潘正燾，麥嘉穎，石蘭蘭，賴敏琪，董銘達

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠清新供電局，廣東 清遠 511500）

0 引 言

架空裸導(dǎo)線是電力系統(tǒng)中主要使用的一種輸電線，該線主要以鋼芯鋁絞線為主，其由鋼芯和鋁股絞制作形成，該導(dǎo)線不存在絕緣層，具有良好的散熱性能，能夠完成較大電流的輸送[1-3]。架空裸導(dǎo)線在運行過程中，為保證其絕緣性，通常會采用絕緣護套對其進行絕緣處理[4]。由于架空裸導(dǎo)線服役在室外自然環(huán)境中，絕緣護套的絕緣性能受到自然環(huán)境的影響，并且電流輸送過程中會產(chǎn)生一定的溫度[5]，在該溫度的作用下，絕緣保護套的性能會下降，進而發(fā)生絕緣老化或者損壞情況，導(dǎo)致架空裸導(dǎo)線發(fā)生漏電以及線間閃絡(luò)[6]。常用的絕緣護套整體分為兩種，分別為聚烯烴與硅橡膠，陳田，等人[7]研究了硅橡膠復(fù)合絕緣材料在紫外老化條件下的相關(guān)特性，但是該方法的試驗條件較為單一，在高溫等其他條件下的性能研究仍舊存在不足。王永強，等人[8]對硅橡膠在老化條件下的介電特性和熱學(xué)性能展開了分析，但是，對于其絕緣性能其他方面的研究仍舊存在不足。絕緣性是通過不導(dǎo)電物質(zhì)對于帶電體的絕緣保護，其能夠有效避免帶電體發(fā)生觸電，文中以硅膠絕緣保護套為例研究了架空裸導(dǎo)線絕緣包裹用的絕緣保護套的絕緣性能。

1 硅膠絕緣性能研究

1.1 試驗原材料和設(shè)備

1.1.1 試驗原材料

架空裸導(dǎo)線的特殊應(yīng)用性導(dǎo)致其對于絕緣性能的要求較高[9]，本文以硅膠絕緣保護套為例展開相關(guān)研究。文中以甲基乙烯基硅橡膠（MVQ）為主材料，其生產(chǎn)廠為山東新動能化學(xué)有限公司，其耐受溫度范圍為-50~250 ℃，并且防潮、耐電弧、電暈以及電絕緣性能均良好，外觀呈現(xiàn)無透明狀態(tài)，其密度在1.12~1.3 g/cm3范圍內(nèi)；文中選擇氮化硼作為填充料，其生產(chǎn)廠為常州邁諾進出口有限公司，其粒徑大小為5 μm，熱導(dǎo)率為3 300 W·m-1·K-1，通常為黑色或者棕色，其具有較好的抗化學(xué)侵蝕性，密度為2.29 g/cm3，熔點為2 700 ℃（生化），其作為改性劑，提升混合料的親油疏水性；雙2.5 硫化試劑，武漢承天精細化工有限公司生產(chǎn)，其為淡黃色液體，沸點為50~52 ℃之間，液體黏度為6.5 mPa·s，凝固點位8 ℃；四[β-（3，5- 二叔丁基-4- 羥基苯基）丙酸]季戊四醇酯，其生產(chǎn)廠為河南龍基化工有限公司，其為白色結(jié)晶粉末；硅烷偶聯(lián)劑kh-550，生產(chǎn)廠為杭州杰西卡化工有限公司，沸點為217 ℃，其主要用于提升塑料的抗彎、抗壓以及剪切等物理性能，同時可改善聚合物的潤濕性和分散性。

