復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法研究綜述

黃成才，李永剛

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北省保定市071003)

復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法研究綜述

黃成才，李永剛

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北省保定市071003)

分析了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法的研究現(xiàn)狀，介紹了噴水分級(jí)法、靜態(tài)接觸角法、掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)法、泄漏電流測(cè)量法、粉化觀察法、硬度試驗(yàn)法、能譜分析法等7種常用老化評(píng)估方法的試驗(yàn)方法及優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了傅里葉紅外光譜分析法、紫外成像法、熱刺激電流(thermally stimulated current，TSC)法、核磁共振法等4種新方法的特點(diǎn)與缺陷，并給出了相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明：現(xiàn)有的復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法各有優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件，未來硅橡膠材料老化程度評(píng)估研究的主要方向或?qū)⒓性诨诳臻g電荷測(cè)量和電導(dǎo)電流測(cè)試方面。

復(fù)合絕緣子；老化評(píng)估；紅外光譜；紫外成像；空間電荷

0 引 言

復(fù)合絕緣子以其良好的憎水性及憎水遷移性在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，截止目前，我國(guó)110 kV及以上輸電線路掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子數(shù)量早已超過500萬(wàn)支[1-3]。據(jù)相關(guān)運(yùn)營(yíng)單位統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)行之初，復(fù)合絕緣子具有瓷和玻璃絕緣子無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，其老化問題也越發(fā)嚴(yán)重[4]。

導(dǎo)致復(fù)合絕緣子老化的因素主要有光老化、熱老化、電老化、環(huán)境及溫度老化等，老化的直接后果是使得復(fù)合絕緣子傘群表面的憎水性能下降，閃絡(luò)電壓降低、耐污閃能力下降。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)或更換老化嚴(yán)重的絕緣子，最終將導(dǎo)閃絡(luò)事故的發(fā)生，故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)行的復(fù)合絕緣子傘群及護(hù)套硅橡膠材料的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和檢測(cè)是輸電線路運(yùn)行部門密切關(guān)注的問題，也是提前發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子運(yùn)行隱患、杜絕事故發(fā)生的必要工作。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，老化狀態(tài)評(píng)估方法多種多樣，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，難以形成統(tǒng)一的老化指標(biāo)[5-7]。噴水分級(jí)法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其受主觀影響大，并且尚未獲得定量的憎水性級(jí)別與性能之間的關(guān)系，故憎水性測(cè)試不能準(zhǔn)確評(píng)估復(fù)合絕緣子老化狀況。本文對(duì)目前所有評(píng)估復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的方法進(jìn)行總結(jié)和分析，研究目前各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性，探究老化狀態(tài)評(píng)估未來可能的發(fā)展方向。

1 復(fù)合絕緣子老化評(píng)估方法的發(fā)展

1.1 已成形的老化評(píng)估方法

老化作為一個(gè)指標(biāo)，一個(gè)判據(jù)，反應(yīng)的是材料不可逆轉(zhuǎn)的劣化。復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的評(píng)估就是基于硅橡膠材料老化導(dǎo)致其內(nèi)、外特征的變化而進(jìn)行的。國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子的數(shù)據(jù)顯示，絕緣子硅橡膠老化主要表現(xiàn)在以下6方面：

(1)表面的憎水性下降、憎水性遷移時(shí)間變長(zhǎng)和恢復(fù)能力變差；

(2)表面出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；

(3)在重污染工廠周邊運(yùn)行的復(fù)合絕緣子，硅橡膠傘群材料及護(hù)套可能會(huì)發(fā)生電蝕損、漏電起痕等嚴(yán)重的老化狀況；

(4)硬度增加、抗撕裂能力變差；

(5)傘裙表面其它雜質(zhì)化學(xué)元素增多，硅橡膠化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞；

