郝 永，李 巍

(華電內(nèi)蒙有限公司卓資發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布012300)

0 引言

由于復(fù)合絕緣子具有重量輕、防污閃、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在輸電線路上得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合絕緣子屬于聚合物材料，它們的性能在運(yùn)行過程中會(huì)隨著外界應(yīng)力和物理化學(xué)的作用而發(fā)生老化和劣化，如在電場(chǎng)、紫外輻射、濕度和溫度等環(huán)境下的傘裙和護(hù)套材料粉化、蝕損、憎水性和抗撕裂強(qiáng)度的降低。為了延長(zhǎng)復(fù)合絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，應(yīng)研究現(xiàn)場(chǎng)老化復(fù)合絕緣子的各項(xiàng)性能［1－5］。因此，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)老化的復(fù)合絕緣子進(jìn)行老化特征分析，分析導(dǎo)致老化的主要因素，為今后復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 絕緣子串的電場(chǎng)仿真計(jì)算

本文以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行老化的硅橡膠復(fù)合絕緣子作為研究對(duì)象。該絕緣子為1支500 kV棒形懸式復(fù)合絕緣子，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間10 a以上，當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境污穢等級(jí)為I級(jí)。絕緣子由67個(gè)等徑傘組成，全長(zhǎng)為3.9 m，每個(gè)傘的直徑為165 mm，相鄰傘的間距為34 mm，芯棒直徑為31 mm，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

首先，根據(jù)實(shí)際物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS電場(chǎng)建模仿真計(jì)算。由于建立模型時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不會(huì)對(duì)整體計(jì)算結(jié)果的精度造成很大影響，因此只建立該復(fù)合絕緣子的二維簡(jiǎn)化模型。表1為ANSYS建模計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)材料的參數(shù)設(shè)置，圖2為其整串絕緣子電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果。

表1 模型計(jì)算的參數(shù)

圖2 絕緣子串電場(chǎng)分布云圖

從圖2可以看出，高壓端部的金具處的尖端處存在較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，這是由于建模時(shí)采用尖角導(dǎo)致的，實(shí)際絕緣子串沒有過于明顯的尖端，故不會(huì)存在特別大的電場(chǎng)。對(duì)于傘裙和護(hù)套等硅橡膠材料而言，底部高壓端處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯比中部的電場(chǎng)強(qiáng)度要高，并且較高強(qiáng)度電場(chǎng)的范圍也比接地端處的要大。圖3為電場(chǎng)強(qiáng)度沿絕緣子串傘群中間位置的分布情況。

圖3 絕緣子串的電場(chǎng)分布

從圖3可以明顯看出，絕緣子串中部傘裙承受的電場(chǎng)最小。高壓端的電場(chǎng)強(qiáng)度較其它位置強(qiáng)。由于均壓環(huán)和金具的影響，最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于大概1、3號(hào)傘裙的附近。低壓端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度比中部高，在離低壓連接金具3、4個(gè)傘群距離的位置有1個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度極大值點(diǎn)，但它比高壓端低。

2 絕緣子傘裙的憎水性測(cè)量

良好的憎水性及憎水遷移性是復(fù)合絕緣子的優(yōu)良耐污閃性能的主要原因。憎水性的好壞直接影響現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障的大小。本文按照DL/T 846－2004《標(biāo)稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則》中的靜態(tài)接觸角法進(jìn)行復(fù)合絕緣子傘裙的憎水性測(cè)量。首先，將傘裙試片用無水乙醇清洗掉表面的污穢物，用自來水沖洗，干燥后置于防塵容器內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下至少保存24 h。然后，將測(cè)試樣品置于平臺(tái)上，用針管將水珠小心滴至試片上后利用照相機(jī)進(jìn)行照相，將獲取的水珠照片利用圖像處理軟件測(cè)量其水珠的接觸角。每片樣品測(cè)量10次，取平均得到該試樣的憎水性靜態(tài)接觸角。靜態(tài)接觸角越大則表明該材料的憎水性越好，其測(cè)量方法和結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖5的憎水性分布結(jié)果表明:復(fù)合絕緣子串的憎水性分布與電場(chǎng)分布的趨勢(shì)幾乎相反，即承受的電場(chǎng)強(qiáng)度越大，運(yùn)行多年后的憎水性越差。絕緣子串的中部位置由于電場(chǎng)強(qiáng)度較弱，其憎水性維持在一個(gè)較好的水平，平均靜態(tài)接觸角為141°，而靠近兩端的位置，特別是高壓端的下表面，水滴的靜態(tài)接觸角只有120°。并且同一處的傘裙的上下表面的憎水性也不一樣，平均而言，上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

