關(guān)于復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)期的研究

關(guān)于復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)期的研究摘要：復(fù)合絕緣子在長(zhǎng)期的應(yīng)用容易受到周邊環(huán)境因素的作用，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合絕緣子老化。絕緣子老化會(huì)給電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成較大的安全隱患，這也是當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行中需要重點(diǎn)解決的難題。在本文中，重點(diǎn)對(duì)復(fù)合絕緣子老化的影響因素和作用機(jī)理進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子；老化壽命；預(yù)期研究

復(fù)合絕緣子的優(yōu)點(diǎn)有重量輕、耐污染、安裝維護(hù)方便等，復(fù)合絕緣子被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)的建設(shè)過程中。目前，國(guó)內(nèi)正常使用的復(fù)合絕緣子數(shù)量大約有800萬只，是復(fù)合絕緣子使用數(shù)量最多的國(guó)家之一。復(fù)合絕緣子在在運(yùn)行過程中，容易受到多種因素的影響，如機(jī)械、環(huán)境、電氣等，隨著復(fù)合絕緣子運(yùn)行時(shí)間的增加，復(fù)合絕緣子會(huì)出現(xiàn)變硬、變脆、漏電等情況，若復(fù)合絕緣子長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。近年來，復(fù)合絕緣子的老化問題也引起了相關(guān)部門的重視。

復(fù)合絕緣子的外絕緣材料主要是高溫硫化硅橡膠，是在橡膠中添加各種配合劑如補(bǔ)強(qiáng)填料、結(jié)構(gòu)控制劑等，再通過硫化劑進(jìn)行交互反應(yīng)最終得到的彈性體。高溫硫化硅橡膠具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、憎水性以及憎水恢復(fù)性。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行中會(huì)長(zhǎng)期處于室外環(huán)境中，室外環(huán)境中的污穢、電暈和潮氣會(huì)對(duì)硅橡膠表面造成破壞，使復(fù)合絕緣子的性質(zhì)逐漸劣化最終失效。

當(dāng)前，我國(guó)電網(wǎng)的主要建設(shè)方向正在向特高壓、超高壓方向轉(zhuǎn)變，特高壓電網(wǎng)很多時(shí)候都需要建設(shè)在高海拔、高污染地區(qū)，因此，復(fù)合絕緣子需要面臨紫外輻射及電暈放電等問題，這也是復(fù)合絕緣子老化研究課題中需要重點(diǎn)重視的問題。

一、復(fù)合絕緣子老化類型及機(jī)理

復(fù)合絕緣子的老化可分為三種類型：物理老化、化學(xué)老化和機(jī)電老化等。

（一）物理老化

復(fù)合絕緣子物理老化的因素主要有紫外線輻射、局部高溫及應(yīng)力疲勞等。物理老化對(duì)嚴(yán)重影響硅橡膠的力學(xué)和電學(xué)性能。我國(guó)在1998-2005年期間進(jìn)行硅橡膠材料的暴露實(shí)驗(yàn)，研究硅橡膠的老化，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期暴露在室外時(shí)，復(fù)合絕緣子的光電性能會(huì)發(fā)生明顯的變化，其中，在沙漠地區(qū)和亞熱帶高原地區(qū)的變化最為明顯。

紫外線對(duì)硅橡膠的老化有很大的加速作用，雖然紫外線并能完全切斷硅橡膠的主鏈結(jié)構(gòu)，但紫外線會(huì)與其他因素聯(lián)合作用對(duì)硅橡膠的側(cè)鏈甲基進(jìn)行氧化，最終導(dǎo)致硅橡膠的老化。硅橡膠中的主鏈結(jié)構(gòu)斷裂后會(huì)產(chǎn)生自由基，這部分自由基的能量較高，彼此之間很容易產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。自由基暴露在空氣中，還會(huì)與空氣中氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生甲烷等氣體。

