1、科学技术创新 2023.24硅橡胶绝缘材料的直流漏电起痕研究朱勇*（泰州学院 机电工程学院，江苏 泰州）随着复合绝缘子在电力系统中使用数量的不断增加，特别是在直流输变电工程中应用范围的不断拓展，其老化问题逐渐引起人们的重视1-3。复合绝缘子外绝缘多采用的是高温硫化硅橡胶材料。当硅橡胶作为外绝缘材料使用时，在各种恶劣的气候环境条件，例如太阳光紫外线、盐雾、台风、雨雪、酸雨等影响下，都会造成硅橡胶的物理和化学损伤，从而影响其绝缘性能。特别是在重污染地区，尽管硅橡胶的憎水性会迁移到绝缘子的表面污层，但是在恶劣天气中，绝缘子表面会发生电晕、火花放电，致使绝缘子表面污层的憎水性逐渐丧失。当表面污层完全呈
2、亲水性时，湿润的污层就会形成电解液导电通路，从而发生污闪。另外在湿润环境下，当硅橡胶绝缘子憎水性尚存时，其表面会形成若干个细长污液带和污液带间的高阻干区。这些干区上能够形成数量较多的局部电弧，当这些电弧逐步发展和合并，最终也会形成闪络。即使不发生闪络，这一系列的气候、环境和电气因素也会造成有机材料绝缘子的老化，降低其绝缘性能4-5。由表面放电所引起的电弧老化是复合绝缘子用硅橡胶老化的主要因素，因此电力行业对复合绝缘子用绝缘材料的耐电痕和电蚀损性能做出了要求，并构建 了 试 品 的 斜 面 试 验 方 法。目 前，在 国 标GB/T6553-2014严酷环境条件下使用的电气绝缘材料评定耐电痕化和
3、蚀损的试验方法 中对交流电压作用下耐表面电弧蚀损的试验方法已经非常成熟6。但是对直流斜面法的研究还不充分，由于直流电没有交流电的过零点现象，所以电弧持续的热分解更强，作用机理也有所不同，如果仅仅将电压进行替换，依然采取交流斜面法的判定依据是不科学的。本文将研究直流斜面法下硅橡胶绝缘材料的漏电起痕现象，通过调整电压大小、作用时间、污液滴速等相关参数，对直流斜面法进行系统的研究，积累相关数据，为行业相关标准的修订提供依据。1实验1.1实验装置试验采用 GB/T 6553 标准中所规定的倾斜平板法，实验电路如图 1 所示。试验过程中交流变压器输出的交流电经高压硅堆整流成直流电压后施加到试样上，当泄漏
4、电流超过 60 mA 时过流保护装置动作，切断电源。试样的安放如图 2 所示，试样为压制的 6mm 厚平板状高温硫化硅橡胶，一组 5 个试样，呈45倾斜安装，同步进行试验。试验开始后，污液由上部电极处按一定速率滴下，经滤纸后沿试样的下表面向下部电极处流下。当污液接近下电极时，局部的高基金项目：泰州市科技支撑计划社会发展项目（TS202034）；泰州学院科研项目（QD2016053）通讯作者：朱勇（1976-），男，博士，副教授，研究方向：高电压与绝缘技术。摘要：针对硅橡胶复合绝缘子在直流输变电工程中的应用，参考 IEC 60587 和 GB/T 6553 规定的实验方法，研究了直流斜面法下硅橡
5、胶绝缘材料的漏电起痕现象。通过分析电压大小、作用时间和污液滴速等相关参数对材料蚀损深度的影响，给出了建议的直流漏电起痕试验参数为：试验电压 4耀5 kV，试验污液滴速 0.3mL/min耀0.6 mL/min。同时分析了电弧热分解作用下试样烧蚀区域的化学官能团变化，明确了硅橡胶基体由有机硅向无机硅转化的趋势。关键词：复合绝缘子；硅橡胶；漏电起痕；外绝缘；老化中图分类号院TQ333.93文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0200-04200-2023.24 科学技术创新电场引发电弧放电，并沿污液向上延展，直至熄灭。当污液再次流下时，电弧放电再次发生。在如此循环往复的表面
6、电弧热量作用下，试样表面将会产生蚀损现象。试验时间为 6 h，如过程中未发生因过电流切断电源，且 5 个试样的蚀损深度均不超过 2.5 mm，则认为试验通过，以通过试验的最高试验电压作为试样的耐漏电起痕等级。图 2试样安装示意图1.2实验参数试验采取了不同电压、不同污液滴速进行试验。在试验中随时观察试片老化情况，一旦发现烧蚀深度达到 2.5 mm，即停止试验。本试验采取直流 3 kV、3.5 kV、4 kV、4.5 kV 和 5 kV 五个电压等级，0.075mL/min、0.15mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.6mL/min 和 0.9 mL/min 六个污液滴速水
