硅橡膠復合絕緣子憎水性的試驗手段研究

何 軍，鄧馥郁

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川 遂寧　629200）

硅橡膠復合絕緣子憎水性的試驗手段研究

何 軍，鄧馥郁

（四川職業技術學院電子電氣工程系，四川 遂寧629200）

摘要:本文利用試驗手法對硅橡膠復合絕緣子的憎水性進行研究，采集數據并分析，對高電壓輸電技術中絕緣子的發展具有現實的意義.

關鍵詞:復合絕緣子；硅橡膠；憎水性；試驗手段

在我國高壓輸電線路上，采用的絕緣子按材料來劃分，有傳統的陶瓷絕緣子和玻璃絕緣子，新型絕緣子有復合絕緣子、半導體釉絕緣子等.近年來復合絕緣子在線路中的使用量劇增，而硅橡膠（SIR）因為其優良的電氣性能則成為了目前使用得最多的復合絕緣材料.

硅橡膠在電氣應用中具有優異的絕緣性能和功能性，在極端溫度中能保持絕緣作用和介電強度，遠遠超過了傳統絕緣材料的能力范圍，使所有可比材料望塵莫及.本文針對硅橡膠復合絕緣子外絕緣特性測試，分析、研究了硅橡膠復合絕緣子憎水性、接觸角等技術參數新試驗方法與測試手段.

1　絕緣子特性關鍵參數

1.1憎水性

硅橡膠材料優良的電氣性能一個重要表現是它良好的憎水性.在復合絕緣子行業中，憎水性也被稱為濕潤性，由硅橡膠的表面張力決定.

如果把水珠滴在不同的固體平面上，平鋪成水層或者水膜，那么該固體屬于親水材料，如果液滴縮成一個球狀或者半球狀，則該材料具有良好的憎水性.本論文試驗中所用到的室溫硫化橡膠就是具有較好憎水性的，液滴在它的表面上幾乎成完美的半球狀.然而硅橡膠表面的憎水性并不是一成不變的，隨著其表面環境條件的不同其憎水性會暫時減弱甚至消失.由于硅橡膠材料自身的特性，能使其表面暫時消失的憎水性又得以恢復.

現在，普遍認同硅橡膠絕緣子（SIR）表面憎水性恢復的主要機理是表面積滿污穢后，硅橡膠本身的憎水性可以遷移到污層表面，即污層表面也有了憎水性.按照遷移分子的類別和遷移過程可以將憎水性遷移機理分成以下三種：

1）硅橡膠分子末端頭的伸長游離效應浸潤污穢物，使其外表面出現憎水性.

2）硅橡膠表面上卷曲較長的硅氧烷鏈段受污穢物作用，浸潤污穢物使其出現憎水性.

3）硅橡膠內尚未被交鏈的低分子移動，使其污穢物表面出現憎水性.

我們在如下方面認識還比較欠缺：自然條件下哪些因素對硅橡膠（SIR）憎水性的動作性能和長期使用性能產生的影響最大以及這些因素對硅橡膠物理性質的影響，這些因素包括交叉耦合（硫化）密度、填充物數量、穩定添加劑的用量等.材料的自身老化所產生的影響也有待研究.

1.2接觸角

要弄清硅橡膠材料憎水性喪失的主要原因，首先得了解憎水性的機理：液體對固體的濕潤程度通?？梢杂靡?、固相之間形成的接觸角的大小來表示.

所謂接觸角是指液體與固體間的界面與液體表面的切線間夾角，用θ表示.通常將接觸角θ=90°定為臨界角.對一定的液體來說θ＞90°的表面成為憎水性表面；θ＜90°的表面稱為親水性表面.

對于液滴來說，固體表面張力、液體表面張力和液固界面張力這三個力維持著它的平衡，液體對固體表面能否濕潤取決于幾個界面張力的相對大小，固體表面的憎水性狀態由材料的表面張力決定，目前尚無直接準確測定固體表面張力的方法.故考慮采取用接觸角法反映固體表面張力.可由圖1表示：

圖1　接觸角

2　關鍵參數測試

2.1試驗裝置

試驗裝置如圖2所示，兩塊銅制平板電極平行放置，一塊平板電極串聯一個5千歐的保護電阻后接到高壓電源上，另一塊電極接地.將長方體室溫硫化橡膠水平放置到極板中間并固定.試驗時將水滴水平放置在硅橡膠復合絕緣子上，并用高速視頻顯微鏡記錄水滴變化狀況，在條件不允許情況下，可用高清攝像頭代替高速視頻顯微鏡.

圖中裝置的尺寸參數：室溫硫化橡膠試樣長50.18mm、寬20.8mm、厚12.6mm，銅片厚0.2mm，兩銅片間平行間距14.72mm.

