特殊情形下复合绝缘子老化特点及检测方法研究进展

近日，中国电研刘鑫团队以《分外环境下复合绝缘子老化特性及检测方法研究进展》为题在《环境技能》2024年第5期上揭橥最新研究内容，第一作者为刘鑫，通讯作者为揭敢新。

复合绝缘子老化会造成表面疏水性降落等问题，严重危害了输配电线路外绝缘的可靠性。
本文针对分外环境下复合绝缘子严厉的老化问题，从分外环境老化特性、老化检测方法、重点研究方向进行了分类论述。
首先，剖析了湿热、盐雾、酸性和强辐射环境等分外环境下复合绝缘子的老化特性研究进展，总结得出应看重提高分外环境下硅橡胶材料的抗老化性能。
其次先容了现阶段复合绝缘子老化检测方法，从技能手段上可分为非打仗式表征和采集样本试验室表征两大类，考虑在线监测需求和复合绝缘子具有疏水规复性，提出非打仗老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。
末了综合调研结果，以热带海洋环境为例提出复合绝缘材料环境适应性的重点研究方向，为领域学者供应一定的参考。

弁言

硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、疏水性好、运输安装方便的优点。
其被广泛用于配电和输电线路的外绝缘中。
然而，随着长期运行，特殊是在分外环境中，硅橡胶复合绝缘子可能会发生故障。
复合绝缘子的浩瀚故障引起了研究者对其故障缘故原由及故障诊断技能的关注。

复合绝缘子的损伤和失落效机制与陶瓷和玻璃绝缘子有很大不同。
导致其失落效的缘故原由紧张有以下两个方面：一种是台风等外力成分造成的绝缘子芯棒断裂的机器故障，发生的可能性较小；另是老化征象引起的电气故障，图1为互换线路上的老化复合绝缘子，老化会引起硅橡胶复合绝缘子的疏水性能低落，此类事宜将导致绝缘子的表面闪络和大规模停电。

图1 退役的老化绝缘子

随着前辈材料工程技能的发展，复合绝缘子用高分子材料的性能可以通过多种办法提高，以提高其长期利用，但老化问题并未很好的办理。
目前国内外学者对复合绝缘子的老化进行了广泛的研究。
研究紧张集中在以下几个方面：复合绝缘子老化特性及机理、复合绝缘子老化表征方法、分外环境下的复合绝缘子老化征象及剖析。

目前电力行业对付复合绝缘子老化特性及机理、复合绝缘子老化表征方法的研究已经非常丰富，对盐雾、辐射、强电场等分外环境的复合绝缘子老化征象研究也有一定进展，但是诸如热带海洋等实际分外环境下的研究相对较少。
因此本文紧张剖析了分外环境下复合绝缘子老化特性的研究进展，先容了现阶段复合绝缘子老化检测方法，并针对综述结果以热带海洋环境为例提出今后的重点研究方向。

1 分外环境下复合绝缘子老化特性

面对分外环境下复合绝缘子突出的老化问题，本章节重点综述湿热、盐雾、酸性环境以及辐射、电应力环境对绝缘子老化的影响。

1.1 湿热、盐雾、酸性环境

1) 湿热心况

为了确定在污染和清洁的热带地区，绝缘子是否能承受超过规定极限的电应力，进行了现场和实验室试验。
选择了两个试验点，一个是位于斯里兰卡西海岸的Koggala (KG站点)的沿海站点，另一个是位于该国中部的Peradeniya (PG站点)的要地本地站点。
KG园地为重腌臜区。
KG和PG站点的年均匀降雨量分别约为2400毫米和1800毫米，KG站相对湿度为75 ~ 95%，PG站相对湿度为70 ~ 90%。

图2 热带环境运行5年的绝缘子

经由5年的现场暴露后，在现场试验期间，虽然测试的复合绝缘子中没有一个闪络过，但表面产生了树状变色，这很可能是由某些放电活动引起的，如图2(a)所示。
此外，在绝缘子上创造了生物成长，如图2(b)、图2(c)所示。

