復合絕緣子老化狀態評估方法研究綜述

黃成才，李永剛

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市071003)

復合絕緣子老化狀態評估方法研究綜述

黃成才，李永剛

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北省保定市071003)

分析了目前國內外關于復合絕緣子老化狀態評估方法的研究現狀，介紹了噴水分級法、靜態接觸角法、掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)法、泄漏電流測量法、粉化觀察法、硬度試驗法、能譜分析法等7種常用老化評估方法的試驗方法及優缺點，重點分析了傅里葉紅外光譜分析法、紫外成像法、熱刺激電流(thermally stimulated current，TSC)法、核磁共振法等4種新方法的特點與缺陷，并給出了相關試驗結果。研究結果表明：現有的復合絕緣子老化狀態評估方法各有優缺點及其適用條件，未來硅橡膠材料老化程度評估研究的主要方向或將集中在基于空間電荷測量和電導電流測試方面。

復合絕緣子；老化評估；紅外光譜；紫外成像；空間電荷

0 引 言

復合絕緣子以其良好的憎水性及憎水遷移性在電力系統中得到了廣泛的應用，截止目前，我國110 kV及以上輸電線路掛網運行的復合絕緣子數量早已超過500萬支[1-3]。據相關運營單位統計，在運行之初，復合絕緣子具有瓷和玻璃絕緣子無法比擬的優勢，但是隨著運行年限的增長，其老化問題也越發嚴重[4]。

導致復合絕緣子老化的因素主要有光老化、熱老化、電老化、環境及溫度老化等，老化的直接后果是使得復合絕緣子傘群表面的憎水性能下降，閃絡電壓降低、耐污閃能力下降。如果不及時發現或更換老化嚴重的絕緣子，最終將導閃絡事故的發生，故對現場在運行的復合絕緣子傘群及護套硅橡膠材料的老化狀態進行評估和檢測是輸電線路運行部門密切關注的問題，也是提前發現復合絕緣子運行隱患、杜絕事故發生的必要工作。

目前，國內外對復合絕緣子老化狀態評估還沒有統一的標準，老化狀態評估方法多種多樣，各有其優缺點，難以形成統一的老化指標[5-7]。噴水分級法在現場檢測中得到了廣泛的應用，但其受主觀影響大，并且尚未獲得定量的憎水性級別與性能之間的關系，故憎水性測試不能準確評估復合絕緣子老化狀況。本文對目前所有評估復合絕緣子老化狀態的方法進行總結和分析，研究目前各種方法的優缺點及可行性，探究老化狀態評估未來可能的發展方向。

1 復合絕緣子老化評估方法的發展

1.1 已成形的老化評估方法

老化作為一個指標，一個判據，反應的是材料不可逆轉的劣化。復合絕緣子老化狀態的評估就是基于硅橡膠材料老化導致其內、外特征的變化而進行的。國家電網公司現場運行復合絕緣子的數據顯示，絕緣子硅橡膠老化主要表現在以下6方面：

(1)表面的憎水性下降、憎水性遷移時間變長和恢復能力變差；

(2)表面出現粉化現象；

(3)在重污染工廠周邊運行的復合絕緣子，硅橡膠傘群材料及護套可能會發生電蝕損、漏電起痕等嚴重的老化狀況；

(4)硬度增加、抗撕裂能力變差；

(5)傘裙表面其它雜質化學元素增多，硅橡膠化學結構遭到嚴重破壞；

(6)表面粗糙、孔洞增多，材質疏松[8-10]。

根據上述老化現象及其特點，形成了以下復合絕緣子老化評估方法：(1)通過噴水分級法(hydrophobicity class，HC)測量憎水性能，級別越高說明絕緣子老化程度越嚴重；(2)通過復合絕緣子的泄漏電流測量判斷硅橡膠的老化程度，泄漏電流越大說明憎水性被破壞越嚴重，老化程度越嚴重；(3)利用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察絕緣子表面的微觀鏡像，微觀表面孔洞、缺陷越多說明老化越嚴重；(4)通過能譜分析復合絕緣子各層面存在的化學元素，其他雜質元素(尤其是金屬元素)含量越高說明老化越嚴重；(5)通過觀察表面粉化、測量硬度和抗拉能力等評估絕緣子老化狀態[11]。近年來，又有一些新的老化狀態評估方法誕生，如基于熱刺激電流(thermally stimulated current, TSC)的檢測法、傅里葉紅外光譜分析法(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、紫外成像老化檢測法、基于核磁共振的老化檢測法等也得到了較廣泛的應用。