1.1.2 試驗儀器

精密分析天平（ES125SM），廣州播勒泰科技有限公司；真空干燥箱（型號DZF-6050），背景中科博達儀器科技有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號DHG-9013A），陜西英琪藥研儀器設(shè)備有限公司；電動攪拌器（型號OS20-S），安慶潔佳儀器設(shè)備有限公司；旋轉(zhuǎn)黏度計（型號ZNN-D6B），青島恒泰達機電有限公司；密煉機（型號CF-1L），東莞市昶豐機械科技有限公司；開煉機（型號XL-KLYP1），揚州市天發(fā)試驗機械有限公司；硫化儀（型號GX-LH-2000A），揚州市江都區(qū)開源試驗機械生產(chǎn)廠；旋轉(zhuǎn)黏度計（型號NDJ-1C），河北中儀偉創(chuàng)試驗儀器有限公司；電氣強度測試儀（型號ZJC100kV），北京中航時代儀器設(shè)備有限公司；紫外線老化試驗箱（型號YT1215），上海盛世慧科檢測設(shè)備有限公司；掃描電鏡（型號TESCAN SOLARIS），青島聚好測電子科技有限公司。

1.2 樣本制備

1.2.1 材料處理

文中在進行絕緣硅膠樣本制備時，為提升絕緣硅膠的性能，選擇氮化硼作為導(dǎo)熱絕緣填料，其和MVQ 在相互作用時，二者的表面能差異顯著，二者之間的相容性較差，因此，導(dǎo)致氮化硼填料粉體結(jié)團，該現(xiàn)象對提升硅膠材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響[10-11]。因此，本試驗為提升硅膠的性能，選擇用硅烷偶聯(lián)劑kh-550 進行處理。

準備1 L 體積濃度為90%的乙醇水溶液，通過精密分析天平稱取1 g 硅烷偶聯(lián)劑kh-550，將其置于備好的水溶液中，在40℃溫度下進行攪拌處理，持續(xù)時間為30 min。將攪拌后的液體取出置于室溫環(huán)境下，加入100 g 1.005 6 mol/L 堿液進行攪拌，調(diào)節(jié)混合液pH 值為4.5，將調(diào)好的混合液體置于溫度為80 ℃水浴中，繼續(xù)攪拌6 h；過濾攪拌后的液體，用蒸餾水沖洗3 次；在此基礎(chǔ)上，采用抽濾器進行抽濾，并且將其置于真空干燥箱，溫度為100 ℃，干燥處理8 h 后取出，放入干燥器中備用。

1.2.2 硅膠絕緣材料制備

取100 phr 的MVQ、1 g 硅烷偶聯(lián)劑kh-550、10 phr 季戊四醇酯以及10 phr 氮化硼，將其加入密煉機中進行處理，當(dāng)其扭矩不再發(fā)生變化后，停止密煉，取出密煉膠。為增加膠體的可塑性，對密煉膠進行塑煉處理，該處理采用小型雙輥開煉機完成[12]。在此基礎(chǔ)上再進行混煉處理，在該處理階段中，需加入適量硫化劑，混煉膠內(nèi)部填充完全均勻后停止操作，以此可獲取大分子鏈的聚合物，再通過硫化儀硫化處理該聚合物，將其倒入指定的長方形模具中固化48 h[13]，將固化完成的絕緣硅膠裁剪成啞鈴狀，尺寸大小為12 cm×6 cm×2 cm，裁剪完成的材料為獲取的絕緣硅膠樣本。同樣方法，增加氮化硼的含量，使其為15 phr 和20 phr，再制備2 種不同氮化硼填料含量的絕緣硅膠樣本，制備的樣本分別用J01、J02、J03 編號表示。絕緣硅膠制備工藝流程如圖1 所示。

圖1 制備工藝流程Fig. 1 The preparation process

1.3 性能測試方法

硅膠的絕緣性能與其力學(xué)性能存在直接聯(lián)系，力學(xué)性能越好，在服役過程中的抗老化性能越佳，對絕緣性能的影響越小[14]。因此，在測試硅膠的絕緣性能前，先測試絕緣膠的相關(guān)力學(xué)性能和交聯(lián)密度、熱膨脹系數(shù)。除此之外，絕緣硅膠用于架空裸導(dǎo)線后，需在導(dǎo)線進行電流輸送的情況下進行服役，因此，絕緣硅膠的絕緣性能會直接受到電流擊穿、介電損耗、電弧燒蝕等情況的影響，因此，絕緣硅膠的性能測試主要包含擊穿強度性能、介電性能、耐電弧燒蝕老化性能和電絕緣性能幾個方面。

