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        復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化狀態(tài)評(píng)估方法綜述

        2022-04-27 03:30:28曾磊磊李唐兵鄧志斌徐碧川劉玉婷
        電瓷避雷器 2022年2期
        關(guān)鍵詞:傘裙硅橡膠絕緣子

        曾磊磊, 張 宇, 曾 鑫, 李唐兵, 鄧志斌, 王 鵬, 萬 華, 徐碧川, 劉玉婷, 童 超, 童 濤, 徐 倩

        (1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 南昌 330096; 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司, 浙江 湖州 313000;3.國網(wǎng)江西省電力有限公司, 南昌 330077)

        0 引 言

        20世紀(jì)50年代,采用三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯和混合橡膠等材料作為傘套材料的復(fù)合絕緣子問世[1-2]。70年代開始研制硅橡膠復(fù)合絕緣子[3],由于硅橡膠特有的憎水性和憎水遷移性,大大提高了絕緣子的耐污閃性能,復(fù)合絕緣子逐漸被廣泛采用。我國于20世紀(jì)80年代初開始使用HTV復(fù)合絕緣子,得益于大面積污閃、大力發(fā)展直流輸電及特高壓輸電三大機(jī)遇,復(fù)合絕緣子在我國發(fā)展十分迅速,截至到2014年,我國110 kV及以上電壓等級(jí)的輸電線路上運(yùn)行的復(fù)合絕緣子已經(jīng)突破700萬支,在投運(yùn)的特高壓線路中,復(fù)合絕緣子的用量達(dá)到65%~70%[4-5]。

        由于在運(yùn)行過程中長期承受電場、機(jī)械應(yīng)力,再加上復(fù)雜多變的氣候環(huán)境的作用,隨著運(yùn)行年限的增加,復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙材料逐漸老化,導(dǎo)致潮氣入侵,引發(fā)局部放電與異常發(fā)熱,乃至于出現(xiàn)斷裂、掉串等嚴(yán)重后果[6-12],威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,合理準(zhǔn)確的評(píng)估復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài),從而對(duì)采取針對(duì)性的措施,比如立即更換或者加大巡檢力度等,就顯得十分必要。目前針對(duì)復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的評(píng)估方法眾多,各有其優(yōu)缺點(diǎn),還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)[13-18]。結(jié)合筆者研究成果,本研究從傳統(tǒng)和新的老化評(píng)估方法兩個(gè)方面,綜述了當(dāng)前復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評(píng)估進(jìn)展,探討了復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評(píng)估發(fā)展方向,以期給電力部門和生產(chǎn)廠家在評(píng)價(jià)和運(yùn)維與更換決策時(shí)提供指導(dǎo)。

        1 硅橡膠傘裙老化評(píng)估方法概況

        復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)評(píng)估是輸電線路外絕緣的關(guān)鍵問題,受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早期傳統(tǒng)老化評(píng)估方法的研究主要集中在:通過現(xiàn)場觀察及在實(shí)驗(yàn)室采用常規(guī)的傘套表面測試手段,評(píng)估其老化狀態(tài),如:外觀檢查、憎水性測試及紅外熱成像等方法。近年來,研究人員認(rèn)識(shí)到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),在宏觀上會(huì)導(dǎo)致其不同組分質(zhì)量的改變,在微觀上會(huì)引發(fā)表面微觀形貌、化學(xué)基團(tuán)及內(nèi)部陷阱參數(shù)的改變,由此衍生出了掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy,SEM)、熱重分析(Thermo gravimetric analysis,TGA)、傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)以及熱刺激電流測試(Thermally stimulated current,TSC)等方法來評(píng)估復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化狀態(tài)。

        下面將結(jié)合筆者的研究成果,從傳統(tǒng)和新評(píng)估的方法兩個(gè)方面,具體介紹和分析上述方法的評(píng)估指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)。

