賀姣姣

(陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司榆林電力分公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

復(fù)合絕緣子因其質(zhì)量輕、耐污性能優(yōu)異、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1-2]，但是，由于復(fù)合絕緣子構(gòu)成材料多樣，不同材質(zhì)界面間易因其本身質(zhì)量問(wèn)題、密封不嚴(yán)受潮、粘接不緊密有空隙等原因造成局部放電，進(jìn)而造成硅橡膠護(hù)套燒蝕穿孔、芯棒斷裂等一系列嚴(yán)重問(wèn)題[3-4]。硅橡膠傘裙與外部環(huán)境直接接觸，易受空氣中不同污穢成分、溫濕度、氣候等條件影響，不同的運(yùn)行環(huán)境下，傘裙老化特性不同[5-7]。通過(guò)檢測(cè)硅橡膠傘裙憎水性、硬度等宏觀表征，以及傘裙微觀形貌、元素含量等能夠得到復(fù)合絕緣子傘裙老化程度較為準(zhǔn)確的結(jié)果[8-9]。如文獻(xiàn)[10]搭建了復(fù)合絕緣子試驗(yàn)平臺(tái)，模擬電暈放電、鹽灰密等環(huán)境因素，測(cè)試并分析了不同環(huán)境中復(fù)合絕緣子憎水性的喪失和恢復(fù)特性。文獻(xiàn)[11]采用傅里葉紅外光譜分析(FTIR)對(duì)浸泡在不同酸堿溶液中的復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙進(jìn)行了檢測(cè)，從而分析了不同酸堿環(huán)境下硅橡膠傘裙的老化狀況。文獻(xiàn)[12]利用傅里葉紅外光譜分析和硬度測(cè)試方法，分析了同一電壓等級(jí)、相同運(yùn)行環(huán)境下處于不同位置復(fù)合絕緣子的老化特性，但上述研究并沒有綜合考慮復(fù)合絕緣子本身運(yùn)行條件和外部真實(shí)環(huán)境雙重作用下的老化情況。

為更好地評(píng)價(jià)不同運(yùn)行條件下復(fù)合絕緣子傘裙老化特性，評(píng)估其運(yùn)行性能，本文在充分考慮外部環(huán)境的情況下，對(duì)不同電壓等級(jí)、不同生產(chǎn)廠家、不同運(yùn)行年限、不同運(yùn)行環(huán)境的復(fù)合絕緣子進(jìn)行了憎水性和傅里葉紅外光譜的對(duì)比分析，從而進(jìn)一步明確了影響復(fù)合絕緣子安全運(yùn)行的主要因素，并給出了相應(yīng)的運(yùn)維建議。

1 復(fù)合絕緣子傘裙老化表征

復(fù)合絕緣子傘裙是以羥基封端的硅氧烷作為基礎(chǔ)膠料，在交聯(lián)劑等的作用下，在高溫下交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子硅橡膠。已有的研究表明，配方良好的硅橡膠耐紫外線性能、熱穩(wěn)定性及耐電蝕能力良好，但受運(yùn)行環(huán)境影響，運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子傘裙表面會(huì)出現(xiàn)很多變化，如變色或表面析出白色粉末等，更嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)傘裙表面龜裂、發(fā)粘、發(fā)霉等。目前，運(yùn)行中復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙普遍存在的老化現(xiàn)象主要集中在部分產(chǎn)品表面憎水性下降、硬度增加和抗撕裂強(qiáng)度變差等。

憎水性下降包括表面憎水性以及憎水遷移性下降，這是傘裙劣化的最直接表現(xiàn)。通過(guò)憎水性試驗(yàn)(靜態(tài)接觸角法(CA法)、動(dòng)態(tài)接觸角法、噴水分級(jí)法(HC法)、動(dòng)態(tài)滴水法等)能有效檢測(cè)出復(fù)合絕緣子表面憎水性[9-10]。

硅橡膠的主鏈為Si-O-Si，側(cè)鏈主要是甲基基團(tuán)Si-(CH3)2，主鏈和側(cè)鏈的完整程度可以反映硅橡膠的老化程度，而硅橡膠中的C-H、Si-CH3是非極性基團(tuán)，緊密排列在主鏈的外部，是硅橡膠具有憎水性的主要原因，在外界水分空氣的作用下，硅橡膠逐漸氧化并引入親水性的-OH，因此-OH能反映硅橡膠的憎水性。硅橡膠的基團(tuán)中，Si-C鍵能相對(duì)較低，比較容易遭到破壞，因此傘裙在運(yùn)行過(guò)程中逐漸老化，Si-C可以作為硅橡膠老化程度的表征[11-12]。

