0 引 言
在電力行業(yè)中，電壓互感器、電流互感器、復(fù)合絕緣子、干式互感器、高壓開關(guān)、穿墻套管、增爬傘裙等設(shè)備均使用硅橡膠作為外絕緣材料，其中以電壓互感器、電流互感器的使用量最大。互感器在投入運(yùn)行數(shù)年后，表面的硅橡膠傘套在自然環(huán)境、高電場(chǎng)及其它因素作用下會(huì)出現(xiàn)表面粉化脆化、表面電阻下降、憎水性下降、閃絡(luò)電壓下降、泄漏電流增大等老化問題 。不同運(yùn)行環(huán)境、不同運(yùn)行年限的互感器老化程度差異較大。在多因素影響下，引起老化的最本質(zhì)因素難以查出。通過(guò)試驗(yàn)研究，將最有可能導(dǎo)致互感器護(hù)套老化加速的因素單獨(dú)進(jìn)行老化試驗(yàn)，分析每一種因素對(duì)硅橡膠老化的影響程度，并通過(guò)多種評(píng)價(jià)方法對(duì)每一種老化現(xiàn)象進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)。
1 傘套老化現(xiàn)象分析
1.1 傘套存在的老化現(xiàn)象
硅橡膠傘套的老化表現(xiàn)為：傘裙表面粉化、喪失彈性、顏色變白、硬度上升；在受到外力作用的情況下會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的龜裂裂紋。硅橡膠傘裙的老化伴隨著材料本身材質(zhì)的變化，發(fā)生嚴(yán)重老化時(shí)，其表面電阻、表面憎水性均下降。
1.2 SEM電鏡分析硅橡膠護(hù)套老化
圖1、圖2分別為新制硅橡膠和從運(yùn)行9年后的互感器上切割下來(lái)的存在老化現(xiàn)象的硅橡膠材料表面SEM照片。
圖3為運(yùn)行9年的硅橡膠傘群橫切圖，從圖3可以看出，傘群內(nèi)部的硅橡膠材料依然致密，有彈性，有鏡像光澤，老化只發(fā)生在表面，測(cè)量得知上表面老化層厚度大于下表面的老化層厚度，傘群邊沿的老化層厚度大于傘群根部與傘間連接處的厚度。
1.3 FTIR分析互感器硅橡膠傘套老化
老化前后硅橡膠FTIR如圖4所示，其中未老化樣品為新制硅橡膠，嚴(yán)重老化樣品是從運(yùn)行9年的互感器上取下的老化樣品。
由圖4可以看出，嚴(yán)重老化硅橡膠Si-O鍵的吸收峰較寬且位置發(fā)生了變化，其原因可能是硅橡膠交聯(lián)體系發(fā)生改變，硅氧烷分子的過(guò)度交聯(lián)或者降解導(dǎo)致其主鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。另外，嚴(yán)重老化的硅橡膠試樣的吸收峰明顯下降，其Si-C、Si-O特征峰的比值約為1.787~2.436，而未老化的試樣此比值為0.912。這是自然老化的硅橡膠試樣一個(gè)明顯的特點(diǎn)，即：Si-C吸收峰的下降速度遠(yuǎn)大于Si-O吸收峰的下降速率。其原因可能是在自然條件下，支鏈的有機(jī)基團(tuán)首先受到紫外、氧氣、水分等外部因素影響發(fā)生降解斷鏈，主鏈無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)的Si-O鍵能較高，結(jié)構(gòu)相對(duì)支鏈有機(jī)基團(tuán)穩(wěn)定，需要更高的活化能才能使其降解斷鏈，因此可認(rèn)為硅橡膠老化龜裂現(xiàn)象主要是硅氧烷側(cè)鏈上有機(jī)基團(tuán)斷裂造成的。
2 老化試驗(yàn)
2.1 氙燈老化試驗(yàn)
復(fù)合絕緣護(hù)套為有機(jī)材料，引起其老化的主要因素包括紫外線、氧、臭氧、水分、溫度變化及工業(yè)污穢等，而太陽(yáng)光中的紫外線是引起高分子有機(jī)材料老化的最主要因素 [5-6] 。氙燈燈管具有輻照功率強(qiáng)、與太陽(yáng)光的光譜分布相近的特點(diǎn)，因此適合用于模擬太陽(yáng)光照射下的硅橡膠材料的老化過(guò)程。試驗(yàn)采用合肥賽帆試驗(yàn)設(shè)備有限公司制造的水冷型氙燈老化箱，氙燈功率6 kW，最大輻照強(qiáng)度1.8kW/m 2 。以200 h為一組試驗(yàn)進(jìn)行氙燈老化，輻照總量約為1 152 MJ/m 2 ，根據(jù)GB/T 3511—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐候性》的規(guī)定，該輻照值約為華南地區(qū)4個(gè)月接受到的陽(yáng)光輻射總量。
