謝從珍，李 煜，茍 彬，徐華松，楊 暢

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

復(fù)合絕緣子具有耐污閃性能強(qiáng)、比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在架空高壓輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。截至2019年，我國(guó)不同額定電壓的交直流架空輸電線路中使用了約900萬(wàn)支復(fù)合絕緣子[3]。然而，隨著復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限的增加，越來(lái)越多的新問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。

復(fù)合絕緣子由硅橡膠護(hù)套和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）組成，由于生產(chǎn)工藝水平和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件的影響，其芯棒-護(hù)套界面粘接性容易遭到破壞而產(chǎn)生界面缺陷，在長(zhǎng)期惡劣運(yùn)行環(huán)境和局部嚴(yán)重放電的情況下，護(hù)套、芯棒材料會(huì)發(fā)生局部老化，缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，將引起內(nèi)絕緣破壞，進(jìn)而發(fā)生斷串等惡性事故[4-7]。酥朽斷裂、界面擊穿是近年來(lái)復(fù)合絕緣子應(yīng)用面臨的主要故障類(lèi)型，不利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，兩種事故類(lèi)型的共同本質(zhì)是芯棒與護(hù)套界面缺陷誘發(fā)的酥朽老化[8-12]。酥朽老化沿軸向的劣化會(huì)引起電氣性能下降，可能導(dǎo)致界面擊穿；沿徑向的劣化會(huì)造成力學(xué)性能下降，引起酥朽斷裂[13]。因此，復(fù)合絕緣子的界面性能直接關(guān)系其絕緣性能，對(duì)于架空輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

根據(jù)廣東電網(wǎng)對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子的抽檢結(jié)果和各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果，護(hù)套與芯棒粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的整體不合格比例最高，為41.9%，原因在于我國(guó)南方地區(qū)常年處于高溫高濕的氣候環(huán)境，帶有界面缺陷的復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行后更易發(fā)生界面粘接失效和異常發(fā)熱故障，最終引發(fā)酥朽斷裂、界面擊穿等嚴(yán)重事故[14-16]。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)大量學(xué)者研究了濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合絕緣子性能和運(yùn)行狀態(tài)的影響。曾磊磊等[17]開(kāi)展了復(fù)合絕緣子芯棒材料的濕熱老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濕熱老化與酥朽斷裂芯棒的老化情況相似，說(shuō)明濕熱環(huán)境加速了FRP 芯棒材料的老化進(jìn)程。M VOLK 等[18]根據(jù)IEC 62217-2012與IEC TR 62039-2021 對(duì)各種熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)，提出纖維和樹(shù)脂間附著力降低和濕熱老化效應(yīng)是影響材料電擊穿性能的主要因素。劉宇等[19]根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試所得材料參數(shù)，通過(guò)電熱耦合仿真，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)損耗是濕熱老化復(fù)合絕緣子高壓端溫升顯著的主要原因。

上述研究?jī)H著眼于單一材料的老化特性，對(duì)于芯棒-護(hù)套界面缺乏深入探究。盡管FRP 芯棒被硅橡膠傘套包覆，但完整傘套本身仍具有一定的透濕性，如果芯棒與護(hù)套之間存在缺陷，水分會(huì)很快通過(guò)絕緣子護(hù)套并殘留在交界面，加速絕緣子的老化進(jìn)程[20]。良好的芯棒-護(hù)套界面作為復(fù)合絕緣子安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，近年來(lái)引起了一些學(xué)者的關(guān)注。李曉等[21]采用水煮試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)研究水分侵入絕緣子壓接界面的路徑，結(jié)果表明端部密封膠和金具的界面是水分的主要滲透路徑。孟祥龍等[22]開(kāi)展了水?dāng)U散試驗(yàn)，比較了脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂材料和硅橡膠材料在吸水、脫水、透水等透濕特性方面的不同，結(jié)果表明脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂絕緣子良好的界面性能有助于減少酥朽斷裂事故。文獻(xiàn)[21-22]系統(tǒng)描述了外界水分侵入芯棒-護(hù)套界面的誘因以及可能導(dǎo)致的老化結(jié)果，然而復(fù)合絕緣子界面缺陷引起的老化故障往往是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，從微小缺陷到界面失效這一過(guò)程的演變機(jī)理尚不明晰。此外，在界面缺陷發(fā)展過(guò)程中，界面處絕緣材料的老化機(jī)制也尚待進(jìn)一步研究。