通過(guò)采用噴水分級(jí)法宏觀檢測(cè)復(fù)合絕緣子憎水性，采用傅里葉紅外光譜微觀檢測(cè)復(fù)合絕緣子不同基團(tuán)吸收峰面積，可以有效評(píng)估不同運(yùn)行條件下復(fù)合絕緣子傘裙老化特性。

2 老化特性檢測(cè)與分析

為評(píng)價(jià)在網(wǎng)復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)行的架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程[13]及中國(guó)電科院關(guān)于復(fù)合絕緣子抽檢周期的建議，對(duì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8年或處于較惡劣運(yùn)行環(huán)境下的復(fù)合絕緣子開展質(zhì)量抽檢工作，共抽檢了33個(gè)廠家批次的153支在運(yùn)復(fù)合絕緣子。所抽檢復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限分布如圖1所示。

當(dāng)復(fù)合絕緣子電壓等級(jí)、運(yùn)行環(huán)境、所處地區(qū)污穢等級(jí)、運(yùn)行年限、生產(chǎn)廠家不同時(shí)，復(fù)合絕緣子的老化程度及特性均存在一定差異。為更好地評(píng)估不同運(yùn)行條件下復(fù)合絕緣子傘裙的老化程度，優(yōu)化運(yùn)行中復(fù)合絕緣子運(yùn)維策略，考慮實(shí)際情況，在已抽檢的153支復(fù)合絕緣子中選取具有不同特點(diǎn)的復(fù)合絕緣子進(jìn)行憎水性和傅里葉紅外光譜分析并對(duì)比，并通過(guò)傘裙試品的熱重分析進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 抽檢復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限分布情況

2.1 被試樣品

不同的復(fù)合絕緣子廠家因原材料配方、生產(chǎn)工藝等不同，所生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子產(chǎn)品質(zhì)量可能存在較大差異。為保證測(cè)試分析結(jié)果的科學(xué)性，對(duì)已抽檢的153支復(fù)合絕緣子進(jìn)行分析，最終篩選出生產(chǎn)廠家相同，運(yùn)行年限、所處地區(qū)污穢等級(jí)和運(yùn)行環(huán)境不同的復(fù)合絕緣子作為被試品。根據(jù)分析側(cè)重點(diǎn)不同，將被試品分為3組，并測(cè)試其憎水性。

從153支復(fù)合絕緣子中選取運(yùn)行于某重污穢地區(qū)的2條35 kV線路由同一廠家生產(chǎn)的3支復(fù)合絕緣子，分別標(biāo)記為01、02、03號(hào)試品。其中01號(hào)與02號(hào)為同一線路絕緣子，依據(jù)“運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8年”原則抽選，03號(hào)為相鄰線路復(fù)合絕緣子，依據(jù)“處于較惡劣運(yùn)行環(huán)境下”原則抽選。此3支復(fù)合絕緣子電壓等級(jí)、生產(chǎn)廠家和所處環(huán)境污穢等級(jí)均相同，運(yùn)行年限不同，試品信息如表1所示。

表1 運(yùn)行年限不同的復(fù)合絕緣子試品

從153支復(fù)合絕緣子中選取運(yùn)行于同一條110 kV線路上同一廠家生產(chǎn)的6支復(fù)合絕緣子，分別標(biāo)記為04-09號(hào)試品，其運(yùn)行年限為11年，依據(jù)“運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8年”原則抽選。該線路運(yùn)行于環(huán)境污穢等級(jí)不同的區(qū)域，04-06號(hào)試品環(huán)境污穢等級(jí)為c， 07-09號(hào)試品環(huán)境污穢等級(jí)為b，其他條件相同。此6支復(fù)合絕緣子電壓等級(jí)、生產(chǎn)廠家和運(yùn)行年限均相同，04-06號(hào)與07-09號(hào)所處環(huán)境污穢等級(jí)不同，試品信息如表2所示。

