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        硅橡膠絕緣材料的直流漏電起痕研究

        2023-10-18 12:44:06勇*
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年24期
        關(guān)鍵詞:硅橡膠電弧絕緣子

        朱 勇*

        (泰州學(xué)院機電工程學(xué)院,江蘇 泰州)

        隨著復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)中使用數(shù)量的不斷增加,特別是在直流輸變電工程中應(yīng)用范圍的不斷拓展,其老化問題逐漸引起人們的重視[1-3]。復(fù)合絕緣子外絕緣多采用的是高溫硫化硅橡膠材料。當(dāng)硅橡膠作為外絕緣材料使用時,在各種惡劣的氣候環(huán)境條件,例如太陽光紫外線、鹽霧、臺風(fēng)、雨雪、酸雨等影響下,都會造成硅橡膠的物理和化學(xué)損傷,從而影響其絕緣性能。特別是在重污染地區(qū),盡管硅橡膠的憎水性會遷移到絕緣子的表面污層,但是在惡劣天氣中,絕緣子表面會發(fā)生電暈、火花放電,致使絕緣子表面污層的憎水性逐漸喪失。當(dāng)表面污層完全呈親水性時,濕潤的污層就會形成電解液導(dǎo)電通路,從而發(fā)生污閃。另外在濕潤環(huán)境下,當(dāng)硅橡膠絕緣子憎水性尚存時,其表面會形成若干個細長污液帶和污液帶間的高阻干區(qū)。這些干區(qū)上能夠形成數(shù)量較多的局部電弧,當(dāng)這些電弧逐步發(fā)展和合并,最終也會形成閃絡(luò)。即使不發(fā)生閃絡(luò),這一系列的氣候、環(huán)境和電氣因素也會造成有機材料絕緣子的老化,降低其絕緣性能[4-5]。

        由表面放電所引起的電弧老化是復(fù)合絕緣子用硅橡膠老化的主要因素,因此電力行業(yè)對復(fù)合絕緣子用絕緣材料的耐電痕和電蝕損性能做出了要求,并構(gòu)建了試品的斜面試驗方法。目前,在國標(biāo)GB/T6553-2014《嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用的電氣絕緣材料評定耐電痕化和蝕損的試驗方法》中對交流電壓作用下耐表面電弧蝕損的試驗方法已經(jīng)非常成熟[6]。但是對直流斜面法的研究還不充分,由于直流電沒有交流電的過零點現(xiàn)象,所以電弧持續(xù)的熱分解更強,作用機理也有所不同,如果僅僅將電壓進行替換,依然采取交流斜面法的判定依據(jù)是不科學(xué)的。本文將研究直流斜面法下硅橡膠絕緣材料的漏電起痕現(xiàn)象,通過調(diào)整電壓大小、作用時間、污液滴速等相關(guān)參數(shù),對直流斜面法進行系統(tǒng)的研究,積累相關(guān)數(shù)據(jù),為行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供依據(jù)。

        1 實驗

        1.1 實驗裝置

        試驗采用GB/T 6553 標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的傾斜平板法,實驗電路如圖1 所示。試驗過程中交流變壓器輸出的交流電經(jīng)高壓硅堆整流成直流電壓后施加到試樣上,當(dāng)泄漏電流超過60 mA 時過流保護裝置動作,切斷電源。試樣的安放如圖2 所示,試樣為壓制的6 mm 厚平板狀高溫硫化硅橡膠,一組5 個試樣,呈45°傾斜安裝,同步進行試驗。試驗開始后,污液由上部電極處按一定速率滴下,經(jīng)濾紙后沿試樣的下表面向下部電極處流下。當(dāng)污液接近下電極時,局部的高電場引發(fā)電弧放電,并沿污液向上延展,直至熄滅。當(dāng)污液再次流下時,電弧放電再次發(fā)生。在如此循環(huán)往復(fù)的表面電弧熱量作用下,試樣表面將會產(chǎn)生蝕損現(xiàn)象。試驗時間為6 h,如過程中未發(fā)生因過電流切斷電源,且5 個試樣的蝕損深度均不超過2.5 mm,則認(rèn)為試驗通過,以通過試驗的最高試驗電壓作為試樣的耐漏電起痕等級。

        圖1 直流耐漏電起痕試驗裝置示意圖

        圖2 試樣安裝示意圖

        1.2 實驗參數(shù)

        試驗采取了不同電壓、不同污液滴速進行試驗。在試驗中隨時觀察試片老化情況,一旦發(fā)現(xiàn)燒蝕深度達到2.5 mm,即停止試驗。本試驗采取直流3 kV、3.5 kV、4 kV、4.5 kV 和5 kV 五個電壓等級,0.075 mL/min、0.15 mL/min、0.2 mL/min、0.3 mL/min、0.6 mL/min 和0.9 mL/min 六個污液滴速水平對硅橡膠試樣進行試驗(注:為驗證電壓的影響,串聯(lián)電阻R 統(tǒng)一選取22kΩ),以電弧燒蝕深度對老化效果進行評價。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 直流電弧蝕損