圖2　試驗裝置圖

2.2試驗方法

將電導率分別為1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的NaCl液滴放置在長方體室溫硫化橡膠試樣上，進行三組試驗，分別施加交流電壓、正直流電壓和負直流電壓，記錄液滴形變過程.

2.3試驗過程

2.3.1正直流電源作用下

用酒精清潔室溫硫化橡膠試樣表面；

1）配置電導率分別為 1.0mS/cm、2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的五種NaCl溶液；

2）取1.0mS/cm、體積為2微升的NaCl液滴放置在試樣中央，打開正直流電源，從0kV開始逐漸加大電壓，觀察到液滴發生明顯變形時將電壓逐漸減小關閉電源，并記下該時刻電壓的大小，清潔試樣表面；

3）按上述方法依次記錄下電導率分別為2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm時液滴形變時刻的電壓大小.比較可知約在正電壓大小為8kV時液滴發生形變，由此確定本試驗固定電壓取8kV；

4）取1.0mS/cm的鹽水液滴2微升，滴在已清潔干燥后的試樣表面中心，高倍顯微鏡從上至下垂直錄像，液滴呈近似完美的圓形.顯微鏡連于一臺PC機上.加正直流電壓8kV，同時按下按鈕，記錄下整個試驗過程中液滴的形變情況.經過多次試驗得出經驗，試驗統一都進行十分鐘比較合適；

5）十分鐘后停止記錄數據，將電源電壓逐漸調至零后關閉電源，用接地導線對裝置放電，用究竟擦拭試樣表面，試驗結束；

6）重復5、6兩個步驟分別對電導率為2.0mS/cm、3.0mS/cm、4.0mS/cm、5.0mS/cm的鹽水液滴進行試驗，得到正直流電源作用下的五組數據.

2.3.2負直流電源作用下

具體步驟與正直流電源一樣，只是所取固定電壓變為負13kV，同樣得到五組數據.

2.3.3交流電源作用下

具體步驟與正直流電源一樣，所取固定電壓也為8kV，同樣得到五組數據.

不加任何電壓的情況下，在試樣表面分別滴上五種電導率的NaCl液滴，用攝像頭從與試樣表面水平的角度錄像，截取圖片測量接觸角，主要用于比較不同電導率對接觸角的影響，因此液滴大小不用與前面的一致，為了方便測量，取液滴體積為5微升.

3　數據處理

3.1視頻數據的處理步驟

1）視頻記錄的是液滴形變的全過程，三個電源分別有五個數據，每個總時長六百秒；

2）從零時刻開始到結束時刻，每十秒截取一張圖片，即每個視頻截圖六百張；

3）將這些圖片在PHOTOSHOP中放大，測量每張圖片中液滴的最大長度（單位cm），記錄下來；

4）從零時刻開始到結束時刻，以十秒為記，用MATLAB畫出時間-液滴長度曲線；

5）每個視頻均按照這個方法處理，可以得到總共十五組圖片數據；

6）記錄每個電壓等級下，五個電導率的液滴開始形變的時間，繪制電導率—時間柱狀圖.

3.2接觸角的處理

1）每個電導率一個視頻，共五個，攝像頭從與試樣表面水平的角度錄像；

2）從視頻截取液滴完好放置在試樣上初始時刻的圖片；

3）分別測量五個電導率下半球狀液滴的高度、長度；

4）用測得數據計算出五個電導率下的接觸角大??；

5）繪制電導率-接觸角柱狀曲線圖.

參考文獻:

［1］崔江流，宿志一，易輝.我國硅橡膠復合絕緣子的應用與展望［J］.中國電力，1999，32（1）.

［2］宿志一.全國電力系統復合絕緣子運行情況綜述［J］.電氣世界，2003（6）.

［3］George G.K et al.Flashover mechanism of silicone rubber insulators used for outdoor insulation［J］. IEEETrans.OnPowerDelivery，1995，10（4）：1965-1966.

［4］張星海.影響絕緣子污穢閃絡的因素［J］.四川電力技術，1989.

責任編輯：張隆輝

中圖分類號：TM 85

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2094（2015）02-0156-03

收稿日期:2015-01-01

作者簡介：何軍（1963-），男，重慶萬州人，四川職業技術學院電子電氣工程系副教授、高級工程師.研究方向：電氣自動化.鄧馥郁（1984-），女，四川遂寧人，四川職業技術學院電子電氣工程系助教.研究方向：電氣自動化.

On the Test Method of Silicone Rubber Composite Insulators Hydrophobicity

HE Jun，DENG Fuyu.
（Sichuan Vocational and Technical College， Suining Sichuan 629000）

Abstract：This paper studies the hydrophobicity of silicone rubber composite insulators using the test method， both data collection and analysis have been made. It has realistic significance for the development of high voltage insulators in transmission technology.

Keywords:Composite Insulators； Silicone Rubber； Hydrophobicity； Biodegradability； Test Method