空間電荷技術在復合絕緣子老化判斷中的應用

梁棟，彭慶軍，李天福

(1.華北電力大學研究生工作站，昆明 650217;2.云南電網有限責任公司電力科學研究院博士后工作站，昆明 650217)

0 前言

復合絕緣子以其重量輕、機械強度高、表面憎水性強、耐污閃性能好等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用［1－4］。但是作為有機材料，硅橡膠傘裙材料不可避免的要受外界惡劣環境的影響而發生老化，從而影響絕緣子的絕緣性能，嚴重時甚至會引發事故［5－6］。隨著復合絕緣子掛網時間的增加，其發生閃絡和損壞的事例也日趨增多。常見的復合絕緣子現場損壞原因主要可分為兩大類，第一類是機械方面的損壞，第二類是電氣性能的劣化，主要表現在泄漏電流增加、憎水性部分或全部喪失，可導致擊穿、沿面閃絡等絕緣事故［7－11］。研究表明，傘套材料的老化是造成復合絕緣子性能劣化的重要因素［11－15］。因此，復合絕緣子運行狀態即老化狀態的檢測診斷受到了運行部門和相關學者的廣泛關注。

目前對于現場復合絕緣子老化狀況的檢測方法主要有觀察復合絕緣子表面狀態、憎水性等級(hydrophobicity class，HC)噴水分級測試及硬度測試等，其中HC 噴水分級法在現場復合絕緣子的老化特性評價中應用最為廣泛。然而，傳統的檢測方法如HC 噴水分級法是基于肉眼觀察的主觀判斷方法，其檢測結果可能會出現較大誤差［16，17］。同時，研究表明復合絕緣子的憎水性并不只與老化有關，還與氣候、溫度等多種因素有關［6］。傳統的老化分級方法并不能準確評價復合絕緣子的老化狀態，探尋能準確有效評估與判斷復合絕緣子老化狀態的新方法是十分有意義的。

熱刺激電流(TSC)方法近幾年在研究介質電傳導機理和電荷存儲現象中得到了廣泛應用［13－15］。借助于熱刺激電流試驗能檢測到絕緣材料的微觀電特性，有望為復合絕緣子老化程度的診斷及評價提供新方法。

1 復合絕緣子老化狀態評價現狀

復合絕緣子老化評估方法如下:

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［16－19］。

近年來，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［20－26］。此外，也針對硅橡膠材料和復合絕緣子進行了一些實驗室條件下老化特性及機理的研究，主要包括一些可造成復合絕緣子老化的作用因素，如表面放電(電暈放電、電弧放電)、潮濕、紫外線、溫度及污穢等，也包括伴隨著電暈放電的過程中產生的硝酸與臭氧這類影響因素［13－14，27－31］。但是，傳統方法所得到的測量結果受主觀因素影響較大，采用原有的基于憎水特性的評價方法并不能完全可靠的反映絕緣子的實際老化狀態。

2 復合絕緣子老化判斷新方法

2.1 熱刺激電流原理

電介質中的缺陷能態的研究主要是通過介質中的缺陷能態以及能態密度的分布分析判斷電介質材料電氣性能的變化、電介質的老化狀態。缺陷能態密度分布特性的不同，直接與材料微結構(晶區、非晶區型界面、結構晶相等)等相關，會直接制約材料的電氣特性，材料的老化等都與材料的缺陷能態以及能態密度的分布有一定的聯系，因此缺陷能態是一個將材料微觀特性及結構與材料的電氣性能相結合的橋梁。現代材料中缺陷能態測試技術的發展，使得尋找這種橋梁以建立一種直接的聯系成為可能。

根據成因不同，一般地將陷阱分成兩類，即結構(物理)陷阱和化學陷阱。對于高聚物來說，其大分子鏈正負電荷中心往往是重疊的，對外呈中性，而長鏈的端部、添加的化學雜質等往往形成化學陷阱，而晶體內的裂縫、晶相與非晶相的界面等則成為結構陷阱。當在電暈放電的持續作用下，產生的高能粒子不斷碰撞試樣表面，引起高分子降解斷裂，熱電子與聚合物相互作用形成自由基和低分子，在臭氧的作用下會發生氧化反應，產生許多不飽和鍵和端基，這些過程必定會產生許多正負電荷中心不重合的基團，吸引電荷，形成陷阱。同時，高能粒子的機械碰撞會引起試樣表面的微觀結構的改變，破壞聚合物的結構，形成結構缺陷。

