焦才明， 楊昌建，劉云舒，任雙贊，楊傳凱，賈志東

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司，西安 710032； 2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；3.清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院，深圳 518055）

引言

復(fù)合絕緣子因其優(yōu)異的憎水性、耐污等性能已在我國(guó)各省大范圍應(yīng)用[1-4]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中絕緣子硅橡膠材料會(huì)受到電場(chǎng)、光照、污穢等許多電氣、環(huán)境應(yīng)力[5-7]的作用，這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致硅橡膠材料出現(xiàn)老化情況。陜西漢中、安康等地屬于典型的濕熱地區(qū)，這種運(yùn)行環(huán)境下水分侵入壓接式絕緣子后會(huì)出現(xiàn)端部發(fā)熱、機(jī)械破壞負(fù)荷下降等異?，F(xiàn)象[9,10]，為此。本文選取三組運(yùn)行于濕熱環(huán)境下的復(fù)合絕緣子，利用傅里葉紅外光譜技術(shù)對(duì)其端部護(hù)套老化情況進(jìn)行了研究，隨后選取傘裙硅橡膠試樣，利用長(zhǎng)時(shí)間水煮和水浸泡試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)環(huán)境[10]，研究了水分滲入硅橡膠護(hù)套的深度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濕熱運(yùn)行環(huán)境下絕緣子端部護(hù)套老化深度有限，水分無(wú)法大量滲透穿過(guò)壓接式絕緣子護(hù)套導(dǎo)致異?，F(xiàn)象產(chǎn)生。

1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)樣品

為研究濕熱環(huán)境下復(fù)合絕緣子端部護(hù)套材料的老化情況及水分能夠滲入護(hù)套厚度的深度，本文選取三支已運(yùn)行13 年的110 kV 絕緣子試樣進(jìn)行了研究，這三支復(fù)合絕緣子為同一生產(chǎn)廠家、同一批次產(chǎn)品，且運(yùn)行于同一輸電線(xiàn)路同一桿塔或相鄰桿塔，因此可以認(rèn)為其老化情況基本處于同一水平。將上述三支絕緣子樣品分別編號(hào)為NO.1、NO.2 和NO.3。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本文首先選取上述三支絕緣子的高壓端及低壓端的端部護(hù)套試樣，利用傅里葉紅外光譜[11]對(duì)其老化情況進(jìn)行了初步探究。

濕熱環(huán)境下水分侵入絕緣子端部后會(huì)導(dǎo)致其異常溫升和機(jī)械破壞負(fù)荷值下降，為探究濕熱環(huán)境下水分滲入復(fù)合絕緣子端部護(hù)套的深度，參照相關(guān)研究[10]，本文選取與護(hù)套成分及老化情況都較相似的端部第一片傘裙試樣，利用水煮試驗(yàn)和水浸泡試驗(yàn)?zāi)M嚴(yán)酷的濕熱環(huán)境，研究了水分侵入端部護(hù)套的深度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 護(hù)套老化情況初步研究

復(fù)合絕緣子硅橡膠護(hù)套的主要成分是高溫硫化硅橡膠，110 kV絕緣子試樣的護(hù)套厚度約為5 mm。有相關(guān)研究[12]得出復(fù)合絕緣子在自然條件下運(yùn)行時(shí)其傘裙老化深度為微米級(jí)別，可以將傘裙內(nèi)層的試樣等同于出廠時(shí)的新樣。本節(jié)選取NO.1 號(hào)復(fù)合絕緣子傘裙內(nèi)層樣品，將其等效為該絕緣子出廠時(shí)新樣品，隨后選取NO.1、NO.2、NO.3 三支絕緣子高壓端和低壓端端部護(hù)套的外層和內(nèi)層樣品，切取護(hù)套內(nèi)層試樣時(shí)保證其距離表層厚度大于2 mm，并利用傅里葉紅外光譜試驗(yàn)對(duì)上述13 個(gè)樣品進(jìn)行了分析，具體分析對(duì)比結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，端部護(hù)套內(nèi)層、外層的紅外光譜和傘裙內(nèi)層相比，并未有新的光譜產(chǎn)生或消失?；诖吮疚倪x取波數(shù)為790 cm-1左右的Si-(CH3)2基團(tuán)作為表征老化的依據(jù)，在該基團(tuán)處將光譜進(jìn)行局部放大可以看出，在誤差允許的情況下，紅外光譜波形出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，相比于端部護(hù)套外層試樣，No.1 號(hào)絕緣子傘裙內(nèi)層、NO.1、NO.2、NO.3 號(hào)絕緣子高壓端及低壓端護(hù)套內(nèi)層試樣波形峰值相對(duì)較高，其中傘裙內(nèi)層試樣和端部護(hù)套內(nèi)層試樣波峰值基本相同，由此可以說(shuō)明端部硅橡膠護(hù)套內(nèi)層試樣和傘裙內(nèi)層試樣一樣并未出現(xiàn)老化現(xiàn)象。高壓端和低壓端的護(hù)套雖然在運(yùn)行過(guò)程中所承受的老化因素有差別，但其內(nèi)層試樣成分基本一致且基本未發(fā)生變化，證明正常運(yùn)行下的任何老化因素對(duì)硅橡膠的影響是有限的。