文献研究解释微生物的附着和发展一样平常不会导致复合绝缘子橡胶外壳的性能严重低落，微生物成长彷佛对绝缘子性能没有影响。
但在中国西南部和南部的绝缘子和RTV涂层绝缘子上已经不雅观察到藻类，如图3所示，且研究结果表明，藻类增强了盐的分散性，降落了绝缘子的疏水性，只是当藻类覆盖率小于20%时，对绝缘子的影响是有限的。

图3 绿藻在运行的复合绝缘子伞裙上附生

2) 盐雾环境

文献利用盐雾仿照沿海地区含盐的高湿度环境，创造盐雾处理后样品的性能恶化。
盐雾处理的样品在电应力和热应力浸染下变得粗糙和多孔。
测试表明硅橡胶分子链断裂，填料被花费，降落了样品的耐电弧性。
吸湿性等物理化学性能的劣化会降落绝缘强度。
因此，在盐雾环境中，电导率较高的硅橡胶样品更随意马虎变质劣化，这表明盐雾加速了硅橡胶的老化。

3) 酸性环境

引起硅橡胶老化的其他酸性环境成分包括酸（盐酸外）、臭氧和氮氧化物，例如氮氧化物可接管水分转化为硝酸。
已有研究表明，绝缘子永劫光服役于强酸性环境，其表面会在酸的影响下被严重毁坏。
酸性物质会使硅橡胶主链上的极性Si-O键断裂，天生极性Si-OH键，下图为反应化学过程。
酸性环境下硅橡胶的老化反应与表面Si-C键和C-H键断裂不同，主链断裂天生的Si-OH键具有亲水性，会导致硅橡胶材料疏水性严重低落。

图4 由于酸和硅橡胶之间的反应而形成的Si–OH键

1.2 辐射、电应力环境

1)辐射环境

在辐射环境中暴露于伽马射线的聚合物质料有两种影响，第一种涉及键断裂，导致交联或分子量降落。
第二种涉及到含氧化合物的形成，特殊是材料在表面。
随着辐照剂量的增加，能量越大，氧化指数对交联的贡献越大，对聚合物的危害越大。
在沙特阿拉伯中部进行的实验也得出了类似的结论，那里的紫外线辐射水平很高。
此外，紫外线辐射可以加速小分子从硅橡胶本体向污染层表面的迁移，但污染和层厚度可以增加疏水性转移韶光。

目前普遍认为紫外线是影响高分子绝缘材料老化的紧张成分之一。
传输到地面的紫外线最短波长为290nm，能量为396.3kJ/mol。
只管此能量水平常日不敷以直接引发硅橡胶高分子主链的发生断裂，但在与其他不利成分协同浸染时，其对硅橡胶侧链上的甲基基团却能诱发氧化反应，进而匆匆成材料表面的老化进程。
如图5所示，紫外线浸染下，硅橡胶表层的C-Si键与C-H键可能遭受断裂，开释出具有较高活性的自由基。
这些自由基易于与大气中的氧气发生化学反应，于材料表面天生亲水性基团，并产生甲烷等气，长期下来导致硅橡胶发生不可逆的老化与降解。

图5 硅橡胶在紫外线照射浸染下的化学反应

2) 电应力环境

硅橡胶复合绝缘材料的运行环境条件常日还包括设备运行引起的强电场影响。
设备运行或故障引起的电晕或电弧放电会在绝缘材料表面产生带电离子和电子的冲击，可能会引起材料高分子主链断裂，分子发生解聚。
空气受电应力环境的影响，产生活性氧原子、臭氧、氮氧化合物等高氧化性物质，这导致绝缘子处于酸性环境中，引起分子链的断裂，造成材料劣化和性能低落。
因此，电应力对硅橡胶复合绝缘材料浸染的过程最为繁芜，同时发生物理和化学老化，显著影响硅橡胶的性能。
研究创造，随着电晕放电电压和暴露韶光的增加，复合绝缘子硅橡胶表面的疏水性恶化，且正极性比负极性电晕对老化的有害影响更大。
此外，很有趣的创造是，垂直风会加速硅橡胶的疏水性丢失，而平行风会抑制硅橡胶的疏水性丢失，风速越大，影响越大。

