陳騰彪,詹威鵬,崔伯男,趙偉利,胡力廣,羅智奕,姜泉旭,王 霞
(1. 廣東電網(wǎng)有限公司深圳供電局,廣東 深圳 518000;2. 西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)
電纜附件是電纜系統(tǒng)運(yùn)行中的最薄弱環(huán)節(jié),據(jù)統(tǒng)計(jì),超過(guò)70%的電纜故障源于電纜附件的絕緣破壞[1],因此提升電纜附件的可靠性具有重要意義。硅橡膠材料因其絕緣性能優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良等特點(diǎn),常用作電纜附件的絕緣材料,在電纜附件中得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。在電纜附件的實(shí)際安裝過(guò)程中,附件內(nèi)側(cè)與電纜絕緣接觸面會(huì)涂覆一層硅脂[5],硅脂具有優(yōu)良的耐高壓、防爬電、憎水防潮、潤(rùn)滑無(wú)腐蝕、抗氧化、化學(xué)穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性,涂覆硅脂可以提升安裝過(guò)程的潤(rùn)滑性,也可以提升附件界面處的絕緣性能[6-8]。
電纜附件在運(yùn)行過(guò)程中受到熱、電及機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)合作用,復(fù)合場(chǎng)作用會(huì)加速硅橡膠的老化[9]。附件界面處的硅脂對(duì)界面性能穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用,雖然界面涂覆硅脂可以提升附件界面擊穿電壓,但硅脂本身分子結(jié)構(gòu)與硅橡膠類(lèi)似,長(zhǎng)期與硅橡膠接觸易發(fā)生溶脹,破壞硅橡膠分子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致附件絕緣性能劣化[10-12]。目前針對(duì)電纜附件界面性能與涂覆硅脂對(duì)界面的影響已有一定研究,方春華等[13]建立電纜中間接頭三維有限元模型,研究了硅脂對(duì)雜質(zhì)缺陷電場(chǎng)的抑制作用,發(fā)現(xiàn)未涂抹硅脂、硅脂涂抹不均勻均會(huì)造成界面電場(chǎng)畸變嚴(yán)重;王霞等[14]選取了極性相近但分子基團(tuán)差異較大的兩種普通硅脂,并對(duì)涂覆這兩種硅脂的硅橡膠進(jìn)行老化處理,發(fā)現(xiàn)硅脂溶脹協(xié)同電暈老化破壞了硅脂與硅橡膠的表面形態(tài)與交聯(lián)結(jié)構(gòu),使硅橡膠的分子鏈斷裂更加嚴(yán)重;趙莉華等[15]研究了硅油/硅脂在硅橡膠內(nèi)分子動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型,認(rèn)為硅油/硅脂在硅橡膠內(nèi)擴(kuò)散遵循Langmuir 擴(kuò)散規(guī)律,隨著硅油/硅脂的黏度增大,吸收速率變慢;ZHU BIN 等[16]在研究硅脂溶脹后硅橡膠的力學(xué)性能時(shí)還考慮了硬度的因素,發(fā)現(xiàn)在溶脹過(guò)程中硅橡膠的硬度也顯著降低。
目前對(duì)附件界面的影響主要集中于電老化或熱老化下硅脂與硅橡膠性能的變化,而在電纜附件的制作與運(yùn)行過(guò)程中,環(huán)境中的水分容易進(jìn)入附件內(nèi)部,造成附件受潮,影響附件的運(yùn)行。目前研究缺乏考慮不同環(huán)境濕度對(duì)界面性能的影響。本文對(duì)涂覆硅脂的硅橡膠分別進(jìn)行靜置、潮濕、電暈及潮濕-電暈協(xié)同老化,研究潮濕環(huán)境下硅脂、硅橡膠及XLPE 介電性能的變化,通過(guò)對(duì)老化后硅橡膠進(jìn)行表面形態(tài)的觀察、硅橡膠紅外分析、力學(xué)性能及界面擊穿電壓的測(cè)量,分析潮濕環(huán)境下硅脂溶脹、硅橡膠性能劣化機(jī)理及界面性能的變化規(guī)律。
