近日，中國(guó)電研劉鑫團(tuán)隊(duì)以《特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化特性及檢測(cè)方法研究進(jìn)展》為題在《環(huán)境技術(shù)》2024年第5期上發(fā)表最新研究?jī)?nèi)容，第一作者為劉鑫，通訊作者為揭敢新。

      復(fù)合絕緣子老化會(huì)造成表面疏水性降低等問(wèn)題，嚴(yán)重危害了輸配電線路外絕緣的可靠性。本文針對(duì)特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子嚴(yán)峻的老化問(wèn)題，從特殊環(huán)境老化特性、老化檢測(cè)方法、重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了分類論述。首先，分析了濕熱、鹽霧、酸性和強(qiáng)輻射環(huán)境等特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子的老化特性研究進(jìn)展，總結(jié)得出應(yīng)注重提高特殊環(huán)境下硅橡膠材料的抗老化性能。其次介紹了現(xiàn)階段復(fù)合絕緣子老化檢測(cè)方法，從技術(shù)手段上可分為非接觸式表征和采集樣本試驗(yàn)室表征兩大類，考慮在線監(jiān)測(cè)需求和復(fù)合絕緣子具有疏水恢復(fù)性，提出非接觸老化表征方法是評(píng)估復(fù)合絕緣子老化的首選方法。最后綜合調(diào)研結(jié)果，以熱帶海洋環(huán)境為例提出復(fù)合絕緣材料環(huán)境適應(yīng)性的重點(diǎn)研究方向，為領(lǐng)域?qū)W者提供一定的參考。

引言

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有重量輕、疏水性好、運(yùn)輸安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。其被廣泛用于配電和輸電線路的外絕緣中。然而，隨著長(zhǎng)期運(yùn)行，特別是在特殊環(huán)境中，硅橡膠復(fù)合絕緣子可能會(huì)發(fā)生故障。復(fù)合絕緣子的眾多故障引起了研究者對(duì)其故障原因及故障診斷技術(shù)的關(guān)注。

復(fù)合絕緣子的損傷和失效機(jī)制與陶瓷和玻璃絕緣子有很大不同。導(dǎo)致其失效的原因主要有以下兩個(gè)方面：一種是臺(tái)風(fēng)等外力因素造成的絕緣子芯棒斷裂的機(jī)械故障，發(fā)生的可能性較小；另是老化現(xiàn)象引起的電氣故障，圖1為交流線路上的老化復(fù)合絕緣子，老化會(huì)引起硅橡膠復(fù)合絕緣子的疏水性能下降，此類事件將導(dǎo)致絕緣子的表面閃絡(luò)和大規(guī)模停電。

圖1  退役的老化絕緣子

隨著先進(jìn)材料工程技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合絕緣子用高分子材料的性能可以通過(guò)多種方式提高，以提高其長(zhǎng)期使用，但老化問(wèn)題并未很好的解決。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合絕緣子的老化進(jìn)行了廣泛的研究。研究主要集中在以下幾個(gè)方面：復(fù)合絕緣子老化特性及機(jī)理、復(fù)合絕緣子老化表征方法、特殊環(huán)境下的復(fù)合絕緣子老化現(xiàn)象及分析。

目前電力行業(yè)對(duì)于復(fù)合絕緣子老化特性及機(jī)理、復(fù)合絕緣子老化表征方法的研究已經(jīng)非常豐富，對(duì)鹽霧、輻射、強(qiáng)電場(chǎng)等特殊環(huán)境的復(fù)合絕緣子老化現(xiàn)象研究也有一定進(jìn)展，但是諸如熱帶海洋等實(shí)際特殊環(huán)境下的研究相對(duì)較少。因此本文主要分析了特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化特性的研究進(jìn)展，介紹了現(xiàn)階段復(fù)合絕緣子老化檢測(cè)方法，并針對(duì)綜述結(jié)果以熱帶海洋環(huán)境為例提出今后的重點(diǎn)研究方向。

特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化特性

面對(duì)特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子突出的老化問(wèn)題，本章節(jié)重點(diǎn)綜述濕熱、鹽霧、酸性環(huán)境以及輻射、電應(yīng)力環(huán)境對(duì)絕緣子老化的影響。