表2 所處環(huán)境污穢等級(jí)不同的復(fù)合絕緣子試品

從153支復(fù)合絕緣子中選取運(yùn)行于不同環(huán)境下的2條110 kV線路由同一廠家生產(chǎn)的4支復(fù)合絕緣子，分別標(biāo)記為10、11號(hào)試品，其運(yùn)行環(huán)境為沙漠，運(yùn)行年限為12年；12、13號(hào)試品，其運(yùn)行環(huán)境為化工廠，運(yùn)行年限為13年，均依據(jù)“運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8年”原則抽選。此4支復(fù)合絕緣子電壓等級(jí)、生產(chǎn)廠家相同，運(yùn)行年限相近(根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同廠家生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限僅相差1年的，其老化程度相差不大)，但10、11號(hào)與12、13號(hào)運(yùn)行環(huán)境不同，試品信息如表3所示。

表3 運(yùn)行環(huán)境不同的復(fù)合絕緣子試品

需要說(shuō)明的是，為保證試品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免單一試品因其特異性帶來(lái)分析誤差，因此，表2、表3中同類試品均為2支及以上。此外，如圖2所示測(cè)試的憎水性等級(jí)可作為判斷復(fù)合絕緣子傘裙老化特性的參考。

(a)05號(hào)試品-HC2

(b)01號(hào)試品-HC5

2.2 傅里葉紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙紅外光譜的吸收峰位置和強(qiáng)度能夠準(zhǔn)確分析傘裙的微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。硅氧烷主要基團(tuán)及其特征吸收峰波數(shù)范圍如表4所示。

表4 硅氧烷主要基團(tuán)及其特征吸收峰波數(shù)范圍

因此，對(duì)表1—表3中的復(fù)合絕緣子試品進(jìn)行紅外光譜對(duì)比分析，能直觀判斷出不同試品的微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，即老化差異。

1)對(duì)表1中的3支試品進(jìn)行傅里葉紅外光譜分析，光譜對(duì)比如圖3所示。

分析圖3可知，01號(hào)試品的-OH含量(3 700～3 200 cm-1)略高于02號(hào)和03號(hào)試品，且其主鏈Si-O-Si(1 100～1 000 cm-1)和側(cè)鏈Si-(CH3)2(840～790 cm-1)的吸收峰都比較低，主鏈和側(cè)鏈被破壞表明傘裙的老化比較嚴(yán)重，因此01號(hào)試品的憎水性比02號(hào)和03號(hào)差，這與噴水分級(jí)法試驗(yàn)的結(jié)果一致。進(jìn)一步分析圖2，運(yùn)行年限分別達(dá)8年和13年的試品，其硅橡膠傘裙主要的憎水性官能團(tuán)含量下降(-OH含量上升)明顯，且8年到13年比4年到8年的吸光率差值要大很多；比較波段在1 500 cm-1至3 000 cm-1的官能團(tuán)吸收峰，4年和8年的試品幾乎相同，而13年的試品吸收峰劇增。這些表明隨著運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子傘裙會(huì)逐漸老化，硅橡膠主鏈和憎水性官能團(tuán)會(huì)逐漸遭到破壞，尤其是在運(yùn)行年限超過(guò)某個(gè)時(shí)間后老化進(jìn)程會(huì)突然加速。

圖3 運(yùn)行年限不同的復(fù)合絕緣子紅外光譜對(duì)比

考慮相關(guān)規(guī)程規(guī)定中建議的復(fù)合絕緣子抽檢試驗(yàn)周期，綜合此次試驗(yàn)結(jié)果，判斷這個(gè)時(shí)間年限注意值為8年。為驗(yàn)證這一結(jié)果，對(duì)包括01～13號(hào)試品在內(nèi)的153支、33個(gè)廠家批次的復(fù)合絕緣子進(jìn)行抽檢試驗(yàn)，對(duì)其中水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果不合格的25支試品的運(yùn)行年限進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中僅2支試品的運(yùn)行年限在8年以下，而運(yùn)行年限超過(guò)8年的復(fù)合絕緣子出現(xiàn)水?dāng)U散試驗(yàn)不合格的概率高達(dá)90%以上。

綜合上述結(jié)果，運(yùn)維單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行年限較長(zhǎng)，尤其是超過(guò)8年的復(fù)合絕緣子憎水性檢測(cè)，并根據(jù)年度抽檢試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)采取更換或加強(qiáng)復(fù)合絕緣子狀態(tài)監(jiān)測(cè)的運(yùn)維策略。

