鄭建軍 ，李 鐵，史賢達(dá) ，田 峰 ，

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司錫林郭勒供電公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000）

0 引言

復(fù)合絕緣子概念是由美國在20世紀(jì)50年代首次提出，但是直到20世紀(jì)70年代隨著高溫硫化硅橡膠的問世，復(fù)合絕緣子才在真正意義上被人們所接受[1-2]。與傳統(tǒng)瓷、玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子除了擁有更加優(yōu)異的耐污特性外，還具有重量輕、易安裝維護(hù)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-7]，這也使其在我國石太線、寶成線電氣化鐵路隧道首次投入使用不久后[8]，便很快在全國范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。蒙西電網(wǎng)于上世紀(jì)90年代初開始逐漸在重污穢區(qū)域引用復(fù)合絕緣子，目前蒙西電網(wǎng)110 kV及以上電壓等級在運(yùn)復(fù)合絕緣子的總數(shù)量為40余萬支，其中運(yùn)行年限超過10年的絕緣子數(shù)量近10萬支。與其他省網(wǎng)公司的應(yīng)用情況相似，伴隨著運(yùn)行年限的增加，蒙西電網(wǎng)范圍內(nèi)的在運(yùn)復(fù)合絕緣子也出現(xiàn)了傘裙斷裂、護(hù)套開裂、傘裙脫落等硅橡膠材料老化問題[9-11]，而大量停電故障的調(diào)查結(jié)果表明輸電線路的停電故障均與硅橡膠材料老化而引發(fā)的復(fù)合絕緣子斷串故障有關(guān)[12-16]。

復(fù)合絕緣子的主要構(gòu)成部件，如傘裙護(hù)套，芯棒、界面偶聯(lián)劑等有機(jī)復(fù)合材料，在高電壓、強(qiáng)機(jī)械負(fù)載和自然因素的長期作用下都不可避免的會發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而導(dǎo)致其理化和電氣性能不可逆的下降[17-18]。但是，還需要認(rèn)識到的是有機(jī)復(fù)合材料的老化是一種緩慢發(fā)展的過程，因此開展定期觀察和現(xiàn)場抽樣試驗(yàn)，判斷其劣化程度及使用的可靠性，從而掌握其老化規(guī)律和特性，進(jìn)而從源頭有效預(yù)防因硅橡膠材料老化而引發(fā)的斷串停電事故，對提高蒙西電網(wǎng)的安全可靠性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文選取蒙西電網(wǎng)某供電局3條輸電線路的在運(yùn)復(fù)合絕緣子（樣品信息見表1）進(jìn)行了材料性能研究分析，旨在對蒙西電網(wǎng)在運(yùn)復(fù)合絕緣子的材料老化狀況進(jìn)行評估，并對復(fù)合絕緣子的使用及運(yùn)維提供一定的理論指導(dǎo)及技術(shù)支撐。

表1 抽樣樣品信息表

1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.1 宏觀形貌觀察與分析

宏觀形貌的檢查結(jié)果表明3支復(fù)合絕緣子護(hù)套、傘裙表面和根部均無明顯開裂，且各連接部位未見密封失效或嚴(yán)重銹蝕等痕跡。圖1所示為3支樣品不同部位傘裙宏觀形貌的觀察結(jié)果，由圖中可以觀察到1號樣品低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)等三個部位的傘裙表面呈亮紅色，未見明顯污穢層及嚴(yán)重粉化現(xiàn)象，但各傘裙局部區(qū)域都觀察到了黑色電蝕痕跡（圖中虛線框），表明該復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中發(fā)生過多次電暈放電現(xiàn)象，這可能與傘裙硅橡膠材料憎水性能的減弱有關(guān)[19]；其中，高壓側(cè)傘裙邊緣還存在一定程度的彎曲變形，表明傘裙硅橡膠材料發(fā)生了一定程度的硬化；此外，對各部位傘裙進(jìn)行對折后未見開裂缺陷。與1號樣品相比，2號和3號樣品各部位傘裙表面均存在不同程度的污穢層及粉化現(xiàn)象，這主要與兩支復(fù)合絕緣子運(yùn)行區(qū)域存在一定程度的污染源有關(guān)。需要指出的是，2號樣品高壓側(cè)傘裙經(jīng)過對折后表面出現(xiàn)了大量的龜裂裂紋，表明該部位傘裙硅橡膠材料發(fā)生了較為嚴(yán)重的老化，這主要與長期電場放電作用所導(dǎo)致的硅橡膠材料中大分子的斷鏈有關(guān)。