(6)表面粗糙、孔洞增多，材質(zhì)疏松[8-10]。

根據(jù)上述老化現(xiàn)象及其特點(diǎn)，形成了以下復(fù)合絕緣子老化評(píng)估方法：(1)通過噴水分級(jí)法(hydrophobicity class，HC)測(cè)量憎水性能，級(jí)別越高說明絕緣子老化程度越嚴(yán)重；(2)通過復(fù)合絕緣子的泄漏電流測(cè)量判斷硅橡膠的老化程度，泄漏電流越大說明憎水性被破壞越嚴(yán)重，老化程度越嚴(yán)重；(3)利用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察絕緣子表面的微觀鏡像，微觀表面孔洞、缺陷越多說明老化越嚴(yán)重；(4)通過能譜分析復(fù)合絕緣子各層面存在的化學(xué)元素，其他雜質(zhì)元素(尤其是金屬元素)含量越高說明老化越嚴(yán)重；(5)通過觀察表面粉化、測(cè)量硬度和抗拉能力等評(píng)估絕緣子老化狀態(tài)[11]。近年來，又有一些新的老化狀態(tài)評(píng)估方法誕生，如基于熱刺激電流(thermally stimulated current, TSC)的檢測(cè)法、傅里葉紅外光譜分析法(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、紫外成像老化檢測(cè)法、基于核磁共振的老化檢測(cè)法等也得到了較廣泛的應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

復(fù)合絕緣子的老化評(píng)估方法探究受到了國(guó)內(nèi)外研究工作者的大量關(guān)注。目前，老化狀態(tài)評(píng)估手段主要體現(xiàn)在以下3方面：一是利用復(fù)合絕緣子傘群及護(hù)套表面的狀態(tài)評(píng)估其老化狀態(tài)；二是在實(shí)驗(yàn)室采用常規(guī)的傘群表面測(cè)試手段評(píng)估其老化狀態(tài)，并探究各種因素對(duì)老化的作用機(jī)制以尋求遏制老化的方法；三是利用硅橡膠材料的空間電荷檢測(cè)及直流電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)對(duì)復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[12]。

文獻(xiàn)[13]對(duì)復(fù)合絕緣子傘群試樣進(jìn)行了電暈放電研究，試驗(yàn)時(shí)觀察到傘群表面有臭氧和硝酸產(chǎn)生，并伴有變色現(xiàn)象。文獻(xiàn)[14]利用FTIR研究硅橡膠材料PDMS時(shí)，把C=O鍵 (1735-1745 cm-1)和C-H鍵(1460 cm-1)的吸收峰比值作為材料的氧化系數(shù)，把填充物(1020 cm-1)與聚合物(2918 cm-1)的吸收峰比值作為材料的粉化系數(shù)，以此量化研究復(fù)合絕緣子的老化程度。文獻(xiàn)[15]根據(jù)IEEE和IEC規(guī)定，對(duì)輸電線路中常用的復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙試樣進(jìn)行了相關(guān)的老化試驗(yàn)，結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子硅橡膠傘群材料的老化狀況受紫外光照的影響很大。文獻(xiàn)[16]利用電聲脈沖法測(cè)量了聚合物材料中空間電荷的分布情況，探究了空間電荷用于評(píng)估絕緣材料老化程度的可行性，并研制了空間電荷測(cè)量裝置。研究表明，聚合物老化程度越嚴(yán)重，其短路空間電荷的總量越多，短路空間電荷總量能夠反映聚合物材料內(nèi)部陷阱的數(shù)量級(jí)分布，能夠用以評(píng)估硅橡膠復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)。文獻(xiàn)[17]通過電導(dǎo)電流試驗(yàn)探究了變壓器油與絕緣紙板的電導(dǎo)特性；文獻(xiàn)[18-19]利用電導(dǎo)電流測(cè)試探究了變頻電機(jī)用聚酰亞胺薄膜的老化特性，研究結(jié)果證明材料的電導(dǎo)電流特性可以用于評(píng)估材料的老化狀態(tài)，該方法有待于在硅橡膠復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估中得到應(yīng)用。

上述研究結(jié)果表明，對(duì)于復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的老化狀態(tài)評(píng)估方法的研究工作早期主要是基于絕緣子表面憎水性及微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行的，研究后期部分研究人員意識(shí)到空間電荷對(duì)電介質(zhì)的電導(dǎo)特性、擊穿及老化等方面有著重要影響，并將空間電荷技術(shù)引入了硅橡膠材料老化評(píng)估的研究中?；诠柘鹉z材料的直流電導(dǎo)特性評(píng)估復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)還有待于進(jìn)一步探究。