針對(duì)目前濕熱環(huán)境下含芯棒-護(hù)套界面缺陷復(fù)合絕緣子的界面老化機(jī)制尚未明確的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)并制備含界面缺陷的復(fù)合絕緣子短樣，對(duì)其進(jìn)行濕熱老化處理，研究濕熱環(huán)境對(duì)含界面缺陷復(fù)合絕緣子性能的影響，以期為芯棒斷裂、異常發(fā)熱事故預(yù)防提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

首先設(shè)計(jì)并制備含不同界面缺陷的復(fù)合絕緣子芯棒帶護(hù)套短樣，芯棒直徑為34 mm，芯棒長(zhǎng)度為150 mm，護(hù)套厚度為3 mm。本研究設(shè)計(jì)的缺陷類(lèi)型包括界面氣隙、粘接不良、潮氣及金屬缺陷。

為了說(shuō)明模擬試驗(yàn)的等效性，本研究在Comsol Multiphysics 6.0系統(tǒng)中建立了絕緣子短樣的有限元仿真模型，如圖1(a)所示。其中硅橡膠的介電常數(shù)設(shè)定為4.2，芯棒材料的介電常數(shù)設(shè)定為6.6[23]。通過(guò)建立人工邊界，使邊界到絕緣子的距離遠(yuǎn)大于絕緣子本身長(zhǎng)度，以有界域模擬電場(chǎng)的無(wú)界域。仿真得到的絕緣子短樣沿面電場(chǎng)分布曲線為“U 形”，如圖1(b)所示，與實(shí)際絕緣子電場(chǎng)分布相似。

圖1 絕緣子短樣的有限元仿真模型與結(jié)果Fig.1 Finite element simulation model and results of insulator short samples

為了符合絕緣子故障常發(fā)生在高壓端的客觀實(shí)際且凸顯界面缺陷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，本研究將界面缺陷設(shè)計(jì)在場(chǎng)強(qiáng)最大處即最靠近高壓電極處，而本研究所用金具內(nèi)深1.8 cm，因此界面缺陷被設(shè)計(jì)在距離高壓端護(hù)套2 cm 處，以避免通電時(shí)缺陷被包覆在金具中而受金屬屏蔽影響。

在端部制作界面氣隙與金屬缺陷，缺陷直徑為1 mm，長(zhǎng)度為2 mm，位置為距高壓端護(hù)套2 cm 處，制作方法為：在芯棒與硅橡膠交界面處預(yù)先埋置鐵絲，澆注后削去護(hù)套并拔出鐵絲，最后再次用室溫硅橡膠進(jìn)行模壓；對(duì)于金屬缺陷試樣，鐵絲則直接留在芯棒中。潮氣缺陷試樣則通過(guò)對(duì)氣隙缺陷試樣進(jìn)行水煮獲得。粘接不良缺陷試樣制作方法為：制備短樣時(shí)芯棒-護(hù)套界面處不涂膠，不涂膠區(qū)域長(zhǎng)度為50 cm。4 種缺陷位置如圖2 所示。除上述含缺陷試樣外，以一支無(wú)缺陷樣品作為對(duì)照組。

圖2 復(fù)合絕緣子缺陷位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of defects in composite insulators