        2 傳統(tǒng)老化評(píng)估方法分析

        常用的老化評(píng)估方法主要為外觀檢查、噴水分級(jí)法(hydrophobicity class,HC)、靜態(tài)接觸角法和紅外成像法等。

        2.1 外觀檢查

        外觀檢查是電力部門最普遍的巡檢方法,運(yùn)行人員在塔下利用肉眼、望眼鏡或者通過無人機(jī)載攝像機(jī)拍攝圖片或視頻來觀測。外觀檢查主要是查看復(fù)合絕緣子是否存在明顯的缺陷,比如:傘套粉化程度、是否存在裂紋、孔洞、破損;芯棒是否裸露、斷裂以及金具是否滑移。外觀檢查主要是對(duì)復(fù)合絕緣子劣化情況做一個(gè)基本的判斷,比較簡單易行,缺點(diǎn)是:外觀檢查作為一種粗糙的檢測手段,只能夠發(fā)現(xiàn)一些外部明顯、需要立即處理的缺陷,無法發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷。

        2.2 噴水分級(jí)法

        噴水分級(jí)法最早由瑞典輸電研究所(STRI,Swedish Transmission Research Institute)提出[19],采用HC(hydrophobicity class)等級(jí)來表征試品的憎水性能,從HC1~HC7共7個(gè)等級(jí)被定義,等級(jí)越低說明憎水性能越好,其中HC3及以下為憎水性狀態(tài),HC5及以上為親水性狀態(tài)。測試過程為:首先利用噴水壺向絕緣子表面灑水,然后通過目測觀察表面水滴狀態(tài)來判斷HC級(jí)別,若絕緣子表面為相互獨(dú)立、分布均勻的橢球狀的細(xì)小水珠,則說明HC等級(jí)低,為疏水狀態(tài);反之,若表面為連續(xù)成片水膜,則說明HC等級(jí)高,為親水狀態(tài)。由于HC噴水分級(jí)法簡便易行,運(yùn)維人員可直接手持噴壺登塔在線噴水,不需要停電,是目前現(xiàn)場復(fù)合絕緣子的老化評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛方法之一。某220 kV線路不同運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子進(jìn)行的HC分級(jí)結(jié)果[20],見圖1。

        圖1 復(fù)合絕緣子HC分級(jí)圖Fig.1 HC classification of composite insulator

        由圖1可以明顯看出,運(yùn)行5年的復(fù)合絕緣子HC為2,仍然保持良好的憎水性能,而運(yùn)行10年以上的絕緣子憎水性大大降低,已經(jīng)為親水狀態(tài),說明復(fù)合絕緣子的憎水性與運(yùn)行年限存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系,也即隨著運(yùn)行年限的增加,復(fù)合絕緣子逐漸老化,憎水性越來越差。這表示HC分級(jí)法確實(shí)可以通過復(fù)合絕緣子憎水性的喪失來反映絕緣子的老化情況。然而,由于HC分級(jí)法是基于檢測人員的肉眼觀察來評(píng)定憎水等級(jí),其檢測結(jié)果會(huì)受到主觀因素影響而出現(xiàn)一定誤差。

        2.3 靜態(tài)接觸角法

        為了克服HC分級(jí)法主觀判斷帶來的誤差,客觀準(zhǔn)確的衡量材料表面的憎水狀態(tài),靜態(tài)接觸角法應(yīng)運(yùn)而生[21]。接觸角是指水滴、試品交界處的切線與試品表面的夾角,見圖2。接觸角的大小表示了水滴的圓度,從而表征樣品的憎水性能,并且接觸角越大表明憎水性越好,大于90°為憎水狀態(tài),小于90°為親水狀態(tài)。

        圖2 接觸角示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle

        圖3是使用JC2000D1型接觸角測量儀測得的某運(yùn)行4年的復(fù)合絕緣子傘裙的接觸角圖片[22]。

        圖3 復(fù)合絕緣子接觸角Fig.3 Contact angle of composite insulators

        從圖3可以看出,該復(fù)合絕緣子的接觸角遠(yuǎn)超90°,仍然保持較好的憎水性能。

        靜態(tài)接觸角法相比噴水分級(jí)法,能夠更加準(zhǔn)確、客觀的表征復(fù)合絕緣子憎水性能,但由于其測試條件更加嚴(yán)格,基本不能在現(xiàn)場使用。

