多針-板電極電暈老化裝置仿真設計與硅橡膠老化特性研究

畢茂強，潘愛川，楊俊偉，董 揚，江天炎，陳 曦

（重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054）

近年來復合絕緣子因其優秀的憎水性與抗污閃性能被大規模應用于輸電線路中，但其本身作為有機材料不可避免地會受到外界惡劣自然環境的影響發生老化，眾多因素中，電暈老化所帶來的影響最為嚴重［1-4］。長時間的電暈放電導致硅橡膠材料表面出現裂紋，憎水性降低，絕緣性能大大下降，易發生閃絡，嚴重威脅電網的安全穩定運行［5-9］。因此研究復合絕緣子材料電暈老化具有實際應用的工程意義。電暈老化試驗是以電暈放電為主，人工加速老化是要盡可能模擬出外界復雜環境下現場運行時老化的真實過程。

Moreno等［10］使用了單針與銅板構成的老化電極。此電極在硅橡膠電暈老化實驗中總體表現優異，并得出在電暈老化中濕度起到重要作用的結論，但此電極也有其不足之處，單針-板電極電暈老化過程中屬于不均勻放電，電場作用于材料表面不均勻，導致老化區域老化程度不均勻，且老化區域較小，僅有針尖正對區域，老化效率較低。郭興五［11］在研究不同絕緣材料電暈老化特性時，也設計使用了老化電極裝置，將絕緣材料放在平板電極間的玻璃板之間，實驗結果表明小分子鏈生成與電暈程度相關，且硅橡膠材料的憎水恢復特性與填充材料的程度相關。但老化的效率較低，需要很長的老化時間才能達到相應的老化效果。藍磊等［12］在針對高溫硫化硅橡膠材料進行電暈性能試驗時設計使用了多針電極，電暈放電由多針對板電極生成，產生表面電子束轟擊板電極上的硅橡膠材料，其中針電極由半徑0.9 mm的鐵絲組成，銅板電極的半徑為200 mm，針電極與材料距離為3 mm，在施加電壓300 h后，材料取得了不錯的老化效果。但此電極中的針集中分布在幾處區域，沒能對材料達到較大區域的同步老化。

近年來又有研究提出了均勻老化［13］，對硅橡膠材料較大區域老化的同時，保證材料的不同區域老化程度非常接近。電暈放電是硅橡膠老化的主要因素，因此想要做到均勻老化就需要設計合理的電暈老化電極并配置合理的相關參數［14］。

國內外的研究學者對硅橡膠的老化特性進行了廣泛的研究并提出許多評估方法［15-17］，如憎水性（動、靜態接觸角測量）、SEM（scanning electron microscope）掃描電鏡、FTIR紅外光譜分析法、粉化觀察法、熱刺激電流（thermally stimulated current，TSC）法等。電暈老化是硅橡膠材料的一個不可逆的劣化過程，主要可分為2個部分：一是發生化學鍵的斷裂，硅橡膠的主要高分子鏈（聚二甲基硅氧烷PDMS）內部化學鍵斷裂，交聯度與聚合度下降，降解為小分子，同時產生大量活性基團，憎水性與絕緣性能受到極大的破壞，這也是老化的主要因素；二是電子束轟擊材料表面，導致材料表面出現大量裂紋、孔洞與溝壑，材料的機械強度與絕緣性能大大下降。根據上述特點與現象，現在硅橡膠老化特性主要的評估方法有：①靜態接觸角測試法，即將蒸餾水滴在老化完成的材料表面，測量水滴在材料表面的靜態接觸角，角度越大表明材料表面的憎水性越強，電氣性能越優秀［18-19］；②SEM掃描電鏡法，即利用掃描電鏡放大材料表面進行觀察，觀察表面的裂紋、孔洞和溝壑等，裂紋等越多，則材料老化越嚴重［20］；③FTIR紅外光譜分析法，即通過能譜分析定位追蹤材料內的化學鍵，從而判斷出材料內部是否發生化學鍵的斷裂與其斷裂程度，根據相關化學鍵的斷裂程度，判斷老化程度［21-22］；④熱刺激電流法，硅橡膠材料老化過程中大量分子鍵斷裂，產生自由基與離子，導致內部陷阱密度增加，此法正是測量其陷阱密度來反應出材料的老化程度［23］。