1、濕熱、鹽霧、酸性環(huán)境

1) 濕熱環(huán)境

為了確定在污染和清潔的熱帶地區(qū)，絕緣子是否能承受超過(guò)規(guī)定極限的電應(yīng)力，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。選擇了兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，一個(gè)是位于斯里蘭卡西海岸的Koggala (KG站點(diǎn))的沿海站點(diǎn)，另一個(gè)是位于該國(guó)中部的Peradeniya (PG站點(diǎn))的內(nèi)陸站點(diǎn)。KG場(chǎng)地為重污穢區(qū)。KG和PG站點(diǎn)的年平均降雨量分別約為2400毫米和1800毫米，KG站相對(duì)濕度為75 ~ 95%，PG站相對(duì)濕度為70 ~ 90%。

圖2  熱帶環(huán)境運(yùn)行5年的絕緣子

經(jīng)過(guò)5年的現(xiàn)場(chǎng)暴露后，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，雖然測(cè)試的復(fù)合絕緣子中沒(méi)有一個(gè)閃絡(luò)過(guò)，但表面產(chǎn)生了樹狀變色，這很可能是由某些放電活動(dòng)引起的，如圖2(a)所示。此外，在絕緣子上發(fā)現(xiàn)了生物生長(zhǎng)，如圖2(b)、圖2(c)所示。

文獻(xiàn)研究說(shuō)明微生物的附著和發(fā)展一般不會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子橡膠外殼的性能嚴(yán)重下降，微生物生長(zhǎng)似乎對(duì)絕緣子性能沒(méi)有影響。但在中國(guó)西南部和南部的絕緣子和RTV涂層絕緣子上已經(jīng)觀察到藻類，如圖3所示，且研究結(jié)果表明，藻類增強(qiáng)了鹽的分散性，降低了絕緣子的疏水性，只是當(dāng)藻類覆蓋率小于20%時(shí)，對(duì)絕緣子的影響是有限的。

圖3  綠藻在運(yùn)行的復(fù)合絕緣子傘裙上附生

2) 鹽霧環(huán)境

文獻(xiàn)使用鹽霧模擬沿海地區(qū)含鹽的高濕度環(huán)境，發(fā)現(xiàn)鹽霧處理后樣品的性能惡化。鹽霧處理的樣品在電應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下變得粗糙和多孔。測(cè)試表明硅橡膠分子鏈斷裂，填料被消耗，降低了樣品的耐電弧性。吸濕性等物理化學(xué)性能的劣化會(huì)降低絕緣強(qiáng)度。因此，在鹽霧環(huán)境中，電導(dǎo)率較高的硅橡膠樣品更容易變質(zhì)劣化，這表明鹽霧加速了硅橡膠的老化。

3) 酸性環(huán)境

引起硅橡膠老化的其他酸性環(huán)境因素包括酸（鹽酸外）、臭氧和氮氧化物，例如氮氧化物可吸收水分轉(zhuǎn)化為硝酸。已有研究表明，絕緣子長(zhǎng)時(shí)間服役于強(qiáng)酸性環(huán)境，其表面會(huì)在酸的影響下被嚴(yán)重破壞。酸性物質(zhì)會(huì)使硅橡膠主鏈上的極性Si-O鍵斷裂，生成極性Si-OH鍵，下圖為反應(yīng)化學(xué)過(guò)程。酸性環(huán)境下硅橡膠的老化反應(yīng)與表面Si-C鍵和C-H鍵斷裂不同，主鏈斷裂生成的Si-OH鍵具有親水性，會(huì)導(dǎo)致硅橡膠材料疏水性嚴(yán)重下降。

圖4  由于酸和硅橡膠之間的反應(yīng)而形成的Si–OH鍵

2、 輻射、電應(yīng)力環(huán)境

1)輻射環(huán)境

在輻射環(huán)境中暴露于伽馬射線的聚合物材料有兩種影響，第一種涉及鍵斷裂，導(dǎo)致交聯(lián)或分子量降低。第二種涉及到含氧化合物的形成，特別是材料在表面。隨著輻照劑量的增加，能量越大，氧化指數(shù)對(duì)交聯(lián)的貢獻(xiàn)越大，對(duì)聚合物的損害越大。在沙特阿拉伯中部進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也得出了類似的結(jié)論，那里的紫外線輻射水平很高。此外，紫外線輻射可以加速小分子從硅橡膠本體向污染層表面的遷移，但污染和層厚度可以增加疏水性轉(zhuǎn)移時(shí)間。