近年來，我國(guó)西電東送工程逐步推進(jìn)，云貴川及西藏地區(qū)架設(shè)了多條以復(fù)合絕緣子為主要建設(shè)材料的高壓輸電線路，這些地區(qū)的自然環(huán)境較其他地區(qū)較為惡劣，此地的復(fù)合絕緣子材料在應(yīng)用中極易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。在云貴川等高海拔地區(qū)，隨著紫外線照射時(shí)間的延長(zhǎng)，硅橡膠強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化逐漸降低，電阻率也會(huì)隨照射時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，硅橡膠的憎水性會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。造成此類現(xiàn)象的原因是：復(fù)合絕緣子硅橡膠中主鍵在紫外線的作用下會(huì)發(fā)生電聯(lián)，使得硅橡膠的力學(xué)性能不斷的下降。裂解反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生氣體，氣體從硅橡膠的表現(xiàn)逸出，硅橡膠表面會(huì)出現(xiàn)凹凸不平甚至孔洞。側(cè)鏈上的非甲基基團(tuán)部分因氧化反應(yīng)而脫落，這時(shí)非甲基基團(tuán)無法對(duì)主鏈形成有力的屏蔽，導(dǎo)致硅橡膠表面的憎水性逐漸下降。此外，硅橡膠中的親水基團(tuán)還會(huì)從硅橡膠的表面吸收水分，使硅橡膠的電阻率不斷下降。硅橡膠中化學(xué)鏈的斷裂也會(huì)造成絕緣薄弱去，導(dǎo)致漏電等事故的發(fā)生。因此，硅橡膠若長(zhǎng)期置于紫外線強(qiáng)烈的環(huán)境中，硅橡膠內(nèi)部將不斷的發(fā)生裂解、交聯(lián)、氧化等反應(yīng)，破壞硅橡膠內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，從宏觀角度看，硅橡膠長(zhǎng)期暴露在紫外線環(huán)境下降導(dǎo)致硅橡膠電氣性能和力學(xué)性能的降低，影響硅橡膠的正常使用。

研究發(fā)現(xiàn)，著色劑氧化鐵可以抑制復(fù)合絕緣子硅橡膠中的熱氧化反應(yīng)，從而維持硅橡膠的穩(wěn)定性，但著色劑氧化鐵的使用對(duì)水解反應(yīng)起到催化劑的作用。在硅橡膠中加入納米二氧化硅，隨著加入量的增多，復(fù)合絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)電壓的概率越小。在硅橡膠中加入納米BN顆粒，硅橡膠的表面溫度分布會(huì)更加均勻，侵蝕深度會(huì)逐漸降低，硅橡膠表面的電阻穩(wěn)定性增強(qiáng)，閃絡(luò)問題出現(xiàn)的概率也將不斷下降。

應(yīng)力疲勞也會(huì)在很大程度上加速復(fù)合絕緣子的老化，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷絕緣子的傘裙出現(xiàn)高頻振動(dòng)時(shí)，該振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傘裙根部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的負(fù)載下，傘裙根部會(huì)始終處于應(yīng)力疲勞的狀態(tài)，并導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，微裂紋若得不到有效的修復(fù)，裂紋深度會(huì)不斷加大，最終造成傘裙撕裂。

（二）化學(xué)老化

造成復(fù)合絕緣子硅橡膠老化的主要原因有臭氧、酸堿以及氮氧化物，其中，氮氧化物與水反應(yīng)會(huì)生成硝酸。當(dāng)復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期處于酸性環(huán)境中時(shí)，復(fù)合絕緣子的表面將會(huì)遭到嚴(yán)重的腐蝕，強(qiáng)酸會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子硅橡膠主鏈斷裂，進(jìn)而對(duì)硅橡膠材料造成破壞。當(dāng)復(fù)合絕緣子身處在堿性環(huán)境中時(shí)，復(fù)合絕緣子表面會(huì)呈現(xiàn)出弱堿性，堿性物質(zhì)也會(huì)造成硅橡膠中的主鍵斷裂，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子失去憎水性。從宏觀上看，長(zhǎng)期處于酸性或堿性環(huán)境中的復(fù)合絕緣子硅橡膠會(huì)呈現(xiàn)出強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期處于污染潮濕的環(huán)境下，復(fù)合絕緣子硅橡膠表面的憎水性會(huì)逐漸的減弱，隨著時(shí)間的增加，甚至?xí)耆南А?fù)合絕緣子浸泡在不同性質(zhì)的溶液中可以發(fā)現(xiàn)，中性溶液中的復(fù)合絕緣子表面并未發(fā)生明顯的變化，而浸泡在酸性和堿性溶液中的復(fù)合絕緣子表面則出現(xiàn)了明顯的腐蝕現(xiàn)象，且隨著酸堿性的增加，受腐蝕的程度逐漸加深。對(duì)于復(fù)合絕緣子來說，酸性環(huán)境的危害性比堿性環(huán)境更大。

