畢茂強(qiáng)，董 揚(yáng)，陳 曦，江天炎，潘愛川，楊俊偉

(重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

1 前 言

復(fù)合絕緣子因其特有的憎水性和憎水恢復(fù)特性而被廣泛用于電力系統(tǒng)[1-4]，但復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期工作在戶外，其表面會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而積污嚴(yán)重，在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中容易發(fā)生閃絡(luò)事故。在城市工業(yè)區(qū)、沿海地區(qū)等，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致大氣環(huán)境惡化，使得霧水中富含Ca2+、Na+、Cl-等離子，霧水電導(dǎo)率能夠達(dá)到2000～3000 μS·cm-1左右[5-8]，且霧的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不僅給絕緣子表面帶來(lái)更多的導(dǎo)電物質(zhì)，同時(shí)潤(rùn)濕可溶污穢物，進(jìn)一步降低絕緣子的電氣性能，使絕緣子在較低濕度下就能發(fā)生閃絡(luò)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

復(fù)合絕緣子在面臨積污問(wèn)題的同時(shí)，還將面臨多因素的老化[9]。由于安裝不當(dāng)?shù)仍?，電暈或電弧放電產(chǎn)生的帶電粒子長(zhǎng)時(shí)間撞擊在復(fù)合絕緣子表面，使復(fù)合絕緣子表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致其憎水性降低，從而在表面形成導(dǎo)電水膜，導(dǎo)致閃絡(luò)事故的發(fā)生，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行[10-13]。

隨著復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，其可靠性愈發(fā)受到關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅橡膠復(fù)合絕緣子進(jìn)行了大量的研究，姚剛等選取不同材料的硅橡膠進(jìn)行電暈放電老化試驗(yàn)，分析了電暈放電對(duì)硅橡膠材料老化特性的影響[14]。梁英等研究了污穢度、老化時(shí)間及環(huán)境濕度對(duì)電暈老化硅橡膠憎水性及閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律，同時(shí)還對(duì)硅橡膠材料的表面電荷進(jìn)行研究，探究表面電荷對(duì)電暈老化硅橡膠閃絡(luò)電壓的影響[15, 16]。張志勁等在人工霧室對(duì)制作復(fù)合絕緣子的硅橡膠材料進(jìn)行帶電鹽霧老化，研究了不同電壓等級(jí)、老化時(shí)長(zhǎng)、霧水電導(dǎo)率對(duì)硅橡膠材料閃絡(luò)特性的影響規(guī)律[17]。蔣興良等采用人工污穢試驗(yàn)方法，研究了在不同電導(dǎo)率鹽霧環(huán)境下覆污絕緣子的霧閃特性[18]。王黎明等通過(guò)模擬霧霾環(huán)境研究了支柱絕緣子在霧霾環(huán)境中的閃絡(luò)特性[19]。李鵬等研究了復(fù)合絕緣子的干、濕閃電壓，結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子的干閃電壓不受其憎水性的影響，污穢能夠明顯降低復(fù)合絕緣子的電氣性能[20]。雖然學(xué)者們對(duì)硅橡膠的電暈老化特性、復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)特性等進(jìn)行了較多研究，但老化方式、老化環(huán)境的不同，尤其是老化過(guò)程中臭氧濃度的差異，都會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的一定的偏差。在沿海地區(qū)和部分城市工業(yè)區(qū)，復(fù)合絕緣子將受到電暈老化、污穢以及鹽霧的共同作用。