综上所述，引起复合绝缘子材料老化的三个紧张成分为物理老化、化学老化和电老化。
造成物理老化的成分包括紫外线照射和局部高温。
导致化学老化的成分包括酸碱、臭氧和氮氧化物。
电老化过程常日伴随着物理和化学老化，其老化效应更严重、更快。
聚合物绝缘体在高湿度下最随意马虎随着电晕放电而老化，尤其是在盐雾、酸性和强辐射环境中。
因此，在上述环境下，应更加重视聚合物绝缘子的在线监测，提高硅橡胶材料的抗老化性能。

2 复合绝缘子老化检测方法

2.1电参量检测方法

1)透露电流

透露电流的测试紧张集中于评价复合绝缘子腌臜程度的试验中，用以预防污闪。
目前还未有研究将透露电流用于绝缘子老化状态的评估，但是绝缘子老化会导致表面透露电流的幅值和谐波含量增加，后续研究可将透露电流参数用于绝缘子老化状态的评估。

2)闪络电压

复合绝缘子的闪络电压是评价其是否可以正常运行的主要指标，从电压形式上分为交直流闪络试验、雷电/操作冲击闪络试验，从运行环境上分为腌臜闪络试验、覆冰闪络试验、盐雾闪络试验等。

3)电导特性测试

材料的电导特性和空间电荷剖析已经用于绝缘材料的老化状态评估中。
目前有两种运用形式，一是根据材料在直流电下开始形成空间电荷时的场强，即电老化阈值，作为材料老化程度判据。
二是通过材料空间电荷的积聚及数量进行评估。

2.2 物理特色检测方法

物理特色检测方法紧张包括外不雅观描述、内外颜色比拟、疏水性测试、硬度测试等。

1)外不雅观描述

检讨绝缘子外不雅观描述特色，通过肉眼不雅观察复合绝缘子材料表面是否涌现脆化、裂纹、电蚀、粉化等征象，大致评估绝缘子老化状态。

2)内外色差

老化会导致表层颜色的变革，对复合绝缘子材料进行切片，比拟材料表面下2mm颜色比较表面颜色差异，根据履历评估材料老化程度。

3)疏水性

精良的疏水性能有助于抑制伞裙表面积聚的泄露电流，进而提升绝缘子防污闪能力。
根据IEC/TS 62073-2003可采取为静态打仗角法、表面张力法及HC喷水分级法对绝缘子表面疏水性进行评估。

4)硬度测试

对材料进行硬度测试能够在一定程度上揭示其力学特性。
复合绝缘子的硅橡胶材料在老化后机器性能随之也会发生变革，因此也可通过材料的硬度测试表征复合绝缘子的老化程度。

5)微不雅观图像

扫描电子显微镜（SEM）有助于直不雅观地探索聚合物绝缘子表面的微不雅观形态变革，并识别肉眼不易看到的毛病或变形，如粗糙度变革。
这有助于供应老化聚合物绝缘体微不雅观形态特性的总体概述，并确定实验室加速老化试验和实际样品的利用寿命是否具有可比性。

2.3 化学特色检测方法

1)傅里叶红外光谱测试剖析（FTIR）

傅里叶红外光谱可剖析材料表面官能团组成身分，可利用傅里叶红外光谱特性剖析高分子绝缘材料化学键或特色官能团(Si-O和Si-CH3)的特性及变革，从而剖析电力复合绝缘材料的老化特色及老化机理。

2)X射线光谱仪剖析(EDX)

EDX剖析用于得到硅橡胶材料的表面元素百分比。
随着老化的增加，Si和C的含量常日会降落，而氧的含量会增加，通过元素含量可以表征老化程度。

3)介电常数

介电常数是表征电场下电介质存储静电能的主要参数，还可以指示电介质的极化程度。
电介质的介电常数越小，其积蓄静电势能的能力相对越弱，这一特性从某种程度上表明该电介质具有更优的绝缘性能。
因此，宽带介电谱仪丈量的介电常数也可以作为表征聚合物绝缘体老化的参数。

4) 热剖析技能

此外，还利用了各种热剖析技能，包括差示扫描量热法（DSC）和热重剖析（TGA），来研究聚合物绝缘体中有机身分的转化。
根据参考文献中描述的试验结果，热剖析技能对聚合物绝缘子的性能评估具有主要代价。

