基于電導電流測試的硅橡膠復合絕緣子傘群材料老化特性分析

黃成才李永剛汪佛池張志猛

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院 保定 071003 2.國網河北省電力公司電力科學研究院 石家莊 050000）

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基于電導電流測試的硅橡膠復合絕緣子傘群材料老化特性分析

黃成才1李永剛1汪佛池1張志猛2

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院 保定 071003 2.國網河北省電力公司電力科學研究院 石家莊 050000）

摘要為利用電導電流測試手段探究復合絕緣子傘群材料的老化特性，以現場運行的復合絕緣子為試驗對象進行研究。通過電導電流測試得到相關試樣的電老化閾值，探究了傘群位置、運行年限、環境污穢及運行電壓等級等因素對硅橡膠材料電導電流特性的影響規律，并利用傅里葉紅外光譜技術分析了相關基團的變化情況。試驗表明，絕緣子串上場強分布高的位置、運行年限較長的絕緣子及運行地區環境污穢嚴重的絕緣子，其傘群材料的電老化閾值較低、電導電流較大且內部陷阱數量較多；運行電壓等級對絕緣子老化程度的影響較小。利用電老化閾值評估傘群試樣的老化狀態與傅里葉紅外光譜分析結果具有高度的一致性，表明通過硅橡膠傘群材料的電導電流測試得到的電老化閾值，可以反映復合絕緣子傘群材料的老化特性。

關鍵詞：電導電流 電老化閾值 硅橡膠 復合絕緣子 老化特性 陷阱

國家自然科學基金重點項目（51207055）和中央高校基本科研業務費專項資金重點項目（13MS71）資助。

0 引言

硅橡膠復合絕緣子因其自身具有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，目前我國110kV及以上輸電線路中掛網運行的復合絕緣子數量早已超過500萬支[1-3]。但是作為有機合成材料，硅橡膠傘群也面臨著不可回避的老化問題，老化會在一定程度上影響絕緣子的運行性能，嚴重時甚至會引發閃絡、掉串等故障，給電力系統的運行造成了一定的安全隱患[4,5]。因此，對復合絕緣子的老化狀態評估及老化后的機電性能研究受到了廣泛的關注。

目前，對硅橡膠材料老化狀態的評估已形成了多種方法，傳統的有憎水性測試、表面微觀觀察、掃描電鏡和泄漏電流測量等，這些方法測量誤差較大，并且只能作一般的定性研究；隨著科技的發展，Fourier紅外光譜分析、紫外成像也得到了較為廣泛的應用，但因其成本高，在實際運用中很難普及[6,7]。因此，探究一種新的硅橡膠復合絕緣子老化狀態評估方法還是有必要的。基于電導電流和空間電荷測試的老化狀態評估方法已經被初步應用于電纜用聚乙烯（XLPE）、變壓器油及變頻電機內絕緣聚酰亞胺的老化狀態評估[8]，但其在硅橡膠材料老化狀態評估中的應用目前還沒有報道，本文對此進行了必要的研究工作。

由于聚合物的制造、加工過程及其自身的結構特征，在聚合物中總是存在大量的局域態，這些局域態能夠俘獲流經材料的載流子，形成空間電荷，其作用類似于陷阱，故又稱為陷阱。對于復合絕緣子用硅橡膠材料來說，導致其產生陷阱的因素有兩點：①由于生產、加工過程中制作工藝不合格而造成的硅橡膠材料的先天性缺陷；②由于硅橡膠材料在現場運行過程中的老化，使得大分子化學鍵斷裂，產生大量自由基，從而增大陷阱密度[9]。陷阱密度與絕緣材料的老化程度有著必然的相關性，硅橡膠的老化，使得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。陷阱密度的增加會加速空間電荷的積累，從而導致電老化閾值降低[10,11]。鑒于絕緣材料的電老化閾值及陷阱載流子密度可以反映材料中的陷阱密度及深度，故可以通過電老化閾值評估硅橡膠傘群材料的老化狀態和探究其老化特性。

本文以現場不同運行年限、不同電壓等級的復合絕緣子為研究對象，分析了運行年限、污穢等級和傘群位置等因素對硅橡膠材料電導電流特性的影響，結果基本證明了通過電導電流測試得到試樣的電老化閾值能夠正確反映硅橡膠復合絕緣子傘群材料的老化特性。

