行业知识 | 浅谈复合绝缘子老化特性的影响因素

摘要：随着我国特高压输电工程的开展，复合绝缘子由于其优异的耐污闪性能得到广泛的使用。与瓷绝缘子和玻璃绝缘子相比，老化是导致复合绝缘子故障的主要原因。本文概述了国内外复合绝缘子老化的研究现状，简单介绍了复合绝缘子的电老化机理，复合绝缘子老化特性及评估方法，以及复合绝缘子老化特性的一些主要影响因素。 

关键词：复合绝缘子；电老化机理；老化特性；影响因素     

1 前言 

        进入上世纪90年代以来，随着复合绝缘子技术的日趋完善，复合绝缘子的应用数量迅速增加，其中绝大部分都是以硅橡胶作为护套材料。在国外，选用复合绝缘子的主要原因是重量轻和费用低。在中国，目前运行的复合绝缘子全部为硅橡胶绝缘子，主要目的是解决污闪问题，这与我国架空线路的污秽特点密切相关。与传统的瓷绝缘子或者玻璃绝缘子相比较，复合绝缘子具有强度高、重量轻、耐湿闪污闪电压高、运行维护简便等优点[1]。 

        复合绝缘子的外绝缘采用的是有机材料硅橡胶，有机材料的耐老化性能远远比不上无机的陶瓷或玻璃。运行中，复合绝缘子的伞群、护套材料普遍表现出不同的老化现象，如漏电起痕或电蚀、龟裂、开裂、击穿、粉化、褪色、变脆变硬等[2]。外绝缘材料的严重老化是早期运行的很多复合绝缘子被淘汰或更换的主要原因。本文简单介绍了复合绝缘子的电老化机理，复合绝缘子老化特性及评估方法，以及复合绝缘子老化特性的一些主要影响因素。

2 复合绝缘子老化的诊断方法 

        复合绝缘子老化是电力企业十分关心的问题，国内外学者对绝缘子老化的诊断方法进行了大量的研究。以下分别从复合绝缘子的电特性、物理特性、化学特性等方面对其老化的诊断方法进行简单介绍。        

2.1 电特性 

        诊断复合绝缘子老化与否最经常使用的电方法是测量其在雾中的闪络电压。根据IEC507，测量雾（洁净雾或盐雾）中复合绝缘子老化前后的闪络电压，可以评估复合绝缘子老化前后电气性能的变化。 

        在实验室和现场研究中，泄露电流被公认为是检测绝缘子老化状态的重要参数之一。泄露电流波形可提供有用的信息，波形的谐波成分可以用来作为绝缘子是否需要清洗的标志。 

        上述两种绝缘老化评估方法是基于宏观层面来进行研究的。但在绝缘材料的老化过程中，绝缘材料的微观结构会发生变化，因此有必要从微观角度来分析绝缘材料的老化机理，进而找出绝缘老化评估方法。文[3]提出利用热刺激电流（Thermally Stimulated Current，TSC）方法对复合绝缘子的老化进行评估。其工作原理是注入材料的电子会被不同能级的陷阱捕捉，在环境温度发生变化时，随温度的升高被捕获的电子获得释放，形成TSC特性曲线。对比同一厂家新旧2批合成绝缘子的TSC特性，可以定性地得出绝缘子的老化程度。        

2.2 物理特性 

        通过观察复合绝缘子表面状况是判断绝缘子老化最快速最简便的方法。扫描电镜（SEM）常被用来研究复合绝缘子材料表面形态的变化。

        另外，硅橡胶材料除具有与瓷和玻璃介质同样优异的绝缘性能外，还具有独特的憎水性。所谓憎水性是指绝缘子表面不易受潮，吸附的水分以不连续的鼓励小水珠的形式存在，不形成连续水膜，从而限制表面泄漏电流，提高闪络电压。复合绝缘子憎水性的丧失与否与老化的程度密切相关。在恶劣的环境条件下，硅橡胶的表面由憎水性变为亲水性，称为憎水性的丧失。         2.3 化学特性 

        X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）：XPS常用于比较原子浓度，研究发现[4]采用XPS分析研究了硅橡胶复合绝缘子在老化的过程中的表面情况以及硅橡胶憎水性恢复特性，发现电晕放电比UV辐射更能降低硅橡胶的表面憎水性。 

        傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR分析能够通过不同波长上得峰值来确定材料中的化学键，测量老化前后的FTIR图谱，通过对比便可得知老化材料的降解变化。此外，还有气相色谱法、X射线散射法、二次电子发射法等化学分析方法。