2 傳統(tǒng)的老化評(píng)估方法分析

常用的老化方法主要包括憎水性測(cè)試、泄漏電流法、SEM法、硬度測(cè)試及粉化觀察等幾種，表1給出了各種方法應(yīng)用于老化狀態(tài)評(píng)估的判據(jù)及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 HC分級(jí)法

HC分級(jí)法，用材料表面的憎水性等級(jí)來表示其憎水性好壞的方法，其將固體材料表面的憎水性能好壞分為7個(gè)等級(jí)，按照憎水性狀態(tài)分別表示為HC1 ～HC7，憎水性等級(jí)越低表示材料憎水性越好。通過目測(cè)觀察復(fù)合絕緣子表面水滴狀態(tài)來判斷憎水性級(jí)別。若噴水后絕緣子表面為細(xì)小水珠，形狀為分布均勻的規(guī)則圓球則說明憎水性等級(jí)低，憎水性好；反之，若表面為大片水膜、水漬清晰等情況則說明憎水性等級(jí)高，憎水性差。

表1 復(fù)合絕緣子老化評(píng)估方法匯總

HC分級(jí)法是最常用的判斷復(fù)合絕緣子老化的方法，尤其適合在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用，HC等級(jí)更是現(xiàn)場(chǎng)絕緣子是否需要清洗的直接判據(jù)。但是作為評(píng)估絕緣子老化的常用方法，精度無(wú)法保證，因?yàn)樵摲椒ㄊ峭ㄟ^目測(cè)觀察來判斷憎水性的，測(cè)量結(jié)果有很大的主觀因素。

2.2 靜態(tài)接觸角法

評(píng)估憎水性最準(zhǔn)確的方法就是測(cè)量水滴在絕緣子表面的靜態(tài)接觸角。一般情況下，接觸角大小為80°～120°，接觸角越大說明憎水性能越好。

接觸角是指水、空氣、材料交會(huì)處的傾斜角。憎水好的硅橡膠復(fù)合絕緣子表面結(jié)果完整，滴水后自然形成圓形水珠，這樣測(cè)量的靜態(tài)接觸角度數(shù)肯定比較大；反之，復(fù)合絕緣子發(fā)生老化后，滴水后表面形成的是各種水膜，那么水、空氣、硅橡膠之間夾角要明顯小于水珠與空氣、硅橡膠之間的夾角，也就是說老化后復(fù)合絕緣子的接觸角小。

傳統(tǒng)的接觸角測(cè)量是用量角器、顯微鏡或縮放照相機(jī)來測(cè)量。現(xiàn)代測(cè)量接觸角使用的是數(shù)字化接觸角測(cè)量?jī)x，利用數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)采集試驗(yàn)圖像，并自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行接觸角大小測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)通過數(shù)碼相機(jī)拍照，并將圖像傳入計(jì)算機(jī)軟件分析系統(tǒng)，再通過軟件計(jì)算得到試品接觸角的數(shù)值。圖1給出了利用美國(guó)科諾工業(yè)有限公司生產(chǎn)的SL 200 B型接觸角分析儀測(cè)量接觸角的效果圖。

靜態(tài)接觸角測(cè)量是最簡(jiǎn)單、最直接、最準(zhǔn)確的評(píng)估復(fù)合絕緣子老化的方法之一，得到了比較廣泛的應(yīng)用，接觸角也能準(zhǔn)確的反應(yīng)憎水性好壞，從而反應(yīng)復(fù)合絕緣子的老化程度。但是其對(duì)測(cè)量工具要求比較高、工序也比較麻煩，實(shí)現(xiàn)有一定難度。

