霧霾參數對電暈老化硅橡膠外絕緣特性影響研究

畢茂強，帥埡靈，鄧潤坤，江天炎，董 揚，陳 曦

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054；2.國網重慶市電力公司檢修分公司， 重慶 400039)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，電力需求迅猛增加，電網規模逐步擴大。伴隨的環境問題也逐漸凸顯，部分地區的大氣污染源越來越多，空氣質量急劇下降，導致我國大部分地區長期出現較為嚴重的霧霾天氣[1-2]。所謂霧霾，就是由空氣中的液態小水滴、冰晶和分布在空氣中的顆粒物混合組成的一種特殊氣溶膠系統[3-4]。霧霾天氣的出現不僅對人體健康、生態環境影響嚴重，而且對輸電線路外絕緣和電網的安全運行構成了嚴重的威脅，由此產生的電力故障給社會生產生活造成了難以估量的經濟損失[5-6]。

復合絕緣子具有質量輕、運輸方便、抗污閃能力突出等優點，在輸變電外絕緣系統中被廣泛使用。復合絕緣子受霧霾影響主要表現在2個方面[7-9]：一方面是霾經長時間沉降，絕緣子表面的污穢增多，當環境濕度較高時，絕緣子表面污穢層容易受潮造成沿面閃絡；另一方面是霧霾中的霧水可能混合多種無機鹽，霧水濕潤絕緣子表面后致使絕緣子外絕緣水平下降，可能對絕緣子閃絡電壓造成影響，嚴重時甚至造成大范圍的線路斷電事故。雖然復合絕緣子在多年的現場運行中表現出了良好的防污閃性能，但是復合絕緣子本身作為有機復合材料容易受到周圍環境因素影響發生老化，導致其絕緣性能下降[10-12]。

目前，國內外學者對霧霾環境下絕緣子的閃絡特性展開了廣泛的研究。Shu等[13]利用NaCl模擬鹽溶液，提出閃絡電壓和霧水電導率呈負相關的規律；寧博揚等[14]通過自建人工模擬霧霾試驗平臺，對絕緣子交流閃絡特性開展了研究，提出閃絡電壓隨霧水電導率增加而下降的原因跟霧水增加了絕緣子表面鹽密有關；Saadati等[15]研究了不同污穢成分對絕緣子的閃絡特性的影響，發現污穢層的電導率為絕緣子表面閃絡電壓的主要影響因素。

近年來，學者們對復合絕緣子的自然積污老化機理研究較多，但在霧霾各成分參數環境下的老化研究卻相對滯后。隨著我國霧霾問題的日漸突出和霧霾環境參數的愈加復雜，研究霧霾環境中的各成分受到電暈放電老化后的硅橡膠外絕緣特性就顯得格外必要。

硅橡膠是復合絕緣子的主要組成成分。以一種硅橡膠材料為試品，通過人工加速電暈老化的方法對硅橡膠進行不同時長的老化，老化時讓硅橡膠試品分別處于霾環境、鹽霧環境以及霧霾環境中。老化后測試不同霧霾成分老化環境下硅橡膠的交流閃絡電壓、表面電阻率、憎水性、泄漏電流綜合研究分析了霧霾參數對電暈老化硅橡膠外絕緣特性。研究結果可為長期運行于霧霾頻發地區的復合絕緣子提供理論壽命依據。

1 試驗方法及步驟

1.1 電暈老化試驗裝置及試品

1.1.1試驗試品

試驗中的試品為某絕緣子廠商生產的半徑 65 mm、厚度0.3 mm的硅橡膠圓片，試品如圖1所示。其主要成分為 40%～50%的Al(OH)3、35%～40%的甲基乙烯基硅橡膠、5%～10%的SiO2、2%～3%的硅油。分子結構式如圖2所示。

圖1 硅橡膠試品

圖2 試品分子結構式

1.1.2電暈老化試驗裝置

主要設備包括：NHSB-5 kVA/50 kV變壓器；調壓器(T1)；FRC交直流電容式分壓器，分壓比為 1∶1 000；EWS06-500W空壓機；空氣流量計；閥門；DG-100粉塵發生器；TBS2000 SERIES示波器；DDS-11A電導率儀；多針-板電極；10 Ω無感電阻；環境控制箱為密閉圓柱體，直徑為350 mm，高度為400 mm，材料為有機玻璃絕緣材料；超聲波霧化器；計算機；顆粒傳感器、溫濕度傳感器等。