根據(jù)以上問(wèn)題，本文人工模擬具有一定空氣流速的高濕度環(huán)境，采用多針-板結(jié)構(gòu)電極對(duì)清潔和覆污的硅橡膠進(jìn)行電暈老化試驗(yàn)，獲取不同老化狀態(tài)的硅橡膠樣品，探究表面污穢狀態(tài)對(duì)硅橡膠老化進(jìn)程的影響。并將老化后的樣品放在人工霧室中進(jìn)行沿面閃絡(luò)試驗(yàn)，獲取不同老化狀態(tài)下硅橡膠樣品閃絡(luò)電壓的變化規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文以某復(fù)合絕緣子廠試制的硅橡膠片為樣品，其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為甲基乙烯基硅橡膠(35%～40%)、SiO2(5%～10%)、Al(OH)3(45%～50%)和硅油(1%～2%)，樣品尺寸為115 mm×115 mm×2 mm。對(duì)清潔硅橡膠片和3組不同鹽密覆污的硅橡膠樣品分別進(jìn)行24和100 h的電暈老化試驗(yàn)(表1)，用NaCl模擬導(dǎo)電物質(zhì)，模擬鹽密(salt deposit density，SDD)為0.05，0.10，0.15 mg·cm-2，用硅藻土模擬不溶物，鹽灰質(zhì)量比為1∶6。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電暈老化裝置主要由電極、老化環(huán)境箱、水箱、空氣壓縮機(jī)以及高壓設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。其中電極為多針-板結(jié)構(gòu)，針電極上31根細(xì)小鋼針呈圓盤形分布[21]，板電極為一個(gè)直徑為100 mm的圓形銅板，針板間距離為12 mm；環(huán)境控制箱為一個(gè)直徑和高度分別為350 mm和400 mm的有機(jī)玻璃罐。采用空壓機(jī)壓縮空氣并將其通入盛有蒸餾水的密閉水箱，再用導(dǎo)管將水箱中氣體導(dǎo)入老化環(huán)境箱中，并用濕度傳感器測(cè)量老化環(huán)境箱中的相對(duì)濕度變化。

表1 電暈老化試驗(yàn)條件

圖1 電暈老化試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of corona aging test equipment

閃絡(luò)試驗(yàn)在0.8 m×0.8 m×1.25 m的人工霧室中進(jìn)行，將型號(hào)為NHSB-10 kVA/50 kV的實(shí)驗(yàn)變壓器作為實(shí)驗(yàn)電源。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和閃絡(luò)電極結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示，其中閃絡(luò)電極為指形電極，電極半徑為6 mm，正負(fù)兩極間可調(diào)距離為0～30 mm，本文試驗(yàn)采用的放電距離為10 mm。

圖2 閃絡(luò)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of flashover test equipment

圖3 指形閃絡(luò)電極結(jié)構(gòu)示意圖：(a)俯視圖，(b)側(cè)視圖Fig.3 Structure schematic of finger flashover electrode: (a) top view, (b) side view

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)樣品預(yù)處理

試驗(yàn)前，首先用無(wú)水乙醇清潔硅橡膠表面，然后放在相對(duì)干燥(RH<40%)的無(wú)塵環(huán)境中靜置24 h以上。用潔凈的紗布反復(fù)擦拭樣品表面使其憎水性減弱至噴水分級(jí)法的HC4等級(jí)左右，之后按照固體涂層法[22]進(jìn)行覆污。待樣品表面污穢完全干燥后，再進(jìn)行電暈老化試驗(yàn)。

(2)電暈老化試驗(yàn)

打開空壓機(jī)將高濕度氣體通入環(huán)境控制箱，控制空氣流速為10 L·min-1，待箱中相對(duì)濕度大于95%時(shí)，將硅橡膠樣品放置于銅板電極上，開始電暈老化試驗(yàn)，緩慢對(duì)針電極施加10 kV交流電壓，老化時(shí)間分別為0，24，100 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境控制箱中的溫度保持在(20±2) ℃。

(3)憎水性測(cè)試

用光學(xué)接觸角測(cè)試儀(ZJ-6900)測(cè)量老化前后樣品表面的靜態(tài)接觸角。將水滴滴在硅橡膠材料的表面，相機(jī)精確采集水滴圖像并自動(dòng)擬合計(jì)算出樣品與水滴的靜態(tài)接觸角，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量后取其均值。

(4)樣品表面形貌觀測(cè)

切取樣品針電極正下方老化區(qū)域并進(jìn)行噴金50 s處理，使用ZEISS SIGMA HD場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)樣品表面微觀形貌。

(5)沿面閃絡(luò)試驗(yàn)