為了探究濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合絕緣子界面性能的影響，采用電熱恒溫水浴箱（HH-2J 型，常州恩培儀器制造有限公司）對(duì)部分試樣開(kāi)展?jié)駸崂匣囼?yàn)：將絕緣子短樣浸沒(méi)在80℃的水中，水煮期間將絕緣子兩端通過(guò)包膠封住，以防止芯棒直接吸水而影響試驗(yàn)結(jié)果，老化結(jié)束后取出試樣。部分試樣于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9030A 型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）中在60℃下干燥1天，以獲得干燥狀態(tài)的試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。含缺陷復(fù)合絕緣子的試樣編號(hào)和水煮天數(shù)如表1所示。

表1 試樣編號(hào)Tab.1 Sample number

1.2 測(cè)試方法

采用紅外熱像儀（SAT-G96P 型，廣州颯特紅外股份有限公司）進(jìn)行紅外成像測(cè)試；采用紫外成像儀（DayCor? Scalar型，以色列OFIL 公司）檢測(cè)復(fù)合絕緣子局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的不可見(jiàn)紫外線光子，并將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)斑點(diǎn)；采用Merlin 高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國(guó)Zeiss公司）對(duì)試樣進(jìn)行觀測(cè)，觀察倍數(shù)包括100 倍、500 倍、1 000 倍，以獲取更為詳細(xì)的試樣表面信息；采用傅里葉變換紅外光譜儀（VERTEX 70型，德國(guó)Bruker公司）對(duì)試樣特征官能團(tuán)進(jìn)行分析，研究芯棒材料在老化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1；采用熱重分析儀（TG 209 F1 Libra型，德國(guó)Netzsch公司）研究芯棒試樣的熱分解機(jī)理，反應(yīng)氣氛為空氣，升溫速率為10℃/min，升溫區(qū)間為30～800℃；采用X 射線光電子能譜儀（Thermo Scientific K-alpha 型，美國(guó)Thermo 公司）分析不同試樣的C1s 和N1s 精細(xì)譜，以探究試樣主要元素與官能團(tuán)變化，輻射源為AlKα。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外放電特征

濕熱老化試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)所有未老化試樣及老化試樣施加交流電壓，以0.5 kV/s 的速率升高電壓，直至電壓升高到20 kV 開(kāi)始出現(xiàn)較大放電聲，保持5 min，采用紫外成像儀進(jìn)行檢測(cè)。各試樣此時(shí)均處于吸潮狀態(tài)，紫外成像檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸潮狀態(tài)下絕緣子短樣的紫外放電特征Fig.3 UV discharge characteristics of insulator short samples under moisture absorption condition

從圖3 可以看出，無(wú)缺陷試樣1-1、1-2 及含氣隙缺陷試樣2-1 無(wú)明顯放電，而其他試樣能觀察到明顯的放電現(xiàn)象，紫外光子計(jì)數(shù)約為2 000，屬于中等強(qiáng)度放電[24]。

將所有試樣在60℃下干燥1 天后施加20 kV 交流電壓，再次觀察放電狀態(tài)，干燥后的試樣紫外成像檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 干燥狀態(tài)下絕緣子短樣的紫外放電特征Fig.4 UV discharge characteristics of insulator short samples under dry absorption condition

從圖4 可以看出，各試樣在干燥狀態(tài)下施加20 kV交流電壓時(shí)，幾乎均無(wú)放電現(xiàn)象。

2.2 紅外溫升特征

首先對(duì)無(wú)缺陷試樣1-1（2 支干燥試樣，1 支吸潮試樣）和水煮10天的無(wú)缺陷試樣1-2（1支干燥試樣，1 支吸潮試樣）施加有效值為20 kV 的交流電壓，記錄加壓4 h 時(shí)的典型紅外熱像圖，以探究吸潮、濕熱老化對(duì)無(wú)缺陷試樣的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，無(wú)缺陷絕緣子短樣在濕熱老化、干燥前后均無(wú)明顯溫升。

圖5 無(wú)缺陷絕緣子短樣的紅外溫升特征Fig.5 Infrared temperature rise characteristics of insulator short samples without defect