目前普遍認(rèn)為紫外線是影響高分子絕緣材料老化的主要因素之一。傳輸?shù)降孛娴淖贤饩€最短波長(zhǎng)為290nm，能量為396.3kJ/mol。盡管此能量水平通常不足以直接引發(fā)硅橡膠高分子主鏈的發(fā)生斷裂，但在與其他不利因素協(xié)同作用時(shí)，其對(duì)硅橡膠側(cè)鏈上的甲基基團(tuán)卻能誘發(fā)氧化反應(yīng)，進(jìn)而促成材料表面的老化進(jìn)程。如圖5所示，紫外線作用下，硅橡膠表層的C-Si鍵與C-H鍵可能遭受斷裂，釋放出具有較高活性的自由基。這些自由基易于與大氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，于材料表面生成親水性基團(tuán)，并產(chǎn)生甲烷等氣，長(zhǎng)期下來(lái)導(dǎo)致硅橡膠發(fā)生不可逆的老化與降解。

圖5  硅橡膠在紫外線照射作用下的化學(xué)反應(yīng)

2) 電應(yīng)力環(huán)境

硅橡膠復(fù)合絕緣材料的運(yùn)行環(huán)境條件通常還包括設(shè)備運(yùn)行引起的強(qiáng)電場(chǎng)影響。設(shè)備運(yùn)行或故障引起的電暈或電弧放電會(huì)在絕緣材料表面產(chǎn)生帶電離子和電子的沖擊，可能會(huì)引起材料高分子主鏈斷裂，分子發(fā)生解聚。空氣受電應(yīng)力環(huán)境的影響，產(chǎn)生活性氧原子、臭氧、氮氧化合物等高氧化性物質(zhì)，這導(dǎo)致絕緣子處于酸性環(huán)境中，引起分子鏈的斷裂，造成材料劣化和性能下降。因此，電應(yīng)力對(duì)硅橡膠復(fù)合絕緣材料作用的過(guò)程最為復(fù)雜，同時(shí)發(fā)生物理和化學(xué)老化，顯著影響硅橡膠的性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電暈放電電壓和暴露時(shí)間的增加，復(fù)合絕緣子硅橡膠表面的疏水性惡化，且正極性比負(fù)極性電暈對(duì)老化的有害影響更大。此外，很有趣的發(fā)現(xiàn)是，垂直風(fēng)會(huì)加速硅橡膠的疏水性損失，而平行風(fēng)會(huì)抑制硅橡膠的疏水性損失，風(fēng)速越大，影響越大。

綜上所述，引起復(fù)合絕緣子材料老化的三個(gè)主要因素為物理老化、化學(xué)老化和電老化。造成物理老化的因素包括紫外線照射和局部高溫。導(dǎo)致化學(xué)老化的因素包括酸堿、臭氧和氮氧化物。電老化過(guò)程通常伴隨著物理和化學(xué)老化，其老化效應(yīng)更嚴(yán)重、更快。聚合物絕緣體在高濕度下最容易隨著電暈放電而老化，尤其是在鹽霧、酸性和強(qiáng)輻射環(huán)境中。因此，在上述環(huán)境下，應(yīng)更加重視聚合物絕緣子的在線監(jiān)測(cè)，提高硅橡膠材料的抗老化性能。

復(fù)合絕緣子老化檢測(cè)方法

1.電參量檢測(cè)方法

1)泄露電流

泄露電流的測(cè)試主要集中于評(píng)價(jià)復(fù)合絕緣子污穢程度的試驗(yàn)中，用以預(yù)防污閃。目前還未有研究將泄露電流用于絕緣子老化狀態(tài)的評(píng)估，但是絕緣子老化會(huì)導(dǎo)致表面泄露電流的幅值和諧波含量增加，后續(xù)研究可將泄露電流參數(shù)用于絕緣子老化狀態(tài)的評(píng)估。

2)閃絡(luò)電壓

復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)電壓是評(píng)價(jià)其是否可以正常運(yùn)行的重要指標(biāo)，從電壓形式上分為交直流閃絡(luò)試驗(yàn)、雷電/操作沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)，從運(yùn)行環(huán)境上分為污穢閃絡(luò)試驗(yàn)、覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)、鹽霧閃絡(luò)試驗(yàn)等。

3)電導(dǎo)特性測(cè)試

材料的電導(dǎo)特性和空間電荷分析已經(jīng)用于絕緣材料的老化狀態(tài)評(píng)估中。目前有兩種應(yīng)用形式，一是根據(jù)材料在直流電下開始形成空間電荷時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)，即電老化閾值，作為材料老化程度判據(jù)。二是通過(guò)材料空間電荷的積聚及數(shù)量進(jìn)行評(píng)估。