1 電導電流理論

電導電流能夠反映載流子運輸過程的許多微觀特性，如載流子的注入、電荷的入陷和脫陷、電導機制、陷阱載流子密度和電老化閾值等，被廣泛應用于研究半導體和電介質材料的電荷及載流子運輸過程[12]。電介質的電導電流隨著所加電壓的大小而變化，根據加壓的大小可分為歐姆區、空間電荷限制電流區和陷阱充滿區三段，圖1給出了電導電流隨所加電壓的變化情況。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，注入的載流子濃度增大，出現了空間電荷的大量積累，引起空間電荷限制電流，使得流過電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。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，進入到陷阱充滿的空間電荷限制電流區（Ⅲ區）。

圖1　電導電流隨電壓的變化情況Fig.1 Conduction current changes with voltage

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，空間電荷的出現說明材料內部含有陷阱和缺陷[13]。因此，絕緣材料的電老化閾值越低，其越容易積聚空間電荷、內部的陷阱數量越多且老化狀態越嚴重。

空間電荷限制電流由絕緣體中的空間電荷引起，經過理論推導，可得到空間電荷限制電流的密度J及電老化閾值的計算公式為

式中，εr為相對介電常數；ε0為真空介電常數；U為外施電壓；u為載流子遷移率；d為硅橡膠試樣厚度；θ為陷阱控制參數（自由載流子密度與總載流子密度之比），，n為自由載流子密度，nt為受俘獲載流子密度；e為電子常數。由于n＜＜nt，故可認為則nt可表示為

對式（1）取對數可得

從式（4）可以看出，對于空間電荷限制電流模型來講，電流密度和外施電壓在對數坐標下呈斜率為2的線性關系。

2 試樣及試驗方法

2.1 試樣的制備

試驗選用同一廠家生產的三支110kV、兩支220kV復合絕緣子為研究對象，三支110kV試品標號分別為A、B和C，其中試品C運行于礦場附近，運行地區污染嚴重；兩支220kV試品標號分別為D、E。為了比較同一試品不同傘群位置的硅橡膠材料電導電流特性，每串絕緣子分別取其桿塔側、中間側和導線側各一片傘群進行試驗，各傘群試樣編號見表1。

表1　傘裙試樣編號及其運行狀況Tab.1 Sample number and parameters

從選取的傘裙試樣上用打孔器取下直徑為25mm的切片，再將試樣厚度精密加工至0.5mm，把加工好的試樣用無水酒精清洗，并放置干燥數小時。干燥后，利用SBC—12離子濺射儀在試樣表面蒸鍍直徑為10mm的金膜作為試驗電極，用以改善試樣與電極的接觸性能。

2.2 試驗電極

測量電極采用的是標準圓柱形電極，上電極直徑為10mm，高40mm；下電極直徑20mm，高30mm；上、下電極的圓弧倒角分別為1mm和2mm。為了防止硅橡膠薄片在高場強試驗條件下發生沿面氣隙擊穿而中斷試驗，試驗時將測量電極放入絕緣性能良好的硅油介質中。

2.3 電導電流測量系統

電導電流測量裝置由負極性高壓直流電源、保護電阻、ZC—36型高阻計和PC40B絕緣測試電極箱組成。高壓直流電源能夠實現0～50kV范圍的調壓，ZC—36型高阻計能夠實現微電流的采集（準確度達到10-14A），電極箱有恒溫、控濕和屏蔽外界干擾的作用。電導電流測量裝置如圖2所示。

圖2　電導電流測量裝置Fig.2 Configuration of conduction current measurement system

電流測量過程中，在恒定電壓作用下，施加電流初期流經被測樣品的電流由三部分組成，即由松弛極化引起的松弛電流、由位移極化引起的瞬時電流和電導電流，隨著加壓時間的增加，流經被測試樣的電流從大到小變化，最后趨于穩定到一個固定值，即電導電流[14]。標準IEC 60247和IEC 61620也指出：在直流電壓下測量流經絕緣體電流時，由于空間電荷向兩極的遷移作用，流經試品的電流將會逐漸減小到一極限值。在本文測量硅橡膠材料的電導電流時，試品的電導電流經過一段時間后才會穩定。圖3給出了硅橡膠傘群試品電導電流在一定時間內的變化曲線，結果表明，試品中的電導電流在2min后趨于穩定，故在本文試驗中電導電流取值均在3min時刻。

