔棒內(nèi)阻尼橡膠塊開展了不同溫度和時間的熱老化實驗后發(fā)現(xiàn)，隨著老化時間的延長和老化溫度的上升，阻尼橡膠塊的邵氏硬度不斷增加，且回彈性逐漸降低，這主要與橡膠內(nèi)部發(fā)生的斷鏈降解反應有關[12]。然而，國內(nèi)外有關阻尼橡膠塊在實際運行過程中出現(xiàn)老化問題的報道較少。本文針對一起220kV四分裂間隔棒阻尼橡膠塊的開裂原因進行研究分析，旨在為此類設備的運行和維護提供一定的指導建議，以防止同類失效再次發(fā)生。

1 實驗方法

（1）對阻尼橡膠塊進行宏觀形貌檢查，判斷其表面有無燒蝕、漏電起痕、機械磨損等痕跡，并結合其它試驗手段對阻尼橡膠塊的開裂原因做出進一步分析。

（2）利用HITACHIS 3700N型掃描電子顯微鏡（SEM）及Bruker-XFLash Detector 510型X射線能譜儀（EDS）對阻尼橡膠塊的微觀形貌及化學元素組成進行觀察和分析。

（3）利用BRUKER TENSOR Ⅱ型傅里葉紅外光譜儀，對阻尼橡膠塊的不同部位進行紅外光譜分析，確定其主要官能團的變化情況。

（4）利用TGA55型熱重分析儀，對阻尼橡膠塊的不同部位進行熱分解實驗，確定其主組分質(zhì)量的變化情況。

（5）利用HLX-AC型邵氏硬度計對阻尼橡膠塊的不同部位進行硬度測試，確定其力學性能變化情況。

2 實驗結果與分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

通過宏觀形貌檢查可以看出，樣品為阻尼型四分裂導線間隔棒的一角，連接板與夾頭通過螺栓進行固定，中間墊有阻尼橡膠塊，如圖1（a）所示。橡膠塊外圈存在明顯的開裂現(xiàn)象，局部區(qū)域的膠體已發(fā)生脫落。需要指出的是，連接板與夾頭基本處于鎖死狀態(tài)，夾頭已無法自由擺動。拆卸后，可以在螺栓孔邊緣觀察到明顯的磨損痕跡和大量鋁屑，如圖1（b）所示；橡膠塊表面未見明顯異常，但邊緣附近存在開裂現(xiàn)象，如圖1（c）所示。將外圈開裂橡膠輕易剝除后，從圖1（d）中可以觀察到在底層橡膠表面污穢物沉積及少量小顆粒鋁屑。此外，阻尼橡膠塊各部位未見燒蝕、機械磨損等痕跡。

圖1 間隔棒及阻尼橡膠塊各部位宏觀形貌Fig.1 Macromorphologies of spacer and damping rubber block

2.2 SEM微觀形貌觀察與EDS能譜分析

在利用掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察前，需要先將樣品放在恒溫恒濕箱中干燥，再進行噴金處理后方可開展實驗。通過不同部位SEM微觀形貌的觀察結果可以看出，阻尼橡膠塊表層橡膠的表面較為光滑，且可見少量微裂紋及污穢顆粒，未見明顯老化特征，如圖2（a）和圖2（b）所示。相比之下，阻尼橡膠塊外圈及底層的橡膠表面則較為粗糙，且均存在大量裂紋，如圖2（c）～（f）所示。值得注意的是，與外圈相比，底層橡膠的表面裂紋更寬，深度更深，且存在大量污穢顆粒，這與電蝕損引發(fā)的復合絕緣子傘裙的老化特征相似[13-14]。

圖2 阻尼橡膠塊各部位表面微觀形貌（低倍+高倍）Fig.2 Micromorphologies of damping rubber block in different positions