試驗采用文獻[16]推薦的多針-板電極對硅橡膠進行電暈老化。此方式可獲得較大的有效電暈老化范圍，使試品老化更加均勻。采用多針-板電極，針數為31根，呈正六邊形分布，最外側相鄰兩針的距離為16 mm，內側針與針之間的距離為10 mm，鋼針長度60 mm，直徑0.8 mm，針尖曲率半徑30 μm，針尖與試品的間距為10 mm。多針板電極模型如圖3所示。

圖3 多針板電極模型

1.1.3電暈老化試驗原理及步驟

通過分別生成“霧”和“霾”的方法來模擬環境中的霧霾天氣，這種方式便于控制模擬環境的理化參數。為了達到模擬環境的相對濕度和微小顆粒物濃度，環境箱中裝備溫濕度傳感器和顆粒物傳感器進行監測，并通過調控“霧”和“霾”的生成速率來控制環境參數。試驗原理如圖4所示，其中霧霾環境箱、環境監測系統、霧生成系統、霾生成系統這4個部分共同組成了霧霾模擬系統。

圖4 電暈老化試驗原理示意圖

試驗中鹽霧通過霧化器霧化產生。空氣壓縮機將空氣壓入霧化器中與霧化后的溶液混合噴入環境箱，試驗所需鹽溶液電導率均調制為3 000 μS/cm。利用粉塵發生器產生霾，粉塵粒徑為0.1～10 μm的硅藻土顆粒,其主要成分為SiO2。模擬霾環境、硝酸鈉鹽霧環境、硫酸銨鹽霧環境和霧霾環境，整套設備控制在無塵、(20±2)℃的環境中進行。試驗主要步驟如下：

步驟1將試品洗凈后放在環境溫度為(20±2)℃且相對濕度小于50%的無塵環境12 h，晾干備用。

步驟2當模擬單霾環境時，打開粉塵發生器，通過調節閥門控制粉塵的吹入速率為13.3 μg/min，持續通入15 min停止1 h。

模擬鹽霧環境時，通過空壓機吹入流量為10 L/min的空氣，同時將配置好的鹽溶液注入霧化器內。將霧化后產生的鹽霧通入環境箱中一定時間，直至環境箱中形成相對穩定的鹽霧環境。

霧霾環境模擬前期與鹽霧環境的模擬相似，待箱中鹽霧環境穩定后，同時打開粉塵發生器，吹入粉塵顆粒，吹入速率為13.3 μg/min，持續通入15 min停止30 min。重復多次后，直至粉塵顆粒與鹽霧在環境箱中形成穩定的氣溶膠系統，得到要模擬的霧霾環境。

步驟3將步驟1 中靜置12 h后的試品放置在多針-板電極的銅板上方，然后將裝置放入模擬的霧霾環境箱中。通過調壓器以2 kV/s的速率對針電極升壓，直到電壓達到10 kV后停止并保持。老化持續時間分別控制為8、24、48、100 h。在此過程中通過電腦實時記錄傳感器檢測到的環境箱中的各項環境參數。

步驟4達到預定老化時長后，取出老化試品，備用。

1.2 試品的交流閃絡電壓

通過搭建人工霧室對電暈老化后的試品進行交流閃絡試驗，測試老化硅橡膠試品的濕閃電壓。根據閃絡電壓值，并結合后續電阻率、憎水性和泄漏電流，綜合分析硅橡膠在各霧霾參數環境下電暈老化的外絕緣特性。

1.2.1閃絡試驗平臺

人工霧室用于測試老化試品的沿面閃絡電壓，該裝置為直徑0.4 m、高0.5 m的有機玻璃圓柱體。霧室內設置有溫濕度傳感器，四周有調節相對濕度的去離子水超聲波霧發生器噴霧裝置。試驗電源為NHSB-10 kVA/50 kV的工頻試驗變壓器；分壓器為FRC交直流電容式分壓器，其分壓比為1∶1 000，沿面閃絡裝置原理如圖5所示。

圖5 沿面閃絡裝置原理圖

采用指形電極測試試品的閃絡電壓，電極的正/俯視圖如圖6所示。沿面放電距離為10 mm，電極半徑為3 mm。

圖6 電極的正/俯視圖

1.2.2閃絡試驗步驟

閃絡試驗中，環境的相對濕度可通過超聲波霧化器和濕度傳感器配合進行調節和監測。本次濕閃測試在相對濕度95%、溫度20 ℃的環境中進行。試驗主要步驟如下：

步驟1將預先配置好的去離子水注入超聲波霧發生器中，打開超聲波霧發生器，通過噴霧裝置調節環境濕度，直至人工霧室中的環境滿足試驗要求。

步驟2測量老化試品的閃絡電壓時，先預估閃絡電壓值，升壓時采用均勻升壓法，以10%每秒的預期閃絡電壓升壓，持續升壓直至閃絡發生為止。將老化后的試品切分成小樣品，每組試品需閃絡測試5次，每次閃絡間隔時間控制為5 min。本文的閃絡電壓值以5次測試所得的平均值代替，其計算式如式(1)所示。剔除測試值與平均值相對誤差超過20%的數據。