        一般認(rèn)為,斜面法試驗的試品破壞屬于熱破壞。由試驗觀察可知,直流斜面法與交流斜面法相似,當(dāng)污液由試樣的上電極沿表面流下接近下電極時,觸發(fā)電弧產(chǎn)生。此時,電弧的弧根一端連著下電極,另一端連著污液的下端。隨著電弧燃燒熱量的釋放,部分污液將被蒸發(fā),電弧的上弧根也隨之向上延展,這意味著試樣表面干區(qū)范圍擴大。當(dāng)電源電壓不足以在干區(qū)維持高場強時,電弧即會熄滅。但當(dāng)污液再次流下時,電弧將會重燃。所以試驗過程實際上是一個間隙電弧不斷反復(fù)作用的過程,持續(xù)的電弧熱量是造成試品破壞的主要原因。

        對于未填充的高溫硫化硅橡膠而言,在空氣中氧氣存在的情況下,當(dāng)受到持續(xù)高溫作用時通常會在200 ℃到520 ℃因氧化和燃燒而明顯失重。當(dāng)溫度超過520 ℃后,則會因為熱分解而形成輕微失重[7]。作為復(fù)合絕緣子外絕緣材料的高溫硫化硅橡膠,通常會添加氫氧化鋁作為阻燃劑。氫氧化鋁在230~310 ℃時會產(chǎn)生明顯的重量損失,在310~540 ℃時會有平緩的重量損失,而在540 ℃以上時會有輕微的重量損失。如方程式(1)和(2)所示,氫氧化鋁的結(jié)晶水可以在300℃和500 ℃左右進行兩次釋放。

        在電弧高溫的作用下,氫氧化鋁分解產(chǎn)生水,水蒸發(fā)會吸收大量的熱,同時生成的氧化鋁具有高導(dǎo)熱和耐高溫作用,從而在一定程度上可降低電弧對材料的燒蝕。因此,對于填充了一定量氫氧化鋁的高溫硫化硅橡膠試樣,在電弧放電的初期階段,其損耗主要來自氫氧化鋁的脫水反應(yīng),而硅橡膠基體的熱氧化得到抑制。但隨著試樣表面氫氧化鋁結(jié)晶水的消耗,電弧的熱量將會作用于硅橡膠基體,產(chǎn)生熱氧化和熱分解,形成材料的熱蝕損。

        在直流漏電起痕試驗過程中,由于直流電沒有交流電的過零點現(xiàn)象,不會因為電壓的轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致小電弧的熄滅,所以電弧燃燒時間更長,幾率更大,故其燒蝕性更強。試驗結(jié)果如圖3 所示,由結(jié)果可知,直流電弧燒蝕深度隨電壓和污液滴速的升高而升高。過低的電壓和污液滴速對試樣表面的蝕損作用并不明顯,而過高的電壓和污液滴速則使得試樣蝕損深度短時間內(nèi)就超過了2.5 mm,均不利于對材料性能的評估。為有效表征硅橡膠材料的耐電弧蝕損能力,從試驗數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論,在直流耐漏電起痕試驗中,較為合適的試驗電壓是4~5 kV,污液滴速為0.3 mL/min~0.6 mL/min。

        圖3 直流斜面法的試樣蝕損深度(2.5 mm 表示在6 h 內(nèi)蝕深超過2.5 mm,試驗停止)

        2.2 紅外光譜分析

        采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分別對試樣的燒蝕區(qū)域表面以及燒蝕區(qū)附近的未燒蝕區(qū)域體層和表面進行了分析,結(jié)果如圖4 所示。通常情況下,硅橡膠材料具有一些特征紅外峰,其中788 cm-1處為Si-C的伸縮振動峰,1 009 cm-1處為Si-O-Si 的伸縮吸收峰,1 259 cm-1處為Si-CH3中C-H 的對稱變形振動峰,2 960 cm-1處為-CH3中C-H 的不對稱伸縮振動峰,3 431 cm-1處為試樣中-OH 的伸縮吸收峰[8]。從圖4 中可知各主要官能團的吸收位置和強度存在一定差異,但未燒蝕區(qū)表面和體層各基團的變化較為一致,但燒蝕區(qū)表面較兩者差異較大。

        圖4 硅橡膠試樣的紅外光譜

        燒蝕區(qū)硅橡膠主體PDMS 的Si-CH3下降明顯,作為側(cè)鏈的Si-CH3在非燒蝕區(qū)表層含量與內(nèi)部含量相比有一定的下降,但燒蝕區(qū)相較于非燒蝕區(qū)體層下降更為明顯,說明燒蝕區(qū)材料因直流漏電起痕試驗過程中的電熱效應(yīng)而發(fā)生了氧化損耗。此外,作為主鏈的Si-O-Si 含量,燒蝕區(qū)含量最高,非燒蝕區(qū)表層含量與內(nèi)部含量相比有一定的升高,可以看出各位置老化程度不同且燒蝕區(qū)硅橡膠基體中有機硅向無機硅轉(zhuǎn)化趨勢最為明顯,老化最為嚴(yán)重。

        3 結(jié)論

        (1) 對于復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的電弧老化而言,直流電弧比交流電弧的燒蝕作用更為明顯。

        (2) 建議的直流漏電起痕試驗參數(shù)為:試驗電壓4~5 kV,試驗污液滴速0.3 mL/min~0.6 mL/min。

        (3) 在表面電弧的作用下,試樣燒蝕區(qū)的硅橡膠基體中存在由有機硅向無機硅轉(zhuǎn)化的趨勢。

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