特殊工業粉塵地區復合絕緣子腐蝕失效過程研究

李明哲，邵仕超，吳笑寒，梅紅偉，王黎明

(清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引言

污閃事故因其多點跳閘幾率大、重合閘成功率低、影響范圍大等典型特點，一直威脅著電力系統的安全穩定運行[1—3]。已有研究表明，不同地區運行的絕緣子受污源影響而具備不同的污穢成分[4—6]，污穢成分中可溶鹽的不同會直接影響絕緣子的污閃性能[7—10]。為解決污閃問題，研究人員提出了多種方案，如優化絕緣配置[11—14]，使用在線監測方法監測絕緣子運行狀態[15—16]，使用復合絕緣子或室溫硫化硅橡膠涂料[17—18]等。

復合絕緣子因使用了硅橡膠材料而具備優異的憎水性能和憎水遷移性能，從而具有了極佳的防污閃性能。但已有運行經驗表明，作為一種有機材料，硅橡膠存在老化問題[19—21]。常見的硅橡膠老化原因主要有運行中的電暈放電、氣隙等缺陷導致局放而產生的發熱、紫外光、臭氧等。諸多因素共同作用下引發硅橡膠傘裙的硬化、粉化、開裂、憎水性下降等老化現象，進而影響復合絕緣子的閃絡特性，嚴重情況下甚至可能導致絕緣失效。

2017—2018年，某特殊工業粉塵地區出現了線路絕緣子串的持續爬電現象。為了避免污閃事故，當地運維部門將原有瓷絕緣子更換為復合絕緣子，但運行僅1 a后，該串復合絕緣子同樣出現了爬電現象，現場觀察到部分絕緣子表面已出現明顯燒蝕，初步判斷該批復合絕緣子已發生絕緣失效。

針對該典型現象，文中研究了在特殊工業粉塵地區運行的復合絕緣子的運行狀態，對該批次復合絕緣子進行了污穢度分析、憎水性分析、閃絡特性分析以及微觀分析?；诜治鼋Y果，提出了該地區復合絕緣子可能的腐蝕失效過程。該結果同樣適用于運行條件、污源情況與之類似的其他工業粉塵地區，文中旨在分析這一特定運行條件下的絕緣子失效過程，幫助各地運維部門完善復合絕緣子運維策略，有效延長復合絕緣子運行壽命。

1 試樣選取及試驗方法

1.1 試樣選取及運行條件概述

該批絕緣子位于某化工園區附近，現場污穢程度較為嚴重。部分輸電線路直接穿過化工廠廠區，附近220 kV及110 kV線路的復合絕緣子短時間掛網后出現多次爬電現象，取樣調研后發現絕緣子表面已出現明顯傘裙燒蝕，泄漏距離顯著降低。

選取具有典型特點的3支復合絕緣子進行檢測，型號均為FXBW-220/120，對絕緣子進行編號及外觀檢查，結果如圖 1所示?？梢姡?號絕緣子表面存在嚴重的電弧燒蝕痕跡，傘裙裂口處明顯發黑，部分嚴重處已有芯棒裸露。2號絕緣子完好，傘裙無破損。3號絕緣子部分傘裙破損，但裂口無明顯燒蝕痕跡，傘裙破損原因不明。

圖1 絕緣子外觀Fig.1 Appearance of insulators

1.2 污穢度及污穢成分分析

絕緣子污穢度檢測參照GB/T 26218.1—2010進行，計算等值鹽密(equivalent salt deposit density，ESDD)和灰密(non-soluble deposit density，NSDD)表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。使用電感耦合等離子發射光譜和離子色譜等工具，分析污穢可溶鹽成分中的陰陽離子組成及濃度。

1.3 污穢閃絡電壓梯度測量

污閃電壓數值可直接反映絕緣子的絕緣性能，參考作用最佳。文中由于試驗條件的限制，選擇測量絕緣子串部分傘裙的閃絡電壓，換算為每支絕緣子污穢閃絡電壓梯度，以此表征每支絕緣子的電氣性能。

