基于電導(dǎo)電流測(cè)試的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘群材料老化特性分析

黃成才李永剛汪佛池張志猛

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 保定 071003 2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院 石家莊 050000）

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基于電導(dǎo)電流測(cè)試的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘群材料老化特性分析

黃成才1李永剛1汪佛池1張志猛2

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 保定 071003 2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院 石家莊 050000）

摘要為利用電導(dǎo)電流測(cè)試手段探究復(fù)合絕緣子傘群材料的老化特性，以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究。通過(guò)電導(dǎo)電流測(cè)試得到相關(guān)試樣的電老化閾值，探究了傘群位置、運(yùn)行年限、環(huán)境污穢及運(yùn)行電壓等級(jí)等因素對(duì)硅橡膠材料電導(dǎo)電流特性的影響規(guī)律，并利用傅里葉紅外光譜技術(shù)分析了相關(guān)基團(tuán)的變化情況。試驗(yàn)表明，絕緣子串上場(chǎng)強(qiáng)分布高的位置、運(yùn)行年限較長(zhǎng)的絕緣子及運(yùn)行地區(qū)環(huán)境污穢嚴(yán)重的絕緣子，其傘群材料的電老化閾值較低、電導(dǎo)電流較大且內(nèi)部陷阱數(shù)量較多；運(yùn)行電壓等級(jí)對(duì)絕緣子老化程度的影響較小。利用電老化閾值評(píng)估傘群試樣的老化狀態(tài)與傅里葉紅外光譜分析結(jié)果具有高度的一致性，表明通過(guò)硅橡膠傘群材料的電導(dǎo)電流測(cè)試得到的電老化閾值，可以反映復(fù)合絕緣子傘群材料的老化特性。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)電流 電老化閾值 硅橡膠 復(fù)合絕緣子 老化特性 陷阱

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51207055）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金重點(diǎn)項(xiàng)目（13MS71）資助。

0 引言

硅橡膠復(fù)合絕緣子因其自身具有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，目前我國(guó)110kV及以上輸電線路中掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子數(shù)量早已超過(guò)500萬(wàn)支[1-3]。但是作為有機(jī)合成材料，硅橡膠傘群也面臨著不可回避的老化問(wèn)題，老化會(huì)在一定程度上影響絕緣子的運(yùn)行性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)閃絡(luò)、掉串等故障，給電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成了一定的安全隱患[4,5]。因此，對(duì)復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)評(píng)估及老化后的機(jī)電性能研究受到了廣泛的關(guān)注。

目前，對(duì)硅橡膠材料老化狀態(tài)的評(píng)估已形成了多種方法，傳統(tǒng)的有憎水性測(cè)試、表面微觀觀察、掃描電鏡和泄漏電流測(cè)量等，這些方法測(cè)量誤差較大，并且只能作一般的定性研究；隨著科技的發(fā)展，F(xiàn)ourier紅外光譜分析、紫外成像也得到了較為廣泛的應(yīng)用，但因其成本高，在實(shí)際運(yùn)用中很難普及[6,7]。因此，探究一種新的硅橡膠復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估方法還是有必要的?；陔妼?dǎo)電流和空間電荷測(cè)試的老化狀態(tài)評(píng)估方法已經(jīng)被初步應(yīng)用于電纜用聚乙烯（XLPE）、變壓器油及變頻電機(jī)內(nèi)絕緣聚酰亞胺的老化狀態(tài)評(píng)估[8]，但其在硅橡膠材料老化狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用目前還沒(méi)有報(bào)道，本文對(duì)此進(jìn)行了必要的研究工作。

由于聚合物的制造、加工過(guò)程及其自身的結(jié)構(gòu)特征，在聚合物中總是存在大量的局域態(tài)，這些局域態(tài)能夠俘獲流經(jīng)材料的載流子，形成空間電荷，其作用類(lèi)似于陷阱，故又稱(chēng)為陷阱。對(duì)于復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致其產(chǎn)生陷阱的因素有兩點(diǎn)：①由于生產(chǎn)、加工過(guò)程中制作工藝不合格而造成的硅橡膠材料的先天性缺陷；②由于硅橡膠材料在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的老化，使得大分子化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生大量自由基，從而增大陷阱密度[9]。陷阱密度與絕緣材料的老化程度有著必然的相關(guān)性，硅橡膠的老化，使得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)加速空間電荷的積累，從而導(dǎo)致電老化閾值降低[10,11]。鑒于絕緣材料的電老化閾值及陷阱載流子密度可以反映材料中的陷阱密度及深度，故可以通過(guò)電老化閾值評(píng)估硅橡膠傘群材料的老化狀態(tài)和探究其老化特性。