圖1 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙宏觀形貌

1.2 金具鍍鋅層及傘套厚度檢測與分析

使用Elektro Physik-Mini Test140型涂層測厚儀對3支樣品的金具鍍鋅層及傘套厚度度進(jìn)行測量，結(jié)果見表2。從表中可以看出，各抽檢樣品金具鍍鋅層及傘套厚度等檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 抽檢復(fù)合絕緣子金具鍍鋅層及傘套厚度測試結(jié)果

1.3 帶護(hù)套染色滲透試驗(yàn)

染色滲透試驗(yàn)開始前，先利用金鋼石鋸片將每支樣品沿與芯棒軸線成90°的方向切取3支試樣，每支試樣長度為(10±0.5 mm)。然后，利用180目細(xì)砂紙對兩端斷面進(jìn)行打磨，確保斷面清潔、平行。試驗(yàn)時，將試樣沿芯棒纖維束的軸向放入玻璃培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿底部放置一層等徑的鋼球(1～2 mm)和濃度為1%的品紅乙醇溶液，且其液面應(yīng)比球的頂部高出2～3 mm。試驗(yàn)過程中，染料將因毛細(xì)管作用從芯棒底面向上端面進(jìn)行吸附，測量染料貫通試樣的時間是否達(dá)到15 min。圖2所示為3支樣品芯棒帶護(hù)套染色滲透15 min后的試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間內(nèi)染色劑未貫穿芯棒，表明各樣品的芯棒質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)[22]要求。

圖2 抽檢復(fù)合絕緣子芯棒帶護(hù)套染色滲透試驗(yàn)結(jié)果

1.4 憎水性測試與分析

按照DL/T 376-2010《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》[23]要求，使用DropMeter? A-200型光學(xué)接觸角測量儀，對3支樣品各部位傘裙取樣進(jìn)行靜態(tài)接觸角及后退角的測量。測量前，先使用酒精對各部位傘裙進(jìn)行清洗，隨后利用清水快速沖洗，再將傘裙表面殘余水漬擦拭干凈后，室溫下放置24 h后開始測量，測量結(jié)果及憎水性分級如圖3所示。

圖3 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙接觸角測試結(jié)果

從圖中可以看出，與2號和3號樣品相比[圖3（b）和圖3（c）]，1號樣品低壓側(cè)、中部及高壓側(cè)傘裙的憎水性能均發(fā)生了一定程度的弱化[圖3（a）]，憎水性等級均為HC3級[19]，這也是引起該復(fù)合絕緣子傘裙表面存在多處電蝕痕跡的主要原因。還需要指出的是，雖然2號樣品高壓側(cè)傘裙表面存在大量龜裂裂紋，但測試結(jié)果表明該部位傘裙的憎水性等級為HC2級，這種異常的試驗(yàn)結(jié)果可能與裂紋引起傘裙表面粗糙度的增加有關(guān)。研究表明表面粗糙會引起水珠狀態(tài)變化，從而導(dǎo)致靜態(tài)接觸角及后退角的測試結(jié)果存在較大誤差[24]。此外，3號樣品高壓側(cè)傘裙的憎水性等級為HC1級，明顯優(yōu)于低壓側(cè)和中部傘裙。

1.5 SEM微觀形貌觀察及EDS能譜檢測與分析

利用HITACHIS-3700N型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對各樣品傘裙表面微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以觀察到，1號樣品各部位傘裙表面均較光滑，除了一定量的顆粒狀污穢物外，未見明顯微裂紋。相比于1號樣品，2號和3號樣品各部位傘裙表面均較粗糙，表面可見微裂紋和大量微孔，并且兩組樣品高壓側(cè)傘裙表面的粗糙度均明顯高于低壓側(cè)和中部傘裙，這也與憎水性的測試結(jié)果相吻合。

圖4 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙SEM微觀形貌

隨后，利用Bruker能譜儀對各樣品傘裙表面的化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖5所示。由于復(fù)合絕緣子傘裙材料主要由高溫硫化硅橡膠、白炭黑和氫氧化鋁組成，因此圖中只列出了C、O、Al、Si等4種元素的測試結(jié)果。由檢測結(jié)果可以看出，1號樣品高壓側(cè)傘裙表面的C元素含量明顯減小，表明其受電應(yīng)力因素的影響較大，老化程度較嚴(yán)重；2號樣品低壓側(cè)傘裙表面的C和O元素的含量最高，表明其受電應(yīng)力因素的影響較?。籄l元素的含量較小，則說明低壓側(cè)傘裙發(fā)生了一定程度的水解反應(yīng)；3號樣品中部傘裙表面的C和Si元素含量較少，說明硅橡膠材料發(fā)生了較嚴(yán)重的老化；高壓側(cè)傘裙表面的C、Si元素含量較高，表明該位置含有的小分子物質(zhì)含量較高，這也與憎水性的測試結(jié)果相吻合。

