氙燈和熱氧人工加速老化過程中復合絕緣子老化特性變化規(guī)律研究

佘 凱

(國網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

復合絕緣子由于其優(yōu)異的耐污閃性能而倍受電力行業(yè)青睞,據(jù)統(tǒng)計,我國掛網(wǎng)復合絕緣子數(shù)量已突破700萬支,居世界首位[1]。但是復合絕緣子用外護套材料高溫硫化硅橡膠是一種有機高分子材料,在運行過程中由于受到光照、高溫、氧氣、電弧等因素的作用,其運行狀態(tài)不斷劣化,即老化,出現(xiàn)憎水性能劣化、硬度上升、褪色等現(xiàn)象,嚴重時甚至引起憎水性能喪失、外護套龜裂破損等,引發(fā)污閃、內(nèi)擊穿、脆斷等惡性電力故障,嚴重威脅電網(wǎng)的安全可靠運行[2]。

為此國內(nèi)外研究學者對復合絕緣子老化特性進行了大量的研究[3],通過5 000 h多因素人工加速老化試驗、轉(zhuǎn)輪法試驗、1 000 h鹽霧法、紫外老化等人工加速老化試驗,模擬復合絕緣子在運行過程中受到的光照、積污、受潮、局部放電現(xiàn)象,研究不同環(huán)境因素作用下硅橡膠材料憎水性能、硬度、官能團含量等性的變化規(guī)律[4],但由于試驗周期長、試驗過程復雜等因素的影響,難以廣泛應(yīng)用于復合絕緣子的老化狀態(tài)評估工作中。為此,搭建氙燈老化和熱氧老化人工加速老化試驗平臺,研究不同試驗時間內(nèi)復合絕緣子憎水性能、硬度、褪色程度、質(zhì)量損失、微觀形貌等性能的變化規(guī)律,提出了適用于運行復合絕緣子老化狀態(tài)評估的人工加速試驗方法,試驗結(jié)果為復合絕緣子運行狀態(tài)評估工作的開展提供了參考。

1 試品及試驗方法

1.1 試品

a.高溫硫化硅橡膠新品,為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的同一批次新品,與該廠家生產(chǎn)復合絕緣子外護套用高溫硫化硅橡膠材料配方和制造工藝一致。

b.運行復合絕緣子,如表1所示,選取110 k V電壓等級D級污區(qū)樣品3個廠家復合絕緣子作為試驗樣品。

表1 運行復合絕緣子基本參數(shù)

1.2 試驗方法

a.氙燈人工加速老化。采用氙弧燈模擬全陽光光譜,輻照強度1 000 W/m2。測量氙燈老化前后樣品憎水性能、機械扯斷強度、抗撕裂強度、硬度及微觀形貌。

b.熱氧人工加速老化。根據(jù)硅橡膠材料的熱重分析實驗可知,硅橡膠大分子的裂解溫度一般為340℃左右,采用熱空氣干燥箱,分別設(shè)置加熱溫度為250℃、270℃和290℃,測量不同時間段內(nèi)樣品的質(zhì)量損失、硬度及褪色程度。

2 氙燈老化試驗過程中復合絕緣子運行特性

采用高溫硫化硅橡膠新品進行氙燈人工加速老化,模擬日光照射下,硅橡膠材料的老化特性,試驗時間設(shè)定為200 h,試驗結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 氙燈老化前后硅橡膠材料性能對比

圖1 氙燈老化前后硅橡膠材料表面微觀形貌

由表2和圖1可以看出,氙燈老化前后樣品硬度出現(xiàn)略微下降,憎水性能基本保持不變,機械扯斷強度和抗撕裂強度略有上升,但變化幅度不大,這可能由于硅橡膠材料本身為基膠、氫氧化鋁、二氧化硅等多種物質(zhì)的混合物,混煉過程中存在一定的不均勻度,因此所測結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差;樣品表面微裂紋增加,但僅存在于樣品表面,裂紋寬度和深度較小。

通過上述分析,可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過200 h日光照射后硅橡膠材料未出現(xiàn)明顯的性能劣化現(xiàn)象,硅橡膠材料在陽光照射下的老化過程較為緩慢,短時間內(nèi)難以模擬陽光照射對硅橡膠材料性能影響的變化規(guī)律,此時若需研究日光照射下硅橡膠材料的性能變化規(guī)律,需大幅度增加日光輻照強度或延長試驗時間,增加了試驗時間及試驗難度,不適宜應(yīng)用于復合絕緣子運行狀態(tài)評估工作中。

3 熱氧老化過程中復合絕緣子運行特性

設(shè)置加熱溫度為250℃,測量不同時間段內(nèi)的質(zhì)量損失比例、邵氏硬度和褪色程度,褪色程度用顏色空間L×a×b中的L值表示,結(jié)果見圖2。