（1）黏度測試

采用旋轉(zhuǎn)黏度計對絕緣膠在固化前的黏度進行測定，測定時間為制備完成后的60 min 內(nèi)。

（2）交聯(lián)密度測試

交聯(lián)密度也稱為交聯(lián)度，本試驗中采用HG/T3870-2006 標準，進行交聯(lián)密度測試。將質(zhì)量為m0的絕緣硅膠放入裝有甲苯溶液的容器中，將容器密封處理后，放入真空干燥箱，在30 ℃進行烘干處理，持續(xù)時間為24 h，達到時間后，取出容器，并從容器中取出絕緣硅膠樣本，將樣本表面的水分擦拭干凈，放于精密分析天平上測試樣本的質(zhì)量，該質(zhì)量即為溶脹后質(zhì)量，用m1表示。依據(jù)m1的結(jié)果計算樣本相鄰交點之間的鏈段相對分子質(zhì)量，用Mc表示，在此基礎(chǔ)上計算樣本的交聯(lián)密度D，計算公式為：

式中：ρ0和ρ1均表示密度，前者對應(yīng)甲苯溶液，后者為樣本溶脹前；Vm表示溶劑的摩爾體積；γ 和γ0均表示橡膠相體積分數(shù)，前者對應(yīng)橡膠溶脹后，后者對應(yīng)溶脹前。X 表示常數(shù)。

（3）力學(xué)性能測試

將裁剪好的絕緣硅膠樣本置于電子萬能試驗機上，測定其拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度設(shè)為500 mm/min。

拉伸強度φ 的計算公式為：

式中：F 表示斷裂時最大力；W 表示樣本拉伸部位的寬度和厚度。

斷裂伸長率φ 的計算公式為：

式中：L 和L0均表示絕緣硅膠樣本長度，前者對應(yīng)斷裂時，后者對應(yīng)初始。

（4）耐電弧燒蝕老化性能測試

架空裸導(dǎo)線在使用過程會產(chǎn)生電弧，該電弧直接影響絕緣硅膠的耐老化性能，耐老化性能如果破壞嚴重，則架空裸導(dǎo)線絕緣性能也會降低[15]。文中搭建耐電弧燒蝕老化性能測試裝置進行測試。采用該裝置進行測試，將樣本放置于裝置臺中間，然后將試樣的兩側(cè)分別連接針狀電極，電極的一端為220 V 電壓，另一端接地，電極和樣本之間的角度為45°，兩個電極之間的距離為8 cm，將裝置電流接通后，利用兩個電極之間產(chǎn)生的電弧對樣本表面進行燒蝕，持續(xù)時間為20 min，電流大小為10 mA。

（5）電絕緣性能測試

該性能采用電壓擊穿試驗儀完成樣本電絕緣性能的表征。在該測試過程中，電擊電壓大于20kV，測試標準為GB/T3048.8。

2 測試分析

2.1 黏度結(jié)果分析

對3 種氮化硼含量的絕緣硅膠樣本J01、J02、J03 進行黏度測試，并獲取3 種樣本在固化過程中的黏度結(jié)果，如表1 所示。

表1 3 種樣本在固化過程中的黏度結(jié)果Table 1 The viscosity results of three samples in the curing process

分析表1 測試結(jié)果可知：3 種樣本在固化過程中，隨著時間的增加，黏度發(fā)生不同程度的變化，但是J02 樣本的黏度變化較小，在60 min 內(nèi)，黏度結(jié)果均維持在30 000 mPa·s 上下，沒有出現(xiàn)顯著下降趨勢。另外2 種樣本則發(fā)生顯著變化。結(jié)合絕緣硅膠的應(yīng)用環(huán)境和需求，確定J02 的黏度性能最佳。