2.物理特征檢測(cè)方法

物理特征檢測(cè)方法主要包括外觀形貌、內(nèi)外顏色對(duì)比、疏水性測(cè)試、硬度測(cè)試等。

1)外觀形貌

檢查絕緣子外觀形貌特征，通過(guò)肉眼觀察復(fù)合絕緣子材料表面是否出現(xiàn)脆化、裂紋、電蝕、粉化等現(xiàn)象，大致評(píng)估絕緣子老化狀態(tài)。

2)內(nèi)外色差

老化會(huì)導(dǎo)致表層顏色的變化，對(duì)復(fù)合絕緣子材料進(jìn)行切片，對(duì)比材料表面下2mm顏色相比表面顏色差異，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估材料老化程度。

3)疏水性

優(yōu)秀的疏水性能有助于抑制傘裙表面積聚的泄漏電流，進(jìn)而提升絕緣子防污閃能力。根據(jù)IEC/TS 62073-2003可采用為靜態(tài)接觸角法、表面張力法及HC噴水分級(jí)法對(duì)絕緣子表面疏水性進(jìn)行評(píng)估。

4)硬度測(cè)試

對(duì)材料進(jìn)行硬度測(cè)試能夠在一定程度上揭示其力學(xué)特性。復(fù)合絕緣子的硅橡膠材料在老化后機(jī)械性能隨之也會(huì)發(fā)生變化，因此也可通過(guò)材料的硬度測(cè)試表征復(fù)合絕緣子的老化程度。

5)微觀圖像

掃描電子顯微鏡（SEM）有助于直觀地探索聚合物絕緣子表面的微觀形態(tài)變化，并識(shí)別肉眼不易看到的缺陷或變形，如粗糙度變化。這有助于提供老化聚合物絕緣體微觀形態(tài)特性的總體概述，并確定實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)和實(shí)際樣品的使用壽命是否具有可比性。

3.化學(xué)特征檢測(cè)方法

1)傅里葉紅外光譜測(cè)試分析（FTIR）

傅里葉紅外光譜可分析材料表面官能團(tuán)組成成分，可利用傅里葉紅外光譜特性分析高分子絕緣材料化學(xué)鍵或特征官能團(tuán)(Si-O和Si-CH3)的特性及變化，從而分析電力復(fù)合絕緣材料的老化特征及老化機(jī)理。

2)X射線光譜儀分析(EDX)

EDX分析用于獲得硅橡膠材料的表面元素百分比。隨著老化的增加，Si和C的含量通常會(huì)降低，而氧的含量會(huì)增加，通過(guò)元素含量可以表征老化程度。

3)介電常數(shù)

介電常數(shù)是表征電場(chǎng)下電介質(zhì)存儲(chǔ)靜電能的重要參數(shù)，還可以指示電介質(zhì)的極化程度。電介質(zhì)的介電常數(shù)越小，其蓄積靜電勢(shì)能的能力相對(duì)越弱，這一特性從某種程度上表明該電介質(zhì)具有更優(yōu)的絕緣性能。因此，寬帶介電譜儀測(cè)量的介電常數(shù)也可以作為表征聚合物絕緣體老化的參數(shù)。

4) 熱分析技術(shù)

此外，還利用了各種熱分析技術(shù)，包括差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA），來(lái)研究聚合物絕緣體中有機(jī)成分的轉(zhuǎn)化。根據(jù)參考文獻(xiàn)中描述的試驗(yàn)結(jié)果，熱分析技術(shù)對(duì)聚合物絕緣子的性能評(píng)估具有重要價(jià)值。

綜上所述，表征復(fù)合絕緣子老化的方法有很多，從技術(shù)手段上可分為兩大類。一種是非接觸表征方法。運(yùn)行中的絕緣子適用于非接觸式表征。另一種是采集樣本并將其送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。這種方法通常需要斷電以及更多的時(shí)間和人力資源。此外，復(fù)合絕緣子具有疏水恢復(fù)性。當(dāng)樣品返回實(shí)驗(yàn)室時(shí)，其特性可能會(huì)發(fā)生變化。因此，非接觸老化表征方法是評(píng)估復(fù)合絕緣子老化的首選方法。