取出老化后的樣品，并將樣品老化區(qū)域切割成4片，每片規(guī)格為20 mm×30 mm×2 mm，依次放入人工霧室進(jìn)行沿面閃絡(luò)試驗(yàn)。霧由超聲波霧發(fā)生器生成，其粒徑大小為80～120 μm。當(dāng)樣品表面布滿由霧水產(chǎn)生的水滴時(shí)，開始對(duì)樣品緩慢勻速加壓至閃絡(luò)，對(duì)每片樣品進(jìn)行4次閃絡(luò)，每次間隔5 min。由于閃絡(luò)試驗(yàn)得到的閃絡(luò)電壓具有一定的分散性，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性，將試驗(yàn)結(jié)果的平均值Uf作為樣品的閃絡(luò)電壓值，同時(shí)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ[17]。

3 結(jié)果及分析

3.1 硅橡膠表面形態(tài)分析

樣品經(jīng)過(guò)不同時(shí)長(zhǎng)的電暈放電后的外觀形貌如圖4所示，可以看出，電暈放電使樣品在針尖正下方出現(xiàn)圓形擴(kuò)散狀老化區(qū)域，該區(qū)域隨老化時(shí)長(zhǎng)增加而增大。當(dāng)硅橡膠表面的污穢度較小時(shí)，電暈老化后的表面形貌變化越明顯。電暈放電產(chǎn)生的高能粒子撞擊樣品表面使原本附著在表面的污穢由針尖正下方向周圍擴(kuò)散，對(duì)表面污穢有一定的吹散作用。隨著污穢度的增加，部分高能粒子直接撞擊在污穢上，使得樣品表面在一定時(shí)間上受到的電暈放電的影響較小，當(dāng)老化時(shí)間較短時(shí)，樣品表面老化痕跡不明顯。

圖4 樣品電暈老化后的表面形貌：(a) 老化24 h，(b)老化100 hFig.4 Surface morphologies of samples after corona aging: (a) aging for 24 h, (b) aging for 100 h

進(jìn)一步對(duì)樣品老化后的表面形貌進(jìn)行SEM觀測(cè)，結(jié)果如圖5和圖6所示。清潔樣品經(jīng)過(guò)24 h電暈老化，表面出現(xiàn)裂紋，其寬度在2.5 μm左右；隨著污穢度的增加，裂紋數(shù)量逐漸減少，寬度也逐漸減小，當(dāng)鹽密為0.15 mg·cm-2，樣品表面幾乎被污穢物覆蓋。當(dāng)老化時(shí)長(zhǎng)為100 h時(shí)，清潔樣品由于放電產(chǎn)生的裂紋寬度增加到3.2 μm左右，相較于覆污的樣品，其電暈放電產(chǎn)生的裂紋更大。由此可見，當(dāng)老化時(shí)長(zhǎng)一定時(shí)，污穢度越高，電暈老化對(duì)硅橡膠的影響越弱，污穢在一定程度上減弱了電暈放電對(duì)硅橡膠的影響。

3.2 硅橡膠憎水性分析

電暈老化結(jié)束后測(cè)量硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角，如圖7所示，可以看出，不同老化狀態(tài)的硅橡膠表面水滴呈現(xiàn)不同程度的靜態(tài)接觸角。未老化時(shí)的清潔樣品的靜態(tài)接觸角為110°，老化24 h后，清潔樣品的靜態(tài)接觸角下降到73.3°，3種覆污樣品的靜態(tài)接觸角分別為75.1°、78.6°、80.7°；當(dāng)老化時(shí)長(zhǎng)為100 h時(shí)，清潔樣品靜態(tài)接觸角僅有55.0°，隨著表面污穢度的增加，覆污樣品的靜態(tài)接觸角分別為60.0°、67.0°、70.7°。硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角隨老化時(shí)長(zhǎng)的增加而降低，相同老化時(shí)間下，隨著污穢度的增加而增加。污穢度越高，靜態(tài)接觸角降低幅度小，電暈放電對(duì)樣品的憎水性影響越小，這與表面形貌的變化趨勢(shì)相吻合。這說(shuō)明硅橡膠表面污穢度將影響硅橡膠表面的電暈老化進(jìn)程和老化狀態(tài)，污穢度越高，樣品表面受到電暈放電的影響越小。