(2)SIR 試樣制備:選用深圳沃爾電纜附件廠(chǎng)提供的SIR 交聯(lián)料,使用平板硫化機(jī)在170℃、15 MPa條件下壓制成直徑為10 cm、厚度約為2 mm 的試樣。試樣高溫硫化后進(jìn)行冷卻。
(3)硅脂:選用中天科技提供的電纜附件安裝涂覆用電氣絕緣硅脂。
設(shè)置靜置老化、潮濕老化、電暈老化與潮濕-電暈協(xié)同老化各1組。
靜置老化:將涂覆硅脂的硅橡膠試樣放入溫度為25℃的烘箱。潮濕老化:將涂覆硅脂的硅橡膠試樣放入恒溫恒濕烘箱中,設(shè)置環(huán)境相對(duì)濕度為100%,溫度為25℃。電暈老化的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,實(shí)驗(yàn)時(shí)高壓銅電極接15 kV 交流高壓,位于銅電極下方的試樣暴露于電暈放電環(huán)境下進(jìn)行電暈老化。潮濕-電暈協(xié)同老化:將電暈老化裝置放入恒溫恒濕烘箱中進(jìn)行老化,控制環(huán)境相對(duì)濕度為100%,溫度為25℃。
圖1 電暈老化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device of corona ageing
上述所有老化實(shí)驗(yàn)控制相同老化時(shí)間,每次老化周期均為240 h。
1.3.1 潮濕環(huán)境吸水實(shí)驗(yàn)
另外,在選擇審計(jì)項(xiàng)目時(shí),不能只注重單個(gè)審計(jì)項(xiàng)目目標(biāo),忽視多個(gè)審計(jì)項(xiàng)目目標(biāo)的整體性,而應(yīng)先確定主要目標(biāo),然后圍繞主題,多角度地選擇若干同類(lèi)項(xiàng)目的子項(xiàng)目開(kāi)展審計(jì),以求找出共性、全局性的規(guī)律,在更廣泛的范圍內(nèi)提出審計(jì)建議,做到標(biāo)本兼治,在更高層面上發(fā)揮國(guó)家審計(jì)的“免疫系統(tǒng)”功能。
將涂覆硅脂的SIR試樣、硅脂試樣、未涂覆硅脂的SIR 試樣置于恒溫恒濕烘箱中,在常溫下控制環(huán)境相對(duì)濕度分別為20%、60%和100%,對(duì)硅脂、SIR與XLPE 試樣進(jìn)行長(zhǎng)期潮濕老化,每隔24 h 記錄一次3種試樣的質(zhì)量變化,計(jì)算試樣質(zhì)量變化率,共記錄15天。
1.3.2 試樣介電性能測(cè)試
將SIR試樣、XLPE試樣與硅脂試樣進(jìn)行潮濕老化后,設(shè)置20%、60%與100%相對(duì)濕度,測(cè)量硅脂、SIR 與XLPE 的相對(duì)介電常數(shù)與tanδ。其中SIR 與XLPE 利用西林電橋三電極系統(tǒng)測(cè)量,硅脂形態(tài)接近于液體,因此采用液體電極測(cè)量。
1.3.3 試樣顯微觀察
將不同老化處理后涂覆硅脂的SIR試樣放置于BX51-P偏光顯微鏡下觀察表面形態(tài)。
1.3.4 試樣紅外光譜分析
通過(guò)紅外光譜測(cè)試儀對(duì)不同老化處理后涂覆硅脂的SIR 試樣表面與擦除表面涂覆硅脂后的SIR試樣進(jìn)行測(cè)試。
1.3.5 老化試樣的力學(xué)性能測(cè)試
為了探究不同老化形式對(duì)涂覆硅脂SIR力學(xué)性能的影響,根據(jù)GB/T 1040.3—2006,對(duì)硅脂涂覆SIR 進(jìn)行不同老化處理后,將SIR 表面涂覆的硅脂擦去,試樣裁剪為標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形狀,采用CMT4503-5kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)。