對(duì)所有含缺陷復(fù)合絕緣子短樣施加有效值為20 kV 的交流電壓，并以一支無(wú)缺陷試樣1-1 作為對(duì)照，得到含缺陷復(fù)合絕緣子短樣加壓4 h 時(shí)的典型紅外熱像圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，除去試樣1-1、2-1沒(méi)有發(fā)熱外，其余試樣均有明顯溫升。各試樣的溫升值如表2 所示，可以看出水煮過(guò)的試樣中含金屬缺陷絕緣子短樣2-2 發(fā)熱最嚴(yán)重，加壓4 h時(shí)溫升高達(dá)7.3℃。

表2 吸潮狀態(tài)下帶缺陷絕緣子短樣的溫升值Tab.2 Temperature rise of defective insulator short sample under moisture absorption

圖6 吸潮狀態(tài)下帶缺陷絕緣子短樣的紅外溫升特征Fig.6 Infrared temperature rise characteristics of defective insulator short samples under moisture absorption

對(duì)所有含缺陷復(fù)合絕緣子試樣進(jìn)行干燥處理后，施加有效值為20 kV 的交流電壓，并以一支無(wú)缺陷試樣1-1 作為對(duì)照，得到含缺陷復(fù)合絕緣子試樣加壓4 h 時(shí)的典型紅外熱像圖如圖7 所示。從圖7可以看出，5 支試驗(yàn)絕緣子均無(wú)明顯溫升，與圖4 的紫外檢測(cè)結(jié)果一致。

圖7 干燥狀態(tài)下帶缺陷絕緣子短樣的紅外溫升特征Fig.7 Infrared temperature rise characteristics of defective insulator short samples in dry condition

對(duì)比紫外成像與紅外成像的檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同電壓和干燥狀態(tài)條件下不同類(lèi)型缺陷絕緣子的放電情況無(wú)顯著差異，但缺陷類(lèi)型會(huì)影響絕緣子的溫升情況，其中金屬缺陷引發(fā)的異常溫升值最高。因此紫外放電特征無(wú)法用于復(fù)合絕緣子界面缺陷類(lèi)型的判斷，但紅外成像溫升特征可對(duì)界面缺陷種類(lèi)進(jìn)行識(shí)別。

2.3 試樣外觀與解剖

對(duì)濕熱老化試樣進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)水煮后的含缺陷試樣（2-2、2-3、3-1）護(hù)套均發(fā)生脫粘，護(hù)套與芯棒粘接性完全喪失，硅橡膠護(hù)套可完全從芯棒上脫離，如圖8(b)所示。對(duì)于界面失效試樣，各從高壓端切取1 cm 薄片，如圖8(c)所示，以進(jìn)一步開(kāi)展微觀檢測(cè)與化學(xué)成分分析。而濕熱老化后的無(wú)缺陷試樣1-2，其護(hù)套與芯棒則粘接性良好，解剖后芯棒表面仍粘附硅橡膠，如圖8(a)所示，說(shuō)明界面缺陷會(huì)加速?gòu)?fù)合絕緣子的老化進(jìn)程，濕熱環(huán)境下含界面缺陷的復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面粘接性更容易遭到破壞。