圖1 靜態(tài)接觸角測(cè)量圖像

2.3 泄漏電流分析法

影響復(fù)合絕緣子性能的主要因素是憎水性的喪失與否，憎水性的破壞更是絕緣子老化的重要特征。憎水性破壞導(dǎo)致絕緣子泄漏電流增大，泄漏電流增大與放電又導(dǎo)致憎水性破壞加重，這樣形成了惡性循環(huán)，從而加速了復(fù)合絕緣子的老化。由于泄漏電流既反應(yīng)老化程度，又能加速老化，所以在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的研究工作中得到了廣泛的應(yīng)用。

泄漏電流大小可以直接判斷復(fù)合絕緣子表面的老化狀況，表面材質(zhì)疏松導(dǎo)致電阻率下降，從而泄漏電流增大，泄漏電流越大說明表面憎水性越差、老化越嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通常以泄漏電流最大幅值和其超過一定幅值的次數(shù)來判斷絕緣子的老化程度。

泄漏電流測(cè)量系統(tǒng)主要由電流傳感器、傳感器保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)分析軟件4個(gè)部分組成。工作時(shí)泄漏電流通過電流傳感器采樣，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和在線監(jiān)測(cè)。泄漏電流測(cè)量原理圖如圖2所示。

泄流電流分析法是最能說明復(fù)合絕緣子老化程度的方法，其結(jié)果精確、評(píng)估準(zhǔn)確，但其測(cè)量裝置比較復(fù)雜，成本高，不適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子進(jìn)行老化狀態(tài)評(píng)估。

圖2 泄漏電流測(cè)量原理圖

2.4 硬度試驗(yàn)

硅橡膠材料的老化還表現(xiàn)在硬度變硬，這是老化使高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的緣故，屬于硅橡膠內(nèi)部的化學(xué)老化。硅橡膠的化學(xué)鍵在光、熱、機(jī)械作用力等因素作用下，分子鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生大量的自由基，斷裂后的自由基再相互作用產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得材料變硬、變脆、伸長(zhǎng)率下降。因此硅橡膠硬度是衡量復(fù)合絕緣子老化程度的重要指標(biāo)。

2.5 粉化觀察

硅橡膠材料表面粉化也是其老化的重要特征，粉化觀察可以作為評(píng)估老化程度的輔助方法。但是該現(xiàn)象不太容易觀察，受天氣狀況(風(fēng)吹、雨水沖洗)影響比較大。

2.6 SEM分析法

SEM分析法是用來觀察硅橡膠傘裙表面微觀的一種高精度儀器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的幾千倍放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的表面狀況的微觀觀察。圖3給出了相關(guān)試品的SEM圖。

圖3 硅橡膠傘群的SEM圖像

絕緣子老化，表面硬度增加、粗糙、材質(zhì)疏松、有微孔、裂紋等，這些現(xiàn)象通過肉眼觀察很難察覺。通過掃面電鏡放大2 000倍后，物體的微觀鏡像就能很好的呈現(xiàn)，根據(jù)微觀狀況來判斷絕緣子是否發(fā)生了老化及老化的程度。表面微觀鏡像是判斷其老化與否的直接判據(jù)，SEM分析法是評(píng)估絕緣子老化程度必不可少的方法。

2.7 能譜分析

能譜分析是探究絕緣子表面、內(nèi)部的化學(xué)元素組成，從而探究表面積灰、污物、鹽分等在硅橡膠材料中的擴(kuò)散和遷移過程，通過元素組成來判別硅橡膠的老化程度。該方法測(cè)量結(jié)果精確，主要適用于因污穢物所導(dǎo)致的老化評(píng)估。

3 老化評(píng)估新技術(shù)

上述7種關(guān)于復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估的方法中最常用的是憎水性測(cè)試，噴水分級(jí)法在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估中得到了廣泛的應(yīng)用。就噴水分級(jí)法而言，其是一種基于肉眼觀察并具有很大主觀性方法，其對(duì)憎水性的測(cè)試結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，而且當(dāng)復(fù)合絕緣子表面發(fā)生粉化時(shí)干擾HC分級(jí)法的測(cè)量。同時(shí)有關(guān)研究證明，硅橡膠材料的憎水性不是由其老化狀態(tài)單獨(dú)決定的，它還與天氣狀況、環(huán)境條件等因素有關(guān)。所以探究新的絕緣子老化評(píng)估方法十分必要。