7、平对硅橡胶试样进行试验（注：为验证电压的影响，串联电阻 R 统一选取22k），以电弧烧蚀深度对老化效果进行评价。2结果与讨论2.1直流电弧蚀损一般认为，斜面法试验的试品破坏属于热破坏。由试验观察可知，直流斜面法与交流斜面法相似，当污液由试样的上电极沿表面流下接近下电极时，触发电弧产生。此时，电弧的弧根一端连着下电极，另一端连着污液的下端。随着电弧燃烧热量的释放，部分污液将被蒸发，电弧的上弧根也随之向上延展，这意味着试样表面干区范围扩大。当电源电压不足以在干区维持高场强时，电弧即会熄灭。但当污液再次流下时，电弧将会重燃。所以试验过程实际上是一个间隙电弧不断反复作用的过程，持续的电弧热量是造成试品
8、破坏的主要原因。对于未填充的高温硫化硅橡胶而言，在空气中氧气存在的情况下，当受到持续高温作用时通常会在200 到 520 因氧化和燃烧而明显失重。当温度超过 520 后，则会因为热分解而形成轻微失重7。作为复合绝缘子外绝缘材料的高温硫化硅橡胶，通常会添加氢氧化铝作为阻燃剂。氢氧化铝在 230310 时会产生明显的重量损失，在 310540 时会有平缓的重量损失，而在 540 以上时会有轻微的重量损失。如方程式（1）和（2）所示，氢氧化铝的结晶水可以在 300和 500 左右进行两次释放。Al2O3 3H2OAl2O3 H2O+2H2O(1)Al2O3 H2OAl2O3+H2O(2)在电弧高温的
9、作用下，氢氧化铝分解产生水，水蒸发会吸收大量的热，同时生成的氧化铝具有高导热和耐高温作用，从而在一定程度上可降低电弧对材料的烧蚀。因此，对于填充了一定量氢氧化铝的高温硫化硅橡胶试样，在电弧放电的初期阶段，其损耗主要来自氢氧化铝的脱水反应，而硅橡胶基体的热氧化得到抑制。但随着试样表面氢氧化铝结晶水的消耗，电弧的热量将会作用于硅橡胶基体，产生热氧化和热分 220VVTBBRCIRSIRSIRSIRSIRS污液污液T-TDG-3 型接触调压器；S-斜面法试品；R-串联电阻器；B-高压试验变压器；V-分压器；I-过流继电器；BR-高压硅堆；C-高压电容图 1直流耐漏电起痕试验装置示意图 污液入口污液入
10、口上电极上电极参考标记参考标记下电极下电极绝缘的试样支架绝缘的试样支架试样试样201-科学技术创新 2023.24解，形成材料的热蚀损。在直流漏电起痕试验过程中，由于直流电没有交流电的过零点现象，不会因为电压的转换而导致小电弧的熄灭，所以电弧燃烧时间更长，几率更大，故其烧蚀性更强。试验结果如图 3 所示，由结果可知，直流电弧烧蚀深度随电压和污液滴速的升高而升高。过低的电压和污液滴速对试样表面的蚀损作用并不明显，而过高的电压和污液滴速则使得试样蚀损深度短时间内就超过了 2.5 mm，均不利于对材料性能的评估。为有效表征硅橡胶材料的耐电弧蚀损能力，从试验数据中可以得出结论，在直流耐漏电起痕试验中，
11、较为合适的试验电压是 45 kV，污液滴速为 0.3 mL/min0.6 mL/min。图 3直流斜面法的试样蚀损深度（2.5 mm 表示在 6 h 内蚀深超过 2.5 mm，试验停止）2.2红外光谱分析采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分别对试样的烧蚀区域表面以及烧蚀区附近的未烧蚀区域体层和表面进行了分析，结果如图 4 所示。通常情况下，硅橡胶材料具有一些特征红外峰，其中 788 cm-1处为 Si-C的伸缩振动峰，1 009 cm-1处为 Si-O-Si 的伸缩吸收峰，1 259 cm-1处为 Si-CH3中 C-H 的对称变形振动峰，2 960 cm-1处为-CH3中 C-H 的不对称伸
12、缩振动峰，3 431 cm-1处为试样中-OH 的伸缩吸收峰8。从图 4 中可知各主要官能团的吸收位置和强度存在一定差异，但未烧蚀区表面和体层各基团的变化较为一致，但烧蚀区表面较两者差异较大。烧蚀区硅橡胶主体 PDMS 的 Si-CH3下降明显，作为侧链的 Si-CH3在非烧蚀区表层含量与内部含量相比有一定的下降，但烧蚀区相较于非烧蚀区体层下降更为明显，说明烧蚀区材料因直流漏电起痕试验过程中的电热效应而发生了氧化损耗。此外，作为主链的 Si-O-Si 含量，烧蚀区含量最高，非烧蚀区表层含量与内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烧蚀区硅橡胶基体中有机硅向无机硅转化趋势最为明显，