3 复合绝缘子的电老化机理 

        造成复合绝缘子老化的主要因素包括表面放电（电晕放电、电弧放电）、紫外线、温度及污秽等，其中表面放电对复合绝缘子性能的影响比较严重。当绝缘子表面场强达到0.5-0.7kV/cm时，在绝缘子表面的水滴间就会出现电晕放电现象。         表面放电是造成复合绝缘子老化的主要原因，表面放电包括电弧放电和电晕放电。局部放电引起介质劣化损伤的机理大致如下： 

        （1）局部放电产生的带电粒子对硅橡胶表面的撞击，使有机硅橡胶分子的主链断裂，高分子发生解聚或部分变成低分子； 

        （2）局部放电使绝缘子表面局部的温度上升，放电区域内的高温能使硅橡胶材料发生化学分解； 

        （3）局部放电产生的活性气体O3，NO，NO2等氧化及腐蚀作用使硅橡胶材料逐渐劣化； 

        （4）局部放电产生的紫外线或波长较长的X射线，导致硅橡胶材料解聚、分解。

4 影响复合绝缘子老化特性的因素 

        4.1紫外线辐射对硅橡胶复合绝缘子表面老化的影响 

        针对高海拔地区日照中的紫外辐射特征，文[5]分别采用UV-A、UV-B和UV-C三种紫外光源模拟各种典型的大气紫外辐射环境，对硅橡胶复合绝缘子进行5 000 h的紫外辐射，然后采用静态接触角法测量紫外辐射对硅橡胶绝缘子表面憎水性的影响，探讨了高海拔地区复合绝缘子的紫外老化过程与特征。研究结果表明：经过UV-A、UV-B、UV-C紫外辐射后，硅橡胶绝缘子均发生了一定程度的褪色现象，但并未影响材料的绝缘性能。UV-C紫外线对硅橡胶绝缘子长时间辐射后，试样硬度变大，柔顺性降低，表面静态接触角下降，憎水性部分丧失         

       4.2 电晕放电对硅橡胶复合绝缘子表面老化的影响 

        文[5]还研究了不同海拔高度环境下交流电晕对硅橡胶绝缘子表面憎水性的影响。通过减压容器模拟不同海拔下的大气条件，采用多针－板电晕放电模型对硅橡胶绝缘子试样进行600min老化。试验研究表明，电晕放电对硅橡胶材料的表面憎水性产生破坏作用，不同气压环境下破坏的程度不同。        

      4.3 复合绝缘子自身形状对其老化特性的影响 

        华南理工大学[6]基于风洞模拟试验对伞裙结构优化进行了研究。研究表明一大二小一中伞形复合绝缘子的空气动力学外形最好，伞形占空比越小的绝缘子越不容易积污，一大二小伞形及一大一小伞形复合绝缘子在伞盘区域均有涡旋区出现，有可能造成伞盘的表面积尘增加。     

5 结论与展望 

        本文主要介绍了硅橡胶复合绝缘子的老化机理以及一些影响绝缘子老化特性的因素，得到如下结论： 

        （1）表面放电是造成复合绝缘子老化的主要原因，电晕放电比紫外线辐射更能降低硅橡胶的表面憎水性；憎水性恢复速率随着硝酸作用时间的增加或硝酸浓度的增大而减慢。 

        （2）复合绝缘子自身形状和配方是影响其老化性能的重要因素，还需要通过大量试验进行硅橡胶复合绝缘子伞裙优化研究，以延长复合绝缘子的使用寿命。          （3）进一步探讨、寻求复合绝缘子材料老化性能的综合评价模型，系统地展开复合绝缘子材料老化特性及其机理的研究，以达到科学评价、预测复合绝缘子使用寿命的目的。

参考文献： 

[1] 关志成，刘瑛岩，周远翔，等.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清 华大学出版社，2006

[2] 程传煊.表面物理化学[M].北京：科学技术文献出版社，1995

[3] 梁  英，丁立建，李成榕等.基于热刺激电流的硅橡胶合成绝缘子老化诊断方法初探[J].中国电机工程学报，2007，27（21）：7-12

[4] Youn B H，Huh C S.Surface characterization of silicone polymer used as an outdoor insulation by the measurement of surface voltage decay[J].Surface Interface Analysis，2002，12（3）：478-486

[5] 杨成.复杂环境下硅橡胶绝缘子老化与闪络现象研究[D].硕士学位论文，天津：天津大学，2008

[6] 谢从珍.硅橡胶复合绝缘子伞群优化[D].博士学位论文，广州：华南理工大学，2009

作者简介： 

禤小聪（1987—），男，硕士，从事电力设备故障诊断研究。

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