圖8 解剖后的試樣外觀Fig.8 Appearance of samples after peeling

結(jié)合解剖觀察結(jié)果與紅外、紫外試驗(yàn)結(jié)果可知，老化后的含缺陷絕緣子短樣（含氣隙缺陷試樣2-1 除外）在吸潮狀態(tài)下放電劇烈且出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，干燥后紫外放電光子數(shù)大幅減少且無(wú)異常溫升。結(jié)合本課題組之前的研究表明，整支絕緣子水煮老化后，在施加直流電壓時(shí)幾乎無(wú)溫升，而施加交流電壓時(shí)溫升顯著，因此排除了電導(dǎo)損耗對(duì)水煮后復(fù)合絕緣子通電溫升的影響[23]。此外，王黎明等[25]、屠幼萍等[26]、袁之康等[27-28]的研究也表明，交流電壓是吸濕條件下絕緣子溫度升高的必要條件，電導(dǎo)損耗不會(huì)導(dǎo)致溫升。因此，濕熱老化后絕緣子異常溫升的原因在于：一方面，含缺陷絕緣子經(jīng)濕熱老化后發(fā)生界面失效，殘留在失效界面的水分引發(fā)電場(chǎng)畸變，使局部放電更易發(fā)生；另一方面，水分子為極性物質(zhì)，其介電常數(shù)與介質(zhì)損耗較大，會(huì)在高場(chǎng)下引發(fā)較高的極化損耗，這是絕緣子異常發(fā)熱的主要原因。相比于氣隙與潮氣缺陷，金屬缺陷引發(fā)的芯棒-護(hù)套界面電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重，而缺陷部位水分極化損耗能量與電場(chǎng)強(qiáng)度成正相關(guān)，因此相同電壓條件下含金屬缺陷試樣2-2 的異常溫升值最高。10天的濕熱老化沒(méi)有破壞無(wú)缺陷絕緣子的芯棒-護(hù)套界面粘接性，水分不易殘余在界面，因此無(wú)缺陷絕緣子在干燥、老化前后均無(wú)明顯放電和溫升。

上述結(jié)果表明，濕熱環(huán)境會(huì)破壞含界面缺陷復(fù)合絕緣子的芯棒-護(hù)套界面，界面吸潮是絕緣子異常發(fā)熱的重要原因。界面缺陷在濕熱條件下會(huì)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致護(hù)套與芯棒界面粘接性完全喪失，水分充滿(mǎn)芯棒-護(hù)套失效界面，在通電條件下引起嚴(yán)重的電場(chǎng)畸變，使局部放電更易發(fā)生，而界面處局部放電與水分雜質(zhì)的極化損耗會(huì)引發(fā)異常發(fā)熱故障。

2.4 掃描電鏡分析

為了研究界面處芯棒由外至內(nèi)的微觀形貌變化，取發(fā)生界面失效且發(fā)熱最嚴(yán)重的試樣2-2，從芯棒-護(hù)套界面處3 mm 直徑范圍內(nèi)的玻纖環(huán)氧芯棒取樣，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分別觀察芯棒試樣界面、截面（內(nèi)側(cè)和外側(cè)）及內(nèi)部形貌。

試樣2-2 的芯棒截面SEM 形貌如圖9 所示。從圖9可以看出，芯棒-護(hù)套界面處的環(huán)氧玻纖發(fā)生了由外向內(nèi)的劣化，截面外側(cè)（即接觸護(hù)套的界面?zhèn)龋┘s0.15 mm 范圍芯棒材料中的環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生分解，玻璃纖維從基體中剝離，而截面內(nèi)側(cè)的環(huán)氧樹(shù)脂基體包裹著玻璃纖維，二者之間的微觀界面粘接良好。纖維-樹(shù)脂基體微觀界面的粘接性能會(huì)直接影響FRP 復(fù)合材料的整體使用性能。在濕熱老化過(guò)程中，水分可以通過(guò)樹(shù)脂基體中的宏觀斷裂處、材料加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡和空洞、水溶性雜質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓等方式滲入芯棒材料內(nèi)部，導(dǎo)致芯棒材料中環(huán)氧樹(shù)脂由界面向內(nèi)部發(fā)生裂解[29]。此外，水分滲入纖維-基體微觀界面層還會(huì)引發(fā)溶脹效應(yīng)，加之纖維和基體的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微觀界面在過(guò)大的膨脹應(yīng)力和熱應(yīng)力下產(chǎn)生破壞，形成很多微觀缺陷[30]。

圖9 芯棒截面的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the cross-sectional shape of the core rod