        2.4 紅外熱像法

        復(fù)合絕緣子老化后,傘套絕緣電阻下降,內(nèi)部氣隙導(dǎo)致局部放電,以及水分入侵引起反復(fù)極化等原因都可能造成復(fù)合絕緣子發(fā)熱[22,6]。因此,復(fù)合絕緣子是否發(fā)熱及發(fā)熱程度也將作為其老化評(píng)估的指標(biāo)。紅外熱像法即是利用紅外熱像儀檢測絕緣子的發(fā)熱狀況[23-24]。筆者對(duì)運(yùn)行不同年限的500 kV復(fù)合絕緣子施加運(yùn)行電壓,并利用紅外熱像儀觀察發(fā)熱狀況,結(jié)果見圖4[25]。在左右兩邊各懸掛一支屏蔽復(fù)合絕緣子用以均勻電場,不對(duì)其進(jìn)行分析。

        圖4 紅外熱像圖Fig.4 Infrared thermography

        圖4中,從左到右依次為:屏蔽絕緣子、運(yùn)行2年絕緣子、運(yùn)行5年絕緣子、新絕緣子、運(yùn)行10年并發(fā)生斷裂絕緣(后文簡稱為斷裂絕緣子)和屏蔽絕緣子。由圖4可知,除去新復(fù)合絕緣子沒有發(fā)熱外,其余樣品均有明顯溫升,并且運(yùn)行2年和5年樣品的發(fā)熱位置集中在高壓端,而斷裂絕緣子的發(fā)熱區(qū)域從斷裂處延伸至中部,絕緣子有將近一半的長度存在發(fā)熱現(xiàn)象,發(fā)熱區(qū)域遠(yuǎn)大于其他樣品。此外,還得到了各樣品加壓過程中的溫升時(shí)域特性,見圖5。

        圖5 溫升時(shí)域特性曲線Fig.5 Temperature rise time domain characteristic curve

        因此,紅外熱成像法由于具有方便、快捷,可遠(yuǎn)距離在線檢測等優(yōu)點(diǎn),在電力部門已得到普遍應(yīng)用。然而由于對(duì)流和輻射的不斷進(jìn)行,只有發(fā)熱速率大于散熱速率,熱量累積才能表現(xiàn)為溫升,因此,紅外熱成像法對(duì)于導(dǎo)通性電阻致熱缺陷,或者顯著局部放電等嚴(yán)重缺陷具有較好的檢測效果,對(duì)于老化前期的復(fù)合絕緣子檢測效果不佳。

        3 老化評(píng)估新方法分析

        傳統(tǒng)方法主要研究復(fù)合絕緣子老化所引起的外在表現(xiàn),如從外觀粉化、憎水性及發(fā)熱程度等方面入手,評(píng)估復(fù)合絕緣子的老化狀況。這些方法比較簡便、直觀,但未涉及復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中的化學(xué)反應(yīng)與微觀形貌、結(jié)構(gòu)的改變,因而無法對(duì)材料老化進(jìn)行量化分析與剩余壽命預(yù)測。近年來,研究人員認(rèn)識(shí)到硅橡膠傘裙老化過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),在宏觀上會(huì)導(dǎo)致其不同組分質(zhì)量的改變,在微觀上會(huì)引發(fā)表面微觀形貌、化學(xué)基團(tuán)及內(nèi)部陷阱參數(shù)的改變,由此衍生出了掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜分析以及熱刺激電流測試等方法。相較于傳統(tǒng)評(píng)估方法,新方法有更完備的理論支撐,使進(jìn)一步量化與壽命評(píng)估成為可能。

        3.1 掃描電鏡分析

        SEM分析是一種常用的材料分析手段,能實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的從幾十到幾萬倍放大,從而對(duì)材料的表面狀況進(jìn)行微觀觀察。圖6為新試樣和運(yùn)行10年復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的SEM結(jié)果,放大倍數(shù)為2 000倍[26]。