1.2 國內外研究動態

復合絕緣子的老化評估方法探究受到了國內外研究工作者的大量關注。目前，老化狀態評估手段主要體現在以下3方面：一是利用復合絕緣子傘群及護套表面的狀態評估其老化狀態；二是在實驗室采用常規的傘群表面測試手段評估其老化狀態，并探究各種因素對老化的作用機制以尋求遏制老化的方法；三是利用硅橡膠材料的空間電荷檢測及直流電導測試技術對復合絕緣子的老化狀態進行評估[12]。

文獻[13]對復合絕緣子傘群試樣進行了電暈放電研究，試驗時觀察到傘群表面有臭氧和硝酸產生，并伴有變色現象。文獻[14]利用FTIR研究硅橡膠材料PDMS時，把C=O鍵 (1735-1745 cm-1)和C-H鍵(1460 cm-1)的吸收峰比值作為材料的氧化系數，把填充物(1020 cm-1)與聚合物(2918 cm-1)的吸收峰比值作為材料的粉化系數，以此量化研究復合絕緣子的老化程度。文獻[15]根據IEEE和IEC規定，對輸電線路中常用的復合絕緣子硅橡膠傘裙試樣進行了相關的老化試驗，結果表明，復合絕緣子硅橡膠傘群材料的老化狀況受紫外光照的影響很大。文獻[16]利用電聲脈沖法測量了聚合物材料中空間電荷的分布情況，探究了空間電荷用于評估絕緣材料老化程度的可行性，并研制了空間電荷測量裝置。研究表明，聚合物老化程度越嚴重，其短路空間電荷的總量越多，短路空間電荷總量能夠反映聚合物材料內部陷阱的數量級分布，能夠用以評估硅橡膠復合絕緣子的老化狀態。文獻[17]通過電導電流試驗探究了變壓器油與絕緣紙板的電導特性；文獻[18-19]利用電導電流測試探究了變頻電機用聚酰亞胺薄膜的老化特性，研究結果證明材料的電導電流特性可以用于評估材料的老化狀態，該方法有待于在硅橡膠復合絕緣子的老化狀態評估中得到應用。

上述研究結果表明，對于復合絕緣子用硅橡膠材料的老化狀態評估方法的研究工作早期主要是基于絕緣子表面憎水性及微觀結構等方面進行的，研究后期部分研究人員意識到空間電荷對電介質的電導特性、擊穿及老化等方面有著重要影響，并將空間電荷技術引入了硅橡膠材料老化評估的研究中。基于硅橡膠材料的直流電導特性評估復合絕緣子老化狀態還有待于進一步探究。

2 傳統的老化評估方法分析

常用的老化方法主要包括憎水性測試、泄漏電流法、SEM法、硬度測試及粉化觀察等幾種，表1給出了各種方法應用于老化狀態評估的判據及優缺點。

2.1 HC分級法

HC分級法，用材料表面的憎水性等級來表示其憎水性好壞的方法，其將固體材料表面的憎水性能好壞分為7個等級，按照憎水性狀態分別表示為HC1 ～HC7，憎水性等級越低表示材料憎水性越好。通過目測觀察復合絕緣子表面水滴狀態來判斷憎水性級別。若噴水后絕緣子表面為細小水珠，形狀為分布均勻的規則圓球則說明憎水性等級低，憎水性好；反之，若表面為大片水膜、水漬清晰等情況則說明憎水性等級高，憎水性差。