研究展望

據(jù)上述分析，特殊環(huán)境的復(fù)合絕緣子更易于老化，因此，本文以典型的熱帶海洋環(huán)境為例，闡述研究展望。復(fù)合絕緣子在熱帶海洋環(huán)境下面臨更嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)，高溫、高濕、強(qiáng)光照環(huán)境下不僅會(huì)加速?gòu)?fù)合絕緣子的老化，引起復(fù)合絕緣子更快出現(xiàn)粉化，還存在更嚴(yán)重的鳥糞污染、強(qiáng)風(fēng)撕裂、綠藻附生、芯棒酥朽斷裂問(wèn)題。因此，為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可根據(jù)熱帶海洋環(huán)境針對(duì)復(fù)合絕緣子的老化與故障失效問(wèn)題開展以下研究：

1）熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子環(huán)境失效特性分析

根據(jù)地方電網(wǎng)-海南電網(wǎng)歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，針對(duì)環(huán)境引起的復(fù)合絕緣子老化、失效以及故障案例進(jìn)行調(diào)研分析，建立熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子的環(huán)境失效數(shù)據(jù)庫(kù)，提取引起復(fù)合絕緣子老化和環(huán)境失效的關(guān)鍵因素及特征。

2）熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子狀態(tài)評(píng)估方法研究(老化的在線檢測(cè))

根據(jù)熱帶環(huán)境下復(fù)合絕緣子的環(huán)境失效特性，提取復(fù)合絕緣子老化特征，選取或開發(fā)復(fù)合絕緣子老化評(píng)價(jià)裝置或方法，對(duì)熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)前文分析，應(yīng)對(duì)可在線監(jiān)測(cè)的非接觸老化表征方法重點(diǎn)研究。

3）熱帶海洋環(huán)境下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(進(jìn)行不同環(huán)境剩余壽命的預(yù)測(cè))

根據(jù)熱帶環(huán)境下復(fù)合絕緣子的環(huán)境失效特性，提取影響復(fù)合絕緣子老化的環(huán)境特征，開發(fā)相應(yīng)的綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)復(fù)合絕緣子應(yīng)用所在地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，并建立不同環(huán)境下剩余壽命的預(yù)測(cè)模型，便于對(duì)在網(wǎng)復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

4）綜合老化加速試驗(yàn)方法開發(fā)(特殊環(huán)境的等效試驗(yàn)技術(shù))

根據(jù)熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子的老化特征及機(jī)制，設(shè)計(jì)并開發(fā)復(fù)合絕緣子5000h多因素加速老化試驗(yàn)。對(duì)將應(yīng)用在熱帶海洋地區(qū)的復(fù)合絕緣子的環(huán)境耐久性進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，填補(bǔ)特殊環(huán)境的等效試驗(yàn)技術(shù)。

結(jié)論

面對(duì)特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子突出的老化問(wèn)題，本文從特殊環(huán)境老化特性、老化檢測(cè)方法方面進(jìn)行了分類綜述，并以典型的熱帶海洋環(huán)境為例，提出重點(diǎn)研究方向。

1) 分析了特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化特性的研究進(jìn)展，復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的老化可分為三種主要類型：物理老化、化學(xué)老化和電學(xué)老化。濕熱、鹽霧、酸性和強(qiáng)輻射環(huán)境等特殊環(huán)境下，其老化問(wèn)題十分突出，應(yīng)注重提高特殊環(huán)境下硅橡膠材料的抗老化性能。

2) 介紹了現(xiàn)階段復(fù)合絕緣子老化檢測(cè)方法，從技術(shù)手段上可分為非接觸式表征和采集樣本試驗(yàn)室表征兩大類，考慮在線監(jiān)測(cè)需求和復(fù)合絕緣子具有疏水恢復(fù)性，提出非接觸老化表征方法是評(píng)估復(fù)合絕緣子老化的首選方法。

3)針對(duì)綜述結(jié)果以熱帶海洋環(huán)境為例提出今后的重點(diǎn)研究方向，分別為：熱帶海洋環(huán)境下復(fù)合絕緣子環(huán)境失效特性分析；復(fù)合絕緣子狀態(tài)評(píng)估方法研究(老化的在線檢測(cè))；熱帶海洋環(huán)境下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(進(jìn)行不同環(huán)境剩余壽命的預(yù)測(cè))；綜合老化加速試驗(yàn)方法開發(fā)(特殊環(huán)境的等效試驗(yàn)技術(shù))。

引用本文：

劉鑫,許可,許雪冬,揭敢新.特殊環(huán)境下復(fù)合絕緣子老化特性及檢測(cè)方法研究進(jìn)展[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(05):47-54.