本文以現(xiàn)場(chǎng)不同運(yùn)行年限、不同電壓等級(jí)的復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，分析了運(yùn)行年限、污穢等級(jí)和傘群位置等因素對(duì)硅橡膠材料電導(dǎo)電流特性的影響，結(jié)果基本證明了通過(guò)電導(dǎo)電流測(cè)試得到試樣的電老化閾值能夠正確反映硅橡膠復(fù)合絕緣子傘群材料的老化特性。

1 電導(dǎo)電流理論

電導(dǎo)電流能夠反映載流子運(yùn)輸過(guò)程的許多微觀特性，如載流子的注入、電荷的入陷和脫陷、電導(dǎo)機(jī)制、陷阱載流子密度和電老化閾值等，被廣泛應(yīng)用于研究半導(dǎo)體和電介質(zhì)材料的電荷及載流子運(yùn)輸過(guò)程[12]。電介質(zhì)的電導(dǎo)電流隨著所加電壓的大小而變化，根據(jù)加壓的大小可分為歐姆區(qū)、空間電荷限制電流區(qū)和陷阱充滿(mǎn)區(qū)三段，圖1給出了電導(dǎo)電流隨所加電壓的變化情況。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)，注入的載流子濃度增大，出現(xiàn)了空間電荷的大量積累，引起空間電荷限制電流，使得流過(guò)電介質(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。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(mǎn)，當(dāng)電壓達(dá)到Um時(shí)，陷阱被填滿(mǎn)，進(jìn)入到陷阱充滿(mǎn)的空間電荷限制電流區(qū)（Ⅲ區(qū)）。

圖1　電導(dǎo)電流隨電壓的變化情況Fig.1 Conduction current changes with voltage

Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓UΩ（或場(chǎng)強(qiáng)EΩ）被稱(chēng)為絕緣材料的電老化閾值，意味著從此場(chǎng)強(qiáng)開(kāi)始，材料中開(kāi)始出現(xiàn)積聚的空間電荷，空間電荷的出現(xiàn)說(shuō)明材料內(nèi)部含有陷阱和缺陷[13]。因此，絕緣材料的電老化閾值越低，其越容易積聚空間電荷、內(nèi)部的陷阱數(shù)量越多且老化狀態(tài)越嚴(yán)重。

空間電荷限制電流由絕緣體中的空間電荷引起，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，可得到空間電荷限制電流的密度J及電老化閾值的計(jì)算公式為

式中，εr為相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；U為外施電壓；u為載流子遷移率；d為硅橡膠試樣厚度；θ為陷阱控制參數(shù)（自由載流子密度與總載流子密度之比），，n為自由載流子密度，nt為受俘獲載流子密度；e為電子常數(shù)。由于n＜＜nt，故可認(rèn)為則nt可表示為

對(duì)式（1）取對(duì)數(shù)可得

從式（4）可以看出，對(duì)于空間電荷限制電流模型來(lái)講，電流密度和外施電壓在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈斜率為2的線性關(guān)系。

2 試樣及試驗(yàn)方法

2.1 試樣的制備

試驗(yàn)選用同一廠家生產(chǎn)的三支110kV、兩支220kV復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，三支110kV試品標(biāo)號(hào)分別為A、B和C，其中試品C運(yùn)行于礦場(chǎng)附近，運(yùn)行地區(qū)污染嚴(yán)重；兩支220kV試品標(biāo)號(hào)分別為D、E。為了比較同一試品不同傘群位置的硅橡膠材料電導(dǎo)電流特性，每串絕緣子分別取其桿塔側(cè)、中間側(cè)和導(dǎo)線側(cè)各一片傘群進(jìn)行試驗(yàn)，各傘群試樣編號(hào)見(jiàn)表1。