圖10 為芯棒界面與內(nèi)部的SEM 形貌。從圖10(a)～(c)可以看出，惡劣環(huán)境下芯棒與護(hù)套的界面處容易發(fā)生劣化，導(dǎo)致芯棒環(huán)氧基體大量破損，玻璃纖維排列松散，甚至出現(xiàn)玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體界面分離現(xiàn)象。從圖10(d)～(f)可以看出，芯棒內(nèi)部玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體界面仍然保持良好。上述結(jié)果表明，濕熱作用更容易影響芯棒-護(hù)套界面處的芯棒材料，環(huán)氧基體由界面向內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重劣化，玻璃纖維大量裸露，纖維-樹(shù)脂基體微觀界面被破壞，從而損壞了FRP 復(fù)合材料的力學(xué)性能及電性能。

圖10 芯棒界面與內(nèi)部的SEM形貌Fig.10 SEM morphology of interface and interior of the core rod

2.5 紅外光譜分析

復(fù)合絕緣子芯棒的主要成分為玻璃纖維、雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂及少量固化劑和偶聯(lián)劑，其中雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的分子式如圖11所示，芯棒的主要特征官能團(tuán)及其對(duì)應(yīng)的吸收峰位置如表3所示[31-32]。

表3 芯棒的典型基團(tuán)紅外特征峰及其位置Tab.3 Characteristic FTIR absorption bands of core rod

圖11 雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的分子式Fig.11 Molecular formula of bisphenol A glycidyl ether epoxy resin

取界面脫粘試樣（2-2、2-3、3-1）的芯棒材料進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖12(a)所示。在3 700～3 200 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)了羥基吸收峰，主要來(lái)源于芯棒吸濕和環(huán)氧樹(shù)脂氧化。位于2 970～2 920、1 736、1 457、1 182、1 040 cm-1處的吸收峰來(lái)自于芯棒中的環(huán)氧樹(shù)脂基體官能團(tuán)，分別代表甲基、酯基、脂肪族的C-H、C-C 和C-O-C 等基團(tuán)，其中酯基來(lái)自于芯棒中的酸酐固化劑和硅烷偶聯(lián)劑。480 cm-1處的吸收峰代表Si-O 鍵，來(lái)自芯棒中的玻璃纖維官能團(tuán)。經(jīng)過(guò)老化處理后，試樣中代表環(huán)氧樹(shù)脂基體和玻璃纖維的基團(tuán)吸收峰普遍下降，這表明老化過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生氧化分解，主鏈和側(cè)鏈斷裂，玻纖發(fā)生水解和離子交換反應(yīng)，固化劑和偶聯(lián)劑發(fā)生水解。

圖12 FTIR測(cè)試結(jié)果Fig.12 FTIR test results

對(duì)發(fā)生界面失效且發(fā)熱最嚴(yán)重的試樣2-2 芯棒試樣和庫(kù)存芯棒試樣進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，最外面為芯棒外層（接觸護(hù)套），內(nèi)部1 mm處為中間層，1 mm以?xún)?nèi)為芯棒內(nèi)層，紅外光譜測(cè)試結(jié)果如圖12(b)所示。從圖12(b)可以看出，Si-O 和甲基、酯基、脂肪族中的C-H、C-C-和C-O-C 等吸收峰的強(qiáng)度由外層向內(nèi)層呈增強(qiáng)的趨勢(shì)，且芯棒內(nèi)層的上述基團(tuán)特征峰強(qiáng)度接近于庫(kù)存芯棒，說(shuō)明芯棒發(fā)生了由外至內(nèi)的老化，環(huán)氧樹(shù)脂基體由芯棒-護(hù)套界面向內(nèi)部發(fā)生分解，這與SEM結(jié)果一致。