综上所述，表征复合绝缘子老化的方法有很多，从技能手段上可分为两大类。
一种是非打仗表征方法。
运行中的绝缘子适用于非打仗式表征。
另一种是采集样本并将其送回实验室进行检测。
这种方法常日须要断电以及更多的韶光和人力资源。
此外，复合绝缘子具有疏水规复性。
当样品返回实验室时，其特性可能会发生变革。
因此，非打仗老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。

3 研究展望

据上述剖析，分外环境的复合绝缘子更易于老化，因此，本文以范例的热带海洋环境为例，阐述研究展望。
复合绝缘子在热带海洋环境下面临更严重的环境寻衅，高温、高湿、强光照环境下不仅会加速复合绝缘子的老化，引起复合绝缘子更快涌现粉化，还存在更严重的鸟粪污染、强风撕裂、绿藻附生、芯棒酥朽断裂问题。
因此，为了保障电网安全稳定运行，可根据热带海洋环境针对复合绝缘子的老化与故障失落效问题开展以下研究：

1）热带海洋环境下复合绝缘子环境失落效特性剖析

根据地方电网-海南电网历史运维数据，针对环境引起的复合绝缘子老化、失落效以及故障案例进行调研剖析，建立热带海洋环境下复合绝缘子的环境失落效数据库，提取引起复合绝缘子老化和环境失落效的关键成分及特色。

2）热带海洋环境下复合绝缘子状态评估方法研究(老化的在线检测)

根据热带环境下复合绝缘子的环境失落效特性，提取复合绝缘子老化特色，选取或开拓复合绝缘子老化评价装置或方法，对热带海洋环境下复合绝缘子老化状态进行评估。
根据前文剖析，应对可在线监测的非打仗老化表征方法重点研究。

3）热带海洋环境下环境监测系统(进行不同环境剩余寿命的预测)

根据热带环境下复合绝缘子的环境失落效特性，提取影响复合绝缘子老化的环境特色，开拓相应的综合环境监测设备，对复合绝缘子运用所在地进行环境监测，并建立不同环境下剩余寿命的预测模型，便于对在网复合绝缘子的老化状态进行评估。

4）综合老化加速试验方法开拓(分外环境的等效试验技能)

根据热带海洋环境下复合绝缘子的老化特色及机制，设计并开拓复合绝缘子5000h多成分加速老化试验。
对将运用在热带海洋地区的复合绝缘子的环境耐久性进行试验评估，补充分外环境的等效试验技能。

4 结论

面对分外环境下复合绝缘子突出的老化问题，本文从分外环境老化特性、老化检测方法方面进行了分类综述，并以范例的热带海洋环境为例，提出重点研究方向。

1) 剖析了分外环境下复合绝缘子老化特性的研究进展，复合绝缘子硅橡胶材料的老化可分为三种紧张类型：物理老化、化学老化和电学老化。
湿热、盐雾、酸性和强辐射环境等分外环境下，其老化问题十分突出，应看重提高分外环境下硅橡胶材料的抗老化性能。

2) 先容了现阶段复合绝缘子老化检测方法，从技能手段上可分为非打仗式表征和采集样本试验室表征两大类，考虑在线监测需求和复合绝缘子具有疏水规复性，提出非打仗老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。

3)针对综述结果以热带海洋环境为例提出今后的重点研究方向，分别为：热带海洋环境下复合绝缘子环境失落效特性剖析；复合绝缘子状态评估方法研究(老化的在线检测)；热带海洋环境下环境监测系统(进行不同环境剩余寿命的预测)；综合老化加速试验方法开拓(分外环境的等效试验技能)。

作者：刘鑫，容许，许雪冬，揭敢新

单位：1.中国电器科学研究院株式会社；2.工业产品环境适应性全国重点实验室；3.广东省高分子材料环境适应性评价与检测技能重点实验室

简介：刘鑫，高等工程师，紧张从事电工电子产品环境技能及标准化事情。

通讯作者：揭敢新，教授级高等工程师，紧张从事材料及产品环境适应性，长效服役及评价技能研究事情。

引用本文：刘鑫,容许,许雪冬,揭敢新.分外环境下复合绝缘子老化特性及检测方法研究进展[J].环境技能,2024,42(05):47-54.