2.2 濕熱老化試驗(yàn)
我國(guó)南方大部分地區(qū)都處在高溫高濕的亞熱帶地區(qū)，這種氣候條件也有可能是造成硅橡膠老化的因素之一 。試驗(yàn)?zāi)M南方地區(qū)高溫高濕環(huán)境，采用生化培養(yǎng)箱使溫度保持在40 ℃，利用飽和鹽溶液控制環(huán)境濕度，具體的做法是在密封的容器中加入一定量的飽和鹽溶液，然后通過(guò)支架將自制的硅橡膠樣品放在飽和鹽溶液的上方。試驗(yàn)中分別使用飽和NaCl溶液和飽和K 2 SO 4 溶液使樣品始終處于（74.7±0.2）%和（96.4±0.4）%的相對(duì)濕度下，進(jìn)行為期4 000 h的恒溫恒濕老化試驗(yàn)。
2.3 電暈老化試驗(yàn)
互感器長(zhǎng)期處于高電場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行，局部放電加速其老化 。使用多極尖-板電極產(chǎn)生電暈進(jìn)行電暈老化試驗(yàn)，樣品尺寸為 150 mm×150 mm×2 mm，共進(jìn)行兩組試驗(yàn)，時(shí)間分別為120 h和240 h，試驗(yàn)電壓為6 kV。
2.4 自然環(huán)境戶外老化試驗(yàn)
自然環(huán)境戶外老化試驗(yàn) [11-17] 能真實(shí)反映互感器在戶外運(yùn)行的老化情況，戶外自然老化是光照、溫度、濕度、氧氣流速等因素綜合作用的結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)室新制的硅橡膠樣品露天放置于樓頂?shù)钠脚_(tái)上，使之暴露于自然環(huán)境中，每2 000 h對(duì)樣品進(jìn)行一次性能檢測(cè)。深圳市位于北緯22°27′~22°52′，為了使樣品達(dá)到最佳的老化效果，樣品架面向東南的位置擺放，傾角約22°。
2.5 自然環(huán)境室內(nèi)老化試驗(yàn)
將自制的硅橡膠樣品直接放在室內(nèi)陰涼處，避免陽(yáng)光直射，每2000h進(jìn)行一次性能檢測(cè)。
3 老化試驗(yàn)結(jié)果與分析
新硅橡膠樣品按照道康寧公司HVI 1541/10P雙組份加成型液體硅橡膠自制。
3.1 硬度
對(duì)每組老化試驗(yàn)都取5片樣品，在每片樣品的不同位置進(jìn)行6次測(cè)量，取6次測(cè)量結(jié)果的平均值作為每片樣品的表面硬度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，新制造硅橡膠的邵氏硬度為37.7 HA，與新投入運(yùn)行的互感器傘套硬度37.0 HA接近。氙燈老化400 h后樣品的硬度（45.40 HA）接近自然老化6 000 h的硬度（45.92 HA），說(shuō)明光照是硅橡膠老化的重要原因，濕熱老化 4 000 h 樣品的硬度（44.78HA）比自然戶外老化 4 000 h 樣品的硬度（44.16HA）略高但不顯著，說(shuō)明濕熱有加速樣品老化的作用，而在75%濕度和96%濕度下樣品的硬度幾乎無(wú)區(qū)別。電暈老化時(shí)間從120 h增加到240 h，樣品的硬度從41.68 HA增至43.70 HA，說(shuō)明電暈老化對(duì)硅橡膠產(chǎn)生一定影響，其硬度較接近戶外老化4 000 h樣品的硬度（44.16 HA），也說(shuō)明電暈對(duì)硅橡膠老化產(chǎn)生影響。自然戶外老化環(huán)境下老化樣品的硬度高于室內(nèi)溫和環(huán)境下老化樣品的硬度，說(shuō)明光照、雨水、氧氣流速等因素會(huì)加速硅橡膠老化。
3.2 鏡向光澤度