2.6 熱重分析

圖13 為庫(kù)存芯棒與試樣2-2芯棒材料的熱重分析曲線，該曲線能夠表征芯棒材料中環(huán)氧樹(shù)脂的變化情況。從圖13可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂的氣化溫度為350～500℃，各試樣的質(zhì)量在該溫度區(qū)間內(nèi)迅速下降，主要是由于環(huán)氧樹(shù)脂基體發(fā)生熱解。玻璃纖維熔點(diǎn)為1 300℃左右，在測(cè)量溫度范圍內(nèi)（30～800℃）不會(huì)發(fā)生熱解，因此殘留率能夠反映各試樣中玻纖的含量。由殘留率可得各試樣中的環(huán)氧樹(shù)脂含量：庫(kù)存芯棒中環(huán)氧樹(shù)脂的含量為22.17%，老化芯棒中外層環(huán)氧樹(shù)脂的含量下降最少，為19.35%，中間層和內(nèi)層環(huán)氧樹(shù)脂的含量分別為19.79%和21.30%。分解的環(huán)氧樹(shù)脂含量由芯棒外層向內(nèi)層逐漸增加，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂由外向內(nèi)發(fā)生降解，這與SEM及FTIR測(cè)試結(jié)果一致。

圖13 庫(kù)存芯棒與試樣2-2芯棒材料的熱重分析結(jié)果Fig.13 Thermogravimetric analysis results of core rods in sample 2-2

2.7 XPS分析

XPS利用X射線的電子能量譜來(lái)研究物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)，相比于FTIR具有更高的靈敏度。對(duì)分別來(lái)自庫(kù)存芯棒和脫粘試樣2-2的4個(gè)樣品進(jìn)行XPS檢測(cè)，得到主要元素的相對(duì)含量占比如表4 所示。從表4可以看出，脫粘試樣芯棒的C元素含量減小，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了氧化分解，且該過(guò)程由芯棒外層向內(nèi)層發(fā)展；環(huán)氧樹(shù)脂分解導(dǎo)致玻璃纖維大量裸露，因此老化試樣的Si 含量大幅增加；脫粘試樣芯棒中還出現(xiàn)了庫(kù)存芯棒中未檢測(cè)到的N 元素，原因在于芯棒表面在放電過(guò)程中生成了氨基化合物。

表4 不同試樣中主要元素的相對(duì)含量占比Tab.4 Relative percentages of major elements in different samples

為了進(jìn)一步探究芯棒外層發(fā)生的降解過(guò)程，繪制了庫(kù)存芯棒和老化芯棒外層試樣的C1s 和N1s 精細(xì)譜，并利用高斯-洛倫茲函數(shù)對(duì)其進(jìn)行分峰擬合，結(jié)果如圖14所示。從圖14(a)～(b)可以看出，C1s的光電子能譜經(jīng)高斯分峰擬合可分為3 個(gè)分量，分別為C-C/C-H（284.8 eV）、C-O-C（286.0 eV）、O-C=O（288.5 eV），各試樣的峰面積占比列于表5。從表5可以看出，與庫(kù)存芯棒相比，老化芯棒外層中C-C/C-H 含量降低，C-O-C 和O-C=O 含量增加，說(shuō)明界面處環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了嚴(yán)重氧化分解。

表5 C1s峰擬合曲線中各組分的相對(duì)含量Tab.5 Relative content of each component in the C1s peak fitting curve

圖14 試樣2-2芯棒材料的XPS分析結(jié)果Fig.14 XPS analysis results of core rods in sample 2-2

從圖14(c)～(d)可以看出，相比于庫(kù)存芯棒的N1s精細(xì)譜，在界面失效試樣2-2 芯棒外層的N1s精細(xì)譜中出現(xiàn)了位于399.8 eV 的-NH2特征峰，這說(shuō)明芯棒表面有氨基化合物的形成。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，氨基化合物可能是因?yàn)樾景舯砻娣烹妼?dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂基體與O2、N2發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如圖15所示。