從高壓端將每支絕緣子截取4大傘8小傘的一段，將其表面污穢洗干凈后均勻地涂上人工污穢。以氯化鈉模擬鹽分，以硅藻土模擬灰分，使得鹽密為0.1 mg/cm2,灰密為1.0 mg/cm2，待憎水性完全遷移(48 h左右)后進行人工污穢試驗，使用均勻升壓法進行試驗，每支絕緣子閃絡3次，最后計算每支絕緣子的污穢閃絡電壓梯度。

1.4 憎水性及憎水遷移性測量

選取每支絕緣子相同位置的傘裙作為樣品進行試驗，在保留自然污穢的情況下測量其憎水性，然后洗去自然污穢，按照DL/T 376—2010《復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件》的規定測量其憎水性的減弱、恢復及遷移特性。

1.5 傅里葉紅外光譜分析

為了分析老化過程對復合絕緣材料微觀性能的影響，使用傅里葉變換紅外光譜儀分析樣品的傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)。不同的有機化合物在紅外區域會產生特征光譜，吸收峰的高度可以反映各官能團的含量。因此，FTIR的測試結果能夠反映硅橡膠表面官能團含量的變化情況。

2 試驗結果與分析

2.1 污穢度及污穢成分

3支絕緣子表面污穢度的檢測結果如表1所示，其中VESDD和VNSDD分別為ESDD值和NSDD值。檢測結果表明，3支絕緣子表面等值鹽密均為0.1～0.2 mg/cm2，可劃入c～d級污區[11]。

表1 絕緣子污染物的ESDD值和NSDD值Table 1 ESDD and NSDD of insulator contaminant mg/cm2

表2 各陽離子摩爾分數Table 2 Mole fraction of each cation %

表3 各陰離子摩爾分數Table 3 Mole fraction of each anion %

2.2 污穢閃絡電壓梯度

3支絕緣子的污閃電壓梯度測量結果如表4所示。其中3號絕緣子第1次閃絡的閃絡電壓值誤差較大，故舍去，保留后2次閃絡電壓值計算其平均閃絡電壓及閃絡電壓梯度。

表4 閃絡電壓及閃絡電壓梯度Table 4 Pollution flashover voltage and pollution flashover voltage gradient

可以看出，盡管1號、3號絕緣子都存在傘裙開裂現象，泄漏距離均有一定損失，理論上其閃絡電壓梯度應低于2號絕緣子，但結果并非如此。1號絕緣子閃絡電壓梯度最低，3號絕緣子閃絡電壓梯度反而高于2號絕緣子?？梢妭闳蛊茡p導致的泄漏距離損失并不是影響絕緣子閃絡電壓的唯一因素。

2.3 憎水性能分析

根據DL/T 376—2010的規定，分別用靜態接觸角及噴水分級法對3支絕緣子表面的憎水性、憎水性的減弱、恢復及遷移特性進行測量，結果見表5。

表5 憎水性測試結果Table 5 Test results of hydrophobicity

結果表明，盡管 3支絕緣子在表面存在自然污穢時憎水性優異，接觸角可達130°，但其減弱、恢復及遷移特性均未能達到DL /T 376—2010中的規定，可判定其憎水性能基本喪失。而表面存在自然污穢時該批次絕緣子憎水性優異，是因為在長期運行過程中，其表面小分子已充分遷移到污層中，且污層較為致密，故能夠維持較好的憎水性。但一旦遇到大雨等天氣將表面污穢層部分沖洗或在已有污穢上繼續積污，都會破壞污層的憎水性，新污層會因絕緣子薄弱的憎水性恢復、遷移特性而憎水性減弱，容易引發污閃事故，人工污穢試驗中3支絕緣子較低的閃絡電壓梯度可以說明這點。因此，這種僅憎水性達標的復合絕緣子無法滿足運行要求。