表1　傘裙試樣編號(hào)及其運(yùn)行狀況Tab.1 Sample number and parameters

從選取的傘裙試樣上用打孔器取下直徑為25mm的切片，再將試樣厚度精密加工至0.5mm，把加工好的試樣用無(wú)水酒精清洗，并放置干燥數(shù)小時(shí)。干燥后，利用SBC—12離子濺射儀在試樣表面蒸鍍直徑為10mm的金膜作為試驗(yàn)電極，用以改善試樣與電極的接觸性能。

2.2 試驗(yàn)電極

測(cè)量電極采用的是標(biāo)準(zhǔn)圓柱形電極，上電極直徑為10mm，高40mm；下電極直徑20mm，高30mm；上、下電極的圓弧倒角分別為1mm和2mm。為了防止硅橡膠薄片在高場(chǎng)強(qiáng)試驗(yàn)條件下發(fā)生沿面氣隙擊穿而中斷試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將測(cè)量電極放入絕緣性能良好的硅油介質(zhì)中。

2.3 電導(dǎo)電流測(cè)量系統(tǒng)

電導(dǎo)電流測(cè)量裝置由負(fù)極性高壓直流電源、保護(hù)電阻、ZC—36型高阻計(jì)和PC40B絕緣測(cè)試電極箱組成。高壓直流電源能夠?qū)崿F(xiàn)0～50kV范圍的調(diào)壓，ZC—36型高阻計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)微電流的采集（準(zhǔn)確度達(dá)到10-14A），電極箱有恒溫、控濕和屏蔽外界干擾的作用。電導(dǎo)電流測(cè)量裝置如圖2所示。

圖2　電導(dǎo)電流測(cè)量裝置Fig.2 Configuration of conduction current measurement system

電流測(cè)量過(guò)程中，在恒定電壓作用下，施加電流初期流經(jīng)被測(cè)樣品的電流由三部分組成，即由松弛極化引起的松弛電流、由位移極化引起的瞬時(shí)電流和電導(dǎo)電流，隨著加壓時(shí)間的增加，流經(jīng)被測(cè)試樣的電流從大到小變化，最后趨于穩(wěn)定到一個(gè)固定值，即電導(dǎo)電流[14]。標(biāo)準(zhǔn)IEC 60247和IEC 61620也指出：在直流電壓下測(cè)量流經(jīng)絕緣體電流時(shí)，由于空間電荷向兩極的遷移作用，流經(jīng)試品的電流將會(huì)逐漸減小到一極限值。在本文測(cè)量硅橡膠材料的電導(dǎo)電流時(shí)，試品的電導(dǎo)電流經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才會(huì)穩(wěn)定。圖3給出了硅橡膠傘群試品電導(dǎo)電流在一定時(shí)間內(nèi)的變化曲線，結(jié)果表明，試品中的電導(dǎo)電流在2min后趨于穩(wěn)定，故在本文試驗(yàn)中電導(dǎo)電流取值均在3min時(shí)刻。

2.4 Fourier紅外光譜分析

鑒于傅里葉紅外光譜技術(shù)（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR）能夠定量分析硅橡膠材料中各基團(tuán)的含量，準(zhǔn)確地反映復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)，本文對(duì)所有傘群試樣進(jìn)行了FTIR分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證電導(dǎo)電流測(cè)試在硅橡膠復(fù)合絕緣子老化特性研究中的可行性。傘群試樣經(jīng)電導(dǎo)電流試驗(yàn)后，用無(wú)水酒精再次清洗，并干燥數(shù)小時(shí)；從干燥后的試樣上切取0.5cm2的薄片，利用美國(guó)賽默飛世爾公司Nicolet Is5傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試。

圖3　硅橡膠材料電導(dǎo)電流隨加壓時(shí)間的變化關(guān)系曲線Fig.3 The temporal variations of conduction current of silicone rubber materials