(1)

式(1)中：Uf為閃絡電壓值；Ui為第i次閃絡電壓測試值；n為閃絡擊穿試驗總次數，本試驗取n=5。

1.3 試品表面電阻率測試

電介質的表面電阻率能夠有效反映材料的絕緣性能。根據GB/T31838.3—2019固體絕緣材料的表面電阻率試驗方法標準，采用500 V電壓并通過三電極法對不同環境中老化后的硅橡膠試品進行電阻率測試。采用型號為Keithley6517B的高阻儀測量試品的表面電阻率。

1.4 試品憎水性測試

硅橡膠材料表面的憎水性和憎水性恢復特性是衡量硅橡膠外絕緣特性的重要參數之一。通常情況下，老化越嚴重的硅橡膠試品憎水性損失越嚴重，表現為更易發生污閃，絕緣性能有所下降。

使用ZJ-6900光學接觸角測試儀測量老化試品的表面靜態接觸角。通過注射器向樣品表面滴下10 μL的蒸餾水，分別測試單霾、鹽霧以及霧霾環境中電暈1、2、3、4、8、12、16 min作用下的靜態接觸角。為了研究樣品的憎水性恢復特性，將樣品靜置于無塵環境中2、4、6、8 h后再次測量其憎水性。測量時保證樣品清潔干燥，測量5次后取其均值作為當前狀態的靜態接觸角。

1.5 試品表面泄漏電流測試

硅橡膠在不同情況下老化后，其表面電阻因為老化程度不同有所差異。泄漏電流的測量與閃絡試驗共享平臺。具體試驗方法如下：

1) 將不同環境中老化的硅橡膠樣品按 30 mm×30 mm的大小切樣，然后與指形電極固定，調整電極之間的試品距離為10 mm，將整個裝置放入人工霧室中。

2) 通過超聲波霧化器霧化去離子水并通入霧室中，控制霧室相對濕度為95%。

3) 按照GB/T 26218.3—2011規定的爬電比距標準試驗，以b等污穢度等級測定，在電極兩端施加0.36 kV的交流電壓。試品泄漏電流的波形通過數字示波器并聯電阻R直接采集不同老化環境試品的泄漏電流，本次測試采樣率為12.5 kHz。

2 試驗結果與分析

2.1 各環境下電暈老化的外觀形貌

在單霾環境、硫酸銨環境、硝酸鈉環境、霧霾環境中經歷電暈老化100 h，待試驗結束后，觀察其老化后的外觀形貌，如圖7所示。

圖7 各霧霾參數下電暈老化100 h后外觀形貌

從圖7中可以看出，不管硅橡膠材料是處于哪種環境中電暈老化，其表面都有白色物質產生。白色物質呈圓形狀分布，這與多針電極的圓形分布一致。從圖(a)中可以看出，硅橡膠表面的白色物質為硅藻土粉末，電暈產生的電子束將環境中的硅藻土不斷轟擊并使其粘附在硅橡膠材料表面，隨著老化時間的增加，硅藻土的集聚也越來越多。圖(b)和圖(c)中2種鹽霧環境下的硅橡膠表面同樣出現了白色物質，但其分布相對來說較為雜亂，可能原因是硅橡膠表面并非光滑水平，鹽霧溶液降落在老化試品表面，溶液在重力的作用下擴散，電暈放電作用于鹽溶液后“蒸干”了其中的水分，在硅橡膠表面形成了無機鹽晶體。圖(d)中霧霾環境下白色物質的量更多，該環境中的顆粒物在高濕度條件下更容易沉積在硅橡膠表面。通過觀察可知，該白色物質為硅藻土顆粒物，用適量的蒸餾水洗該物質，測試其電導率，其值為1.2 mS/cm，說明該白色物質中還含有一定量的無機鹽成分。