3.1 TSC測(cè)試

(1)工作原理。硅橡膠的老化導(dǎo)致大量分子鍵的斷裂，從而產(chǎn)生大量的自由基和離子，繼而導(dǎo)致硅橡膠內(nèi)部陷阱密度的增加。在極化電壓和加熱條件下，產(chǎn)生大量的載流子(內(nèi)部激發(fā)和電極注入的)，在加熱條件下，內(nèi)部載流子加速運(yùn)動(dòng)，從而使得所測(cè)得熱刺激電流加大。

(2)測(cè)量方法。TSC的基本測(cè)試方法是將試樣加熱到一定溫度，然后在該溫度下對(duì)其施加一個(gè)直流的極化電壓，并保持一段時(shí)間，隨后立即降溫至較低溫度，使各類載流子凍結(jié)，撤除直流極化電壓，然后對(duì)試樣進(jìn)行升溫，測(cè)量試樣兩端的短路電流。該電流與溫度的關(guān)系曲線(I-T)即為試品的TSC曲線,TSC試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 TSC試驗(yàn)系統(tǒng)圖

參數(shù)的確定是測(cè)量的最重要步驟。通過一系列的研究給出以下試驗(yàn)參數(shù)范圍：極化電壓為8.3～10 kV，極化溫度為47～57 ℃，極化時(shí)間不少于20 min，降溫速率應(yīng)大于升溫速率[20-21]。

(3)優(yōu)缺點(diǎn)分析。相對(duì)于憎水性測(cè)試及其它老化評(píng)估方法，TSC測(cè)試結(jié)果能夠更為準(zhǔn)確地評(píng)估復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙材料的老化狀況。但是目前該方法的研究結(jié)果具有一定的狹隘性，還需要收集更多的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試樣進(jìn)行研究，使基于TSC測(cè)量的老化評(píng)估方法得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 Fourier紅外光譜分析

(1)工作原理。硅橡膠是以高分子聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基體，與多種填充料按照一定比例進(jìn)行填充、混煉后經(jīng)過高溫加壓硫化后而成的。聚二甲基硅氧烷主要由Si—O—Si，Si—CH3及甲基—CH3基團(tuán)組成，其中Si—CH3及—CH3為硅橡膠復(fù)合絕緣子的憎水性基團(tuán)，其分子結(jié)構(gòu)式如圖5所示。

圖5 聚二甲基硅氧烷分子式

研究表明當(dāng)硅橡膠復(fù)合絕緣子老化后，其表面的憎水性部分喪失，使得Si—O,Si—C，C—H鍵發(fā)生斷裂而減少，憎水性能下降[22-23]。傅里葉紅外光譜分析就是研究老化前后憎水性基團(tuán)Si—CH3及—CH3的變化情況，根據(jù)其含量判定復(fù)合絕緣子的老化程度。

(2)測(cè)量方法。從試驗(yàn)絕緣子的傘群切下硅橡膠片作為試品，用酒精擦拭干凈，干燥后放入紅外光譜分析儀，從計(jì)算機(jī)上記錄波形及數(shù)據(jù)。

(3)優(yōu)缺點(diǎn)分析。傅里葉紅外光譜分析能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子的憎水性基團(tuán)Si—CH3及—CH3進(jìn)行準(zhǔn)確的定量研究，準(zhǔn)確地判定復(fù)合絕緣子的憎水性能，從而判定老化程度。圖6是紅外光譜分析結(jié)果圖，從圖上可以清晰的看出試品表面的憎水性基團(tuán)明顯低于中心層，說明試品表面的老化程度更為嚴(yán)重。

3.3 紫外成像分析

紫外成像采用紫外成像相機(jī)對(duì)加壓的復(fù)合絕緣子進(jìn)行拍照，若硅橡膠材料出現(xiàn)老化及破損狀況，破損點(diǎn)必然會(huì)出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就會(huì)被紫外成像相機(jī)觀察到。圖7是紫外成像圖，此次試品芯棒護(hù)套損壞，加壓到一定數(shù)值時(shí)即可發(fā)現(xiàn)損壞部位。紫外成像能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出試品的損壞部位，但不能夠?qū)崿F(xiàn)定量研究。鑒于它是在運(yùn)行電壓下進(jìn)行的檢測(cè)，故今后在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合絕緣子狀態(tài)的檢測(cè)及評(píng)估中具有很大的利用價(jià)值。