EDS化學元素能譜的檢測結果見表1。從表1中可以看，出阻尼橡膠塊表層和外圈橡膠的表面除了含有大量C元素和少了O元素外，未見其它化學元素；而底層橡膠的表面除了含有一定量的C元素外，還檢測到了大量的O、Al、Si、Ca等其它元素，這主要與底層橡膠表面長期沉積的大量污穢物和鋁屑顆粒有關，表明阻尼橡膠塊的開裂時間較長。此外，由表1中還可以發(fā)現(xiàn)底層橡膠表面的O元素含量很高，說明該部位的橡膠存在嚴重的氧化行為。

表1 各部位阻尼橡膠塊表面化學元素分析結果（wt.%）Table 1 Chemical element analysis results of the damping rubber block surface in different positions

2.3 傅里葉紅外光譜檢測與分析

利用Bruker Tensor II型傅里葉紅外光譜測量儀對阻尼橡膠塊的幾個典型部位進行了檢測，測試結果如圖3所示。從圖中可以觀察到，阻尼橡膠基體材料的紅外光譜存在多個特征峰，其中峰值強度變化較顯著的兩個特征峰分別為C?O（1000cm-1）和C≡N（2100cm-1）。與基體橡膠材料相比，外圈和底層橡膠中出現(xiàn)了新的特征峰?C?O，且底層橡膠中C?O峰的峰值強度較高；此外，外圈和底層橡膠中C≡N峰的峰值強度都出現(xiàn)了不同程度的降低，說明材料在運行過程中發(fā)生了斷鏈降解反應[15]。還需要指出的是，底層橡膠中還檢測到了明顯的?OH（3610cm-1）峰，說明該處橡膠材料存在高溫引發(fā)的熱氧老化反應，且降解嚴重[16]。

圖3 阻尼橡膠塊不同部位表面FTIR吸收光譜Fig.3 FTIR absorption spectra of damping rubber block with different positions

2.4 DTA熱重曲線分析

利用熱重分析儀對不同部位的阻尼橡膠材料進行了測試，結果如圖4所示。從圖中可以看出，阻尼橡膠塊基體材料的熱分解過程共分為三個階段，而外圈和底層橡膠材料的熱分解過程僅包含兩個階段。

圖4 不同部位阻尼橡膠塊熱失重曲線Fig.4 Thermogravimetric curves of damping rubber block with different positions

由表2可以看出，第一個熱分解過程，基體橡膠材料的分解溫度為361.73℃，外圈和底層橡膠的分解溫度分別為323.46℃和327.77℃；第二個熱分解過程，基體材料的分解溫度為496.83℃，外圈和底層橡膠的分解溫度分別為482.95℃和483.49℃?？梢钥闯?，外圈和底層橡膠材料的熱分解溫度出現(xiàn)了明顯的降低。由表2中還可以觀察到，整個加熱過程中基體橡膠材料的熱失重率可達77.03%，而外圈和底層橡膠的熱失重率均明顯小于基體材料，分別為52.27%和53.08%。

表2 不同部位阻尼橡膠塊熱失重數(shù)據(jù)Table 2 Thermogravimetric data of damping rubber block with different positions

2.5 邵氏硬度檢測

阻尼橡膠塊不同部位邵氏硬度的測量結果見表3。需要指出的是，底層橡膠表面較為粗糙，因此無法進行測試。從表3可以看出，外圈橡膠材料的邵氏硬度值明顯大于表面橡膠材料。這是因為外圈橡膠材料發(fā)生了熱老化，從而導致硬度升高。

表3 不同部位阻尼橡膠塊邵氏硬度值Table 3 Shore hardness of damping rubber block with different positions