13、老化最为严重。3结论（1）对于复合绝缘子硅橡胶材料的电弧老化而言，直流电弧比交流电弧的烧蚀作用更为明显。（2）建议的直流漏电起痕试验参数为：试验电图 4硅橡胶试样的红外光谱202-2023.24 科学技术创新压 45 kV，试验污液滴速 0.3 mL/min0.6 mL/min。（3）在表面电弧的作用下，试样烧蚀区的硅橡胶基体中存在由有机硅向无机硅转化的趋势。参考文献1陈钰珺,胡莎莎,肖乔，等.退役硅橡胶复合绝缘子的表面污秽及老化特性分析J.橡塑技术与装备,2023,49(7):36-41.2赵伟,董军,陈睿，等.喀斯特山地垭口处直流棒形悬式复合绝缘子运行性能研究 J.电瓷避雷器,2022(5
14、):192-198.3郑武略,苏国磊,陈艺，等.依800 kV 楚穗直流线路复合绝缘子局部温升与缺陷等级研究 J.电瓷避雷器,2021(1):226-233.4朱勇,郁杰,刘俊，等.交流电晕对复合绝缘子硅橡胶伞裙憎水性的影响研究 J.电力科学与工程,2019,35(2):33-37.5李光茂,杜钢,杨杰，等.复合绝缘子用高温硫化硅橡胶老化图谱绘制方法 J.装备环境工程,2023,20(3):117-123.6GB/T 6553-2014,严酷环境条件下使用的电气绝缘材料评定耐电痕化和蚀损的试验方法S.7Zhu Y,Otsubo M,Honda C,et al.Suppressioneffect
15、 of ATH filler on the erosion of filled siliconerubber exposed to dry band arc dischargeJ.PolymerTesting,2005,24(7):893-899.8成立,梅红伟,王黎明，等.复合绝缘子用硅橡胶护套长时间老化特性及其影响因素 J.电网技术,2016,40(6):1896-1902.Study on DC Tracking and Erosion ofSilicone Rubber Insulating Materials Zhu Yong*（College of Mechanical and E
16、lectrical Engineering,Taizhou University,Taizhou,China）Abstract:In view of the application of silicone rubber composite insulators in DC power transmissionand transformation engineering,the phenomenon of tracking and erosion of silicone rubber insulating materialsunder DC inclined plane method was s
17、tudied by referring to the experimental methods specified in IEC60587 and GB/T 6553.By analyzing the influence of voltage,duration time and contaminated droplet velocityon material erosion depth,the suggested test parameters for DC tracking and erosion are given as follows:testvoltage 45 kV,test dro
18、plet velocity 0.3 mL/min 0.6 mL/min.At the same time,the change of chemicalfunctional groups in the ablative region of the sample under the action of arc thermal decomposition wasanalyzed,and the conversion trend of silicone rubber matrix from organosilicon to inorganic silicon wasconfirmed.Key words:composite insulator;silicone rubber;tracking and erosion;external insulation;aging203-