由于高壓線路運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，因放電現(xiàn)象產(chǎn)生臭氧會(huì)與復(fù)合絕緣子中的高分子材料發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子表面出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，甚至?xí)?duì)復(fù)合絕緣子的性能造成嚴(yán)重的影響。

（三）電老化

復(fù)合絕緣子除了受到自然環(huán)境的影響外，還會(huì)受到高壓電場(chǎng)的影響，電場(chǎng)會(huì)加速硅橡膠的老化。同時(shí)對(duì)帶電的復(fù)合絕緣子和不帶電的復(fù)合絕緣子進(jìn)行研究，會(huì)發(fā)現(xiàn)，帶電的復(fù)合絕緣子的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不帶電的復(fù)合絕緣子，這也說明電老化是造成復(fù)合絕緣子老化的重要因素。復(fù)合絕緣子在正常運(yùn)行中會(huì)受到帶電粒子的撞擊，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子硅橡膠主鏈斷裂，同時(shí)與周邊的氧氣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化物等物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)硅橡膠的性能造成損害。電暈電弧還會(huì)造成復(fù)合絕緣子表面高溫，使復(fù)合絕緣子的電氣性能和機(jī)械性能下降，復(fù)合絕緣子在經(jīng)過電暈電弧的灼蝕后，復(fù)合絕緣子表面的有機(jī)物的含量就會(huì)大大的減少，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的絕緣性能下降。在所有的老化中，電老化的反應(yīng)過程最為復(fù)雜，且電老化過程中還會(huì)同時(shí)又物理老化和化學(xué)老化的出現(xiàn)，因此，電老化對(duì)復(fù)合絕緣材料的影響也是最大的。

二、復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)期研究

目前，對(duì)復(fù)合絕緣子老化預(yù)期壽命的研究較少，在衡量復(fù)合絕緣子老化壽命時(shí)首先需要明確壽命閾值，即臨界壽命所對(duì)應(yīng)的復(fù)合絕緣子老化特征指標(biāo)，通過對(duì)復(fù)合絕緣子老化機(jī)理和進(jìn)程的研究，可以確定復(fù)合絕緣子性能與老化時(shí)間之間的關(guān)系。

（一）壽命閾值的確定

明確復(fù)合絕緣子的壽命閾值目前存在一定的難度。這主要是因?yàn)橛绊憦?fù)合絕緣子老化壽命的原因除老化時(shí)間外，還包括復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)工藝和運(yùn)行環(huán)境。由于我國(guó)幅員遼闊，復(fù)合絕緣子的所處的運(yùn)行環(huán)境有很大的區(qū)別，此外，不同的復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家甚至是同樣的生產(chǎn)廠家不同批次生產(chǎn)出的復(fù)合絕緣子的制作工藝、制作水平也會(huì)有明顯的差異，即使是同一批次的產(chǎn)品，其積污能力之間仍會(huì)有明顯的差異，復(fù)合絕緣子的傘套材料的性能也會(huì)呈現(xiàn)出不同，但在憎水性、伸長(zhǎng)率、硬度等方面的差別則不太明顯。