2.6 綜合分析

通過宏觀形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)阻尼橡膠塊外圈橡膠發(fā)生了多處開裂，部分區(qū)域還存在因大風、兩側連接板壓應力等外力、長時間振動及老化降解等共同因素作用下導致的膠體脫落現(xiàn)象；外圈開裂橡膠可以輕松剝離，并且剝離后在底層橡膠表面能夠觀察到大量污穢沉積，表明橡膠塊內(nèi)部開裂時間較長。此外，夾頭與連接板處于鎖死狀態(tài)，螺栓孔邊緣存在明顯的磨損痕跡及大量鋁屑顆粒；并且，少量鋁屑隨著外圈橡膠的開裂并在電場的作用下不斷擴散到阻尼橡膠塊基體內(nèi)并成為放電尖端。以上結果均表明夾頭與連接板連接螺栓的預緊力過大，使阻尼橡膠塊一直處于壓緊狀態(tài)，而有關研究表明應力作用往往會加速橡膠材料的老化行為[17]。由微觀形貌的觀察結果可知表層橡膠的表面較為光滑，而外圈和底層橡膠的表面均存在大量裂紋，且底層橡膠表面的裂紋更深，說明劣化程度更高；EDS化學成分和傅里葉紅外光譜的檢測結果表明外圈和底層橡膠中均存在大量的O元素，且均出現(xiàn)了C?O峰，說明這兩個位置的橡膠均發(fā)生了氧化降解反應；底層橡膠中O元素的含量遠遠超過外圈橡膠，表明底層橡膠的氧化程度更為嚴重，而?OH峰的出現(xiàn)則進一步表明底層橡膠存在嚴重的熱氧化問題[16]。熱重曲線分析的結果表明，外圈和底層橡膠材料的分解溫度均出現(xiàn)了降低。這是由于在運行過程中，外圈和底層橡膠因老化導致其內(nèi)部抗氧劑等助劑的含量逐漸減小，抗氧化性能下降，進而使分解溫度降低。此外，外圈和底層橡膠的熱失重率均明顯小于基體。這說明外圈和底層橡膠中填充劑等小分子物質(zhì)揮發(fā)得較為嚴重。力學性能的檢測結果表明外圈橡膠發(fā)生了明顯硬化，這主要與老化引起的主鏈斷鍵有關。

綜合以上實驗結果，可知阻尼橡膠塊的開裂主要與應力及熱老化的共同作用有關。連接板與夾頭的連接螺栓預緊力過高，導致阻尼橡膠塊一直承受高應力作用，較高的壓應力將使橡膠中的分子鏈發(fā)生取向變形，鍵長和鍵角發(fā)生改變并受到約束，進而引發(fā)分子鏈的斷裂活化能降低并加速老化。運行過程中，橡膠塊外圈在壓應力、高溫及紫外線等自然因素的共同作用下逐漸于表面形成微裂紋。微裂紋不斷由表面向基體內(nèi)部擴展，深度逐漸增加，并逐漸于基體內(nèi)部形成氣隙。在雨季或霧天等潮濕的環(huán)境下，氣隙內(nèi)部逐漸凝結小水滴，進而形成場強畸變并引發(fā)尖端電暈放電。此外，氣隙的存在還導致少量鋁屑顆粒擴散至橡膠基體內(nèi)部并在電場的作用下引發(fā)尖端放電。電應力的作用進一步加速了底層橡膠的熱老化，這也是底層橡膠的老化程度高于外圈橡膠的主要原因。最終，阻尼橡膠塊在壓應力、高溫、紫外線照射等自然因素及電暈放電等電應力因素的共同作用下加速老化，并引發(fā)了開裂故障。

3 結論

綜上分析，本次四分裂導線間隔棒阻尼橡膠塊開裂故障主要與預緊力過高而引發(fā)的加速老化有關。阻尼橡膠塊在連接螺栓預緊力過大所成生的壓應力、高溫、紫外線照射等自然因素及電暈放電等電應力因素的共同作用下加速老化，并在較短時間使用后便出現(xiàn)了開裂故障。建議，首先應按照要求對間隔棒的連接螺栓進行安裝，避免出現(xiàn)預緊力過高、各部位受力不均等情況；其次，在運行及檢修過程中應加強對同類型線路及間隔棒的監(jiān)督，以免造成更嚴重的線路故障。