2.4 Fourier紅外光譜分析

鑒于傅里葉紅外光譜技術（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR）能夠定量分析硅橡膠材料中各基團的含量，準確地反映復合絕緣子的老化狀態，本文對所有傘群試樣進行了FTIR分析，以進一步驗證電導電流測試在硅橡膠復合絕緣子老化特性研究中的可行性。傘群試樣經電導電流試驗后，用無水酒精再次清洗，并干燥數小時；從干燥后的試樣上切取0.5cm2的薄片，利用美國賽默飛世爾公司Nicolet Is5傅里葉紅外光譜儀進行測試。

圖3　硅橡膠材料電導電流隨加壓時間的變化關系曲線Fig.3 The temporal variations of conduction current of silicone rubber materials

3 試驗結果及分析

圖4給出了A、D兩串絕緣子不同軸向位置的傘群試樣電導電流隨場強的變化關系，由圖4可知，各串絕緣子不同軸向位置傘群材料的電老化閾值有著相同的變化規律，即電老化閾值大小呈現導線側＜桿塔側＜軸向中點處，說明導線側傘群硅橡膠材料內部缺陷明顯多于桿塔側和軸向中點處傘群，更易積聚空間電荷，意味著老化程度也最嚴重。結果顯示，電老化閾值的測量結果能夠反映整串絕緣子傘群老化的特征。

圖4　試品A、D不同軸向位置處傘群材料的電導特性Fig.4 Conduction characteristic of samples A and D in different locations of insulator string

圖5　110kV試樣不同軸向位置處傘群電導電流隨運行年限的變化關系Fig.5 Conduction current curves of samples in various of 110kV insulators with different operating year

圖5給出了110kV電壓等級的試品A、B和C各軸向位置傘群試樣電導電流隨運行年限的變化關系，分析圖5可知，隨著運行年限的增加，試樣的電老化閾值明顯降低，電導電流數值增大，說明隨著運行年限的增加，硅橡膠材料內部的缺陷不斷增多、陷阱密度不斷增加，復合絕緣子傘群材料的老化狀態不斷的加重。220kV電壓等級的試品D、E也有著相同的變化規律。

圖6給出了運行年限相同、運行電壓等級不同的試樣B2、D2的電導電流特性曲線，由圖6可知，電老化閾值大小呈現電壓等級220kV的試樣D2略低于110kV的試樣B2，說明運行電壓等級越高的復合絕緣子，其傘群材料的老化狀態略顯嚴重。

圖6　相同運行年限不同電壓等級試樣的電導電流特性Fig.6 Conduction characteristic of samples with same operating years and different operating voltage levels

圖7給出了在Ⅳ級污區運行14年和在Ⅱ級污區運行15年的傘群試樣電導電流特性，由圖7可以看出，運行14年的試樣C1其電老化閾值反而明顯低于運行15年、運行電壓等級更高的試樣E1，表明在Ⅳ級污區運行的復合絕緣子相對于在Ⅱ級污區運行更易發生老化，運行環境的污穢等級對硅橡膠材料的老化有著重要影響。

圖7　運行于不同污穢等級地區的試樣電導電流特性Fig.7 Conduction characteristic of samples in different operating environment

表2給出了所有試樣的電老化閾值及根據空間電荷限制電流計算而得到的一些相關參數。由表2可知，老化程度越嚴重的試樣，其電老化閾值越小，電導電流數值越大；各試樣的陷阱載流子密度nt是根據式（3）計算得到的（取硅橡膠的介電常數εr為3.5），其大小與電老化閾值成正比關系。表2還根據試驗結果給出所有試樣的電導特性在對數坐標下的斜率，可知硅橡膠傘群試樣的電導特性斜率均在2.7左右，與式（4）的理論斜率2稍有差距，這可能是由于硅橡膠在制備過程中參入的雜質離子等因素導致材料在高場作用下電導機理發生微妙變化而造成的[15,16]。