本文在COMSOL中建立了多針-板電極模型，根據電場分布仿真結果設計了一種多針 板電極，利用此電極完成了硅橡膠材料100 h的電暈老化試驗，并采用憎水性、FTIR紅外光譜和SEM掃描電鏡對材料特性進行評估分析，驗證了設計與所配置參數的合理性，可為電暈老化電極的設計和硅橡膠材料電暈老化特性的評估提供參考。

1 多針-板電極電暈老化裝置仿真設計

1.1 多針電極電場仿真模型

在COMSOL仿真軟件中建立了不同多針 板電極的三維靜電場仿真模型。為探索硅橡膠表面的電場分布規律，主要對針電極的分布方式、不同區域針的垂直間距、針-板間距、針-板間距作用電壓等因素進行仿真計算，在仿真中空氣的相對介電常數設置為1，金屬的導體的介電常數為無窮大［24］，本文設置銅和針電極的介電常數為105，硅橡膠的介電常數為3，厚度為2 mm。本文仿真的3種針電極布置方式如圖1所示，圖1（d）選取一個直徑上的針來表現針與針的垂直間距，在硅橡膠表面取一截面測試硅橡膠表面的電場分布和電場模云圖，此截面所得電場模云圖如圖2所示。

圖1 針-板電極的布置方式

圖2 不同針-板電極電場分布

1.2 針電極的不同布置方式對電場分布的影響

在所得圓形截面的一個半徑上不同位置的針-板電極電場分布如圖3所示。從圖3可見，19針電極的電場分布曲線平滑程度不如另外2種，電場分布不夠均勻；對比31針電極與25針電極，整體平滑程度相似，25針電極電場強度從15mm處有所下降，其均勻程度稍差于31針電極，且31針電極各處電場強度都大于25針電極，綜合考慮均勻程度與效率，31針分布電極優于另2種分布。

圖3 不同針-板電極電場分布曲線

1.3 針-板間距對電場分布的影響

取31針六邊形分布的方式改變針電極與板電極之間的間隙，即為中心區域的針與板的距離，間隙值分別取5、10、15 mm進行對比分析，所得電場分布情況如圖4所示。間隙為5 mm時，在距離為10、17.5與25 mm處出現急劇的上升與下降，最大值和最小值與平均值相差分別為30.71%和14.16%，電場分布不均勻；間隙為10 mm時，最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%，場強曲線較為平滑，電場分布較均勻；間隙為15 mm時，最大值和最小值與平均值相差分別為6.20%和8.43%，電場分布較均勻。間隙越長，電場分布越均勻，當間隙大于10 mm時，硅橡膠表面的電場分布的均勻程度幾乎不在受針板間間隙距離的影響。

1.4 不同區域針電極的垂直距離對電場分布的影響

因不同區域針之間的電場的相互影響，也需考慮不同區域針之間的垂直距離。文中所選的針長為60 mm，直徑為8 mm，選取0、1、2 mm垂直間距進行仿真計算，如圖5所示，所得數據如圖6所示。垂直距離為2 mm時，出現了明顯的電場強度的急劇上升與下降，最大值和最小值與平均值相差分別為19.35%和9.58%，電場均勻程度較差；對比0 mm與1 mm數據，0 mm曲線從距離10 mm處就緩慢下降，而1 mm仍保持平滑分布，且0 mm曲線中最大值和最小值與平均值相差分別為10.11%和11.24%，1 mm曲線中最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%，1 mm的均勻程度優于0 mm；垂直距離1 mm時其總體電場強度大于0 mm。

圖4 不同間隙電極電場分布曲線

圖5 不同垂直距離針的分布方式

圖6 不同垂直距離與其電場分布曲線

1.5 針-板間電壓對電場分布的影響

針 板間不同作用電壓的電場分布的仿真結果如圖7所示。電壓為5 kV時，場強最大值和最小值與平均值相差分別為6.26%和0.87%；電壓為10 kV時，場強最大值和最小值與平均值相差分別為5.92%和0.94%；電壓為15 kV時，場強最大值和最小值與平均值相差分別為5.97%和11.31%。不同電壓下主要區域電場分布的均勻程度相似，總體電場強度隨電壓的升高而升高；隨著電壓的升高距離大于25 mm區域的場強下降程度越嚴重，但其整體電場分布仍較為均勻。在具體實驗中可進行電壓的調節。