憎水性能方面，3號絕緣子最好，2號絕緣子最差，解釋了3號絕緣子泄漏距離較小，但污閃電壓梯度較高的原因。也說明憎水性能對污閃電壓的影響大于泄漏距離對污閃電壓的影響。1號絕緣子同時具備較差的憎水性能及較小的泄漏距離，故表現出了最低的污閃電壓梯度。

2.4 傅里葉紅外光譜分析

為進一步了解3支絕緣子硅橡膠材料官能團的變化，對其進行FTIR分析。硅橡膠材料主要特征吸收峰如表6所示。

表6 硅橡膠主要特征峰Table 6 Main characteristic peaks of silicone rubber

對1號復合絕緣子近腐蝕側、遠腐蝕側分別取樣，2號、3號絕緣子正常取樣。分別對所取得的4個樣本的表面及內部進行FTIR分析，結果如圖2—圖5所示。

圖2 1號絕緣子近腐蝕側紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of No.1 insulator near corrosion side

圖3 1號絕緣子遠腐蝕側紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of No.1 insulator far away from corrosion side

圖4 2號絕緣子紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of No.2 insulator

圖5 3號絕緣子紅外光譜Fig.5 Infrared spectrum of No.3 insulator

一般認為絕緣子內部老化程度較低，可以通過對比表面及內部的官能團差別以分析硅橡膠的老化程度。

由波數較低的波段分析結果可知，3支絕緣子的紅外光譜中1 270～1 255 cm-1處Si—CH3中的C—H鍵的吸收峰較內部明顯降低，說明復合絕緣子表面的硅橡膠材料中的側鏈被打斷。1 100～1 000 cm-1處的吸收峰未有明顯下降，說明硅橡膠主鏈未被打斷。

已有經驗表明，硅橡膠絕緣子側鏈的甲基基團對硅橡膠表面的憎水性存在明顯影響，該基團減少將導致該絕緣子表面憎水性、憎水遷移性下降，這與憎水性測試結果相吻合。

從波數較高的波段分析結果來看，3支絕緣子的羥基吸收峰出現了明顯差異。1號絕緣子近腐蝕側表面的羥基吸收峰變化不明顯，而遠腐蝕側的羥基吸收峰明顯下降，2號、3號絕緣子的羥基吸收峰明顯增大。

從燒蝕情況看，2號絕緣子不存在明顯燒蝕，無燒蝕的情況下羥基吸收峰增大說明有機成分減少，無機成分析出；或是主鏈斷裂，形成硅醇，從而展現出了羥基吸收峰。但從其主鏈的特征峰檢測結果看，硅橡膠表面并未存在顯著的主鏈降解與小分子硅氧烷的生成。因此，2號絕緣子主要證明了無燒蝕情況下，該地區復合絕緣子存在無機填料析出的情況。

1號絕緣子表面明顯存在燒蝕情況。氫氧化鋁(aluminum trihydrate，ATH)作為阻燃劑，在硅橡膠表面存在燒蝕時會因高溫而吸熱分解，保護硅橡膠的有機成分不因高溫而被破壞。因此1號絕緣子遠腐蝕側，其羥基吸收峰明顯下降。而近腐蝕端，由于主鏈被燒蝕、打斷，生成了硅醇，從而彌補了因ATH分解而導致的羥基吸收峰下降，其羥基吸收峰下降不明顯。

3號絕緣子表面盡管存在裂紋，但從微觀性能、憎水性能的測量結果看，這支絕緣子的材料老化相對較輕，主要體現在無機填料析出，由于其裂紋處沒有發現明顯的炭化痕跡，因此尚不能證明其裂紋的形成與電弧燒蝕有關，其傘裙開裂可能由鳥啄、運輸過程中的碰撞等導致。