表2　傘群試樣的電導特性Tab.2 Conduction characteristic of samples

結合圖4～圖7及表2結果，分析通過試樣的電導電流測量得到的電老化閾值可以得到復合絕緣子傘群材料老化的幾點特性：

（1）對于同一串絕緣子而言，電老化閾值大小呈現導線側＜桿塔側＜軸向中點處，說明導線側傘群的老化程度最為嚴重，桿塔側的老化程度次之，軸向中點處的傘群老化程度最輕。這是由絕緣子運行過程中電場分布規律所決定的，與運行中所承受的電場強度有關，絕緣子串高壓導線側傘群承受的電場強度最大、運行條件最為嚴酷，中部場強最低，故其老化程度最輕。

（2）對比同一電壓等級下不同運行年限的試品測量結果可以發現：隨著試樣運行年限的增加，試樣的電老化閾值明顯降低。試驗結果表明，隨著運行年限的增加，復合絕緣子傘群材料的老化程度會大大增加。

（3）運行年限相同而電壓等級不同的試樣，運行電壓等級越高，電老化閾值越低，但電老化閾值大小極為相近，說明運行電壓等級對復合絕緣子傘群材料的老化影響較小。

（4）復合絕緣子運行地的污穢等級嚴重加速其傘群材料的老化，運行環境的污穢等級是導致復合絕緣子老化的重要因素。

4 討論

利用電導電流測試得到的電老化閾值來評估硅橡膠的老化程度是在老化導致陷阱產生的基礎上展開的，它實際反映的是材料內部的陷阱數量及分布。陷阱是由材料內部的物理化學缺陷引起的，與材料內部的分子結構有著密不可分的關系。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、強電場和沿面放電等影響，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，形成大量的陷阱[17]，從而使得空間電荷更容易積累，電老化閾值降低。為了深入分析老化導致硅橡膠材料分子結構的變化及其基團分子鍵的斷裂情況，本文利用FTIR技術對所有試樣進行了主要基團含量分析，探究硅橡膠各相關基團含量與其電老化閾值之間的關系。

復合絕緣子用硅橡膠材料是以聚二甲基乙烯基硅氧烷（PDMS）為基體，與多種填料進行填充、混煉后經過高溫或室溫硫化而成的。其中PDMS是由Si-O-Si主鏈和Si-CH3側鏈構成主體部分，其分子由共價鍵方式組成。復合絕緣子在運行過程中的的老化，會導致Si-O-Si主鏈及Si-CH3側鏈中大量的共價鍵發生斷裂，使得材料中Si-O-Si及Si-CH3基團含量減少。而硅橡膠材料的紅外光譜圖中的1 000～1 100cm-1波段及1 255～1 270cm-1波段處的反射峰強度可有效分析Si-O-Si及Si-CH3的鏈段強度[18]，反映材料的老化程度[19]。試樣的FTIR分析結果如圖8～圖10所示。

圖8給出了同一電壓等級、相同傘群位置和不同運行年限試樣的FTIR分析結果，由圖8可知，運行5年的試樣A1各相關基團特征峰吸收值均要明顯高于試樣B1和C1，而試樣B1的相關特征峰吸收值又大于試樣C1，說明運行年限越長，PDMS各基團共價鍵斷裂越嚴重，導致相應基團的特征峰吸收值越小，試樣的老化程度越嚴重。由圖9可知，對于同一串試樣而言，各傘群基團特征峰吸收值呈現軸向中點處＞桿塔側＞導線側，這說明傘群試樣運行時所承受的場強越強，其相應基團的特征峰吸收值越小，試樣的老化越嚴重。

圖8　不同運行年限的絕緣子傘群FTIR譜圖Fig.8 FTIR of insulator sheds with different operating years

圖9　同串不同軸向位置傘群FTIR譜圖Fig.9 FTIR of samples in different locations of insulator string

圖10　傘群試樣Si-O-Si基團的特征峰吸收值Fig.10 FTIR characteristic absorption value of all samples