復(fù)合絕緣子的老化性能可根據(jù)硬度、憎水性、介電強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率等指標(biāo)進(jìn)行考慮，可將老化性能指標(biāo)分為0級(jí)，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，程度分別為無明顯老化、輕微老化、明顯老化、嚴(yán)重老化等。研究發(fā)現(xiàn)，若復(fù)合絕緣子處在高壓端，則老化程度較為嚴(yán)重，若復(fù)合絕緣子處在低壓端，則老化程度較為輕微。隨著復(fù)合絕緣子使用年限的增加，復(fù)合絕緣子的老化程度將逐漸增加，復(fù)合絕緣子老化程度的增加可分為三個(gè)階段：一是緩慢增長(zhǎng)階段，此階段一般會(huì)維持9年左右；二是快速增長(zhǎng)階段，此階段約持續(xù)9-13年；三是增長(zhǎng)緩慢階段，此階段約持續(xù)13年左右。在復(fù)合絕緣子的影響因素中，對(duì)復(fù)合絕緣子使用壽命影響最大的是運(yùn)行年限，其次為電場(chǎng)強(qiáng)度，最后為運(yùn)行環(huán)境。

（二）基于電老化的壽命預(yù)測(cè)

電老化的作用機(jī)制極為復(fù)雜，與電壓和電極材料、電場(chǎng)強(qiáng)度、老化時(shí)間等都有較大的關(guān)系。對(duì)著老化時(shí)間的增加，復(fù)合絕緣子電暈老化速率會(huì)逐漸變慢。

（三）基于急速熱老化試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)

復(fù)合絕緣子的老化是一個(gè)長(zhǎng)期累計(jì)的過程，復(fù)合絕緣子性能的下降與其所經(jīng)歷的時(shí)間有密切的關(guān)系。

（四）基于經(jīng)驗(yàn)公式的壽命預(yù)測(cè)

隨著復(fù)合絕緣子在中國(guó)的廣泛應(yīng)用，復(fù)合絕緣子的老化也成為當(dāng)前重要的研究課題之一，復(fù)合絕緣子的老化壽命與使用時(shí)間之間有極為密切的關(guān)系。之前曾有研究人員從河南地區(qū)選擇48只不同運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行年限的復(fù)合絕緣子，通過水煮實(shí)驗(yàn)、憎水測(cè)試、紅外光譜分析等研究復(fù)合絕緣子的老化與運(yùn)行時(shí)間之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子與運(yùn)行時(shí)間之間呈正比關(guān)系。

總結(jié)：在本文中，對(duì)復(fù)合絕緣子的老化因素和作用機(jī)理進(jìn)行了研究，并總結(jié)了當(dāng)前復(fù)合絕緣子服役壽命的預(yù)測(cè)方法。并得出以下結(jié)論：

（1）按照復(fù)合絕緣子老化因素的來源，可將復(fù)合絕緣子的老化分為三種類型：物理老化、化學(xué)老化和電老化三種。導(dǎo)致復(fù)合絕緣子物理老化的因素主要有局部高溫、應(yīng)力疲勞、紫外線輻射等。導(dǎo)致復(fù)合絕緣子化學(xué)老化的因素主要有臭氧、氮氧化物、酸堿環(huán)境等；電老化在發(fā)生的同時(shí)也會(huì)有物理老化和化學(xué)老化的出現(xiàn)，電老化對(duì)復(fù)合絕緣子的危害性更大。

（2）復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期處在外界環(huán)境下運(yùn)行，復(fù)合絕緣子表面分子鏈會(huì)率先破裂，并發(fā)生各類化學(xué)反應(yīng)，生成羥基等強(qiáng)極性基團(tuán)，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，復(fù)合絕緣子的憎水性逐漸降低，復(fù)合絕緣子的電氣、機(jī)械性能逐漸劣化，如斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸性能等，體表及表面電阻率減小。性能降低較為嚴(yán)重的復(fù)合絕緣子會(huì)給電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

（3）當(dāng)前，針對(duì)于復(fù)合絕緣子安全壽命的預(yù)測(cè)模型都是建立在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之上的，但這些測(cè)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果至今也會(huì)存在一定的誤差。這與復(fù)合絕緣子的運(yùn)行環(huán)境有很大的關(guān)系。

（4）目前，針對(duì)復(fù)合絕緣子老化壽命的研究主要集中在復(fù)合絕緣子電氣、機(jī)械、力學(xué)性能上，復(fù)合絕緣子老化的根本原因是復(fù)合絕緣子在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在這方面，電力系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注及時(shí)處理運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的復(fù)合絕緣子，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn);

[1]邱志斌,阮江軍,黃道春,輸電線路懸式瓷絕緣子老化形式分析與試