表1 復合絕緣子老化評估方法匯總

HC分級法是最常用的判斷復合絕緣子老化的方法，尤其適合在現場中應用，HC等級更是現場絕緣子是否需要清洗的直接判據。但是作為評估絕緣子老化的常用方法，精度無法保證，因為該方法是通過目測觀察來判斷憎水性的，測量結果有很大的主觀因素。

2.2 靜態接觸角法

評估憎水性最準確的方法就是測量水滴在絕緣子表面的靜態接觸角。一般情況下，接觸角大小為80°～120°，接觸角越大說明憎水性能越好。

接觸角是指水、空氣、材料交會處的傾斜角。憎水好的硅橡膠復合絕緣子表面結果完整，滴水后自然形成圓形水珠，這樣測量的靜態接觸角度數肯定比較大；反之，復合絕緣子發生老化后，滴水后表面形成的是各種水膜，那么水、空氣、硅橡膠之間夾角要明顯小于水珠與空氣、硅橡膠之間的夾角，也就是說老化后復合絕緣子的接觸角小。

傳統的接觸角測量是用量角器、顯微鏡或縮放照相機來測量。現代測量接觸角使用的是數字化接觸角測量儀，利用數碼相機和計算機軟件系統采集試驗圖像，并自動對圖像進行接觸角大小測量。測量系統通過數碼相機拍照，并將圖像傳入計算機軟件分析系統，再通過軟件計算得到試品接觸角的數值。圖1給出了利用美國科諾工業有限公司生產的SL 200 B型接觸角分析儀測量接觸角的效果圖。

靜態接觸角測量是最簡單、最直接、最準確的評估復合絕緣子老化的方法之一，得到了比較廣泛的應用，接觸角也能準確的反應憎水性好壞，從而反應復合絕緣子的老化程度。但是其對測量工具要求比較高、工序也比較麻煩，實現有一定難度。

圖1 靜態接觸角測量圖像

2.3 泄漏電流分析法

影響復合絕緣子性能的主要因素是憎水性的喪失與否，憎水性的破壞更是絕緣子老化的重要特征。憎水性破壞導致絕緣子泄漏電流增大，泄漏電流增大與放電又導致憎水性破壞加重，這樣形成了惡性循環，從而加速了復合絕緣子的老化。由于泄漏電流既反應老化程度，又能加速老化，所以在實驗室和現場的研究工作中得到了廣泛的應用。

泄漏電流大小可以直接判斷復合絕緣子表面的老化狀況，表面材質疏松導致電阻率下降，從而泄漏電流增大，泄漏電流越大說明表面憎水性越差、老化越嚴重。現場應用中，通常以泄漏電流最大幅值和其超過一定幅值的次數來判斷絕緣子的老化程度。

泄漏電流測量系統主要由電流傳感器、傳感器保護電路、數據采集卡和計算機分析軟件4個部分組成。工作時泄漏電流通過電流傳感器采樣，轉換成模擬信號，再由數據采集卡進行A/D轉換，輸出到計算機進行存儲和在線監測。泄漏電流測量原理圖如圖2所示。

泄流電流分析法是最能說明復合絕緣子老化程度的方法，其結果精確、評估準確，但其測量裝置比較復雜，成本高，不適合對現場運行復合絕緣子進行老化狀態評估。

圖2 泄漏電流測量原理圖

2.4 硬度試驗

硅橡膠材料的老化還表現在硬度變硬，這是老化使高分子結構發生變化的緣故，屬于硅橡膠內部的化學老化。硅橡膠的化學鍵在光、熱、機械作用力等因素作用下，分子鍵發生斷裂，產生大量的自由基，斷裂后的自由基再相互作用產生交聯結構，使得材料變硬、變脆、伸長率下降。因此硅橡膠硬度是衡量復合絕緣子老化程度的重要指標。

