濕熱環境下復合絕緣子端部護套水分入侵深度研究

焦才明， 楊昌建，劉云舒，任雙贊，楊傳凱，賈志東

（1.國網陜西省電力有限公司，西安 710032； 2.國網陜西省電力有限公司電力科學研究院，西安 710100；3.清華大學深圳國際研究生院，深圳 518055）

引言

復合絕緣子因其優異的憎水性、耐污等性能已在我國各省大范圍應用[1-4]。在實際運行過程中絕緣子硅橡膠材料會受到電場、光照、污穢等許多電氣、環境應力[5-7]的作用，這些應力會導致硅橡膠材料出現老化情況。陜西漢中、安康等地屬于典型的濕熱地區，這種運行環境下水分侵入壓接式絕緣子后會出現端部發熱、機械破壞負荷下降等異常現象[9,10]，為此。本文選取三組運行于濕熱環境下的復合絕緣子，利用傅里葉紅外光譜技術對其端部護套老化情況進行了研究，隨后選取傘裙硅橡膠試樣，利用長時間水煮和水浸泡試驗模擬試驗環境[10]，研究了水分滲入硅橡膠護套的深度。試驗發現濕熱運行環境下絕緣子端部護套老化深度有限，水分無法大量滲透穿過壓接式絕緣子護套導致異常現象產生。

1 試驗樣品及試驗過程

1.1 試驗樣品

為研究濕熱環境下復合絕緣子端部護套材料的老化情況及水分能夠滲入護套厚度的深度，本文選取三支已運行13 年的110 kV 絕緣子試樣進行了研究，這三支復合絕緣子為同一生產廠家、同一批次產品，且運行于同一輸電線路同一桿塔或相鄰桿塔，因此可以認為其老化情況基本處于同一水平。將上述三支絕緣子樣品分別編號為NO.1、NO.2 和NO.3。

1.2 試驗過程

本文首先選取上述三支絕緣子的高壓端及低壓端的端部護套試樣，利用傅里葉紅外光譜[11]對其老化情況進行了初步探究。

濕熱環境下水分侵入絕緣子端部后會導致其異常溫升和機械破壞負荷值下降，為探究濕熱環境下水分滲入復合絕緣子端部護套的深度，參照相關研究[10]，本文選取與護套成分及老化情況都較相似的端部第一片傘裙試樣，利用水煮試驗和水浸泡試驗模擬嚴酷的濕熱環境，研究了水分侵入端部護套的深度。

2 實驗結果及分析

2.1 護套老化情況初步研究

復合絕緣子硅橡膠護套的主要成分是高溫硫化硅橡膠，110 kV絕緣子試樣的護套厚度約為5 mm。有相關研究[12]得出復合絕緣子在自然條件下運行時其傘裙老化深度為微米級別，可以將傘裙內層的試樣等同于出廠時的新樣。本節選取NO.1 號復合絕緣子傘裙內層樣品，將其等效為該絕緣子出廠時新樣品，隨后選取NO.1、NO.2、NO.3 三支絕緣子高壓端和低壓端端部護套的外層和內層樣品，切取護套內層試樣時保證其距離表層厚度大于2 mm，并利用傅里葉紅外光譜試驗對上述13 個樣品進行了分析，具體分析對比結果如圖1 所示。

由圖1 可知，端部護套內層、外層的紅外光譜和傘裙內層相比，并未有新的光譜產生或消失。基于此本文選取波數為790 cm-1左右的Si-(CH3)2基團作為表征老化的依據，在該基團處將光譜進行局部放大可以看出，在誤差允許的情況下，紅外光譜波形出現了明顯的分層現象，相比于端部護套外層試樣，No.1 號絕緣子傘裙內層、NO.1、NO.2、NO.3 號絕緣子高壓端及低壓端護套內層試樣波形峰值相對較高，其中傘裙內層試樣和端部護套內層試樣波峰值基本相同，由此可以說明端部硅橡膠護套內層試樣和傘裙內層試樣一樣并未出現老化現象。高壓端和低壓端的護套雖然在運行過程中所承受的老化因素有差別，但其內層試樣成分基本一致且基本未發生變化，證明正常運行下的任何老化因素對硅橡膠的影響是有限的。

圖1 端部護套老化對比

2.2 水分侵入端部護套深度

前述已經說明了復合絕緣子端部傘裙和端部護套內部成分基本一致，所以性能也基本保持一致。為了快速證明濕熱環境下水分侵入硅橡膠護套的深度，選取NO.1 絕緣子端部第一片傘裙，將其放置在鹽溶液中分別進行水煮及水浸泡7 天、14 天、21 天和28 天的模擬老化試驗，來探究游離態水分在護套中的侵入深度。選取傘裙時切取厚度大于6 mm 的區域。水分在硅橡膠材料中不僅有滲透作用，在自然環境下還會從硅橡膠中擴散出去。在水煮和水浸泡試驗結束后，立即對所選試樣進行切片，硅橡膠材料雖然具有一定的吸水性，但其吸水能力相對較弱，水分侵入深度可能較淺，為了更進一步的明確侵入深度，在水煮和水浸泡試驗時間較短的情況下，切取試樣時應保證試樣的厚度在毫米以下。為了精確地表征游離態水分在護套中的侵入深度，本節選取波數為1 644 cm-1[13]的H2O 基團波峰相對高度來表征水分在硅橡膠所選深度處的含量多少。試驗結果如下所示：

2.2.1 水煮模擬試驗侵入深度研究

水煮7 天試驗結束后切取深度為110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣，圖2 所示為水煮7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比。除特殊說明外，本文中后面xxμm 試樣均指該試樣距硅橡膠表面為xxμm 的試樣。