圖10給出了所有試樣Si-O-Si主鏈的特征峰吸收值，由圖10可知，隨著運行年限的不同，試樣的Si-O-Si基團吸收值在0.2～0.6之間變化。分析圖10可以得到以下幾點：對于同串不同傘群位置的試樣，Si-O-Si基團的吸收值均呈現軸向中點處＞桿塔側＞導線側，五支試品數據充分說明傘群試樣運行的場強越強，老化狀態越嚴重；對于110kV的試品A、B、C或220kV的試品D、E而言，運行年限越長，試樣兩種基團的特征峰吸收值越低，老化狀態越嚴重；運行年限為14年的試樣C，由于運行環境污穢嚴重，其相應基團的特征峰吸收值最低，老化程度嚴重于運行15年的試驗樣E，說明運行于污穢嚴重地區的復合絕緣子老化情況更為嚴重；對于運行年限均為10年，而電壓等級不同的試品B、D，試品D的特征峰吸收值略低于試品B，說明運行電壓等級高的試品老化程度較嚴重。此外，所有試樣的Si-CH3基團也有著相似的變化規律。

以上FTIR分析結果能夠充分反映復合絕緣子傘群材料的老化特性，對比電導電流測試結果，兩者具有高度的一致性，試樣的電老化閾值與其各基團的特征峰吸收值有著高度的對應關系，說明通過電導電流測試得到的電老化閾值可以用來反映材料內部的陷阱和缺陷情況，可以用來評估復合絕緣子的老化狀態、反映絕緣子傘群的老化特性。

5 結論

1）復合絕緣子不同軸向位置處的傘群材料老化狀態不同，導線側傘群老化程度最為嚴重，桿塔側次之，軸向中點處傘群老化程度相對較輕。

2）運行年限和運行地區的環境污穢等級是影響復合絕緣子老化狀態的最主要因素；運行電壓等級對老化狀態的影響則較小。

3）電導電流測試結果表明，絕緣子串上場強分布高的位置、運行年限較長的絕緣子及運行地區環境污穢嚴重的絕緣子，其傘群材料電老化閾值明顯較低，且電導電流較大，內部陷阱數量較多。此外，試樣的電導電流測試結果與其FTIR分析結果存在著高度的對應關系。

因此，本文的研究結果可以基本證明，通過硅橡膠傘群材料的電導電流測試得到的電老化閾值，可以用來反映材料內部的結構缺陷及老化狀態，可以反映復合絕緣子傘群材料的老化特性。然而，本文的研究工作還存在很多欠缺與不足，還需要對更多的現場運行過的絕緣子進行系統研究及分析。

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黃成才 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為高電壓絕緣與復合絕緣子老化狀態評估。

E-mail:jshchengcai@163.com（通信作者）

李永剛 男，1967年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備狀態監測與故障診斷。

E-mail:lygzxm0@163.com

Study on Aging Characteristics of Silicone Rubber Sheds of Composite Insulators Based on Conduction Current Test

Huang Chengcai1Li Yonggang1Wang Fochi1Zhang Zhimeng2
（1.College of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Baoding 071003 China 2.Hebei Electrical Power Research Institute Shijiazhuang 050000 China）

AbstractTaking being operated composite insulators as the object,the aging characteristics of composite insulators based on conduction current test is assessed.Electrical degradation threshold was got by the conduction current test,the influence of aging factors on electrical degradation threshold of the silicone rubber sheds such as shed locations,operating years,environment contamination levels and operating voltage levels were considered,and the changes of relevant groups of samples were studied with the Fourier transform infrared spectrum（FTIR）method.It is founded that the electrical degradation threshold of samples are lower,conduction current are larger and trap is more under the following situations:samples from the location where the electric field of the insulator string is higher; and samples from the insulators with a longer operation life or working in seriously polluted areas.The operation voltage almost has no influence on the aging state of insulators.Evaluating the sheds aging state by using the electric degradation threshold and FTIR analysis have high consistency,and indicates that electrical degradation threshold which got by the conduction current test can reflect the aging characteristics of silicone rubber sheds of composite insulators.

Keywords：Conduction current,electrical degradation threshold,silicone rubber,composite insulators,aging characteristics,trap

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收稿日期2014-06-24 改稿日期 2014-07-25

中圖分類號：TM85