蒙西電網220 kV在運復合絕緣子材料老化性能研究分析

鄭建軍 ，李 鐵，史賢達 ，田 峰 ，

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區高電壓與絕緣技術企業重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010020；3.內蒙古電力（集團）有限責任公司錫林郭勒供電公司，內蒙古 錫林郭勒 026000）

0 引言

復合絕緣子概念是由美國在20世紀50年代首次提出，但是直到20世紀70年代隨著高溫硫化硅橡膠的問世，復合絕緣子才在真正意義上被人們所接受[1-2]。與傳統瓷、玻璃絕緣子相比，復合絕緣子除了擁有更加優異的耐污特性外，還具有重量輕、易安裝維護、結構穩定性高等諸多優點[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得到了廣泛應用。蒙西電網于上世紀90年代初開始逐漸在重污穢區域引用復合絕緣子，目前蒙西電網110 kV及以上電壓等級在運復合絕緣子的總數量為40余萬支，其中運行年限超過10年的絕緣子數量近10萬支。與其他省網公司的應用情況相似，伴隨著運行年限的增加，蒙西電網范圍內的在運復合絕緣子也出現了傘裙斷裂、護套開裂、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查結果表明輸電線路的停電故障均與硅橡膠材料老化而引發的復合絕緣子斷串故障有關[12-16]。

復合絕緣子的主要構成部件，如傘裙護套，芯棒、界面偶聯劑等有機復合材料，在高電壓、強機械負載和自然因素的長期作用下都不可避免的會發生物理或化學變化，從而導致其理化和電氣性能不可逆的下降[17-18]。但是，還需要認識到的是有機復合材料的老化是一種緩慢發展的過程，因此開展定期觀察和現場抽樣試驗，判斷其劣化程度及使用的可靠性，從而掌握其老化規律和特性，進而從源頭有效預防因硅橡膠材料老化而引發的斷串停電事故，對提高蒙西電網的安全可靠性具有十分重要的現實意義。

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

表1 抽樣樣品信息表

1 試驗結果與分析

1.1 宏觀形貌觀察與分析

宏觀形貌的檢查結果表明3支復合絕緣子護套、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果，由圖中可以觀察到1號樣品低壓側、中部及高壓側等三個部位的傘裙表面呈亮紅色，未見明顯污穢層及嚴重粉化現象，但各傘裙局部區域都觀察到了黑色電蝕痕跡（圖中虛線框），表明該復合絕緣子在運行過程中發生過多次電暈放電現象，這可能與傘裙硅橡膠材料憎水性能的減弱有關[19]；其中，高壓側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生了一定程度的硬化；此外，對各部位傘裙進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象，這主要與兩支復合絕緣子運行區域存在一定程度的污染源有關。需要指出的是，2號樣品高壓側傘裙經過對折后表面出現了大量的龜裂裂紋，表明該部位傘裙硅橡膠材料發生了較為嚴重的老化，這主要與長期電場放電作用所導致的硅橡膠材料中大分子的斷鏈有關。

圖1 抽檢復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行測量，結果見表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果均符合標準要求。

表2 抽檢復合絕緣子金具鍍鋅層及傘套厚度測試結果

1.3 帶護套染色滲透試驗

染色滲透試驗開始前，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目細砂紙對兩端斷面進行打磨，確保斷面清潔、平行。試驗時，將試樣沿芯棒纖維束的軸向放入玻璃培養皿中，培養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，且其液面應比球的頂部高出2～3 mm。試驗過程中，染料將因毛細管作用從芯棒底面向上端面進行吸附，測量染料貫通試樣的時間是否達到15 min。圖2所示為3支樣品芯棒帶護套染色滲透15 min后的試驗結果，從圖中可以看出，在標準規定的時間內染色劑未貫穿芯棒，表明各樣品的芯棒質量滿足標準[22]要求。

圖2 抽檢復合絕緣子芯棒帶護套染色滲透試驗結果

1.4 憎水性測試與分析

按照DL/T 376-2010《復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件》[23]要求，使用DropMeter? A-200型光學接觸角測量儀，對3支樣品各部位傘裙取樣進行靜態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，測量結果及憎水性分級如圖3所示。

圖3 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙接觸角測試結果

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、中部及高壓側傘裙的憎水性能均發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號樣品高壓側傘裙表面存在大量龜裂裂紋，但測試結果表明該部位傘裙的憎水性等級為HC2級，這種異常的試驗結果可能與裂紋引起傘裙表面粗糙度的增加有關。研究表明表面粗糙會引起水珠狀態變化，從而導致靜態接觸角及后退角的測試結果存在較大誤差[24]。此外，3號樣品高壓側傘裙的憎水性等級為HC1級，明顯優于低壓側和中部傘裙。

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行觀察，結果如圖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傘裙表面的粗糙度均明顯高于低壓側和中部傘裙，這也與憎水性的測試結果相吻合。

圖4 抽檢復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成分進行檢測，結果如圖5所示。由于復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種元素的測試結果。由檢測結果可以看出，1號樣品高壓側傘裙表面的C元素含量明顯減小，表明其受電應力因素的影響較大，老化程度較嚴重；2號樣品低壓側傘裙表面的C和O元素的含量最高，表明其受電應力因素的影響較??；Al元素的含量較小，則說明低壓側傘裙發生了一定程度的水解反應；3號樣品中部傘裙表面的C和Si元素含量較少，說明硅橡膠材料發生了較嚴重的老化；高壓側傘裙表面的C、Si元素含量較高，表明該位置含有的小分子物質含量較高，這也與憎水性的測試結果相吻合。

圖5 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙表面化學元素分布情況

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行了檢測，結果如圖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度均出現了不同程度的降低。其中Si（CH3）2官能團的峰值強度分別減少了15.4%、7.7%、15.4%，Si-CH3官能團的峰值強度分別減少了14.3%、5.9%、23.5%，表明硅橡膠材料的老化程度較輕。此外，還可以看出高壓側傘裙表面的Si（CH3）2、Si-CH3等官能團的峰值強度下降最顯著，表明高壓側傘裙的老化程度最為嚴重。

圖6 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙傅里葉紅外光譜檢測結果

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

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

表3 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙典型有機官能團含量

1.7 機械性能檢測與分析

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行測試，結果如圖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，且均符合標準要求。

圖7 抽檢復合絕緣子不同部位傘裙邵氏硬度值

按照DL/T 864-2018《標稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》[26]要求，利用HT-1000型臥式拉伸試驗機對抽檢的3支樣品進行測試，結果見表4。從表中可以看出各樣品的額定機械負荷均滿足標準[21]要求。

2 結論

本文抽取了蒙西電網某供電局3條輸電線路的在運復合絕緣子，對其材料性能進行了檢測分析，并對其老化性能進行了評估，具體結論如下：

1）抽檢的3支復合絕緣子運行年限均超過了15年，但憎水性的檢測結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。

2）化學成分和傅里葉紅外光譜的檢測結果表明，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官能團峰值均出現了顯著減小或降低，表明較高污穢等級區域內運行的復合絕緣子更易于發生老化。

3）較高污穢等級區域內運行的復合絕緣子傘裙表面粗糙度較大，且表面粗糙度對復合絕緣子傘裙憎水性能的測試結果產生的影響較大，建議憎水性測量參數中增加表面粗糙度。

4）帶護套染色滲透試驗及機械性能檢測的結果表明，抽檢樣品的芯棒內部無貫穿性缺陷，且其各項力學性能指標均符合標準要求。