1.3.6 SIR/XLPE復(fù)合界面擊穿測(cè)試
通過(guò)SIR/XLPE 復(fù)合界面擊穿實(shí)驗(yàn)研究不同老化形式下的界面擊穿特性,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。利用銅箔制作針、板電極,貼附于SIR 與XLPE 界面中,針板之間距離2 mm,針電極尖端夾角為30°。為模擬電纜附件實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中界面處的壓力,在針板電極之間的間隙施加0.1 MPa 的壓強(qiáng),每組實(shí)驗(yàn)至少獲得10組有效數(shù)據(jù),去掉最大值與最小值之后,經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到該條件下的界面擊穿電壓[17]。實(shí)驗(yàn)前對(duì)涂覆硅脂的SIR 試樣進(jìn)行老化,實(shí)驗(yàn)時(shí)再將XLPE與老化后的SIR試樣進(jìn)行組合。
圖2 界面擊穿實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Equipment of breakdown voltage at interface
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SIR 與XLPE 試樣在各種濕度環(huán)境中放置15 天后質(zhì)量變化率均未超過(guò)0.2%,且各種濕度下質(zhì)量變化率區(qū)別不明顯,因此認(rèn)為SIR與XLPE在潮濕環(huán)境中不吸水。圖3為不同濕度環(huán)境下硅脂質(zhì)量變化率。由圖3 可知,不同濕度環(huán)境下硅脂的質(zhì)量變化率差異明顯,隨著環(huán)境濕度的增加,硅脂的質(zhì)量變化率顯著上升,且硅脂的吸水存在飽和現(xiàn)象,當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到10天時(shí),硅脂的質(zhì)量趨于穩(wěn)定,不再發(fā)生變化,說(shuō)明潮濕環(huán)境中硅脂的吸水特性遠(yuǎn)大于SIR與XLPE。
圖3 不同濕度環(huán)境硅脂質(zhì)量變化率Fig.3 Mass change rate of silicone grease in different humidity environments
不同濕度老化下各試樣的介電性能如表1~2所示。
表1 不同濕度條件各試樣相對(duì)介電常數(shù)Tab.1 Relative permittivity of samples under different humidity conditions
由表1可以看出,XLPE、SIR的相對(duì)介電常數(shù)不隨環(huán)境濕度的變化而變化,而硅脂的相對(duì)介電常數(shù)隨著環(huán)境濕度的增加顯著升高。由表2 可以看出,環(huán)境濕度對(duì)XLPE、SIR 與硅脂的tanδ影響均較小,但硅脂的tanδ明顯高于XLPE與SIR。
表2 不同濕度條件各試樣的tanδTab.2 Tanδ of samples under different humidity conditions
未涂覆硅脂的硅橡膠表面與剛涂覆硅脂的硅橡膠表面微觀形態(tài)如圖4 所示。從圖4 可以看見(jiàn),硅橡膠本身表面存在較多的劃痕,顯微鏡下可以很清晰地區(qū)分硅脂與硅橡膠。在靜置老化條件下,涂覆硅脂的硅橡膠表面幾乎沒(méi)有變化。
圖4 硅橡膠表面微觀形態(tài)Fig4 Surface micromorphology of silicone rubber
潮濕老化、電暈老化、潮濕-電暈協(xié)同老化不同時(shí)間后的硅橡膠表面微觀形態(tài)如圖5~7所示。