        從圖6可以看出,新試樣的SEM圖像表面平整、光潔,未見孔洞、裂紋和顆粒物,而運(yùn)行10年的傘裙表面基本未見平整的區(qū)域,布滿了粉化聚集成團(tuán)的顆粒物,且出現(xiàn)較寬、較深的裂紋,表示該樣品已嚴(yán)重老化。上述分析結(jié)果說明可通過SEM觀察硅橡膠傘裙表面狀況來判斷復(fù)合絕緣子的老化程度,表面裂紋數(shù)量越多、寬度越大、孔洞越密集、顆粒物越明顯,則其老化程度越高。為了能夠量化分析樣品的微觀形貌,文獻(xiàn)[22]指出,可利用Image-Pro Plus 6.0軟件測量SEM圖片中顆粒物及裂紋的幾何特征,從而得到樣品微觀形貌的量化參數(shù)。

        圖6 掃描電鏡分析結(jié)果Fig.6 The results of SEM analysis

        此外,由于每次SEM實(shí)驗(yàn)只能分析一個(gè)微觀區(qū)域,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的分散性,為了減小誤差,應(yīng)該多測量幾個(gè)位置的SEM圖片。

        3.2 熱重分析

        HTV硅橡膠傘裙的主要成分包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、阻燃劑氫氧化鋁(ATH)和白炭黑二氧化硅,其中ATH的分解溫度為220 ℃~350 ℃,PDMS主要在350 ℃~570 ℃范圍內(nèi)發(fā)生熱解,白炭黑的熔點(diǎn)為1 600 ℃[27]。而熱重分析實(shí)驗(yàn)的溫度范圍為30 ℃~800 ℃,因此,在實(shí)驗(yàn)過程中,主要發(fā)生ATH和PDMS的分解,并且第一階段的失重量表征ATH的含量,第二階段的是失重量表征PDMS的含量。筆者在實(shí)驗(yàn)室對(duì)HTV硅橡膠進(jìn)行濕熱老化,制備了老化不同時(shí)長的硅橡膠樣品,并將其與運(yùn)行10年的硅橡膠傘裙(兩者配方一致)分別進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7[26]。

        圖7 熱重分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The results of TG analysis

        由圖7可知,濕熱老化0至26天樣品的第一階段失重量幾乎沒有差別,而運(yùn)行老化10年樣品第一階段的失重量也遠(yuǎn)低于濕熱老化樣品,說明濕熱老化過程中基本不會(huì)發(fā)生ATH的分解,而運(yùn)行10年樣品的ATH已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的分解。此外,隨著濕熱老化時(shí)間的增加,各樣品第二階段的失重量逐漸降低,其中濕熱老化26天樣品第二階段的失重量與運(yùn)行老化10年樣品的失重量趨于一致,說明濕熱老化與運(yùn)行老化過程中均發(fā)生了PDMS分解,且裂解程度與老化時(shí)間正相關(guān)。

        上述分析表明,熱重分析實(shí)驗(yàn)得到硅橡膠傘裙的第一、第二階段的失重量,分別對(duì)應(yīng)其不同組分的含量,可以作為量化評(píng)估復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的指標(biāo)。

        3.3 紅外光譜分析

        熱重分析的結(jié)果表明,復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化過程中會(huì)發(fā)生PDMS和ATH的分解,由此將會(huì)導(dǎo)致材料中各化學(xué)基團(tuán)的含量發(fā)生變化。因此,利用FTIR分析通過測量各基團(tuán)的吸收峰或透光度,來評(píng)估樣品的老化狀態(tài)。

        文獻(xiàn)[28]對(duì)相同配方的運(yùn)行4年和庫存的800 kV 復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙進(jìn)行FTIR分析,結(jié)果見圖8。

        圖8 紅外光譜分析結(jié)果Fig.8 The results of FTIR analysis

        由圖8可知,相比于庫存樣品,運(yùn)行4年的硅橡膠傘裙未出現(xiàn)新的紅外特征吸收峰,表明在老化過程中沒有生成新的基團(tuán)。此外,運(yùn)行4年樣品的Si-O-Si、Si-CH3、-OH等基團(tuán)吸收峰強(qiáng)均比庫存樣品低,說明老化過程中PDMS與ATH均發(fā)生分解,與熱重分析的結(jié)果一致。為了能夠量化FTIR的結(jié)果,可對(duì)FTIR曲線積分,求取各特征吸收峰的面積,作為量化參數(shù),評(píng)估樣品的老化狀態(tài)。