2.5 粉化觀察

硅橡膠材料表面粉化也是其老化的重要特征，粉化觀察可以作為評估老化程度的輔助方法。但是該現象不太容易觀察，受天氣狀況(風吹、雨水沖洗)影響比較大。

2.6 SEM分析法

SEM分析法是用來觀察硅橡膠傘裙表面微觀的一種高精度儀器，能實現對物體的幾千倍放大，從而實現對物體的表面狀況的微觀觀察。圖3給出了相關試品的SEM圖。

圖3 硅橡膠傘群的SEM圖像

絕緣子老化，表面硬度增加、粗糙、材質疏松、有微孔、裂紋等，這些現象通過肉眼觀察很難察覺。通過掃面電鏡放大2 000倍后，物體的微觀鏡像就能很好的呈現，根據微觀狀況來判斷絕緣子是否發生了老化及老化的程度。表面微觀鏡像是判斷其老化與否的直接判據，SEM分析法是評估絕緣子老化程度必不可少的方法。

2.7 能譜分析

能譜分析是探究絕緣子表面、內部的化學元素組成，從而探究表面積灰、污物、鹽分等在硅橡膠材料中的擴散和遷移過程，通過元素組成來判別硅橡膠的老化程度。該方法測量結果精確，主要適用于因污穢物所導致的老化評估。

3 老化評估新技術

上述7種關于復合絕緣子老化狀態評估的方法中最常用的是憎水性測試，噴水分級法在對現場運行絕緣子的老化狀態評估中得到了廣泛的應用。就噴水分級法而言，其是一種基于肉眼觀察并具有很大主觀性方法，其對憎水性的測試結果必然會出現較大的誤差，而且當復合絕緣子表面發生粉化時干擾HC分級法的測量。同時有關研究證明，硅橡膠材料的憎水性不是由其老化狀態單獨決定的，它還與天氣狀況、環境條件等因素有關。所以探究新的絕緣子老化評估方法十分必要。

3.1 TSC測試

(1)工作原理。硅橡膠的老化導致大量分子鍵的斷裂，從而產生大量的自由基和離子，繼而導致硅橡膠內部陷阱密度的增加。在極化電壓和加熱條件下，產生大量的載流子(內部激發和電極注入的)，在加熱條件下，內部載流子加速運動，從而使得所測得熱刺激電流加大。

(2)測量方法。TSC的基本測試方法是將試樣加熱到一定溫度，然后在該溫度下對其施加一個直流的極化電壓，并保持一段時間，隨后立即降溫至較低溫度，使各類載流子凍結，撤除直流極化電壓，然后對試樣進行升溫，測量試樣兩端的短路電流。該電流與溫度的關系曲線(I-T)即為試品的TSC曲線,TSC試驗系統原理圖如圖4所示。

圖4 TSC試驗系統圖

參數的確定是測量的最重要步驟。通過一系列的研究給出以下試驗參數范圍：極化電壓為8.3～10 kV，極化溫度為47～57 ℃，極化時間不少于20 min，降溫速率應大于升溫速率[20-21]。

(3)優缺點分析。相對于憎水性測試及其它老化評估方法，TSC測試結果能夠更為準確地評估復合絕緣子硅橡膠傘裙材料的老化狀況。但是目前該方法的研究結果具有一定的狹隘性，還需要收集更多的現場運行試樣進行研究，使基于TSC測量的老化評估方法得到廣泛的應用。

3.2 Fourier紅外光譜分析

(1)工作原理。硅橡膠是以高分子聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基體，與多種填充料按照一定比例進行填充、混煉后經過高溫加壓硫化后而成的。聚二甲基硅氧烷主要由Si—O—Si，Si—CH3及甲基—CH3基團組成，其中Si—CH3及—CH3為硅橡膠復合絕緣子的憎水性基團，其分子結構式如圖5所示。

圖5 聚二甲基硅氧烷分子式

研究表明當硅橡膠復合絕緣子老化后，其表面的憎水性部分喪失，使得Si—O,Si—C，C—H鍵發生斷裂而減少，憎水性能下降[22-23]。傅里葉紅外光譜分析就是研究老化前后憎水性基團Si—CH3及—CH3的變化情況，根據其含量判定復合絕緣子的老化程度。