圖5 涂覆硅脂硅橡膠潮濕老化表面微觀形態(tài)Fig.5 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after wet ageing
圖6 涂覆硅脂硅橡膠電暈老化表面微觀形態(tài)Fig.6 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after corona ageing
圖7 涂覆硅脂硅橡膠潮濕-電暈協(xié)同老化表面微觀形態(tài)Fig.7 Surface micromorphology of coated silicone grease silicone rubber after corona and wet ageing
從圖5~7可以看出,潮濕老化條件下硅脂可以完整地覆蓋硅橡膠表面,視野中沒(méi)有裸露的硅橡膠;電暈老化條件下,涂覆硅脂表面出現(xiàn)大量孔洞和明顯的電暈放電痕跡,涂覆硅脂顏色發(fā)黃,硅脂無(wú)法完全覆蓋硅橡膠,使硅橡膠直接暴露在電暈老化條件下;潮濕-電暈協(xié)同老化條件下,涂覆硅脂出現(xiàn)的孔洞數(shù)量更多、面積更大,存在電暈放電的痕跡,相較于電暈老化的結(jié)果,可以看出表面殘余的硅脂量更少,硅橡膠裸露的面積更大。由此可知潮濕環(huán)境單獨(dú)作用對(duì)硅脂的作用并不明顯,但環(huán)境濕度的增加將提升電暈老化對(duì)硅脂的破壞作用,加速涂覆硅脂硅橡膠的劣化。
圖8 為不同老化形式老化240 h 后硅橡膠的紅外光譜,圖9 為硅橡膠與硅脂的分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。從圖8 可以看出,伴隨著不同的老化形式,波數(shù)700 cm-1處的Si(CH3)3鍵吸光度上升,波數(shù)785 cm-1處的Si(CH3)2鍵、1 007 cm-1處的Si-O-Si 鍵與2 960 cm-1處的C-H 鍵吸光度下降,吸光度上升說(shuō)明檢測(cè)到硅橡膠中化學(xué)鍵物質(zhì)的量升高,反之下降,通過(guò)化學(xué)鍵物質(zhì)的量的變化可以表征硅橡膠中分子鏈破壞情況??梢钥闯龀睗?電暈協(xié)同老化對(duì)硅橡膠各主要基團(tuán)吸光度的影響最大,硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團(tuán)的裂解現(xiàn)象最嚴(yán)重,電暈老化次之,單一潮濕老化帶來(lái)的影響很小。
圖8 不同老化形式硅橡膠紅外光譜比較Fig.8 Comparison of infrared spectra of different ageing forms of silicone rubber
圖9 硅脂與硅橡膠的主鏈結(jié)構(gòu)Fig.9 Main chain structure of silicone grease and silicone rubber
圖10 為不同老化形式下涂覆硅脂硅橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度與彈性模量隨老化時(shí)間變化的關(guān)系。從圖10可以看出,對(duì)硅橡膠力學(xué)性能影響最大的老化方式為潮濕-電暈協(xié)同老化,電暈老化的單獨(dú)影響大于潮濕老化的影響。隨著老化時(shí)間的增加,硅橡膠試樣的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均有所降低,在潮濕-電暈協(xié)同老化作用下,硅橡膠的性能已經(jīng)低于國(guó)標(biāo)GB/T 11017.3—2002 規(guī)定的110 kV電纜附件硅橡膠斷裂伸長(zhǎng)率>450%、拉伸強(qiáng)度>5.0 MPa 的要求。電暈老化與潮濕-電暈協(xié)同老化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到240 h 時(shí),硅橡膠表面涂覆的硅脂出現(xiàn)龜裂的情況,使硅橡膠直接暴漏在電暈的環(huán)境中,硅橡膠表面出現(xiàn)樹(shù)枝狀裂痕,硅橡膠力學(xué)性能的劣化程度加劇。