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4給出了A、D兩串絕緣子不同軸向位置的傘群試樣電導(dǎo)電流隨場(chǎng)強(qiáng)的變化關(guān)系，由圖4可知，各串絕緣子不同軸向位置傘群材料的電老化閾值有著相同的變化規(guī)律，即電老化閾值大小呈現(xiàn)導(dǎo)線側(cè)＜桿塔側(cè)＜軸向中點(diǎn)處，說(shuō)明導(dǎo)線側(cè)傘群硅橡膠材料內(nèi)部缺陷明顯多于桿塔側(cè)和軸向中點(diǎn)處傘群，更易積聚空間電荷，意味著老化程度也最嚴(yán)重。結(jié)果顯示，電老化閾值的測(cè)量結(jié)果能夠反映整串絕緣子傘群老化的特征。

圖4　試品A、D不同軸向位置處傘群材料的電導(dǎo)特性Fig.4 Conduction characteristic of samples A and D in different locations of insulator string

圖5　110kV試樣不同軸向位置處傘群電導(dǎo)電流隨運(yùn)行年限的變化關(guān)系Fig.5 Conduction current curves of samples in various of 110kV insulators with different operating year

圖5給出了110kV電壓等級(jí)的試品A、B和C各軸向位置傘群試樣電導(dǎo)電流隨運(yùn)行年限的變化關(guān)系，分析圖5可知，隨著運(yùn)行年限的增加，試樣的電老化閾值明顯降低，電導(dǎo)電流數(shù)值增大，說(shuō)明隨著運(yùn)行年限的增加，硅橡膠材料內(nèi)部的缺陷不斷增多、陷阱密度不斷增加，復(fù)合絕緣子傘群材料的老化狀態(tài)不斷的加重。220kV電壓等級(jí)的試品D、E也有著相同的變化規(guī)律。

圖6給出了運(yùn)行年限相同、運(yùn)行電壓等級(jí)不同的試樣B2、D2的電導(dǎo)電流特性曲線，由圖6可知，電老化閾值大小呈現(xiàn)電壓等級(jí)220kV的試樣D2略低于110kV的試樣B2，說(shuō)明運(yùn)行電壓等級(jí)越高的復(fù)合絕緣子，其傘群材料的老化狀態(tài)略顯嚴(yán)重。

圖6　相同運(yùn)行年限不同電壓等級(jí)試樣的電導(dǎo)電流特性Fig.6 Conduction characteristic of samples with same operating years and different operating voltage levels

圖7給出了在Ⅳ級(jí)污區(qū)運(yùn)行14年和在Ⅱ級(jí)污區(qū)運(yùn)行15年的傘群試樣電導(dǎo)電流特性，由圖7可以看出，運(yùn)行14年的試樣C1其電老化閾值反而明顯低于運(yùn)行15年、運(yùn)行電壓等級(jí)更高的試樣E1，表明在Ⅳ級(jí)污區(qū)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子相對(duì)于在Ⅱ級(jí)污區(qū)運(yùn)行更易發(fā)生老化，運(yùn)行環(huán)境的污穢等級(jí)對(duì)硅橡膠材料的老化有著重要影響。

圖7　運(yùn)行于不同污穢等級(jí)地區(qū)的試樣電導(dǎo)電流特性Fig.7 Conduction characteristic of samples in different operating environment

表2給出了所有試樣的電老化閾值及根據(jù)空間電荷限制電流計(jì)算而得到的一些相關(guān)參數(shù)。由表2可知，老化程度越嚴(yán)重的試樣，其電老化閾值越小，電導(dǎo)電流數(shù)值越大；各試樣的陷阱載流子密度nt是根據(jù)式（3）計(jì)算得到的（取硅橡膠的介電常數(shù)εr為3.5），其大小與電老化閾值成正比關(guān)系。表2還根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出所有試樣的電導(dǎo)特性在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的斜率，可知硅橡膠傘群試樣的電導(dǎo)特性斜率均在2.7左右，與式（4）的理論斜率2稍有差距，這可能是由于硅橡膠在制備過(guò)程中參入的雜質(zhì)離子等因素導(dǎo)致材料在高場(chǎng)作用下電導(dǎo)機(jī)理發(fā)生微妙變化而造成的[15,16]。

表2　傘群試樣的電導(dǎo)特性Tab.2 Conduction characteristic of samples

結(jié)合圖4～圖7及表2結(jié)果，分析通過(guò)試樣的電導(dǎo)電流測(cè)量得到的電老化閾值可以得到復(fù)合絕緣子傘群材料老化的幾點(diǎn)特性：