2.2 交流濕閃試驗結果及分析

在RH≈95%的相對濕度條件下進行沿面閃絡試驗，試驗結果如圖8所示。可以得知，隨著試品老化時間由8 h增加到100 h，單霾環境、硫酸銨環境、硝酸鈉環境、霧霾環境中的閃絡電壓分別從4.91、6.21、6.28、5.87 kV下降到4.32、3.43、3.55、3.32 kV。其中，老化8 h的試品中，硝酸鈉鹽霧環境下的閃絡電壓6.28 kV為測試結果最大值；老化100 h的試品中，霧霾環境下的閃絡電壓3.32 kV為測試結果最小值。從圖8中可明顯看出，不同環境下的濕閃電壓隨著老化時長的增加而出現下降。其中單霾環境中老化試品的濕閃電壓從4.91 kV下降到4.32 kV，僅下降了0.59 kV，下降的幅度為12.02%。在單霾條件下，老化時長越長，硅橡膠表面沉積的顆粒物越多，越容易阻礙電子束對材料表面的破壞。其次，即使在高濕度條件下，硅藻土顆粒也很難與水作用形成導電離子，因此閃絡電壓僅是略有下降。與單霾環境情況不同的是，試品的濕閃電壓在其他3種環境中老化降低明顯得多。電暈放電的電子束對硅橡膠材料表面的轟擊破壞是影響因素之一。除此之外，在高濕度條件下，硅橡膠材料表面沉積的大量可溶性物質吸收水分后形成的導電離子也是原因之一。相對來說，在硫酸銨鹽霧環境中電暈老化后，其濕閃電壓較低。就交流閃絡試驗結果來看，在硫酸銨鹽霧環境下的電暈老化對硅橡膠材料表面的破壞作用更明顯。

圖8 不同環境中電暈老化試品的濕閃電壓均值

2.3 老化試品表面電阻率測試結果及分析

2.3.1表面電阻率測試結果及分析

對試品進行表面電阻率測試，測試結果如圖9所示。可以看出，試品表面電阻率隨老化時長的增加而下降。單霾條件下老化24、48 h的試品，其表面電阻率相較于其他環境老化時明顯更大，說明試品表面受電暈放電的破壞作用不大，其絕緣性能保持得較好。而在其他環境下時，試品的表面電阻率較低，硅橡膠表面受到的破壞作用明顯，說明電暈放電時試品受到環境中帶電離子的影響較大。

圖9 電暈放電老化試品的表面電阻率

2.3.2體積電阻率測試結果及分析

體積電阻率測試結果如圖10所示，測試時試品電壓為直流0.5 kV。從試驗結果中可知，不管何種老化環境，隨著老化時長的增加，試品的體積電阻率都減小了。可能的原因是硅橡膠的表面被電暈放電破壞，導致硅橡膠材料的整體絕緣性能下降。試品在相同老化時間、不同老化環境下的體積電阻率相近，原因可能是在老化過程中，環境中的各霧霾成分會逐漸停留在材料表面，形成一層保護薄膜，這在一定程度上阻礙了電暈放電老化的進程，因而對內部的破壞并不嚴重，并未波及內部的絕緣性能。

圖10 電暈放電老化試品的體積電阻率

2.4 試品憎水性分析

2.4.1憎水喪失特性測試結果及分析

未老化樣品的靜態接觸角測試結果如圖11所示，初始狀態的靜態接觸角為108.916°，憎水性良好。分別測試不同環境下電暈老化時間為1、2、3、4、8、12、16 min的樣品靜態接觸角，試驗結果如圖12所示。

圖11 初始樣品的靜態接觸角測試結果

從圖12中可以看出，環境因素對樣品表面的靜態接觸角影響較小，而受老化時間的影響很大，圖中曲線變化近乎一條直線下降。在不同環境中電暈老化16 min后，樣品的靜態接觸角下降到20°～35°。相對來說，與單霾、霧霾環境相比，鹽霧環境對硅橡膠樣品的憎水性影響更大。

圖12 樣品在不同環境下電暈老化的憎水性變化

2.4.2憎水性恢復特性測試結果及分析

圖13(a)—(d)依次為單霾、硫酸銨、硝酸鈉、霧霾環境下老化不同時長、恢復時間與靜態接觸角的試驗曲線。可以看出，不論硅橡膠樣品在哪種環境中電暈老化，也不論老化時長是多少，其靜態接觸角在前2 h內均恢復十分迅速，恢復度占總恢復度的比例超過50%，恢復速率在后6 h減慢，有趨于某個穩定值的態勢。最終在8 h后，不同樣品的憎水性都能夠達到80°～100°。從圖13中可知，在相同的恢復時長內，同種環境下老化8 h的樣品比老化更長時長樣品的恢復度更高。這可能是因為硅橡膠表面狀態的破壞程度跟老化時長有關，老化時長越長的樣品，其表面狀態就越難恢復。因此，在相同恢復時間內，老化時間越短的樣品越能恢復到較高的靜態接觸角水平。