通常注入材料的電子會被不同能級的陷阱捕捉。在環境溫度變化時，隨著溫度的升高，被捕捉的電子獲得釋放，形成TSC 特性曲線。由TSC特性曲線可以確定陷阱電荷量、陷阱能級等參數，計算如公式(1)、(2)。其中β 為升溫速率，Tm為TSC 電流曲線峰值對應的溫度，T 是半峰值對應溫度的差值。通常硅橡膠材料的老化會使得陷阱電荷量增大，陷阱能級加深［14］。

2.2 熱刺激電流測試裝置

常見的TSC 試驗系統示意圖如圖1 所示，主要分為五部分:

1)直流加壓部分;

2)電流的測量部分;

3)控溫部分;

4)真空環境部分;

5)電流和溫度的實時記錄系統［26－27］。

圖1 TSC 試驗系統示意圖

TSC 是一種熱激勵過程，先將試樣在某一溫度T1下，加外加電場極化一段時間后，維持電場強度不變，然后迅速將樣品冷卻至溫度T2(T2＜T1)，撤去極化電場，用升溫裝置使試樣線性升溫，并同時測量外電路的短路電流。該電流與溫度的曲線即為熱刺激電流的曲線。通過對TSC 曲線的相關處理與計算就可以確定出材料表面的陷阱參數。

2.3 熱刺激電流研究現狀

將TSC 技術用于復合絕緣子的研究［32，33］。其對不同極化電壓、不同極化溫度、不同極化時間下復合絕緣子的TSC 特性進行研究，確定了適合用于復合絕緣子的試驗參數，并對新舊絕緣子的TSC 特性、憎水性及SEM 微觀特性進行綜合比對，研究表明TSC 特性可以用于判斷復合絕緣子的老化狀態。

對復合絕緣子的TSC 特性進行了進一步的研究［35－37］。研究證明了復合絕緣子老化會使TSC 特性發生變化，即運行多年的絕緣子與新絕緣子相比陷阱電荷量增大，陷阱能級加深，同時所得結果與憎水性、紅外光譜、SEM 等結果又良好的對應性。此外，對影響復合絕緣子老化的因素也做了一定的研究。研究表明，復合絕緣子的TSC 特性作為老化評價依據有其特有的優勢。

建立了110kV 電壓等級復合絕緣子微觀運行性能評估模型。并且分析了電場強度、運行環境和運行年限對復合絕緣子老化程度的影響，結果表明，試樣高壓端老化速度最快，低壓端次之，中間段最慢;重污區試樣的老化速度明顯較快，較輕污區試樣老化速度相對緩慢;隨著年限的增加，試樣的老化程度呈遞增趨勢。電場強度、運行環境、運行年限三種因素對復合絕緣子老化程度的影響由強到弱依次為:運行年限－電場強度－運行環境［38］。

2.4 制約TSC 技術應用的因素

目前解決現場復合絕緣子影響因素繁多的主要方法為人工加速老化試驗，通過因素控制建立TSC 數據與老化時間的關系，并與現場試樣進行年限等效，分析各個因素的權重，并將TSC 特性與其他老化判斷方法進行比對，從而建立完整TSC 數據庫，以對TSC 特性進行分級。

3 結束語

傳統的復合絕緣子老化判斷方法只關心試樣的宏觀性能，而且測試手段本身存在明顯的缺陷。TSC 技術作為一種以空間電荷測試手段，為研究材料微觀特性及結構與材料的電氣性能提供了橋梁。但目前TSC 技術用于復合絕緣子老化判斷還處于探索階段，還需大量的試驗補充完善數據庫，以得到統一的判斷方法。另外TSC 特性的機理研究也亟待解決。

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