(2)測量方法。從試驗絕緣子的傘群切下硅橡膠片作為試品，用酒精擦拭干凈，干燥后放入紅外光譜分析儀，從計算機上記錄波形及數據。

(3)優缺點分析。傅里葉紅外光譜分析能夠實現對復合絕緣子的憎水性基團Si—CH3及—CH3進行準確的定量研究，準確地判定復合絕緣子的憎水性能，從而判定老化程度。圖6是紅外光譜分析結果圖，從圖上可以清晰的看出試品表面的憎水性基團明顯低于中心層，說明試品表面的老化程度更為嚴重。

3.3 紫外成像分析

紫外成像采用紫外成像相機對加壓的復合絕緣子進行拍照，若硅橡膠材料出現老化及破損狀況，破損點必然會出現電暈現象，這種現象就會被紫外成像相機觀察到。圖7是紫外成像圖，此次試品芯棒護套損壞，加壓到一定數值時即可發現損壞部位。紫外成像能夠準確的檢測出試品的損壞部位，但不能夠實現定量研究。鑒于它是在運行電壓下進行的檢測，故今后在現場復合絕緣子狀態的檢測及評估中具有很大的利用價值。

圖6 試品紅外光譜分析結果

圖7 試品紫外成像結果

3.4 核磁共振

由于復合絕緣子長期在電暈、臭氧、強紫外線等惡劣的環境中運行，其硅橡膠材料分子主鏈上的Si—O 鍵的鍵能會明顯的衰減，甚至發生斷裂情況，導致材料老化。當Si—O鍵的鍵能發生減弱時，為達到平衡Si原子鍵能的目的，Si原子對應側鏈上的甲基或乙烯基基團間的鍵能也會隨之變化，基團中H原子狀態會受其影響而變化。故復合絕緣子用硅橡膠分子式中的H原子數量變化與其老化狀態的變化相互對應，探究其材料分子式中H原子的變化狀況可以反映復合絕緣子的老化狀態。

核磁共振原理是利用基團中H原子核的磁共振特性，探究硅橡膠材料中H原子核的性質及其狀態，分析其內部結構[24]。因此，利用材料中H原子的核磁共振對硅橡膠復合絕緣子老化狀態進行評估，可直接反映硅橡膠中H原子含量及H原子狀態的變化，從而準確地反映復合絕緣子的老化狀態。

4 復合絕緣子老化狀態評估的發展方向

基于空間電荷和直流電導聯合測試技術或將成為復合絕緣子老化狀態評估方法在未來的主要發展方向。該方法是基于老化導致硅橡膠材料內部產生陷阱的原理展開工作的，它實際反映的是材料內部的陷阱數量及分布。復合絕緣子在運行過程中，由于受到紫外照射、酸堿性物質腐蝕、強電場、沿面放電等影響，其硅橡膠材料會發生氧化、降解等反應，導致大量的分子鍵斷裂，使得微觀結構出現裂紋、裂縫等現象，形成大量的陷阱，這些陷阱會捕獲流經材料的載流子，從而形成空間電荷，故根據硅橡膠材料內部的空間電荷數量及分布可以一定程度上判斷其老化狀態[25-26]。

電導電流測試是在空間電荷分析的基礎上進一步分析復合絕緣子材料老化的方法。其工作原理在于：材料的電導電流在對數坐標下根據其所承受電壓大小可分為歐姆區、空間電荷限制電流區和陷阱充滿區3段，低電場時，電介質的電流-電壓特性符合歐姆定律，當電壓達到一定數值UΩ時，開始出現空間電荷的大量積累，使得流過絕緣介質的電流由歐姆電流區(I區)向空間電荷限制電流區( II 區)轉變[27-30]。隨著施加在電介質上的電壓不斷增加，注入的電荷量不斷增多，材料中的陷阱逐漸被填滿，當電壓達到Um時，陷阱被填滿，進入到陷阱從滿的空間電荷限制電流區( III 區)。圖8給出了電導電流隨所加電壓的變化情況。

