基于等离子体处理的硅橡胶憎水恢复物理模型及评价方法研究

憎水恢复性是硅橡胶复合绝缘子的特有性能,为保持电网输变电设备外绝缘水平和安全稳定运行提供了重要保障。目前,针对复合绝缘子运行放电工况下表面憎水性减弱及恢复特性,缺少快速有效的定量评估方法。该文利用等离子体处理方法模拟复合绝缘子硅橡胶在运行放电工况下憎水性减弱及恢复现象,基于小分子扩散理论和菲克第二定律建立等离子体老化后的硅橡胶表面憎水恢复的动态物理模型,并通过数学推导得出硅橡胶小分子扩散系数D的计算公式。实验发现,仅经过3min的等离子体处理,硅橡胶表面就转变为完全亲水,且小分子在硅橡胶无机硅氧层中的扩散系数D数量级为10~(-16) cm~2/s。对比等离子体法与涂污法发现,两者对同系列试样的检测结果趋势一致,具有等效性。气相色谱与质谱联用法试验结果表明,硅橡胶中无机填料氢氧化铝(aluminum hydroxide,ATH)的含量越高,硅橡胶中有机小分子总浓度就越低,当硅橡胶中ATH含量增加时,其憎水恢复性则减弱。等离子体处理法测试得到的小分子扩散系数D可用于定量评价运行复合绝缘子硅橡胶的憎水恢复性。     

自然老化硅橡胶材料表面憎水性及耐受特性的研究

研究硅橡胶材料的老化特性对于复合绝缘子的设计、选型及维护具有重要意义。以经过现场投样、自然老化后的复合绝缘子伞裙压片为研究对象,详细研究了硅橡胶材料自然老化前后在憎水性迁移特性、憎水性丧失特性、憎水性恢复特性上出现的差异,另外对材料受酸碱侵蚀后表面维持憎水性的能力也进行了研究。结果表明,老化对于材料憎水性能的影响较明显,上下表面由于存在日照、雨淋、积污和冲刷等因素的差异,老化程度不同,上表面的憎水性能表现的更差一些。     

紫外线老化对复合绝缘子硅橡胶憎水性的影响

硅橡胶复合绝缘子的优良耐污闪性能源自于硅橡胶材料的憎水性以及憎水迁移性。本文研究了紫外老化对硅橡胶憎水性影响以及硅橡胶表面积污后的憎水迁移性。研究结果表明：经小分子处理的硅橡胶经过2 000 h紫外线辐射后仍能够保持良好的憎水性,静态接触角仍能达到102.3°,憎水性等级为HC2级;硅橡胶上的污层在较短时间内具有了憎水性,憎水性等级能达到HC2~HC3。并对硅橡胶紫外老化机理以及憎水迁移性机理进行了分析。     

多种老化因素对接触网复合绝缘子憎水性及憎水恢复性的影响研究

在青藏高原等高海拔地区,复合绝缘子在强紫外辐照、异常发热等因素作用下发生老化,会导致硅橡胶憎水性下降,因此分别对两种不同的硅橡胶进行紫外、温度联合老化和热老化,测量硅橡胶表面的静态接触角以衡量其憎水性,并将紫外、温度联合老化后的硅橡胶置于150℃条件下,分析多因素老化转为单因素老化后硅橡胶的憎水恢复性.研究结果表明:紫外、温度联合老化条件下硅橡胶的憎水性下降速度为热老化条件下硅橡胶憎水性下降速度的1.5～2倍.不同紫外、温度联合老化周期下的硅橡胶在150℃条件下静态接触角的变化曲线不同,其原因是不同老化程度下产生的小分子硅氧烷浓度不同,在热老化条件下硅橡胶热裂解与小分子硅氧烷向硅橡胶表面迁移形成竞争机制,当小分子硅氧烷迁移占主导作用时,硅橡胶静态接触角增加.该研究结果可为高海拔地区的复合绝缘子运行维护提供参考.     