圖7 不同電壓的電場分布曲線

1.6 多針-板電極裝置的設計

根據仿真計算結果優化設計的多針 板電極電暈老化裝置如圖8所示。電極主體由弧度為半圓的銅與一個圓形銅板構成，圓形銅板的直徑為140 mm，厚度為4 mm，半圓的半徑為14 mm，厚度也為4 mm，材料均為純銅。針的分布為六邊形分布，每根針由可調夾具固定放置于圓形銅板上，可調節不同區域針與試品的間距，可調夾具由純銅構成，夾具為高度7 mm、直徑8 mm的圓柱體，且在中心開直徑為1.2 mm的圓孔用于放置針電極，針長為60 mm，直徑為0.8 mm的不銹鋼針，通過電極邊界的支柱調節電極整體與試品的間距。

2 硅橡膠老化特性

2.1 試驗裝置及方法

電暈老化實驗裝置主要由調壓器、試驗變壓器、分壓器、環境控制箱、老化電極、示波器等組成，其原理圖如圖9所示。

圖8 針-板電極實驗裝置

圖9 電暈老化實驗原理圖

實驗樣品為115 mm×115 mm×2 mm的高溫硫化硅橡膠材料，實驗前用無水乙醇對其表面進行清洗，然后將其靜置于銅板上24 h，待其表面干燥。將制備好的硅橡膠材料放置于老化電極下，將電極放入環境控制箱中，傳感器測得內部溫度為22±5℃，相對濕度為70%～80%，施加10 kV的交流電壓，持續老化100 h后將其取出，分別對其不同老化區域進行靜態接觸角測量，SEM分析以及FTIR紅外光譜分析。為進一步分析電場分布對硅橡膠樣品老化狀態的影響，將老化后的硅橡膠分為了4個不同的老化區域，如圖10所示。其中區域①為中心區域，也為針-板間隙為10 mm的區域；區域②為第二層區域，同為針-板間隙為9 mm的區域；區域為③為第3層區域，即針-板間隙為8 mm 的區域；區域④處于老化區域的邊緣。

圖10 硅橡膠老化區域劃分

2.2 電暈老化對硅橡膠憎水性的影響

將老化完成后的硅橡膠材料從電極中取出，用風扇快速將其表面雜質吹干凈并保持硅橡膠材料表面干燥，使用蒸餾水通過光學接觸角測試儀（ZJ-6900）對硅橡膠進行不同時間段的靜態接觸角的測量。測得老化前硅橡膠的靜態接觸角為108.236°，如圖11所示。

圖11 老化前靜態接觸角

老化后將其置于25±5℃，相對濕度60±5%的玻璃容器中，材料不同區域和不同時刻的靜態接觸角如圖12所示。從圖12可見，老化前后靜態接觸角變化非常大，由未老化的108.24°下降到67.53°，老化后硅橡膠表面憎水性遭到了嚴重破壞，憎水性急劇下降，去除老化因素后，因其憎水性的遷移性，表面的靜態接觸角隨時間的推移逐步恢復到一個較高的水平。硅橡膠老化后不同區域靜態接觸角隨時間恢復曲線如圖13所示。老化后不同區域的初始值由區域①向區域③逐漸增大，即憎水性受損性由區域①向區域③降低；隨著時間的推移，各個區域靜態接觸角逐步增大，且越來越趨近于相同，但仍未達到未老化值。

圖12 老化后硅橡膠靜態接觸角隨時間的變化過程示意圖

圖13 不同區域靜態接觸角隨時間恢復曲線

2.3 電暈老化對硅橡膠表面形貌的影響

1）外觀形貌

老化100 h后的硅橡膠材料表面狀況如圖10所示，可以看出，材料表面老化痕跡明顯，表面受到破壞情況較為嚴重。處于針尖正下方處老化的現象更加明顯，硅橡膠材料的表面整體老化范圍較大，老化痕跡相對比較均勻。

2）微觀形貌

SEM掃描電鏡是目前最為主流的評估硅橡膠材料老化的方法之一，將材料表面放大3 000倍進行觀察評估，本次實驗所使用的設備為ZEISSSIGMA HD 場發射掃描電鏡。老化不同區域放大3 000倍的SEM電鏡圖如圖14所示。