3 硅橡膠腐蝕失效過程分析

以測試結果為基礎，對特殊工業粉塵地區的硅橡膠腐蝕失效機理進行分析，得到如下腐蝕失效過程：

(1) 電暈放電等導致硅橡膠側鏈被打斷。特殊工業粉塵地區污穢種類特殊，積污速度快，當出現濃霧、小雨以及濃煙等特殊氣象條件時，絕緣子表面污層憎水性急劇下降，容易產生爬電現象或是電暈放電。此外，積污后特別是污層中的金屬微粒污穢等會導致絕緣子表面電場分布發生畸變，同樣可能導致電暈放電的產生。

高溫硫化硅橡膠的主鏈Si—O—Si 鍵能在446 kJ/mol 左右，Si—CH3中C—H 鍵能在413 kJ/mol左右，當硅橡膠表面發生電暈放電時，其產生的帶電粒子在撞擊硅橡膠表面時將釋放高達963 kJ/mol的能量，將導致硅橡膠中分子鍵被打斷，表現在FTIR 中為Si—O—Si 和Si—CH3對應特征吸收峰的下降[21]。文中通過FTIR測試證明了該批次絕緣子表面的電暈放電主要導致側鏈被打斷，其主鏈所受影響不明顯。

(2) 硅橡膠憎水性能的下降。硅橡膠側鏈被打斷將導致硅橡膠表面憎水性及憎水遷移性下降，進一步加劇硅橡膠材料表面的電暈放電及爬電現象，電暈放電及爬電現象將進一步打斷硅橡膠側鏈，形成惡性循環。最終表現為硅橡膠材料表面憎水性能下降乃至喪失。

(3) 電弧、燒蝕及泄漏距離降低。在憎水性逐漸喪失的過程中，硅橡膠材料中的ATH填料因高溫而逐漸分解，硅橡膠的耐電蝕損性能下降。同時，憎水性的喪失還將加劇其表面電弧的發展，兩方面綜合作用下，將導致硅橡膠傘裙表面產生大電弧，大電弧將對傘裙產生燒蝕現象，表現為傘裙穿孔，最后表現為傘裙大面積貫穿，甚至是護套被燒穿、芯棒裸露等。

(4) 憎水性喪失、泄漏距離降低引發污閃。硅橡膠表面的憎水性喪失會造成其污閃電壓顯著下降(如2號絕緣子)，而傘裙穿孔導致的泄漏距離損失同樣會明顯降低其電氣性能，兩方面綜合作用下，硅橡膠絕緣子將表現出較低的污閃電壓(如1號絕緣子)，在某些惡劣環境下，將引發污閃事故。

因此，絕緣子腐蝕失效的主要原因是電暈放電等因素導致硅橡膠憎水性喪失，繼而發展為大電弧，嚴重時可發展為閃絡。可通過改善絕緣子表面電場分布、采用超疏水涂料等手段抑制絕緣子表面的電暈放電，從而延緩硅橡膠材料憎水性的喪失，進而延緩其腐蝕失效過程。

4 結論

文中以特殊工業粉塵地區運行的復合絕緣子為研究對象，研究了典型的工業粉塵環境中復合絕緣子的污閃電壓梯度及材料性能，分析了絕緣子的腐蝕失效過程，得到如下結論：

(2) 特殊工業粉塵地區，絕緣子在表面存在自然污穢時其憎水性優異，但其減弱、恢復及遷移特性均未能達到DL /T 376—2010中的規定，可以判定其憎水性能已經基本喪失。一旦由于降雨、積污等因素導致舊有污層破壞，新污層形成，則絕緣子表面憎水性極差，污閃電壓將急劇降低。

(3) 復合絕緣子的污閃性能是由絕緣子憎水性能及泄漏距離共同決定的，憎水性能對污閃電壓的影響更大。

(4) 特殊工業粉塵地區，絕緣子腐蝕失效的起因是電暈放電等引發的硅橡膠側鏈斷裂，宏觀表現為憎水性降低、爬電增多，進而發展為污層憎水性完全喪失，絕緣子傘裙燒蝕嚴重、泄漏距離大幅縮短，最終導致閃絡電壓下降、絕緣失效。