2)對(duì)表2中的6支試品進(jìn)行傅里葉紅外光譜分析，光譜對(duì)比如圖4所示。

圖4 所處地區(qū)污穢等級(jí)不同的復(fù)合絕緣子紅外光譜對(duì)比

測(cè)量到的特征官能團(tuán)的吸收峰面積如表5所示。

表5 測(cè)得不同復(fù)合絕緣子特征官能團(tuán)的吸收峰面積

通過(guò)比較可以看出，04，05，06號(hào)和07，08，09號(hào)試品的憎水性基團(tuán)(Si-CH3)含量相差不大，表明宏觀憎水性也相差不大，這與噴水分級(jí)法試驗(yàn)的結(jié)果一致。04，05，06號(hào)的主鏈Si-O-Si基團(tuán)吸收峰面積相對(duì)較小，表明這3支試品主鏈的破壞較嚴(yán)重，傘裙老化程度高，耐老化性能不如07，08，09號(hào)，表明環(huán)境污穢等級(jí)越高(污染越嚴(yán)重)，空氣中的污染物對(duì)硅橡膠傘裙的不利影響也越嚴(yán)重，甚至可能出現(xiàn)腐蝕傘裙表面的情況，從而導(dǎo)致傘裙老化進(jìn)程加快，憎水性喪失的也越快；因此，運(yùn)維單位要加大對(duì)運(yùn)行于較重污穢地區(qū)，尤其是排放酸性污染氣體廠區(qū)附近復(fù)合絕緣子的狀態(tài)檢(監(jiān))測(cè)。

3)對(duì)表3中的4支試品進(jìn)行傅里葉紅外光譜分析，光譜對(duì)比如圖5所示。

圖5 運(yùn)行環(huán)境不同的復(fù)合絕緣子紅外光譜對(duì)比

測(cè)量到的特征官能團(tuán)的吸收峰面積如表6所示。

通過(guò)比較可以看出，總體上12，13號(hào)試品的主鏈和側(cè)鏈的吸收峰面積大于10，11號(hào)試品，表明12，13號(hào)試品硅橡膠傘裙的老化程度相對(duì)較輕，其憎水性基團(tuán)含量也相對(duì)較高，表明傘裙的憎水性也更好。

表6 測(cè)得不同復(fù)合絕緣子特征官能團(tuán)的吸收峰面積

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，12，13號(hào)試品的運(yùn)行年限更長(zhǎng)，環(huán)境中主要的污穢成分為化工廠廢氣，而10，11號(hào)試品環(huán)境中主要的污穢成分為砂石塵土。分析圖4、表6所測(cè)得的紅外光譜分析數(shù)據(jù)，可知在中度污穢情況下(污穢等級(jí)不大于d級(jí))，運(yùn)行于沙漠環(huán)境條件下的復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙相較于一般工業(yè)環(huán)境條件下的傘裙老化程度更重，憎水性等級(jí)更低。分析可能的原因是砂石塵土在風(fēng)力作用下對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙表面造成了一定的磨損，從而導(dǎo)致其憎水性降低；而化工粉塵等污穢附著于傘裙表面后，由于硅橡膠傘裙具有的憎水遷移性，反而能保持相對(duì)較好的憎水性。

仔細(xì)檢查10，11號(hào)試品的傘裙表面，發(fā)現(xiàn)雖然其顏色和外觀無(wú)明顯異常，但用酒精擦拭表面后仔細(xì)觀察，其相較于其他試品稍顯粗糙。查閱相關(guān)運(yùn)行資料，10，11號(hào)試品運(yùn)行于沙漠環(huán)境，當(dāng)?shù)仫L(fēng)速常年在8 m/s以上，表明大風(fēng)帶起的沙石確實(shí)會(huì)對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙造成一定損傷。

2.3 熱重分析

復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的熱重分析可按照物質(zhì)熱分解失重過(guò)程分為3個(gè)階段：一是220～350 ℃階段，低分子物質(zhì)蒸發(fā)，阻燃劑氫氧化鋁(ATH)填料部分脫水；二是350～600 ℃階段，硅氧烷分子熱分解失重；三是溫度大于600 ℃階段，除ATH失去結(jié)晶水后形成的Al2O3，以及幾乎不失重的白炭黑外，其他物質(zhì)均全部分解。根據(jù)上述不同階段物質(zhì)含量變化，可有效分析硅橡膠傘裙的熱穩(wěn)定性和各組分的相對(duì)含量變化。

1)對(duì)04號(hào)和07號(hào)試品進(jìn)行熱重對(duì)比分析，得到的熱重曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 污穢等級(jí)不同的復(fù)合絕緣子熱重曲線對(duì)比