圖6 不同污穢度樣品電暈老化100 h的表面SEM照片：(a)清潔，(b～d)鹽密分別為0.05，0.10，0.15 mg·cm-2Fig.6 Surface SEM images of samples with different pollution degrees after corona aging for 100 h: (a) clean, (b～d) salt deposit density is 0.05，0.10，0.15 mg·cm-2, respectively

圖7 不同污穢度的硅橡膠樣品電暈老化24 h(a)和100 h(b)后的靜態(tài)接觸角Fig.7 Static contact angle of silicone rubber samples with different pollution degrees after corona aging for 24 h (a) and 100 h (b)

3.3 硅橡膠表面閃絡(luò)特性分析

將老化后的樣品放在霧室中進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，其閃絡(luò)電壓均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于9%。將閃絡(luò)電壓的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)SDD的變化作圖，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，未老化的清潔硅橡膠樣品的閃絡(luò)電壓均值最高，當(dāng)樣品老化時(shí)長(zhǎng)為100 h時(shí)，覆污鹽密為0.15 mg·cm-2的樣品的閃絡(luò)電壓均值最低，兩者相差3.7 kV。

表2 老化后樣品在霧中的閃絡(luò)電壓均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖8 鹽密(salt deposit density,SDD)對(duì)硅橡膠樣品閃絡(luò)電壓的影響Fig.8 The influence of SDD on the flashover voltage of silicone rubbersamples

隨著覆污鹽密的增大，經(jīng)相同時(shí)間老化的硅橡膠樣品的閃絡(luò)電壓降低，且降低的趨勢(shì)逐漸變小，并且老化時(shí)間越長(zhǎng)，這種趨勢(shì)越明顯，說(shuō)明當(dāng)污穢含量較高時(shí)，老化時(shí)長(zhǎng)對(duì)閃絡(luò)電壓的影響程度越來(lái)越小。同時(shí)，還可以看出污穢度由0到0.05 mg·cm-2的變化引起的閃絡(luò)電壓的變化較大，是因?yàn)槲鄯x濕潤(rùn)后，樣品表面帶有大量離子，樣品表面電導(dǎo)率大幅升高，使得閃絡(luò)電壓迅速下降。再次增加表面污穢度，雖然也引起閃絡(luò)電壓降低但是降低幅度不大。在電暈老化過(guò)程電暈放電產(chǎn)生的高能粒子碰撞硅橡膠材料表面造成破壞，而材料表面覆污后會(huì)在表面形成一層污穢薄膜，在一定程度上可以減輕粒子的碰撞，所以受破壞程度比起清潔狀態(tài)的硅橡膠的略輕，憎水性也更好，有利于閃絡(luò)電壓的提高；但隨著污穢的增加，表面的導(dǎo)電物質(zhì)相應(yīng)增多，在一定程度上又將降低材料表面的閃絡(luò)電壓，所以在二者共同作用下，閃絡(luò)電壓下降的趨勢(shì)變緩。

4 結(jié) 論

本文完成了對(duì)不同表面狀態(tài)條件下硅橡膠樣品的電暈老化試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行了SEM觀測(cè)、憎水性測(cè)試以及閃絡(luò)電壓測(cè)試，得到以下結(jié)論：

(1)在表面覆污狀態(tài)下，電暈放電產(chǎn)生的高能粒子將首先沖擊硅橡膠樣品表面的污穢，從而減輕了電暈放電對(duì)硅橡膠樣品本身的影響，延緩了硅橡膠的老化進(jìn)程。污穢度越高，電暈老化后硅橡膠樣品表面由于放電形成的裂紋的寬度越小。

(2)清潔硅橡膠老化后的靜態(tài)接觸角最小，而覆污硅橡膠老化后的靜態(tài)接觸角隨污穢度增大而增大，反映了污穢對(duì)電暈放電影響的減緩作用。

(3)老化時(shí)間一定的情況下，硅橡膠表面污穢度越高，硅橡膠的閃絡(luò)電壓越低，同時(shí)污穢度對(duì)閃絡(luò)電壓的影響有限。老化時(shí)間越長(zhǎng)，樣品閃絡(luò)電壓越低，閃絡(luò)電壓與表面污穢度有關(guān)，污穢度越高，老化時(shí)長(zhǎng)引起的閃絡(luò)電壓的降幅越小。