圖5 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙表面化學(xué)元素分布情況

1.6 傅里葉紅外光譜檢測與分析

利用Bruker Tensor II型傅立葉紅外光譜測量儀對各樣品傘裙表面進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出硅橡膠材料紅外光譜共存在4個主要的吸收峰，分別為Si（CH3）2（790～830 cm-1）、Si-O-Si（1 000～1 100 cm-1）、Si-CH3（1 255～1 270 cm-1）、-CH3（2 962～2 970 cm-1）。選擇Si-O-Si特征峰進(jìn)行歸一化處理后可以看出，與基體相比，1號樣品3個部位傘裙表面各特征峰的峰值強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的降低。其中Si（CH3）2官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了15.4%、7.7%、15.4%，Si-CH3官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了14.3%、5.9%、23.5%，表明硅橡膠材料的老化程度較輕。此外，還可以看出高壓側(cè)傘裙表面的Si（CH3）2、Si-CH3等官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度下降最顯著，表明高壓側(cè)傘裙的老化程度最為嚴(yán)重。

圖6 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙傅里葉紅外光譜檢測結(jié)果

與基體相比，2號樣品3個部位傘裙表面Si（CH3）2官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了29.3%、34.7%、38.7%，Si-CH3官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了51.5%、54.5%、51.5%，表明硅橡膠材料發(fā)生了較嚴(yán)重的老化。此外，高壓側(cè)傘裙表面的Si（CH3）2、Si-CH3等三個峰的峰值強(qiáng)度均低于低壓側(cè)和中部的傘裙，表明高壓側(cè)傘裙的老化程度最為嚴(yán)重。

與基體相比，3號樣品3個部位傘裙表面Si（CH3）2官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了39.0%、33.3%、37.9%，Si-CH3官能團(tuán)的峰值強(qiáng)度分別減少了50.0%、44.4%、44.4%，表明硅橡膠材料發(fā)生了較嚴(yán)重的老化。此外，不同部位傘裙不同官能團(tuán)特征峰的減小幅度較為接近，表明該復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的整體老化趨勢較一致。

表3 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙典型有機(jī)官能團(tuán)含量

1.7 機(jī)械性能檢測與分析

按照GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第一部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》[25]要求，利用LA-X型邵氏硬度計對抽檢的3支樣品各部位傘裙進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出3支樣品不同部位傘裙的邵氏硬度值均較接近，且均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 抽檢復(fù)合絕緣子不同部位傘裙邵氏硬度值

按照DL/T 864-2018《標(biāo)稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則》[26]要求，利用HT-1000型臥式拉伸試驗(yàn)機(jī)對抽檢的3支樣品進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。從表中可以看出各樣品的額定機(jī)械負(fù)荷均滿足標(biāo)準(zhǔn)[21]要求。

2 結(jié)論

本文抽取了蒙西電網(wǎng)某供電局3條輸電線路的在運(yùn)復(fù)合絕緣子，對其材料性能進(jìn)行了檢測分析，并對其老化性能進(jìn)行了評估，具體結(jié)論如下：

1）抽檢的3支復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限均超過了15年，但憎水性的檢測結(jié)果表明各樣品不同部位傘裙的憎水性能仍良好，其中1號樣品憎水性能相對較弱的原因主要與傘裙表面的粗糙程度有關(guān)。

2）化學(xué)成分和傅里葉紅外光譜的檢測結(jié)果表明，相比于1號樣品，2號和3號樣品傘裙表面的C與Si元素含量及Si（CH3）2與SiCH3官能團(tuán)峰值均出現(xiàn)了顯著減小或降低，表明較高污穢等級區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子更易于發(fā)生老化。

3）較高污穢等級區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子傘裙表面粗糙度較大，且表面粗糙度對復(fù)合絕緣子傘裙憎水性能的測試結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，建議憎水性測量參數(shù)中增加表面粗糙度。

4）帶護(hù)套染色滲透試驗(yàn)及機(jī)械性能檢測的結(jié)果表明，抽檢樣品的芯棒內(nèi)部無貫穿性缺陷，且其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。