圖2 水煮7 天樣品

選取波數為1 644 cm-1的H2O 基團并將其局部放大可以看出，外層試樣存在明顯的H2O基團，而110 μm、150 μm 和330 μm 的試樣在H2O 基團處波形較平緩，考慮到傅里葉紅外光譜分析水分深度的局限性，上述試驗可以說明水煮7 天的試樣在深度大于110 μm 后侵入的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖3所示為水煮14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比。水煮14 天試驗結束后切取深度為250 μm、650 μm 和1 mm 的試樣。方法同上，將波數為1 644 cm-1的H2O 基團作為參考依據，可以看出水煮14 天的試樣在該波峰處所有選取試樣波形均比較平緩，說明水煮14 天試樣在深度大于250 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖3 水煮14 天樣品

圖4所示為水煮21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水煮21 天試驗結束后切取深度為650 μm、1 mm 和1.7 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為650 μm 和1 mm 的試樣在選取基團處波形較明顯，而深度為1.7 mm的試樣和內層試樣在該基團處波形較平緩，說明水煮21 天的試樣在深度大于1.7 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖4 水煮21 天樣品

圖5所示為水煮28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水煮28 天試驗結束后切取深度為500 μm、1.2 mm、1.6 mm、2 mm、2.5 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為500μm的試樣在所選取基團處波形非常明顯，深度為1.2 mm、1.6 mm 和2 mm 的試樣在該波峰處波形較明顯，深度為2.5 mm 的試樣和內層試樣在該波峰處波形較平緩，說明水煮28天的試樣在深度大于2.5 mm 后侵入的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。由圖5 還可以看出深度為500 μm 的試樣和其他深度的試樣相比波峰較高，說明水分在硅橡膠材料中擴散是一個漸進的過程，且隨著水分的不斷侵入，硅橡膠深度較淺的區域存留的水分會越來越多。

圖5 水煮28 天樣品

由上述水煮不同時長的四組試樣侵入深度來看，水分侵入的深度是隨著水煮時間逐漸深入的，同時可以得出，即便是在鹽溶液中水煮28 天的試樣，其深度大于2.5 mm 后滲透的水分較少，遠未達到絕緣子護套的5 mm 深度。

2.2.2 水浸泡模擬試驗侵入深度研究

圖6所示為水浸泡7 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡7 天試驗結束后切取深度為200 μm 和340 μm 的試樣。由圖中可以看出，外層試樣在選定基團處波形較為明顯，而深度為200 μm 以及340 μm 的試樣在該基團處波形較平緩，說明水浸泡7 天的試樣在深度大于200 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖6 水浸泡7 天樣品

圖7所示為水浸泡14 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡14 天試驗結束后切取深度為180 μm、600 μm 和1 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為180 μm 的試樣波形較明顯，而深度為600 μm 和1mm 的試樣波形較平緩，說明水浸泡14 天的試樣在深度大于600 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖7 水浸泡14 天樣品

圖8所示為水浸泡21 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比水，浸泡21 天試驗結束后切取深度為700 μm 和950 μm 的試樣。由圖中可以看出深度為700 μm 的試樣在選定基團處波形明顯，而深度為950 μm 的試樣和內層試樣在該基團處波形平緩，說明水浸泡21 天的試樣在深度大于950 μm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖8 水浸泡21 天樣品

圖9所示為水浸泡28 天各深度試樣的傅里葉紅外光譜對比，水浸泡28 天試驗結束后切取深度為800 μm 和1.2 mm 的試樣。由圖中可以看出，深度為800 μm 的試樣在選定基團處波形明顯，而深度為1.2 mm 的試樣在該基團處波形平緩，說明水浸泡28 天的試樣在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不足以通過紅外光譜分析觀測出。

圖9 水浸泡28 天樣品

由水浸泡試驗結果可知，水分侵入深度也是一個循序漸進的過程，由上述四組試驗侵入深度來看，水浸泡28 天的試樣水分侵入深度最深，但是在深度大于1.2 mm 后滲透的水分含量較少，不僅小于水煮試驗中水分含量相對較高的深度，而且遠低于絕緣子端部護套的5 mm 深度。

2.2.3 小結

對比水煮試驗和水浸泡試驗的結果可以發現，在試驗時間相同的情況下，水煮試驗中水分侵入的深度要高于水浸泡試驗，說明溫度對水分在端部護套中的侵入有一定的加速作用。但是無論是水浸泡試驗還是水煮試驗，在深度大于2.5 mm 后滲透的水分相對含量較小，還未達到端部護套厚度的一半。而護套內部基本未老化，隨著深度的增加，水分滲透的難度越大。依據相關研究[10]，水煮28 h 后復合絕緣子會出現明顯的溫升現象，本文中水分入侵端部護套厚度小于2.5 mm，在水煮及水浸泡28 天的時間里水分無法通過端部護套滲透進入也證明日常運行中護套并非水分入侵絕緣子端部得主要路徑。

3 結論

通過對濕熱地區運行13年絕緣子端部護套老化情況進行分析，并對端部硅橡膠材料進行水浸泡和水煮試驗，可以的得到如下結論：

1）在長時間濕熱運行環境下，各應力因素對硅橡膠端部護套的老化程度有限，護套深度在2 mm 以下試樣基本未發生老化；

2）28 天的水煮和水浸泡模擬試驗中，水分侵入復合絕緣子傘裙護套深度有限，溫度可促進水分在絕緣子端部護套中的擴散。

3）濕熱運行環境下護套并非水分入侵絕緣子端部的主要路徑，后續將結合本試驗結論深入研究濕熱環境下水分入侵絕緣子端部的路徑。