3 絕緣子傘裙表面電鏡掃描(SEM)結(jié)果

觀察絕緣子的各個(gè)傘裙，發(fā)現(xiàn)各傘裙均出現(xiàn)了一定程度的劣化，表現(xiàn)為粉化和局部發(fā)黑，但是各個(gè)部位的傘裙的劣化程度不一致。其中靠近兩端的傘裙的表面發(fā)黑較嚴(yán)重，高壓端第一個(gè)傘裙表面幾乎全部變黑，而絕緣子串中部的傘裙只有靠近芯棒處的小部分有點(diǎn)發(fā)黑。將復(fù)合絕緣子串的傘裙的表面用無水乙醇擦洗過后發(fā)現(xiàn)除了1號(hào)傘裙和67號(hào)傘群(即最靠近兩端的傘群)保持原有的顏色外，其它傘裙表面呈現(xiàn)出一種粉狀的白化現(xiàn)象。將各傘裙進(jìn)行電鏡掃描觀察其微觀形貌，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 絕緣子串傘裙表面形貌

通過觀察放大1 000倍的絕緣子傘裙表面形貌可以看出，在各傘裙表面都存在有大量的孔洞。其中1號(hào)和4號(hào)傘裙表面可以看到約為10 μm寬度的裂痕和5 μm直徑的孔洞;10號(hào)傘裙表面也有明顯的裂痕，但是寬度只有3 μm左右，其上的孔洞較少，但有大量的突起物;34號(hào)傘裙的表面較為光滑，沒有裂紋，孔洞較少;58號(hào)和64號(hào)傘裙存在大量的直徑長(zhǎng)達(dá)10 μm的孔洞;67號(hào)傘裙上可以看到1條不明顯的小裂紋，同時(shí)存在直徑超過10 μm的孔洞。總體來說，靠近兩端的傘裙微觀表面越復(fù)雜，孔洞越多，裂痕越明顯，而高壓端的表面的劣化程度比低壓端表面嚴(yán)重。

4 結(jié)果分析

圖3、圖5和圖6表明，復(fù)合絕緣子的憎水性與該處承受的電場(chǎng)強(qiáng)度和表面形貌結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。硅橡膠復(fù)合絕緣子表面的憎水性取決于材料本身的非極性基團(tuán)和表面結(jié)構(gòu)。在下雨或者大霧等潮濕條件下，停留在絕緣子表面的水珠將引起局部電場(chǎng)的畸變，加大了局部的電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)局部電場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。在局部放電過程中，高能放電粒子不斷對(duì)復(fù)合絕緣子硅橡膠材料表面進(jìn)行轟擊，導(dǎo)致硅橡膠分子鏈斷裂，表面硅氧烷小分子流失，表面孔洞增加，從而導(dǎo)致硅橡膠材料的憎水性下降。由于硅橡膠材料憎水性的下降導(dǎo)致水滴容易在表面停留，從而導(dǎo)致電暈和局部放電產(chǎn)生，加速材料老化。同時(shí)，即使是在干燥沒有電暈的條件下，太陽光也會(huì)對(duì)復(fù)合絕緣子的老化產(chǎn)生一定的影響。一方面，太陽光中高能的紫外線能協(xié)同局部放電或者其它的老化因素一起，導(dǎo)致硅橡膠中分子斷鏈，加速絕緣子材料的老化。另一方面，適量的光線能夠給材料內(nèi)部的硅氧烷小分子向外遷移提供一定的能量，從而導(dǎo)致憎水遷移性和憎水性的恢復(fù)。而絕緣子傘群上表面受到太陽光照射的概率比下表面大，絕緣子傘裙上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

5 結(jié)論

1)硅橡膠材料復(fù)合絕緣子表面憎水性能隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大而減小。

2)潮濕條件下高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)由于局部電場(chǎng)畸變導(dǎo)致電暈或者局部放電現(xiàn)象是硅橡膠材料憎水性下降的主要原因。

3)太陽光能夠加速憎水性的恢復(fù)，其紫外線等高能射線在其它老化因素的共同作用下導(dǎo)致材料老化憎水性下降。

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