圖1 端部護(hù)套老化對(duì)比

2.2 水分侵入端部護(hù)套深度

前述已經(jīng)說(shuō)明了復(fù)合絕緣子端部傘裙和端部護(hù)套內(nèi)部成分基本一致，所以性能也基本保持一致。為了快速證明濕熱環(huán)境下水分侵入硅橡膠護(hù)套的深度，選取NO.1 絕緣子端部第一片傘裙，將其放置在鹽溶液中分別進(jìn)行水煮及水浸泡7 天、14 天、21 天和28 天的模擬老化試驗(yàn)，來(lái)探究游離態(tài)水分在護(hù)套中的侵入深度。選取傘裙時(shí)切取厚度大于6 mm 的區(qū)域。水分在硅橡膠材料中不僅有滲透作用，在自然環(huán)境下還會(huì)從硅橡膠中擴(kuò)散出去。在水煮和水浸泡試驗(yàn)結(jié)束后，立即對(duì)所選試樣進(jìn)行切片，硅橡膠材料雖然具有一定的吸水性，但其吸水能力相對(duì)較弱，水分侵入深度可能較淺，為了更進(jìn)一步的明確侵入深度，在水煮和水浸泡試驗(yàn)時(shí)間較短的情況下，切取試樣時(shí)應(yīng)保證試樣的厚度在毫米以下。為了精確地表征游離態(tài)水分在護(hù)套中的侵入深度，本節(jié)選取波數(shù)為1 644 cm-1[13]的H2O 基團(tuán)波峰相對(duì)高度來(lái)表征水分在硅橡膠所選深度處的含量多少。試驗(yàn)結(jié)果如下所示：

2.2.1 水煮模擬試驗(yàn)侵入深度研究

水煮7 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣，圖2 所示為水煮7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比。除特殊說(shuō)明外，本文中后面xxμm 試樣均指該試樣距硅橡膠表面為xxμm 的試樣。

圖2 水煮7 天樣品

選取波數(shù)為1 644 cm-1的H2O 基團(tuán)并將其局部放大可以看出，外層試樣存在明顯的H2O基團(tuán)，而110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣在H2O 基團(tuán)處波形較平緩，考慮到傅里葉紅外光譜分析水分深度的局限性，上述試驗(yàn)可以說(shuō)明水煮7 天的試樣在深度大于110 μm 后侵入的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖3所示為水煮14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比。水煮14 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為250 μm、650 μm 和1 mm 的試樣。方法同上，將波數(shù)為1 644 cm-1的H2O 基團(tuán)作為參考依據(jù)，可以看出水煮14 天的試樣在該波峰處所有選取試樣波形均比較平緩，說(shuō)明水煮14 天試樣在深度大于250 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖3 水煮14 天樣品

圖4所示為水煮21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比，水煮21 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為650 μm、1 mm 和1.7 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為650 μm 和1 mm 的試樣在選取基團(tuán)處波形較明顯，而深度為1.7 mm的試樣和內(nèi)層試樣在該基團(tuán)處波形較平緩，說(shuō)明水煮21 天的試樣在深度大于1.7 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖4 水煮21 天樣品

圖5所示為水煮28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比，水煮28 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為500 μm、1.2 mm、1.6 mm、2 mm、2.5 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為500μm的試樣在所選取基團(tuán)處波形非常明顯，深度為1.2 mm、1.6 mm 和2 mm 的試樣在該波峰處波形較明顯，深度為2.5 mm 的試樣和內(nèi)層試樣在該波峰處波形較平緩，說(shuō)明水煮28天的試樣在深度大于2.5 mm 后侵入的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。由圖5 還可以看出深度為500 μm 的試樣和其他深度的試樣相比波峰較高，說(shuō)明水分在硅橡膠材料中擴(kuò)散是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，且隨著水分的不斷侵入，硅橡膠深度較淺的區(qū)域存留的水分會(huì)越來(lái)越多。