（1）對(duì)于同一串絕緣子而言，電老化閾值大小呈現(xiàn)導(dǎo)線側(cè)＜桿塔側(cè)＜軸向中點(diǎn)處，說(shuō)明導(dǎo)線側(cè)傘群的老化程度最為嚴(yán)重，桿塔側(cè)的老化程度次之，軸向中點(diǎn)處的傘群老化程度最輕。這是由絕緣子運(yùn)行過(guò)程中電場(chǎng)分布規(guī)律所決定的，與運(yùn)行中所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，絕緣子串高壓導(dǎo)線側(cè)傘群承受的電場(chǎng)強(qiáng)度最大、運(yùn)行條件最為嚴(yán)酷，中部場(chǎng)強(qiáng)最低，故其老化程度最輕。

（2）對(duì)比同一電壓等級(jí)下不同運(yùn)行年限的試品測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著試樣運(yùn)行年限的增加，試樣的電老化閾值明顯降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子傘群材料的老化程度會(huì)大大增加。

（3）運(yùn)行年限相同而電壓等級(jí)不同的試樣，運(yùn)行電壓等級(jí)越高，電老化閾值越低，但電老化閾值大小極為相近，說(shuō)明運(yùn)行電壓等級(jí)對(duì)復(fù)合絕緣子傘群材料的老化影響較小。

（4）復(fù)合絕緣子運(yùn)行地的污穢等級(jí)嚴(yán)重加速其傘群材料的老化，運(yùn)行環(huán)境的污穢等級(jí)是導(dǎo)致復(fù)合絕緣子老化的重要因素。

4 討論

利用電導(dǎo)電流測(cè)試得到的電老化閾值來(lái)評(píng)估硅橡膠的老化程度是在老化導(dǎo)致陷阱產(chǎn)生的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，它實(shí)際反映的是材料內(nèi)部的陷阱數(shù)量及分布。陷阱是由材料內(nèi)部的物理化學(xué)缺陷引起的，與材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中，由于受到紫外照射、酸堿性物質(zhì)腐蝕、強(qiáng)電場(chǎng)和沿面放電等影響，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，形成大量的陷阱[17]，從而使得空間電荷更容易積累，電老化閾值降低。為了深入分析老化導(dǎo)致硅橡膠材料分子結(jié)構(gòu)的變化及其基團(tuán)分子鍵的斷裂情況，本文利用FTIR技術(shù)對(duì)所有試樣進(jìn)行了主要基團(tuán)含量分析，探究硅橡膠各相關(guān)基團(tuán)含量與其電老化閾值之間的關(guān)系。

復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料是以聚二甲基乙烯基硅氧烷（PDMS）為基體，與多種填料進(jìn)行填充、混煉后經(jīng)過(guò)高溫或室溫硫化而成的。其中PDMS是由Si-O-Si主鏈和Si-CH3側(cè)鏈構(gòu)成主體部分，其分子由共價(jià)鍵方式組成。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中的的老化，會(huì)導(dǎo)致Si-O-Si主鏈及Si-CH3側(cè)鏈中大量的共價(jià)鍵發(fā)生斷裂，使得材料中Si-O-Si及Si-CH3基團(tuán)含量減少。而硅橡膠材料的紅外光譜圖中的1 000～1 100cm-1波段及1 255～1 270cm-1波段處的反射峰強(qiáng)度可有效分析Si-O-Si及Si-CH3的鏈段強(qiáng)度[18]，反映材料的老化程度[19]。試樣的FTIR分析結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8給出了同一電壓等級(jí)、相同傘群位置和不同運(yùn)行年限試樣的FTIR分析結(jié)果，由圖8可知，運(yùn)行5年的試樣A1各相關(guān)基團(tuán)特征峰吸收值均要明顯高于試樣B1和C1，而試樣B1的相關(guān)特征峰吸收值又大于試樣C1，說(shuō)明運(yùn)行年限越長(zhǎng)，PDMS各基團(tuán)共價(jià)鍵斷裂越嚴(yán)重，導(dǎo)致相應(yīng)基團(tuán)的特征峰吸收值越小，試樣的老化程度越嚴(yán)重。由圖9可知，對(duì)于同一串試樣而言，各傘群基團(tuán)特征峰吸收值呈現(xiàn)軸向中點(diǎn)處＞桿塔側(cè)＞導(dǎo)線側(cè)，這說(shuō)明傘群試樣運(yùn)行時(shí)所承受的場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，其相應(yīng)基團(tuán)的特征峰吸收值越小，試樣的老化越嚴(yán)重。

