交流电晕对复合绝缘子硅橡胶伞裙憎水性的影响研究

0 引言

与传统的瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有强度高、重量轻、运行维护简便、不易破碎、更能适应恶劣自然环境等优点 [1-3]。尤其是复合绝缘子伞裙硅橡胶材料的憎水性和憎水迁移性，使得绝缘子表面污层不易受潮，并且表面的水滴相互分离不形成连续的水膜，沿面泄漏电流大大低于同等污秽度下瓷和玻璃绝缘子的泄漏电流，有利于提高复合绝缘子的污闪电压 [4-6]。但随着复合绝缘子在电力系统的大量应用，其长期运行可能出现的老化问题逐渐引起人们的重视。复合绝缘子外部伞裙采用的是有机材料硅橡胶，与瓷和玻璃等无机材料相比，有机材料分子中各元素是通过共价键结合的，元素间的结合力比较弱，构成有机材料的大分子较容易断裂，因此硅橡胶材料比瓷和玻璃等无机材料更易出现老化现象。

在实际运行中，造成复合绝缘子老化的主要因素包括表面电晕放电、电弧放电、紫外辐射、盐雾、温湿度及污秽等，其中表面放电对复合绝缘子性能的影响比较严重 [7～9]。电晕放电往往是由于金具、均压环设计安装不当或表面离散水滴的分布等因素造成周围电场分布畸变引起的，当局部高场强达到一定数值时，空气发生局部电离从而产生电晕现象。持续的电晕可能造成硅橡胶伞裙憎水性能下降，从而失去抑制泄漏电流发生发展的能力，增加其在湿润环境下的闪络风险 [10，11]。因此，本文关注于电晕对复合绝缘子伞裙硅橡胶性能的影响，特别是在表面积污状态下的憎水性能力变化，对此展开系统性的研究。

1 试验样品及装置

1.1 试验样品

本试验样品有3类，分别为清洁硅橡胶试片、人工染污硅橡胶试片、运行绝缘子伞裙试样。其中，清洁试片根据生产复合绝缘子所用的高温硫化硅橡胶(HTV)配方，由硅橡胶生胶、气相法白炭黑、氢氧化铝、结构控制剂和硫化剂等混炼、硫化制成，规格为80×80×6 mm。其在电晕试验前分别用乙醇和蒸馏水清洗，用滤纸擦干后，放置48 h。染污试片为清洁试片按照DL/T810-2012的染污方法对硅橡胶进行染污 [12]，表面污秽状态为ESDD=0.1 mg/cm2，NSDD=0.5 mg/cm2，并在实验室环境下进行4 d的憎水性迁移。伞裙试样为从实地运行3年多的交流特高压1 100 kV复合绝缘子高压端(该处电晕发生几率大且污秽严重)所截取试片，其上表面积污情况明显比下表面严重。

1.2 试验装置

本试验采用针-板电极来产生交流电晕，试验装置的示意图及实物图如图1所示。高压电极为一组针电极，曲率半径为0.2 mm，以一根针电极为圆心，外圆为4根针电极排列，共5根，圆半径为5 mm。接地电极为不锈钢圆板，硅橡胶试片放置于其上，针尖与试片间距为10 mm。针电极加上10 kVrms交流高电压后，在针尖处将会产生局部高场强，诱发电晕作用于硅橡胶试片。

图1 电晕试验装置示意图及实物图

在试验前后，采用静态接触角法测量和评价试品的憎水性。考虑到针尖电晕在试片表面的作用范围有限，测量位置都固定在针电极所正对的试片表面直径为2 cm的圆形区域内。测量利用憎水性测试仪，采用去离子水在表面放置水滴，单个水滴体积在5～7 μL之间。同一条件下每类试片测量5个接触角，并取平均值作为该条件下的试片憎水性接触角测量值。

2 试验结果及分析

2.1 清洁试片的憎水性变化

在试验前，清洁试片的静态接触角数值达到113.2°，具有优异的憎水性。在10 kVrms电晕作用4 h过程中，以一定的时间间隔测量试片表面静态接触角，其数值变化如图2所示。由图2可见，在电晕作用过程中硅橡胶表面憎水性下降明显，特别在15 min到30 min期间，下降速率非常快。在电晕作用1 h后，憎水性就基本消失，以后继续延长电晕时间，均使憎水性保持在接近丧失状态，由其最终的静态接触角可知，水滴基本完全铺展在硅橡胶表面。