圖5 水煮28 天樣品

由上述水煮不同時(shí)長(zhǎng)的四組試樣侵入深度來(lái)看，水分侵入的深度是隨著水煮時(shí)間逐漸深入的，同時(shí)可以得出，即便是在鹽溶液中水煮28 天的試樣，其深度大于2.5 mm 后滲透的水分較少，遠(yuǎn)未達(dá)到絕緣子護(hù)套的5 mm 深度。

2.2.2 水浸泡模擬試驗(yàn)侵入深度研究

圖6所示為水浸泡7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比，水浸泡7 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為200 μm 和340 μm 的試樣。由圖中可以看出，外層試樣在選定基團(tuán)處波形較為明顯，而深度為200 μm 以及340 μm 的試樣在該基團(tuán)處波形較平緩，說(shuō)明水浸泡7 天的試樣在深度大于200 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖6 水浸泡7 天樣品

圖7所示為水浸泡14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比，水浸泡14 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為180 μm、600 μm 和1 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為180 μm 的試樣波形較明顯，而深度為600 μm 和1mm 的試樣波形較平緩，說(shuō)明水浸泡14 天的試樣在深度大于600 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖7 水浸泡14 天樣品

圖8所示為水浸泡21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比水，浸泡21 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為700 μm 和950 μm 的試樣。由圖中可以看出深度為700 μm 的試樣在選定基團(tuán)處波形明顯，而深度為950 μm 的試樣和內(nèi)層試樣在該基團(tuán)處波形平緩，說(shuō)明水浸泡21 天的試樣在深度大于950 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖8 水浸泡21 天樣品

圖9所示為水浸泡28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對(duì)比，水浸泡28 天試驗(yàn)結(jié)束后切取深度為800 μm 和1.2 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為800 μm 的試樣在選定基團(tuán)處波形明顯，而深度為1.2 mm 的試樣在該基團(tuán)處波形平緩，說(shuō)明水浸泡28 天的試樣在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過(guò)紅外光譜分析觀測(cè)出。

圖9 水浸泡28 天樣品

由水浸泡試驗(yàn)結(jié)果可知，水分侵入深度也是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，由上述四組試驗(yàn)侵入深度來(lái)看，水浸泡28 天的試樣水分侵入深度最深，但是在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不僅小于水煮試驗(yàn)中水分含量相對(duì)較高的深度，而且遠(yuǎn)低于絕緣子端部護(hù)套的5 mm 深度。

2.2.3 小結(jié)

對(duì)比水煮試驗(yàn)和水浸泡試驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)時(shí)間相同的情況下，水煮試驗(yàn)中水分侵入的深度要高于水浸泡試驗(yàn)，說(shuō)明溫度對(duì)水分在端部護(hù)套中的侵入有一定的加速作用。但是無(wú)論是水浸泡試驗(yàn)還是水煮試驗(yàn)，在深度大于2.5 mm 后滲透的水分相對(duì)含量較小，還未達(dá)到端部護(hù)套厚度的一半。而護(hù)套內(nèi)部基本未老化，隨著深度的增加，水分滲透的難度越大。依據(jù)相關(guān)研究[10]，水煮28 h 后復(fù)合絕緣子會(huì)出現(xiàn)明顯的溫升現(xiàn)象，本文中水分入侵端部護(hù)套厚度小于2.5 mm，在水煮及水浸泡28 天的時(shí)間里水分無(wú)法通過(guò)端部護(hù)套滲透進(jìn)入也證明日常運(yùn)行中護(hù)套并非水分入侵絕緣子端部得主要路徑。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濕熱地區(qū)運(yùn)行13年絕緣子端部護(hù)套老化情況進(jìn)行分析，并對(duì)端部硅橡膠材料進(jìn)行水浸泡和水煮試驗(yàn)，可以的得到如下結(jié)論：

1）在長(zhǎng)時(shí)間濕熱運(yùn)行環(huán)境下，各應(yīng)力因素對(duì)硅橡膠端部護(hù)套的老化程度有限，護(hù)套深度在2 mm 以下試樣基本未發(fā)生老化；

2）28 天的水煮和水浸泡模擬試驗(yàn)中，水分侵入復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套深度有限，溫度可促進(jìn)水分在絕緣子端部護(hù)套中的擴(kuò)散。

3）濕熱運(yùn)行環(huán)境下護(hù)套并非水分入侵絕緣子端部的主要路徑，后續(xù)將結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)論深入研究濕熱環(huán)境下水分入侵絕緣子端部的路徑。