圖15 反應(yīng)方程式Fig.15 Chemical equation

3 含界面缺陷復(fù)合絕緣子劣化過(guò)程討論

本文的試驗(yàn)結(jié)果證明界面缺陷能夠加速?gòu)?fù)合絕緣子老化，在濕熱環(huán)境下會(huì)擴(kuò)展為界面失效，同時(shí)芯棒由界面向內(nèi)部發(fā)生劣化，其界面老化機(jī)制總結(jié)如圖16所示。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中受到電、濕、熱、機(jī)械等多種應(yīng)力作用，水分能夠透過(guò)硅橡膠以液體或者蒸汽的形式進(jìn)入復(fù)合絕緣子內(nèi)部尤其是界面缺陷處。濕熱環(huán)境中，硅橡膠層強(qiáng)度下降，且界面缺陷處氣隙、金屬或潮氣的壓強(qiáng)增大，芯棒-護(hù)套界面處機(jī)械應(yīng)力增大，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)局部應(yīng)力畸變，使界面缺陷在多種應(yīng)力作用下逐步擴(kuò)大[32]。隨著復(fù)合絕緣子界面缺陷逐步深入、擴(kuò)展，芯棒由外向內(nèi)發(fā)生劣化，表面在放電作用下產(chǎn)生氨基化合物，環(huán)氧樹(shù)脂基體發(fā)生氧化分解，玻璃纖維大量裸露，環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維間的微觀界面在過(guò)大的膨脹應(yīng)力和熱應(yīng)力下發(fā)生破壞，導(dǎo)致FRP 復(fù)合材料的力學(xué)性能及電性能遭到損壞。

圖16 濕熱環(huán)境下含芯棒-護(hù)套界面缺陷復(fù)合絕緣子的界面老化機(jī)制Fig.16 Interface ageing mechanism of composite insulators with core-sheath interface defects under hygrothermal environment

在劣化、濕熱環(huán)境、電場(chǎng)及機(jī)械應(yīng)力等多種因素協(xié)同作用下，復(fù)合絕緣子護(hù)套與芯棒脫粘，界面完全失效，水分充滿(mǎn)整個(gè)交界面。芯棒-護(hù)套失效界面處殘余的水分會(huì)引發(fā)電場(chǎng)畸變，使局部放電更易發(fā)生，并產(chǎn)生極高的極化損耗，為絕緣子異常發(fā)熱埋下隱患。若有金屬缺陷的存在，由于嚴(yán)重的電場(chǎng)畸變，失效界面處殘余水分產(chǎn)生的極化損耗會(huì)更高，威脅絕緣子安全運(yùn)行。

綜上，復(fù)合絕緣子在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受到機(jī)械、電、環(huán)境、熱等多種應(yīng)力聯(lián)合作用會(huì)誘發(fā)界面缺陷深入和擴(kuò)大，加速絕緣子的老化過(guò)程，導(dǎo)致護(hù)套損壞、芯棒腐朽，內(nèi)絕緣遭受破壞，從而引發(fā)斷串、界面擊穿等惡性事故。

4 結(jié) 論

（1）濕熱環(huán)境下含芯棒-護(hù)套界面缺陷復(fù)合絕緣子的界面粘接性更容易遭到破壞，界面缺陷會(huì)加速?gòu)?fù)合絕緣子的老化進(jìn)程。

（2）界面缺陷在濕熱條件下發(fā)生了擴(kuò)大，最終導(dǎo)致護(hù)套與芯棒界面粘接性完全喪失，界面處局部放電與水分雜質(zhì)的極化損耗會(huì)引發(fā)異常發(fā)熱故障。

（3）相同電壓條件和干燥狀態(tài)下含不同類(lèi)型缺陷絕緣子的放電情況無(wú)顯著差異，但缺陷類(lèi)型會(huì)影響絕緣子的溫升情況，其中金屬缺陷引發(fā)的異常溫升值最高。

（4）在濕熱作用下，隨著界面缺陷逐漸擴(kuò)大，芯棒發(fā)生由外向內(nèi)的劣化。界面處的芯棒材料更容易受到外界惡劣環(huán)境的影響，環(huán)氧基體由界面向內(nèi)部發(fā)生劣化，玻璃纖維大量裸露，纖維-樹(shù)脂基體微觀界面被破壞，從而損壞FRP 復(fù)合材料的力學(xué)性能及電性能。