圖8 電導電流隨電壓的變化情況

I區 和 II區 的轉折點電壓UΩ(或場強EΩ) 被稱為絕緣材料的電老化閾值，意味著從此場強開始，材料中開始出現積聚的空間電荷。 硅橡膠材料的老化，使得絕緣材料中的陷阱密度增大，而陷阱密度與空間電荷分布、陷阱載流子密度及電老化閾值有一定的關系。陷阱密度的增加會使得空間電荷更容易積累，從而導致電介質電老化閾值UΩ降低，故利用電老化閾值UΩ這一新判據可以來評估復合絕緣子的老化程度[31-33]。

利用材料的空間電荷特性及電導電流特性評估絕緣材料的老化已經在聚乙烯(XLPE)、變頻電機用聚酰亞胺中得到相應的應用，空間電荷特性在絕緣子的老化狀態評估中也得到了初步的應用，且評估效果良好[34-36]。基于空間電荷和直流電導聯合測試技術必然會成為未來復合絕緣子老化狀態評估研究的新方向。

5 結論與展望

全面總結了復合絕緣子老化評估的基本方法和新方法，闡述了各種老化狀態評估方法的適用途徑、優缺點及試驗方法，給出了部分方法在實際評估應用中的試驗結果，為復合絕緣子的老化狀態的評估方法選擇提供了良好的依據，有一定的工程參考價值。

我國曾經經歷過數次大規模絕緣子污閃事故，復合絕緣子因其具有良好的抗污閃能力在電力系統中得到了廣泛的應用，但其老化問題也給電力系統的安全穩定運行帶來了威脅與挑戰。因此，一種好的老化狀態評估方法對絕緣子的穩定運行乃至電力系統的安全都具有非常重要的意義。

目前，關于復合絕緣子現有的老化狀態評估方法，每種方法都有其適應條件及優缺點，實際能夠被廣泛應用的方法并不多，對復合絕緣子的老化狀態評估還應進一步探究新方法。現有的老化評估方法多是基于材料的表面狀態或傘群表面測試進行的，深入硅橡膠材料內部結構研究的老化評估方法較少。空間電荷測量和電導電流測試技術是在老化導致陷阱產生的基礎上產生的，能夠與絕緣材料的老化緊密的聯系起來，今后必將成為硅橡膠復合絕緣子老化狀態評估方法的主要研究方向之一。

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(編輯：張小飛)

AReviewofAgingEvaluationMethodsforCompositeInsulators

HUANG Chengcai, LI Yonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

This paper analyzed the research status of aging evaluation for composite insulators at home and abroad; introduced seven kinds of commonly used aging evaluation methods and their advantages and disadvantages: hydrophobicity classification method, static contact angle method, scanning electron microscope (SEM) method, leakage current measurement method, chalking observation method, hardness test method and energy spectrum analysis method; mainly analyzed the characteristics and defects of four new method: Fourier transform infrared spectroscopy analysis method, ultraviolet imaging method, thermally stimulated current (TSC) method and nuclear magnetic resonance method, and presented relevant experiment results. The results show that: all the aging evaluation methods of composite insulators have their advantages, disadvantages and applicable conditions; the methods based on space charge test and conduction current test will become the main research direction of the aging evaluation for silicone rubber material in the future.

composite insulators; aging evaluation; infrared spectroscopy; ultraviolet imaging; space charge

中央高校基本科研業務費專項資金項目(13MS71)。

TM 216

： A

： 1000-7229(2014)09-0028-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.006

2014-06-27

：2014-07-21

黃成才(1989)，男，碩士研究生，主要從事高電壓技術、復合絕緣子老化狀態評估方面的研究工作，E-mail: jshchengcai@163.com；

李永剛(1967)，男，博士，教授，主要從事大型電機在線診斷與在線監測工作。