在不同環境下電暈老化100 h后，取出樣品并靜置2、4、6、8 h后，其憎水性恢復曲線如圖14所示。可以看出，硅橡膠材料表面的靜態接觸角恢復特性與老化環境有關。

圖13 不同環境中電暈老化后的憎水性恢復曲線

圖14 不同環境中電暈老化100 h樣品的憎水性恢復曲線

處于硫酸銨環境、硝酸鈉環境中老化的樣品，在恢復時長相同的條件下，它們的靜態接觸角恢復程度較小。說明樣品在鹽霧環境中發生老化后，其表面狀態破壞嚴重。可能的原因是樣品在鹽霧環境中電暈放電老化，電子束轟擊硅橡膠表面后，造成硅橡膠材料表面損傷，鹽霧顆粒沉積在損傷部位，這些鹽霧顆粒吸收環境中的水分后形成腐蝕性溶液，致使硅橡膠材料的損傷進一步加深，其內部憎水性基團的化學鍵斷裂，所以其憎水性恢復較慢。當電暈放電發生在單霾環境和霧霾環境中時，隨著老化時間的增加，樣品表面慢慢的被環境中的硅藻土顆粒物所覆蓋，電暈放電作用于樣品表面的破壞減弱。因此，硅橡膠材料在不同環境中電暈老化后的憎水性恢復特性表現為鹽霧環境小于霧霾環境，霧霾環境小于單霾環境。

2.5 試品泄漏電流分析

霧霾環境下老化試品的泄漏電流測試結果如圖15所示。從泄漏電流測試結果可以看出，老化時長對試品泄漏電流的影響很大。對霧霾環境下的老化試品測試完畢后，對其他環境中的老化試品也進行泄漏電流測試。泄漏電流的有效值能夠較好地表征絕緣子的外絕緣特性，按照式(2)的計算方式對泄漏電流進行有效值計算。

(2)

式(2)中：Irms為泄漏電流有效值，mA；N為采樣點數；Ii為i時刻的泄漏電流值。

圖15 霧霾環境中不同老化時長(h)試品表面泄漏電流曲線

經過式(2)計算后，不同環境下老化試品的泄漏電流有效值如圖16所示。當試品老化時長為8 h時，不同環境中泄漏電流的有效值相差不大，在0.05～0.1 mA，其中霧霾環境中的泄漏電流有效值最小。處于單霾環境中老化的試品，隨著老化時長的增加，泄漏電流有效值變化不大，增大的速率也越來越慢。而其他3種環境中老化試品的泄漏電流有效值增加較多，其速率在24～100 h范圍變化不大。可能的原因是環境濕度較高時，環境中的水分子與沉積在試品表面的無機鹽顆粒物結合形成導電離子，試品表面的絕緣性能因此下降。其次，硅橡膠試品在電暈放電的電子束轟擊下表面發生老化，導致其本身外絕緣特性降低。在老化時間大于24 h后，硅橡膠試品處于鹽霧環境中測得的泄漏電流有效值大于其他2種環境中老化的試品。說明處于鹽霧環境中電暈老化的試品表面電阻更小，該環境下的電暈老化產生了更嚴重的破壞作用。結合憎水性與憎水性恢復來看，在電暈放電條件下，鹽霧環境相比其他霧霾環境對硅橡膠表面的破壞作用更加明顯，更有可能加深對硅橡膠的破壞。同時，材料在其過程中憎水性被破壞，污閃也更容易發生，由此威脅電網的安全運行。

圖16 不同環境中泄漏電流的有效值

3 結論

1) 在霧霾環境中的絕緣子發生電暈放電老化時，環境中的顆粒物經過電場加速后撞擊在材料表面，破壞了材料的表面結構，導致材料的理化特性發生了改變。其中表面電阻率和體積電阻率下降、靜態接觸角快速下降、泄漏電流的有效值增大，導致其外絕緣特性降低，濕閃電壓隨著老化時長的增加而下降。

2) 隨著老化時長的增加，硅橡膠老化試品泄漏電流的有效值也隨之增大，鹽霧環境或霧霾環境中的無機鹽成分是泄漏電流有效值增加的首要原因。單霾環境中老化時，由于環境中的無機鹽成分很少，沉積在試品表面的無機鹽粒子也較少，所以泄漏電流有效值增加較慢，硅橡膠試品老化后表面狀態被破壞是泄漏電流有效值增加的主要原因。

3) 處在霧霾環境中的絕緣子發生電暈放電老化時，電暈放電老化在硫酸銨環境和硝酸鈉環境中都能被加速，且硫酸銨的作用比硝酸鈉更明顯。