圖8　不同運(yùn)行年限的絕緣子傘群FTIR譜圖Fig.8 FTIR of insulator sheds with different operating years

圖9　同串不同軸向位置傘群FTIR譜圖Fig.9 FTIR of samples in different locations of insulator string

圖10　傘群試樣Si-O-Si基團(tuán)的特征峰吸收值Fig.10 FTIR characteristic absorption value of all samples

圖10給出了所有試樣Si-O-Si主鏈的特征峰吸收值，由圖10可知，隨著運(yùn)行年限的不同，試樣的Si-O-Si基團(tuán)吸收值在0.2～0.6之間變化。分析圖10可以得到以下幾點(diǎn)：對(duì)于同串不同傘群位置的試樣，Si-O-Si基團(tuán)的吸收值均呈現(xiàn)軸向中點(diǎn)處＞桿塔側(cè)＞導(dǎo)線側(cè)，五支試品數(shù)據(jù)充分說(shuō)明傘群試樣運(yùn)行的場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，老化狀態(tài)越嚴(yán)重；對(duì)于110kV的試品A、B、C或220kV的試品D、E而言，運(yùn)行年限越長(zhǎng)，試樣兩種基團(tuán)的特征峰吸收值越低，老化狀態(tài)越嚴(yán)重；運(yùn)行年限為14年的試樣C，由于運(yùn)行環(huán)境污穢嚴(yán)重，其相應(yīng)基團(tuán)的特征峰吸收值最低，老化程度嚴(yán)重于運(yùn)行15年的試驗(yàn)樣E，說(shuō)明運(yùn)行于污穢嚴(yán)重地區(qū)的復(fù)合絕緣子老化情況更為嚴(yán)重；對(duì)于運(yùn)行年限均為10年，而電壓等級(jí)不同的試品B、D，試品D的特征峰吸收值略低于試品B，說(shuō)明運(yùn)行電壓等級(jí)高的試品老化程度較嚴(yán)重。此外，所有試樣的Si-CH3基團(tuán)也有著相似的變化規(guī)律。

以上FTIR分析結(jié)果能夠充分反映復(fù)合絕緣子傘群材料的老化特性，對(duì)比電導(dǎo)電流測(cè)試結(jié)果，兩者具有高度的一致性，試樣的電老化閾值與其各基團(tuán)的特征峰吸收值有著高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明通過(guò)電導(dǎo)電流測(cè)試得到的電老化閾值可以用來(lái)反映材料內(nèi)部的陷阱和缺陷情況，可以用來(lái)評(píng)估復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)、反映絕緣子傘群的老化特性。

5 結(jié)論

1）復(fù)合絕緣子不同軸向位置處的傘群材料老化狀態(tài)不同，導(dǎo)線側(cè)傘群老化程度最為嚴(yán)重，桿塔側(cè)次之，軸向中點(diǎn)處傘群老化程度相對(duì)較輕。

2）運(yùn)行年限和運(yùn)行地區(qū)的環(huán)境污穢等級(jí)是影響復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的最主要因素；運(yùn)行電壓等級(jí)對(duì)老化狀態(tài)的影響則較小。

3）電導(dǎo)電流測(cè)試結(jié)果表明，絕緣子串上場(chǎng)強(qiáng)分布高的位置、運(yùn)行年限較長(zhǎng)的絕緣子及運(yùn)行地區(qū)環(huán)境污穢嚴(yán)重的絕緣子，其傘群材料電老化閾值明顯較低，且電導(dǎo)電流較大，內(nèi)部陷阱數(shù)量較多。此外，試樣的電導(dǎo)電流測(cè)試結(jié)果與其FTIR分析結(jié)果存在著高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此，本文的研究結(jié)果可以基本證明，通過(guò)硅橡膠傘群材料的電導(dǎo)電流測(cè)試得到的電老化閾值，可以用來(lái)反映材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷及老化狀態(tài)，可以反映復(fù)合絕緣子傘群材料的老化特性。然而，本文的研究工作還存在很多欠缺與不足，還需要對(duì)更多的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)的絕緣子進(jìn)行系統(tǒng)研究及分析。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)志成,彭功茂,王黎明,等.復(fù)合絕緣子應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].高電壓技術(shù),2011,37（3）:513-518.Guan Zhicheng,Peng Gongmao,Wang Liming,et al.Application and key technical study of composite iinsulators[J].High Voltage Engineering,2011,37（3）:513-518.