2.2 交聯(lián)密度分析

獲取3 個試樣在相同的紫外線老化條件下，隨著老化時間的增加，J01、J02、J03 樣本的交聯(lián)密度測試結(jié)果，如表2 所示。

表2 樣本的交聯(lián)密度測試結(jié)果Table 2 The crosslinking density test results of samples

分析表2 測試結(jié)果可知：隨著老化時間的逐漸增加，3 種樣本的交聯(lián)密度結(jié)果也發(fā)生差異性變化，老化時間在5 d 時，3 個樣本的交聯(lián)密度結(jié)果均發(fā)生明顯增加，最高分別達到2.06×105mol/g、3.11×105mol/g、3.08×105mol/g，隨著老化時間的增加，交聯(lián)密度結(jié)果開始逐漸下降。其中，J02、J03 兩個樣本的交聯(lián)密度結(jié)果差距較小。

2.3 力學(xué)性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在不同溫度下，φ、φ 的測試結(jié)果，如表3 所示。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 The test results of mechanical properties

分析表3 測試結(jié)果可知：隨著溫度的不斷增加，3 個試樣的力學(xué)性能也存在不同變化，其中，隨著溫度的逐漸增加而先增加后下降，呈現(xiàn)下降趨勢。其中，J02 的性能指標均優(yōu)于另外2 種樣本的性能結(jié)果，其最高值為0.83 MPa、最高值為933%。

2.4 耐電弧燒蝕老化性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在耐電弧燒蝕老化性能測試裝置上，樣本發(fā)生電弧燒蝕后，其電子掃描鏡結(jié)果，如圖2 所示。

分析圖2 測試結(jié)果可知：3 個樣本經(jīng)過同樣條件的電弧燒蝕測試后，樣本均出現(xiàn)不同程度的燒蝕情況，其中，J02 的燒蝕程度嚴重程度最小，J01 的燒蝕程度最顯著。因此，J02 的耐電弧燒蝕老化性能最佳。

2.5 電絕緣性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在25kV、35kV 2 種電擊強度下，隨著電擊時間的逐漸增加，樣本發(fā)生的擊穿強度結(jié)果，如表4 所示。

表4 電絕緣性能測試結(jié)果Table 4 The electrical insulation performance test results

分析表4 測試結(jié)果可知：在2 種電擊強度下，隨著電擊持續(xù)時間的逐漸增加，三種樣本擊穿強度存在顯著差異，其中，J02 樣本的擊穿強度最小，在電擊強度為25 kV 和35 kV 時，擊穿強度結(jié)果均在14.5 kV/mm 左右，另外兩種樣本則在電擊強度為35 kV 時，擊穿強度最大值分別在18.2 kV/mm 和17.6 kV/mm，J02 樣本的擊穿強度比其他樣本降低了3.1 kV/mm 左右。因此，J02 的電絕緣性能最佳。

3 結(jié) 論

為提升其絕緣性能，從而提升架空裸導(dǎo)線的應(yīng)用性能，本文研究架空裸導(dǎo)線包覆用絕緣硅膠的絕緣性能，并制備不同材料含量的裸導(dǎo)線絕緣硅膠樣本，對其相關(guān)性能展開測試。測試結(jié)果顯示：不同材料含量的絕緣硅膠性能存在一定差異，綜合分析，氮化硼含量為15 phr 的絕緣硅膠樣本的性能最佳，其力學(xué)性能最佳，耐電弧燒蝕老化性能也明顯優(yōu)于其他兩種含量的樣本性能，有效保證硅膠的絕緣性能。導(dǎo)線施工過程中，可依據(jù)使用需求選擇不同材料含量制備架空裸導(dǎo)線絕緣包覆用硅膠，從而提高架空裸導(dǎo)線的應(yīng)用性能。