圖2 250℃熱氧老化試驗結(jié)果

由圖2可以看出,試驗過程中樣品質(zhì)量剩余比例呈降低趨勢,硬度呈增加趨勢,分析其原因為:隨著溫度的增加,硅橡膠材料中氫氧化鋁填料脫水,而且硅橡膠部分材料與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng),引起硅橡膠樣品質(zhì)量減少,硬度增加。同時,硅橡膠材料與氧氣發(fā)生化學反應(yīng),造成有機材料出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,硅橡膠色澤加深,其L×a×b空間中顏色明度L值下降。試驗初期硅橡膠表面材料與氧氣在高溫下快速發(fā)生變化,造成樣品質(zhì)量剩余比例與邵氏硬度快速變化,但當試驗時間繼續(xù)增加,硅橡膠材料反應(yīng)深度增加,向內(nèi)層發(fā)展,由于表層材料的保護效應(yīng),反應(yīng)速度下降,質(zhì)量剩余比例和硬度變化趨勢趨于平緩。質(zhì)量剩余比例和硬度測試結(jié)果符合復合絕緣子的自然老化過程,但顏色明度L變化趨勢與自然老化復合絕緣子表現(xiàn)趨勢相悖。

對2號試樣進行XRD分析,結(jié)果如圖3所示,可以看出,自然老化后的2號試樣,其表層硅氧烷的衍射峰基本消失,而里層材料硅氧烷衍射峰相對明顯,表明復合絕緣子在老化過程中硅橡膠傘裙表面基膠材料(硅氧烷)發(fā)生了化學反應(yīng),測試結(jié)果證明了上述分析。

圖3 2號試樣XRD測試結(jié)果

2號試樣質(zhì)量損失比例和邵氏硬度變化趨勢明顯高于其它樣品,這是由于2號樣品運行年限最長,其本身老化程度較為嚴重,硅橡膠材料穩(wěn)定性能最差,在高溫和氧氣的作用下,硅橡膠材料劣化速度最快,其硬度值上升至邵氏硬度計的最大值100 HA;1號試樣運行年限最短,老化程度最輕,質(zhì)量損失比例和硬度變化趨勢最慢;1號、3號和4號試樣在試驗過程中出現(xiàn)不同程度的鼓包現(xiàn)象,造成硬度測試結(jié)果出現(xiàn)下降現(xiàn)象,但隨著溫度繼續(xù)上升,鼓包破裂,氣體釋放,其硬度測量值快速上升,以4號試樣最為明顯。

分別設(shè)置加熱溫度為270℃和290℃,重復上述試驗,結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 270℃熱氧老化試驗結(jié)果

圖5 290℃熱氧老化試驗結(jié)果

可以看出,隨著溫度的增加,質(zhì)量損失比例和硬度的變化趨勢加劇,但變化規(guī)律與250℃時一致,試驗曲線可分為兩部分,一部分為快速變化階段,一般為試驗進行至4 h左右時結(jié)束,當試驗時間繼續(xù)增加時,曲線進入平穩(wěn)變化階段,變化趨勢較小,因此12 h的熱氧老化試驗,完全滿足試驗需求。

熱氧老化可以模擬硅橡膠材料高溫氧化老化過程中的質(zhì)量損失和硬度上升現(xiàn)象,試驗時間較短(12 h),可以作為復合絕緣子運行狀態(tài)評估工作中抗老化能力的評估依據(jù)。

4 復合絕緣子老化過程中的氧化驗證

為驗證氧化現(xiàn)象是復合絕緣子的一個主要老化過程,本文對4支復合絕緣子樣品進行XPS試驗,得到樣品表層及中心層硅橡膠材料Si元素、C元素和O元素的相對含量,如表3所示。

表3 試樣表層及里層Si、C、O元素相對含量

由表3可知,2號試樣表層氧元素的相對含量高達44.41%,遠高于其他試樣,3號試樣次之,4號試樣氧元素的相對含量最低,以試樣中心層材料為該配方、工藝新品硅橡膠材料,以樣品表層及中心層氧元素的相對含量差值代表樣品老化前后的氧元素的相對含量增加值,可以看出2號樣品氧元素的相對含量增加增大,3號樣品次之,4號樣品氧元素的相對含量最小。

由此可見,復合絕緣子的老化過程伴隨著不斷的氧化過程,根據(jù)硅橡膠大分子的分子式可以推理其老化反應(yīng)化學式見圖6。

綜上所述,熱氧人工加速老化試驗可以在一定程度上反應(yīng)復合絕緣子的老化反應(yīng)過程,通過測量熱氧人工加速老化過程中的質(zhì)量損失比例和硬度的變化值表征復合絕緣子的抗老化能力,可以作為復合絕緣子運行狀態(tài)評估的新判據(jù),且由于熱氧老化試驗時間段、操作簡便、試驗儀器簡單,可在運行復合絕緣子老化評估工作中推廣。

圖6 硅氧烷結(jié)構(gòu)的氧化老化反應(yīng)過程

5 結(jié)論

a.短時間(200 h)氙燈人工老化并不會引起硅橡膠材料憎水性能耐、硬度、抗撕裂強度和機械扯斷強度及微觀形貌發(fā)生變化,不適宜應(yīng)用于運行復合絕緣子老化狀態(tài)評估中對其抗老化性進行評估。

b.熱氧人工加速老化過程中復合絕緣子質(zhì)量損失比例和邵氏硬度出現(xiàn)明顯變化,且變化區(qū)域與試驗溫度成正比,但樣品褪色程度變化不大,部分樣品表面出現(xiàn)碳化現(xiàn)象,色澤加深。

c.復合絕緣子老化后氧元素含量增加,老化過程中存在明顯的氧化反應(yīng),熱氧人工加速老化具有試驗時間短(12 h)、操作簡便等優(yōu)點,可以表征復合絕緣子的抗老化性能,用于復合絕緣子運行狀態(tài)評估工作中。