[2]戴罕奇,梅紅偉,王黎明,等.復(fù)合絕緣子弱憎水性狀態(tài)描述方法Ⅰ—靜態(tài)接觸角法的適用性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28（8）:34-47.Dai Hanqi,Mei Hongwei,Wang Liming,et al.Description method Ⅰfor unobvious hydrophobic state of composite insulators—usability of contact angle method[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28（8）:34-47.

[3]劉洋,王建國(guó),方春華,等.復(fù)合絕緣子轉(zhuǎn)輪法老化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].高壓電器,2012,48（5）:69-74.Liu Yang,Wang Jianguo,Fang Chunhua,et al.Design and development of tracking wheel ageing test system of composite insulator[J].High Voltage Apparatus,2012,48（5）:69-74.

[4]宿志一,陳剛,李慶峰,等.硅橡膠復(fù)合絕緣子傘群護(hù)套的老化及其判據(jù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30（12）:53-57.Su Zhiyi,Chen Gang,Li Qingfeng,et al.Study on aging and criterion of sheds and housing of silicon rubber composite insulator[J].Power System Technology,2006,30（12）:53-57.

[5]謝從珍,劉珊,劉芹,等.交流500 kV復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷對(duì)軸向電場(chǎng)分布的影響[J].高電壓技術(shù),2012,38（4）:922-927.Xie Congzhen,Liu Shan,Liu Qin,et al.Internal defects influence of 500kV AC composite insulator on the electric field distribution along the axis[J].High Voltage Engineering,2012,38（4）:922-927.

[6]屠幼萍,陳聰慧,佟宇梁,等.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘群材料的老化判斷方法[J].高電壓技術(shù),2012,38（10）:2522-2527.Tu Youping,Chen Conghui,Tong Yuliang,et al.Aging characteristics of shed materials of silicone rubber composite insulators in service[J].High Voltage Engineering,2012,38（10）:2522-2527.

[7]審文偉,宋偉,王國(guó)利,等.復(fù)合絕緣子HTV硅橡膠材料老化特性的研究[J].高壓電器,2013,49（2）:1-7.Shen Wenwei,Song Wei,Wang Guoli,et al.Influence of corona discharge on aging characteristics of HTVsilicone rubber material[J].High Voltage Apparatus,2013,49（2）:1-7.

[8]鄭煜,關(guān)建東,王俏華,等.空間電荷與直流電導(dǎo)聯(lián)合測(cè)試技術(shù)用于納米MgO抑制XLPE中空間電荷的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27（5）:126-131.Zheng Yu,Wu Jiandong,Wang Qiaohua,et al.Research on the space charge suppressing mechanism of nano-MgO in XLPE with a joint measuring technology of DC conduction and space charge[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27（5）:126-131.

[9]周遠(yuǎn)翔,郭紹偉,聶瓊,等.納米氧化鋁對(duì)硅橡膠空間電荷特性的影響[J].高電壓技術(shù),2010,36（7）:1605-1611.Zhou Yuanxiang,Guo Shaowei,Nie Qiong,et al.Influences of nano-alumina on the space charge behavir of silicone rubber[J].High Voltage Engineering,2010,36（7）:1605-1611.

[10]Mazzanti G,Montanari G C.Quantities extracted from space-charge measurements as markers for insulations aging[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2003,10（2）:198-203.

[11]Mazzanti G,Montanari G C,Alison J M.A spacecharge based method for the estimation of apparent mobility and depth as markers for insulation degradation[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2003,10（1）:187-197.