圖6 試品紅外光譜分析結(jié)果

圖7 試品紫外成像結(jié)果

3.4 核磁共振

由于復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期在電暈、臭氧、強(qiáng)紫外線等惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，其硅橡膠材料分子主鏈上的Si—O 鍵的鍵能會(huì)明顯的衰減，甚至發(fā)生斷裂情況，導(dǎo)致材料老化。當(dāng)Si—O鍵的鍵能發(fā)生減弱時(shí)，為達(dá)到平衡Si原子鍵能的目的，Si原子對(duì)應(yīng)側(cè)鏈上的甲基或乙烯基基團(tuán)間的鍵能也會(huì)隨之變化，基團(tuán)中H原子狀態(tài)會(huì)受其影響而變化。故復(fù)合絕緣子用硅橡膠分子式中的H原子數(shù)量變化與其老化狀態(tài)的變化相互對(duì)應(yīng)，探究其材料分子式中H原子的變化狀況可以反映復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)。

核磁共振原理是利用基團(tuán)中H原子核的磁共振特性，探究硅橡膠材料中H原子核的性質(zhì)及其狀態(tài)，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[24]。因此，利用材料中H原子的核磁共振對(duì)硅橡膠復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，可直接反映硅橡膠中H原子含量及H原子狀態(tài)的變化，從而準(zhǔn)確地反映復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)。

4 復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估的發(fā)展方向

基于空間電荷和直流電導(dǎo)聯(lián)合測(cè)試技術(shù)或?qū)⒊蔀閺?fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法在未來的主要發(fā)展方向。該方法是基于老化導(dǎo)致硅橡膠材料內(nèi)部產(chǎn)生陷阱的原理展開工作的，它實(shí)際反映的是材料內(nèi)部的陷阱數(shù)量及分布。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中，由于受到紫外照射、酸堿性物質(zhì)腐蝕、強(qiáng)電場(chǎng)、沿面放電等影響，其硅橡膠材料會(huì)發(fā)生氧化、降解等反應(yīng)，導(dǎo)致大量的分子鍵斷裂，使得微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、裂縫等現(xiàn)象，形成大量的陷阱，這些陷阱會(huì)捕獲流經(jīng)材料的載流子，從而形成空間電荷，故根據(jù)硅橡膠材料內(nèi)部的空間電荷數(shù)量及分布可以一定程度上判斷其老化狀態(tài)[25-26]。

電導(dǎo)電流測(cè)試是在空間電荷分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析復(fù)合絕緣子材料老化的方法。其工作原理在于：材料的電導(dǎo)電流在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下根據(jù)其所承受電壓大小可分為歐姆區(qū)、空間電荷限制電流區(qū)和陷阱充滿區(qū)3段，低電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的電流-電壓特性符合歐姆定律，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值UΩ時(shí)，開始出現(xiàn)空間電荷的大量積累，使得流過絕緣介質(zhì)的電流由歐姆電流區(qū)(I區(qū))向空間電荷限制電流區(qū)( II 區(qū))轉(zhuǎn)變[27-30]。隨著施加在電介質(zhì)上的電壓不斷增加，注入的電荷量不斷增多，材料中的陷阱逐漸被填滿，當(dāng)電壓達(dá)到Um時(shí)，陷阱被填滿，進(jìn)入到陷阱從滿的空間電荷限制電流區(qū)( III 區(qū))。圖8給出了電導(dǎo)電流隨所加電壓的變化情況。