從圖14中明顯可見，材料未老化時其表面較為平整，無明顯絮狀物，無裂紋、溝壑、孔洞等明顯缺陷。經老化處理100 h后的材料表面損壞嚴重，出現許多孔洞與溝壑，且可觀察到在不同間隙不同區域下其破壞程度也不相同，在間隙短的區域，老化情況更加嚴重，表面的絕緣性能破壞程度比長間隙的區域更為嚴重。

圖14 不同區域老化后表面SEM掃描電鏡圖

僅對比老化后的材料表面情況，雖然隨著間隙減小絕緣性能越差，但在總體上看來表面粗糙度、孔洞相差并不是特別大，從表面的破壞程度側面體現出老化電極的電場分布較為均勻。

2.4 FTIR紅外光譜分析

將老化完成的硅橡膠材料切取不同區域的硅橡膠材料（5 mm×5 mm）作為試品，切取與憎水性測試相同的4個區域的試品。樣品取出后用酒精將表面清洗干凈，干燥后放入紅外光譜分析儀，從計算機上記錄波形及數據如圖15所示。

圖15 老化后不同區域吸收峰

硅橡膠的基體為高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS），其主要由Si-O-Si、Si-CH3和-CH3基團組成，現在所用的PDMS中大多加入了少量的乙烯基，這樣所得到的材料硫化效率會提高很多，有益于其內部交聯反應，形成立體網狀結構，增強機械強度與絕緣性能。由圖15（a）可見，在波數為1 000 cm-1處為Si-O-Si（1 000～1 100 cm-1）鍵的特征峰吸收值，對比觀察老化前后Si-O-Si化學鍵的數量，明顯可見電暈老化使得部分Si-O-Si鍵發生了斷裂；在波數為1 260 cm-1處為Si-CH3鍵的特征峰吸收值，可見此處的未老化的特征峰吸收值明顯大于老化后的吸收值，因此電暈老化過程中其表面的Si-CH3鍵受到損壞；在波數為2 960cm-1左右處為甲基-CH3基團的特征峰吸收值，由表中數據可觀察出區域④的表面的-CH3基團數量高于區域①的-CH3基團數量，-CH3基團在電暈老化過程中遭到破壞，發生斷裂。其中Si-CH3和-CH3基團為憎水性基團，而電暈老化處理后，其表面的憎水性基團發生斷裂而數量減少。

電暈放電過程中會產生臭氧，在電子束轟擊表面的高溫條件下發生氧化與甲基中-H形成-OH鍵，形成的-OH鍵具有親水性，導致其總體憎水性下降，絕緣性能下降，因此絕緣性能受到破壞。圖15（b）中對比同一電壓下的不同老化區域，放電間隙越小的區域，其化學鍵受損斷裂程度越嚴重，絕緣性能破壞也更嚴重，老化后不同區域的差異遠小于與老化前的差異，側面也可表現出老化電極所作用范圍的均勻性。

3 結論

1）硅橡膠表面的電場分布及電場強度與針電極的數量、電極形狀、針-板間隙的距離、針與針之間垂直距離，以及針-板間電壓有關。31針分布老化電極各處場強較為接近，在邊緣區域場強輕微下降，硅橡膠表面電場分布較為均勻；針與針的垂直距離越小，電場分布越均勻，但當垂直距離小于1 mm后，電場分布均勻程度又出現輕微下降；隨著針-板間隙增大，場強分布越均勻，當間隙大于10 mm后，電場分布均處于較均勻的狀態；電場強度隨針 板間作用電壓升高而增大，但其電場分布的均勻程度未隨電壓升高而出現較大變化。

2）老化后材料的憎水性由外部向內部逐步輕微變差，老化后各個區域的憎水性隨時間推移得到一定程度的恢復并趨于相同；硅橡膠表面的裂紋、孔洞和溝壑也呈現外部區域向內部細微加劇的趨勢，從整體看來，有效老化區域（區域①-③）老化程度趨于一致，老化程度差異細微。

3）老化后材料表面惰性憎水性化學鍵Si-CH3和-CH3均出現了不同程度的斷裂，斷裂程度同樣從外部區域向內部區域逐漸加深，但斷裂程度差異較小，老化程度相近。