根據(jù)圖6，第一階段中04號(hào)試品的ATH填料熱分解失重為11%，07號(hào)試品為13%，且07號(hào)試品的ATH填料熱分解速度較快(熱重曲線斜率更大)；第二階段中04號(hào)試品的硅氧烷熱分解失重達(dá)36%，07號(hào)試品為34%，且04號(hào)試品的硅氧烷熱分解速度較快(熱重曲線斜率更大)。表明04號(hào)試品的ATH填料含量較高，具有較好的耐電蝕損特性；07號(hào)試品的硅氧烷含量較高，具有較好的憎水性，這與憎水性測(cè)試和紅外光譜分析的結(jié)果一致。

2)對(duì)03號(hào)和12，13號(hào)試品進(jìn)行熱重對(duì)比分析，得到的熱重曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 不同運(yùn)行環(huán)境復(fù)合絕緣子熱重曲線對(duì)比

根據(jù)圖7，第一階段中03，12，13號(hào)試品ATH填料熱分解失重分別為15%，16%，14%，且03號(hào)試品的熱分解速度最慢；第二階段中03，12，13號(hào)試品硅氧烷熱分解失重分別為34%，33%，34.5%，且03號(hào)試品的分解速度最快。表明03號(hào)試品的熱穩(wěn)定性相較于另外兩支要差。此外，總體來(lái)看，12號(hào)試品的硅氧烷含量較高，具有較好的憎水性；13號(hào)試品的ATH填料含量較高，具有較好的耐電蝕損特性。

上述熱重分析結(jié)果表明，運(yùn)行環(huán)境對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙硅橡膠老化有較大影響。在化工廠等重污穢度環(huán)境中運(yùn)行的復(fù)合絕緣子表面附著有較重的特殊污穢成分，在污穢物的侵蝕作用下，傘裙的硅氧烷含量和阻燃性無(wú)機(jī)填料含量都有明顯下降，傘裙的老化程度相較于輕污穢度地區(qū)要嚴(yán)重。

3 復(fù)合絕緣子運(yùn)維建議

1)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程中規(guī)定的檢測(cè)周期對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行憎水性檢測(cè)，尤其要對(duì)運(yùn)行年限較長(zhǎng)、運(yùn)行環(huán)境為重污穢或特殊污穢地區(qū)(冶煉廠、化工廠、水泥廠等廠區(qū)周邊)的復(fù)合絕緣子重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。對(duì)憎水性等級(jí)為HC6或憎水性在短時(shí)間內(nèi)迅速降低的復(fù)合絕緣子及時(shí)更換并進(jìn)行檢測(cè)，明確其劣化原因。

2)應(yīng)加大對(duì)常年處于較大風(fēng)速地區(qū)，環(huán)境為戈壁或荒漠線路所運(yùn)行復(fù)合絕緣子的狀態(tài)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)有憎水性顯著下降情況的及時(shí)進(jìn)行處理。

3)日常運(yùn)維中要加強(qiáng)對(duì)復(fù)合絕緣子紅外成像檢測(cè)，對(duì)有明顯異常的要及時(shí)采取其他如紫外成像檢測(cè)、帶電憎水性檢測(cè)、無(wú)人機(jī)等手段進(jìn)行復(fù)測(cè)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)有傘裙粉化、破損、變色或其他異常情況的要及時(shí)停電更換。

4)每年應(yīng)根據(jù)輸電線路實(shí)際運(yùn)行情況提前制定抽檢計(jì)劃并按時(shí)送檢，檢測(cè)結(jié)果返回后，要及時(shí)根據(jù)抽檢結(jié)果采取重點(diǎn)監(jiān)測(cè)或停電更換等措施，抽檢要求和原則按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中規(guī)定的執(zhí)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合絕緣子作為輸電線路上最重要的電氣設(shè)備之一，其電氣和機(jī)械性能直接影響著輸電線路能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。加強(qiáng)對(duì)其宏觀和微觀方面的性能檢測(cè)，評(píng)估其老化程度，研究影響其運(yùn)行的各類主要因素從而采取一系列措施是保證復(fù)合絕緣子安全運(yùn)行的重要手段。本文對(duì)不同類型的復(fù)合絕緣子樣品進(jìn)行了宏觀憎水性試驗(yàn)，對(duì)硅橡膠傘裙進(jìn)行了微觀傅里葉紅外光譜分析，并通過(guò)熱重試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出不同運(yùn)行年限、所處地區(qū)不同污穢等級(jí)以及不同污穢環(huán)境情況是影響復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化的主要因素。運(yùn)維單位應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)行年限較長(zhǎng)、運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣的復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)其老化表征及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。