圖8 電導(dǎo)電流隨電壓的變化情況

I區(qū) 和 II區(qū) 的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓UΩ(或場(chǎng)強(qiáng)EΩ) 被稱為絕緣材料的電老化閾值，意味著從此場(chǎng)強(qiáng)開始，材料中開始出現(xiàn)積聚的空間電荷。 硅橡膠材料的老化，使得絕緣材料中的陷阱密度增大，而陷阱密度與空間電荷分布、陷阱載流子密度及電老化閾值有一定的關(guān)系。陷阱密度的增加會(huì)使得空間電荷更容易積累，從而導(dǎo)致電介質(zhì)電老化閾值UΩ降低，故利用電老化閾值UΩ這一新判據(jù)可以來評(píng)估復(fù)合絕緣子的老化程度[31-33]。

利用材料的空間電荷特性及電導(dǎo)電流特性評(píng)估絕緣材料的老化已經(jīng)在聚乙烯(XLPE)、變頻電機(jī)用聚酰亞胺中得到相應(yīng)的應(yīng)用，空間電荷特性在絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估中也得到了初步的應(yīng)用，且評(píng)估效果良好[34-36]。基于空間電荷和直流電導(dǎo)聯(lián)合測(cè)試技術(shù)必然會(huì)成為未來復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估研究的新方向。

5 結(jié)論與展望

全面總結(jié)了復(fù)合絕緣子老化評(píng)估的基本方法和新方法，闡述了各種老化狀態(tài)評(píng)估方法的適用途徑、優(yōu)缺點(diǎn)及試驗(yàn)方法，給出了部分方法在實(shí)際評(píng)估應(yīng)用中的試驗(yàn)結(jié)果，為復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)的評(píng)估方法選擇提供了良好的依據(jù)，有一定的工程參考價(jià)值。

我國(guó)曾經(jīng)經(jīng)歷過數(shù)次大規(guī)模絕緣子污閃事故，復(fù)合絕緣子因其具有良好的抗污閃能力在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其老化問題也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了威脅與挑戰(zhàn)。因此，一種好的老化狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)絕緣子的穩(wěn)定運(yùn)行乃至電力系統(tǒng)的安全都具有非常重要的意義。

目前，關(guān)于復(fù)合絕緣子現(xiàn)有的老化狀態(tài)評(píng)估方法，每種方法都有其適應(yīng)條件及優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際能夠被廣泛應(yīng)用的方法并不多，對(duì)復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估還應(yīng)進(jìn)一步探究新方法。現(xiàn)有的老化評(píng)估方法多是基于材料的表面狀態(tài)或傘群表面測(cè)試進(jìn)行的，深入硅橡膠材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的老化評(píng)估方法較少。空間電荷測(cè)量和電導(dǎo)電流測(cè)試技術(shù)是在老化導(dǎo)致陷阱產(chǎn)生的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，能夠與絕緣材料的老化緊密的聯(lián)系起來，今后必將成為硅橡膠復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法的主要研究方向之一。

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(編輯：張小飛)

AReviewofAgingEvaluationMethodsforCompositeInsulators

HUANG Chengcai, LI Yonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

This paper analyzed the research status of aging evaluation for composite insulators at home and abroad; introduced seven kinds of commonly used aging evaluation methods and their advantages and disadvantages: hydrophobicity classification method, static contact angle method, scanning electron microscope (SEM) method, leakage current measurement method, chalking observation method, hardness test method and energy spectrum analysis method; mainly analyzed the characteristics and defects of four new method: Fourier transform infrared spectroscopy analysis method, ultraviolet imaging method, thermally stimulated current (TSC) method and nuclear magnetic resonance method, and presented relevant experiment results. The results show that: all the aging evaluation methods of composite insulators have their advantages, disadvantages and applicable conditions; the methods based on space charge test and conduction current test will become the main research direction of the aging evaluation for silicone rubber material in the future.

composite insulators; aging evaluation; infrared spectroscopy; ultraviolet imaging; space charge

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(13MS71)。

TM 216

： A

： 1000-7229(2014)09-0028-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.006

2014-06-27

：2014-07-21

黃成才(1989)，男，碩士研究生，主要從事高電壓技術(shù)、復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方面的研究工作，E-mail: jshchengcai@163.com；

李永剛(1967)，男，博士，教授，主要從事大型電機(jī)在線診斷與在線監(jiān)測(cè)工作。