图2 清洁试片在电晕作用过程中的憎水性丧失情况

电晕作用对于高分子绝缘材料的影响机理可理解为：(1)电晕放电产生的带电粒子对绝缘材料表面的撞击，使材料链断裂，高分子解聚或部分变成低分子；(2)电晕放电产生活性气体臭氧和硝酸，它们的氧化及腐蚀作用使材料逐渐老化；(3)电晕放电能量一部分转为热能，其热量在材料内部不易散出而逐渐积累，导致局部温度上升，可使材料产生热裂解；(4)电晕放电产生紫外线或X射线等辐射，引起材料分解。对硅橡胶材料而言，在电晕作用下会产生亲水性的羟基基团OH取代憎水性的甲基基团CH3，这是其憎水性减弱的重要原因 [13-14]。

在电晕试验完成后，将清洁试片放置在实验室环境下观测其憎水性恢复情况，以一定的时间间隔进行静态接触角测量，结果如图3所示。由图3可知在2 h后，静态接触角即恢复到50°左右，3 h后恢复到90°以上，使硅橡胶再次具有憎水性，8 h后恢复到109°以上，基本达到原始值，以后再延长恢复时间，基本保持不变。

图3 清洁试片在电晕作用后的憎水性恢复情况

上述结果表明由于在硅橡胶配方中富含未交联的憎水性小分子硅氧烷，其具有向表面迁移的性能，使得试片即使在强电晕作用下丧失憎水性后也能够在较短的时间内使憎水性恢复到较高的水平，保证了硅橡胶伞裙的憎水性能。为进一步验证憎水性的恢复能力，将电晕作用时间延长至12 h，再观测其恢复情况，发现憎水性恢复趋势与电晕作用2 h类似，并不因为电晕时间的延长而使憎水性恢复过程发生变化。

2.2 人工染污试片的憎水性变化

由于硅橡胶中憎水性小分子硅氧烷能够迁移到表面污秽层中，人工染污的试片在经过4 d的憎水性迁移后基本达到饱和，静态接触角达到120°。此时对染污试片进行电晕作用，其憎水性变化如图4所示。比较可知，相对于清洁试片而言，经憎水性充分迁移后的染污试片憎水性丧失过程相对缓慢，且稳定后的静态接触角也能够保持在约40°。这与试片表面附着的不溶性污秽物质有关，一方面其遮蔽了电晕带电粒子对硅橡胶表面的直接作用，另一方面因为污秽层中含有一定量的憎水性小分子成分，这都导致了电晕作用下憎水性的丧失进程相对比较缓慢。

图4 染污试片在电晕作用过程中的憎水性丧失情况

染污试片在交流电晕作用4 h后，其憎水性恢复情况如图5所示。与清洁试片相比，其憎水性恢复的速度也要快些，在此过程有中持续有憎水性小分子硅氧烷向污秽层的迁徙，由此可见适量不溶性污秽物质的存在有助于硅橡胶憎水性迁移恢复。

图5 染污试片在电晕作用后的憎水性恢复情况

2.3 运行绝缘子伞裙试样的憎水性变化

图6和图7分别是伞裙上表面和下表面在电晕作用过程中的憎水性丧失情况。上下表面的起始静态接触角分别为112°和118.4°，上表面数值略低于下表面，这与上表面更为严重的积污状态有关。运行绝缘子伞裙试样与人工染污试样类似，因为其长期在户外运行，伞裙上下表面都附着有一层自然污秽物质，这层污秽物质的存在可以延缓电晕老化时憎水性的丧失。从电晕老化的角度来说，适量的污秽层有利于硅橡胶伞裙抵御电晕作用。

图6 伞裙试样上表面在电晕作用过程中的憎水性丧失情况

图7 伞裙试样下表面在电晕作用过程中的憎水性丧失情况

运行绝缘子伞裙试样的憎水性恢复情况也与人工染污试片情况相类似，如图8和图9所示，由于自然积污状态下污秽成分的复杂性，其恢复速度略有减缓，但由于憎水性小分子硅氧烷向污秽层的不断迁徙作用，伞裙试样的表面憎水性在8 h内也基本恢复到接近初始状态。

图8 伞裙试样上表面在电晕作用后的憎水性恢复情况

图9 伞裙试样下表面在电晕作用后的憎水性恢复情况

3 结论

本文采用针-板电极系统研究了复合绝缘子伞裙硅橡胶材料在强烈交流电晕作用下的憎水性变化特性，结果表明：在交流电晕持续作用下，硅橡胶材料的憎水性会逐步丧失，而人工染污和自然积污状态下的硅橡胶憎水性丧失进程相对缓慢，且稳定后的静态接触角也较高，适量的污秽层有利于复合绝缘子硅橡胶抵御电晕老化；在电晕作用后，由于硅橡胶材料内憎水性小分子硅氧烷的迁移作用，无论是清洁还是积污状态，表面憎水性均能在短时间内恢复到接近初始状态。