硅橡膠絕緣材料的直流漏電起痕研究

朱 勇*

（泰州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州）

隨著復(fù)合絕緣子在電力系統(tǒng)中使用數(shù)量的不斷增加，特別是在直流輸變電工程中應(yīng)用范圍的不斷拓展，其老化問題逐漸引起人們的重視[1-3]。復(fù)合絕緣子外絕緣多采用的是高溫硫化硅橡膠材料。當(dāng)硅橡膠作為外絕緣材料使用時(shí)，在各種惡劣的氣候環(huán)境條件，例如太陽光紫外線、鹽霧、臺(tái)風(fēng)、雨雪、酸雨等影響下，都會(huì)造成硅橡膠的物理和化學(xué)損傷，從而影響其絕緣性能。特別是在重污染地區(qū)，盡管硅橡膠的憎水性會(huì)遷移到絕緣子的表面污層，但是在惡劣天氣中，絕緣子表面會(huì)發(fā)生電暈、火花放電，致使絕緣子表面污層的憎水性逐漸喪失。當(dāng)表面污層完全呈親水性時(shí)，濕潤的污層就會(huì)形成電解液導(dǎo)電通路，從而發(fā)生污閃。另外在濕潤環(huán)境下，當(dāng)硅橡膠絕緣子憎水性尚存時(shí)，其表面會(huì)形成若干個(gè)細(xì)長污液帶和污液帶間的高阻干區(qū)。這些干區(qū)上能夠形成數(shù)量較多的局部電弧，當(dāng)這些電弧逐步發(fā)展和合并，最終也會(huì)形成閃絡(luò)。即使不發(fā)生閃絡(luò)，這一系列的氣候、環(huán)境和電氣因素也會(huì)造成有機(jī)材料絕緣子的老化，降低其絕緣性能[4-5]。

由表面放電所引起的電弧老化是復(fù)合絕緣子用硅橡膠老化的主要因素，因此電力行業(yè)對(duì)復(fù)合絕緣子用絕緣材料的耐電痕和電蝕損性能做出了要求，并構(gòu)建了試品的斜面試驗(yàn)方法。目前，在國標(biāo)GB/T6553-2014《嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用的電氣絕緣材料評(píng)定耐電痕化和蝕損的試驗(yàn)方法》中對(duì)交流電壓作用下耐表面電弧蝕損的試驗(yàn)方法已經(jīng)非常成熟[6]。但是對(duì)直流斜面法的研究還不充分，由于直流電沒有交流電的過零點(diǎn)現(xiàn)象，所以電弧持續(xù)的熱分解更強(qiáng)，作用機(jī)理也有所不同，如果僅僅將電壓進(jìn)行替換，依然采取交流斜面法的判定依據(jù)是不科學(xué)的。本文將研究直流斜面法下硅橡膠絕緣材料的漏電起痕現(xiàn)象，通過調(diào)整電壓大小、作用時(shí)間、污液滴速等相關(guān)參數(shù)，對(duì)直流斜面法進(jìn)行系統(tǒng)的研究，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，為行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用GB/T 6553 標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的傾斜平板法，實(shí)驗(yàn)電路如圖1 所示。試驗(yàn)過程中交流變壓器輸出的交流電經(jīng)高壓硅堆整流成直流電壓后施加到試樣上，當(dāng)泄漏電流超過60 mA 時(shí)過流保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷電源。試樣的安放如圖2 所示，試樣為壓制的6 mm 厚平板狀高溫硫化硅橡膠，一組5 個(gè)試樣，呈45°傾斜安裝，同步進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，污液由上部電極處按一定速率滴下，經(jīng)濾紙后沿試樣的下表面向下部電極處流下。當(dāng)污液接近下電極時(shí)，局部的高電場引發(fā)電弧放電，并沿污液向上延展，直至熄滅。當(dāng)污液再次流下時(shí)，電弧放電再次發(fā)生。在如此循環(huán)往復(fù)的表面電弧熱量作用下，試樣表面將會(huì)產(chǎn)生蝕損現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)間為6 h，如過程中未發(fā)生因過電流切斷電源，且5 個(gè)試樣的蝕損深度均不超過2.5 mm，則認(rèn)為試驗(yàn)通過，以通過試驗(yàn)的最高試驗(yàn)電壓作為試樣的耐漏電起痕等級(jí)。

圖1 直流耐漏電起痕試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 試樣安裝示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采取了不同電壓、不同污液滴速進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中隨時(shí)觀察試片老化情況，一旦發(fā)現(xiàn)燒蝕深度達(dá)到2.5 mm，即停止試驗(yàn)。本試驗(yàn)采取直流3 kV、3.5 kV、4 kV、4.5 kV 和5 kV 五個(gè)電壓等級(jí)，0.075 mL/min、0.15 mL/min、0.2 mL/min、0.3 mL/min、0.6 mL/min 和0.9 mL/min 六個(gè)污液滴速水平對(duì)硅橡膠試樣進(jìn)行試驗(yàn)（注：為驗(yàn)證電壓的影響，串聯(lián)電阻R 統(tǒng)一選取22kΩ），以電弧燒蝕深度對(duì)老化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 直流電弧蝕損