[12]雷清泉,石林爽,田付強(qiáng),等.電暈老化前后100HN和100CR聚酰亞胺薄膜的電導(dǎo)電流特性實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30（13）:109-114.Lei Qingquan,Shi Linshuang,Tian Fuqiang,et al.Experimental research on conduction current characterristics of 100HN and 100CR polyimide film before and after corona aging[J].Proceedings of the CSEE,2010,30（13）:109-114.

[13]汪佛池,律方成,徐志鈕,等.變頻電機(jī)用聚酰亞胺薄膜電老化特性研究[J].高電壓技術(shù),2007,33（4）:30-32.Wang Fochi,Lü Fangcheng,Xu Zhiniu,et al.Study on electrical aging characteristic of polyimide film used in frequency control motor[J].High Voltage Engineering,2007,33（4）:30-32.

[14]周遠(yuǎn)翔,沙彥超,陳維江,等.變壓器油與絕緣紙板電導(dǎo)特性研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37（9）:2527-2533.Zhou Yuanxiang,Sha Yanchao,Chen Weijiang,et al.Conduction characteristics in transformer oil and electrical insulation paper[J].Power System Technology,2013,37（9）:2527-2533.

[15]Montanari G C.The electrical degradation threshold of polyethylene investigated by space charge and conduction current measurements[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2000,7（3）:309-315.

[16]尹毅,陳炯,李喆,等.納米SiOx/聚乙烯復(fù)合材料強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)特性的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21（2）:22-26.Yin Yi,Chen Jiong,Li Zhe,et al.High field conduction of the composites of low-density polyethylene/nano-SiOx[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21（2）:22-26.

[17]張輝,屠幼萍,佟宇梁,等.基于TSC測(cè)試的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘裙材料老化特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32（15）:169-174.Zhang Hui,Tu Youping,Tong Yuliang,et al.Study on aging characteristics of silicone rubber sheds of composite insulators based on TSC test[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（15）:169-174.

[18]陳曉春,鄭敏聰,李建華.合成絕緣子硅橡膠傘群材料的老化特性及其紅外光譜研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32（S）:57-61.Chen Xiaochun,Zheng Mincong,Li Jianhua.Aging characteristics of silicone rubber composite insulator sheds studied by infrared spectroscopy[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（S）:57-61.

[19]藍(lán)磊,王漢良,文習(xí)山,等.高溫硫化硅橡膠加速電暈老化試驗(yàn)分析及其壽命預(yù)測(cè)[J].高電壓技術(shù),2012,38（4）:782-788.Lan Lei,Wang Hanliang,Wen Xishan,et al.Accelerated corona aging tests analysis and lifetime prediction of HTV silicone rubber[J].High Voltage Engineering,2012,38（4）:782-788.

黃成才 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)估。

E-mail:jshchengcai@163.com（通信作者）

李永剛 男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

E-mail:lygzxm0@163.com

Study on Aging Characteristics of Silicone Rubber Sheds of Composite Insulators Based on Conduction Current Test

Huang Chengcai1Li Yonggang1Wang Fochi1Zhang Zhimeng2
（1.College of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Baoding 071003 China 2.Hebei Electrical Power Research Institute Shijiazhuang 050000 China）

AbstractTaking being operated composite insulators as the object,the aging characteristics of composite insulators based on conduction current test is assessed.Electrical degradation threshold was got by the conduction current test,the influence of aging factors on electrical degradation threshold of the silicone rubber sheds such as shed locations,operating years,environment contamination levels and operating voltage levels were considered,and the changes of relevant groups of samples were studied with the Fourier transform infrared spectrum（FTIR）method.It is founded that the electrical degradation threshold of samples are lower,conduction current are larger and trap is more under the following situations:samples from the location where the electric field of the insulator string is higher; and samples from the insulators with a longer operation life or working in seriously polluted areas.The operation voltage almost has no influence on the aging state of insulators.Evaluating the sheds aging state by using the electric degradation threshold and FTIR analysis have high consistency,and indicates that electrical degradation threshold which got by the conduction current test can reflect the aging characteristics of silicone rubber sheds of composite insulators.

Keywords：Conduction current,electrical degradation threshold,silicone rubber,composite insulators,aging characteristics,trap

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2014-06-24 改稿日期 2014-07-25

中圖分類(lèi)號(hào)：TM85