        3.4 熱刺激電流法

        SEM的結(jié)果指出硅橡膠傘裙老化過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷結(jié)構(gòu),TG和FTIR的結(jié)果表明,硅橡膠傘裙老化過程中會(huì)發(fā)生PDMS和ATH的分解,這些表現(xiàn)均會(huì)增大樣品的陷阱數(shù)量與陷阱深度。因此,理論上可以利用樣品的陷阱特性參數(shù)來表征其老化狀態(tài)。文獻(xiàn)[29]利用熱刺激電流法表征復(fù)合絕緣子傘裙的老化狀態(tài),其測試系統(tǒng)見圖9。

        圖9 TSC測試系統(tǒng)Fig.9 TSC test system

        熱刺激電流法的原理是對(duì)試品升溫至某一溫度T1,然后在T1下對(duì)其施加極化電場,保持該場強(qiáng),利用液氮系統(tǒng)迅速降溫至T2,使試品內(nèi)載流子凍結(jié),撤除極化電場,再對(duì)試品線性升溫,激發(fā)剛剛被凍結(jié)的載流子形成電流,記錄該電流隨溫度變化的數(shù)據(jù),即得到熱刺激電流曲線。

        筆者利用熱刺激電流法測量濕熱老化不同時(shí)長的硅橡膠的陷阱特性。得到各樣品的熱刺激電流特性曲線見圖10[26]。

        圖10 各樣品的TSC特性曲線Fig.10 TSC characteristic curves of samples

        利用公式(1)、(2)[29]分析TSC曲線,得到各樣品的陷阱電荷量Q和陷阱能級(jí)E等特性參數(shù),見圖11。

        (1)

        (2)

        式中:I為熱刺激電流,pA;β為升溫速率,K/min;t1,t2分別為升溫始末時(shí)間,T1和T2分別為升溫始末溫度,K,本文分別為173 K和423 K;Tm為TSC曲線峰值電流對(duì)應(yīng)的溫度,K;ΔT為TSC電流峰半峰值對(duì)應(yīng)的溫度差;k為玻爾茲曼常數(shù)。

        由圖11可知,陷阱電荷量和陷阱能級(jí)均隨濕熱老化時(shí)間增加而增大。陷阱電荷量增大,表示隨著老化時(shí)間增加,樣品的陷阱總數(shù)增大;陷阱能級(jí)增大表示陷阱深度增大,能容納的電荷數(shù)量增加,說明陷阱電荷量和陷阱能級(jí)均與老化時(shí)長正相關(guān),可作為量化評(píng)估老化狀態(tài)的參數(shù)。

        圖11 濕熱老化樣品的陷阱參數(shù)Fig.11 Trap parameters of hygrothermal aging samples

        4 結(jié) 論

        結(jié)合筆者的研究成果,從傳統(tǒng)和新的老化評(píng)估方法兩個(gè)方面,綜述了當(dāng)前復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化評(píng)估進(jìn)展。傳統(tǒng)方法主要涉及復(fù)合絕緣子老化引起的外在表現(xiàn),包括外觀檢查、噴水分級(jí)法、靜態(tài)接觸角法及紅外熱像法等。這些方法比較簡便、直觀,但未涉及硅橡膠傘裙老化過程中化學(xué)組分的變化,無法對(duì)材料老化進(jìn)行量化分析與剩余壽命預(yù)測。老化評(píng)估新方法包括掃描電子顯微鏡、熱重分析、傅里葉紅外光譜以及熱刺激電流法等。這些新方法主要研究了硅橡膠傘裙老化過程中的微觀形貌、組分質(zhì)量、化學(xué)基團(tuán)以及陷阱參數(shù)的變化,每種新方法均有對(duì)應(yīng)的量化參數(shù),使復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化評(píng)估的量化分析成為可能,將是今后的重點(diǎn)研究方向。

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