圖10 不同老化形式下硅橡膠力學(xué)性能比較Fig.10 Comparison of mechanical properties of different ageing forms of silicone rubber
同種硅脂不同老化形式下老化240 h 后的SIR/XLPE 界面擊穿電壓如表4 所示。由表4 可知,未涂覆硅脂時(shí)的界面擊穿電壓為16.1 kV,涂覆硅脂后界面擊穿電壓提升到22.1 kV,可知界面處涂覆硅脂有助于提升界面擊穿電壓。靜置老化后,界面擊穿電壓幾乎不變,而潮濕老化后界面擊穿電壓降至16.8 kV,表明潮濕環(huán)境會(huì)明顯劣化界面耐壓水平。電暈老化后界面擊穿電壓也下降十分明顯。潮濕-電暈老化條件下,界面擊穿電壓低于未涂覆硅脂時(shí)的界面擊穿電壓,分析認(rèn)為長(zhǎng)期在潮濕電暈環(huán)境下運(yùn)行,界面處涂覆硅脂會(huì)失去其提升界面擊穿電壓的作用。比較不同老化形式下界面擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)差可知,潮濕-電暈協(xié)同老化的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于其他老化形式,意味著潮濕-電暈協(xié)同老化界面處耐壓水平最不均勻,發(fā)生擊穿時(shí)的擊穿電壓很可能低于測(cè)試結(jié)果。
表4 不同老化條件下SIR/XLPE界面擊穿電壓Tab.4 Interface breakdown voltage of SIR/XLPE under different ageing conditions
在潮濕環(huán)境中,水分子在SIR、XLPE 及硅脂中是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程,滿(mǎn)足Fick 擴(kuò)散模型[18]。在相同環(huán)境濕度下,硅脂的質(zhì)量變化率遠(yuǎn)大于SIR 與XLPE,說(shuō)明水分子更容易通過(guò)滲透作用進(jìn)入小分子結(jié)構(gòu)的硅脂中,并與硅脂內(nèi)部基團(tuán)結(jié)合,改變硅脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而水分子在高分子鏈的SIR 與XLPE 中擴(kuò)散困難,可以認(rèn)為XLPE、SIR 在潮濕環(huán)境中基本不吸水。由于水分子是極性分子,當(dāng)其擴(kuò)散到硅脂中時(shí),提高了硅脂的極性,繼而提升了硅脂的介電常數(shù)。潮濕環(huán)境通過(guò)改變附件界面處硅脂的性質(zhì)影響界面特性。
如圖9所示,硅脂與硅橡膠均以硅氧鍵為主鏈,側(cè)鏈上存在大量的Si(CH3)2、Si(CH3)3基團(tuán)分子結(jié)構(gòu),但硅橡膠為長(zhǎng)分子鏈,鏈長(zhǎng)n>5 000,而硅脂的鏈長(zhǎng)約為10[19-20]。硅脂與硅橡膠結(jié)構(gòu)類(lèi)似,相似結(jié)構(gòu)易發(fā)生相似相溶,小分子硅脂作為溶劑分子經(jīng)滲透作用進(jìn)入硅橡膠高分子鏈,發(fā)生溶脹作用,硅脂的溶脹作用破壞了硅橡膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過(guò)不同老化形式下紅外光譜結(jié)果可知,在潮濕環(huán)境下,硅脂溶脹更容易破壞硅橡膠側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)。潮濕老化形式下,硅橡膠中主鏈對(duì)應(yīng)基團(tuán)吸光度變化不明顯,而側(cè)鏈基團(tuán)吸光度出現(xiàn)了明顯的下降,這是因?yàn)镾i(CH3)2的極性大于Si-O-Si的極性,更易與極性增強(qiáng)的硅脂相作用。