硅橡膠材料的表面狀況也能反映硅橡膠老化情況，因?yàn)槔匣柘鹉z樣品表面會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的裂痕，導(dǎo)致樣品表面粗糙度上升，表面光澤度下降。使用型號(hào)為WGG60-E的表面光澤度計(jì)對(duì)老化樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。從表2可以看出，新制硅橡膠的鏡像光澤度最高，濕熱老化對(duì)鏡像光澤度的影響最大，96%濕度下老化4 000 h后樣品的鏡像光澤度從75下降至40。隨老化時(shí)間的持續(xù)，氙燈紫外老化因素對(duì)硅橡膠鏡像光澤度影響不明顯，自然戶外老化時(shí)樣品的鏡像光澤度持續(xù)下降。
鏡像光澤度表征樣品表面的老化程度，可較好的區(qū)分且操作方便。但當(dāng)被測(cè)試樣品表面未出現(xiàn)粉化層時(shí)，測(cè)量結(jié)果差異不大。
3.3 憎水性接觸角
優(yōu)異的憎水性是硅橡膠被應(yīng)用于互感器外絕緣護(hù)套的重要原因。憎水性可提高護(hù)套的污閃電壓，降低護(hù)套的表面泄漏電流，用憎水性評(píng)價(jià)互感器的運(yùn)行老化情況是非常有效的方法 [19-24] 。7組樣品的憎水性測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表3可看出，在老化初期硅橡膠的憎水性不但未降低，反而升高，這也與運(yùn)行中的互感器、絕緣子等硅橡膠制品情況一致，其原因可能與硅橡膠材料特有的憎水性遷移特性有關(guān)。隨著老化時(shí)間增加，憎水性均有逐漸下降，濕熱老化與自然戶外老化憎水性下降最為明顯，靜態(tài)接觸角分別下降至104.3°和102.1°。濕熱環(huán)境下樣品憎水角下降是因?yàn)楣柘鹉z材料在此環(huán)境下憎水性會(huì)部分喪失，但在重新置于干燥環(huán)境下16 h后，憎水性即可回復(fù)，考慮到互感器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境極少會(huì)連續(xù)出現(xiàn)超過(guò)4 000 h(167 d)的高濕環(huán)境，因此濕熱環(huán)境不會(huì)嚴(yán)重影響材料的憎水性。自然戶外環(huán)境下憎水性下降明顯，說(shuō)明多種老化因素共同作用對(duì)其影響較大，此外自然戶外環(huán)境下樣品表面污穢累積也是導(dǎo)致憎水性下降的一個(gè)原因。
3.4 表面電阻
采用測(cè)量表面電阻的方法來(lái)測(cè)定硅橡膠的絕緣電阻。使用直徑約2.5 cm的圓形模具，緊壓在硅橡膠傘裙表面，沿圓周在傘裙表面涂抹導(dǎo)電膠，直至形成環(huán)形導(dǎo)電帶。將一個(gè)測(cè)量電極置于圓環(huán)正中央，另一個(gè)測(cè)量電極置于圓環(huán)導(dǎo)電膠上，加壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4。通過(guò)表4可以看出，5種不同老化因素引起的老化均導(dǎo)致硅橡膠材料的表面電阻大幅下降，氙燈老化與濕熱老化后表面電阻降低尤為顯著，而運(yùn)行老化9年的互感器傘群的表面電阻較新制硅橡膠已經(jīng)下降80%。
4 結(jié) 論
（1）互感器硅橡膠傘套發(fā)生老化時(shí)，材料由致密變得疏松多孔，硅橡膠分子的各種官能團(tuán)紅外吸收峰均降低，側(cè)鏈有機(jī)基團(tuán)降解速度快于主鏈無(wú)機(jī)基團(tuán)，護(hù)套的老化主要由側(cè)鏈有機(jī)基團(tuán)斷裂引起。
（2）氙燈老化條件對(duì)硅橡膠的硬度影響最顯著，硬度從37.0 HA增加到45.40 HA；濕熱老化條件對(duì)硅橡膠的鏡像光澤度影響最顯著，鏡像光澤度從75下降至40；自然戶外老化條件對(duì)硅橡膠的憎水性影響最顯著，靜態(tài)接觸角從115.4°下降至102.1°；氙燈與濕熱老化條件對(duì)硅橡膠的表面電阻影響最為顯著，此外，電暈老化對(duì)各項(xiàng)理化性能也有較大的影響。