一般認(rèn)為，斜面法試驗(yàn)的試品破壞屬于熱破壞。由試驗(yàn)觀察可知，直流斜面法與交流斜面法相似，當(dāng)污液由試樣的上電極沿表面流下接近下電極時(shí)，觸發(fā)電弧產(chǎn)生。此時(shí)，電弧的弧根一端連著下電極，另一端連著污液的下端。隨著電弧燃燒熱量的釋放，部分污液將被蒸發(fā)，電弧的上弧根也隨之向上延展，這意味著試樣表面干區(qū)范圍擴(kuò)大。當(dāng)電源電壓不足以在干區(qū)維持高場強(qiáng)時(shí)，電弧即會(huì)熄滅。但當(dāng)污液再次流下時(shí)，電弧將會(huì)重燃。所以試驗(yàn)過程實(shí)際上是一個(gè)間隙電弧不斷反復(fù)作用的過程，持續(xù)的電弧熱量是造成試品破壞的主要原因。

對(duì)于未填充的高溫硫化硅橡膠而言，在空氣中氧氣存在的情況下，當(dāng)受到持續(xù)高溫作用時(shí)通常會(huì)在200 ℃到520 ℃因氧化和燃燒而明顯失重。當(dāng)溫度超過520 ℃后，則會(huì)因?yàn)闊岱纸舛纬奢p微失重[7]。作為復(fù)合絕緣子外絕緣材料的高溫硫化硅橡膠，通常會(huì)添加氫氧化鋁作為阻燃劑。氫氧化鋁在230～310 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的重量損失，在310～540 ℃時(shí)會(huì)有平緩的重量損失，而在540 ℃以上時(shí)會(huì)有輕微的重量損失。如方程式（1）和（2）所示，氫氧化鋁的結(jié)晶水可以在300℃和500 ℃左右進(jìn)行兩次釋放。

在電弧高溫的作用下，氫氧化鋁分解產(chǎn)生水，水蒸發(fā)會(huì)吸收大量的熱，同時(shí)生成的氧化鋁具有高導(dǎo)熱和耐高溫作用，從而在一定程度上可降低電弧對(duì)材料的燒蝕。因此，對(duì)于填充了一定量氫氧化鋁的高溫硫化硅橡膠試樣，在電弧放電的初期階段，其損耗主要來自氫氧化鋁的脫水反應(yīng)，而硅橡膠基體的熱氧化得到抑制。但隨著試樣表面氫氧化鋁結(jié)晶水的消耗，電弧的熱量將會(huì)作用于硅橡膠基體，產(chǎn)生熱氧化和熱分解，形成材料的熱蝕損。

在直流漏電起痕試驗(yàn)過程中，由于直流電沒有交流電的過零點(diǎn)現(xiàn)象，不會(huì)因?yàn)殡妷旱霓D(zhuǎn)換而導(dǎo)致小電弧的熄滅，所以電弧燃燒時(shí)間更長，幾率更大，故其燒蝕性更強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，由結(jié)果可知，直流電弧燒蝕深度隨電壓和污液滴速的升高而升高。過低的電壓和污液滴速對(duì)試樣表面的蝕損作用并不明顯，而過高的電壓和污液滴速則使得試樣蝕損深度短時(shí)間內(nèi)就超過了2.5 mm，均不利于對(duì)材料性能的評(píng)估。為有效表征硅橡膠材料的耐電弧蝕損能力，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論，在直流耐漏電起痕試驗(yàn)中，較為合適的試驗(yàn)電壓是4～5 kV，污液滴速為0.3 mL/min～0.6 mL/min。

圖3 直流斜面法的試樣蝕損深度（2.5 mm 表示在6 h 內(nèi)蝕深超過2.5 mm，試驗(yàn)停止）

2.2 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分別對(duì)試樣的燒蝕區(qū)域表面以及燒蝕區(qū)附近的未燒蝕區(qū)域體層和表面進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4 所示。通常情況下，硅橡膠材料具有一些特征紅外峰，其中788 cm-1處為Si-C的伸縮振動(dòng)峰，1 009 cm-1處為Si-O-Si 的伸縮吸收峰，1 259 cm-1處為Si-CH3中C-H 的對(duì)稱變形振動(dòng)峰，2 960 cm-1處為-CH3中C-H 的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，3 431 cm-1處為試樣中-OH 的伸縮吸收峰[8]。從圖4 中可知各主要官能團(tuán)的吸收位置和強(qiáng)度存在一定差異，但未燒蝕區(qū)表面和體層各基團(tuán)的變化較為一致，但燒蝕區(qū)表面較兩者差異較大。

圖4 硅橡膠試樣的紅外光譜

燒蝕區(qū)硅橡膠主體PDMS 的Si-CH3下降明顯，作為側(cè)鏈的Si-CH3在非燒蝕區(qū)表層含量與內(nèi)部含量相比有一定的下降，但燒蝕區(qū)相較于非燒蝕區(qū)體層下降更為明顯，說明燒蝕區(qū)材料因直流漏電起痕試驗(yàn)過程中的電熱效應(yīng)而發(fā)生了氧化損耗。此外，作為主鏈的Si-O-Si 含量，燒蝕區(qū)含量最高，非燒蝕區(qū)表層含量與內(nèi)部含量相比有一定的升高，可以看出各位置老化程度不同且燒蝕區(qū)硅橡膠基體中有機(jī)硅向無機(jī)硅轉(zhuǎn)化趨勢最為明顯，老化最為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1） 對(duì)于復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的電弧老化而言，直流電弧比交流電弧的燒蝕作用更為明顯。

（2） 建議的直流漏電起痕試驗(yàn)參數(shù)為：試驗(yàn)電壓4～5 kV，試驗(yàn)污液滴速0.3 mL/min～0.6 mL/min。

（3） 在表面電弧的作用下，試樣燒蝕區(qū)的硅橡膠基體中存在由有機(jī)硅向無機(jī)硅轉(zhuǎn)化的趨勢。