而在電暈老化及潮濕-電暈協(xié)同老化下,無(wú)論主鏈基團(tuán)還是側(cè)鏈基團(tuán),硅橡膠紅外光譜均出現(xiàn)顯著變化。電暈老化產(chǎn)生的電子能量最高為936 kJ/mol,遠(yuǎn)高于硅氧鍵的鍵能446 kJ/mol、Si(CH3)2中C-H 鍵的鍵能413 kJ/mol[21],將造成硅脂與硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團(tuán)的斷裂,反映在紅外光譜中表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)基團(tuán)吸光度的下降,包括Si(CH3)2、Si-O-Si 及C-H 鍵,側(cè)鏈大量Si(CH3)2的裂解導(dǎo)致出現(xiàn)了更多包含Si(CH3)3的短分子鏈,因此Si(CH3)3的吸光度上升。從硅橡膠表面結(jié)構(gòu)的觀察可知,電暈老化嚴(yán)重破壞了硅脂的結(jié)構(gòu),部分硅橡膠直接裸露于電暈放電環(huán)境中,進(jìn)一步加劇了硅橡膠的老化。潮濕-電暈協(xié)同老化下,硅脂吸水極性更強(qiáng),硅脂吸水加劇了硅脂的不均勻程度,更容易與硅橡膠發(fā)生溶脹作用,硅橡膠側(cè)鏈的破壞更加嚴(yán)重,Si(CH3)2濃度下降程度與Si(CH3)3濃度上升程度均更加明顯。潮濕-電暈協(xié)同老化下硅橡膠主鏈與側(cè)鏈基團(tuán)吸光度變化最為明顯,說(shuō)明潮濕-電暈協(xié)同老化對(duì)硅脂溶脹的影響最大,導(dǎo)致硅橡膠分子結(jié)構(gòu)的變化最明顯。
電暈老化作用于硅橡膠,既會(huì)產(chǎn)生高能帶電粒子作用于硅橡膠表面,表現(xiàn)為硅橡膠表面出現(xiàn)凹坑與裂紋,其能量高于硅橡膠基團(tuán)鍵能,導(dǎo)致硅橡膠分子鏈的斷裂,又會(huì)在環(huán)境中產(chǎn)生臭氧,對(duì)硅橡膠試樣產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。從偏光顯微照片可以看出,潮濕-電暈老化下的凹坑與裂紋比電暈老化更為明顯,證明在該老化條件下硅橡膠產(chǎn)生的破壞更為嚴(yán)重。同時(shí)由于硅脂的溶脹作用導(dǎo)致硅橡膠表面涂覆硅脂變干,潮濕-電暈老化下更多的硅橡膠直接暴露于電暈環(huán)境下,涂覆硅脂進(jìn)一步失去對(duì)硅橡膠的保護(hù)作用。潮濕-電暈的劣化作用表現(xiàn)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)與界面擊穿實(shí)驗(yàn)中其劣化程度最為嚴(yán)重。在界面擊穿實(shí)驗(yàn)中,由于潮濕-電暈協(xié)同老化下界面處硅脂類(lèi)似于工程液體,水分易于沿電場(chǎng)方向極化定向排列成雜質(zhì)小橋,高場(chǎng)強(qiáng)下水分汽化、氣泡擴(kuò)大,容易沿氣橋方向發(fā)生擊穿,進(jìn)一步導(dǎo)致界面擊穿電壓降低。
(1)潮濕環(huán)境對(duì)附件絕緣材料SIR 和電纜絕緣XLPE 的介電性能影響很小,對(duì)硅脂的性能影響明顯,高濕度環(huán)境主要通過(guò)影響界面處硅脂性能繼而影響界面性能。
(2)潮濕環(huán)境單獨(dú)作用對(duì)硅橡膠分子鏈破壞不明顯,但潮濕-電暈協(xié)同老化會(huì)加速硅脂的溶脹與對(duì)硅橡膠分子結(jié)構(gòu)的破壞,從而直接導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。
(3)潮濕環(huán)境下硅脂極性增加,界面擊穿電壓相對(duì)未涂覆硅脂時(shí)增加,潮濕-電暈協(xié)同老化由于界面硅脂極性增加與電暈破壞硅橡膠硅脂結(jié)構(gòu)的雙重作用,導(dǎo)致涂覆硅脂后界面擊穿電壓反而下降。