多种老化因素对接触网复合绝缘子憎水性及憎水恢复性的影响研究

在青藏高原等高海拔地区,复合绝缘子在强紫外辐照、异常发热等因素作用下发生老化,会导致硅橡胶憎水性下降,因此分别对两种不同的硅橡胶进行紫外、温度联合老化和热老化,测量硅橡胶表面的静态接触角以衡量其憎水性,并将紫外、温度联合老化后的硅橡胶置于150℃条件下,分析多因素老化转为单因素老化后硅橡胶的憎水恢复性.研究结果表明:紫外、温度联合老化条件下硅橡胶的憎水性下降速度为热老化条件下硅橡胶憎水性下降速度的1.5～2倍.不同紫外、温度联合老化周期下的硅橡胶在150℃条件下静态接触角的变化曲线不同,其原因是不同老化程度下产生的小分子硅氧烷浓度不同,在热老化条件下硅橡胶热裂解与小分子硅氧烷向硅橡胶表面迁移形成竞争机制,当小分子硅氧烷迁移占主导作用时,硅橡胶静态接触角增加.该研究结果可为高海拔地区的复合绝缘子运行维护提供参考.     

沿海运行条件下支柱式复合绝缘子憎水性能研究

复合绝缘子在沿海地区工况下的老化失效问题一直给沿海地区电网安全、稳定运行带来重大隐患,也是复合绝缘子运维、检修管理中的重点和难点.本文对不同运行年限的变电站用支柱式复合绝缘子展开研究,分析了其憎水性能与运行年限之间的关系.结果表明:变电站用支柱式复合绝缘子的憎水性与高压环境、绝缘子表面朝向等因素密切相关,当绝缘子运行时间达到7年时,其憎水性能急剧下降.     

特殊工业粉尘地区复合绝缘子腐蚀失效过程研究

硅橡胶复合绝缘子因其优异的憎水性及憎水迁移性而具备较好的防污闪能力,往往作为应对污闪事故的首选方案。但在部分特殊工业粉尘地区,复合绝缘子在短时间运行后会出现爬电及蚀损现象,并发展为绝缘失效。为研究特殊工业粉尘地区复合绝缘子的腐蚀失效过程,测试了某特殊工业园区内运行的复合绝缘子的表面污秽度及污秽成分、污闪电压梯度、憎水性能及微观性能,并分析了其腐蚀失效过程。主要结论如下:绝缘子表面等值盐密为0.1~0.2 mg/cm²,其污秽成分与化工污源类似;存在自然污秽时绝缘子表面憎水性良好,但其憎水性的减弱、恢复及迁移特性均不能满足运行要求;绝缘失效的起因是电晕放电导致憎水性降低,进而导致伞裙电蚀损,最后发展为绝缘失效。     

憎水性清洁剂对电气设备外绝缘的影响

积污老化是造成电气设备外绝缘性能下降的主要原因之一,目前主要采用酒精擦洗的方法进行处理,效果并不理想。为此,介绍了一种具有清洁功能的憎水清洁剂,它能够实现对老化硅橡胶表面深度交联污秽的彻底清洁,同时通过残留憎水性保护膜提升设备的绝缘阻值。针对积污老化对复合绝缘子憎水性及绝缘阻值的影响以及清洁剂在污秽清洁、憎水提升和绝缘电阻恢复等方面的性能进行了实验和理论分析。初步研究表明:积污老化严重降低复合绝缘子在高温高湿环境下的外绝缘性能;新型清洁剂具有比酒精更为优异的污秽清洁能力,同时残留保护膜可以明显提升材料表面的憎水性和绝缘电阻,为高湿条件下绝缘检测提供了一种可供选择的解决方案。     

复合绝缘子外绝缘基材硅橡胶表面的憎水性和憎水迁移性机理分析

使用复合绝缘了可以有效地防止高压输电线路的污闪跳闸事故，保证线路的安全运行。分析了复合绝缘子基材的分子结构特点，探讨了硅橡胶绝缘子表面憎水性及憎水迁移机理，对改进材料配方，提高绝缘子性能及探讨绝缘子在运行过程中憎水性的丧失、恢复和电网安全可靠性有一定参考价值。     

憎水迁移过程中的波动性

迁移时间是复合绝缘子人工污秽试验中的重要参数,为了说明迁移时间对于污层憎水性能描述的局限性,本文对染污复合绝缘子的憎水迁移过程进行了研究。通过测量高温硫化硅橡胶(high temperature vulcanizing silicon rubber,HTV)试片污层表面液滴接触角、液滴水平投影面积及HTV芯棒的污闪电压,发现污层憎水性能随迁移时间增长呈波动性增长。污层表面憎水性小分子不断向空气扩散,是导致憎水性呈波动性增长的内因;污层内部水分含量的变化,则是导致憎水性能呈波动性增长的主要原因;当试品所处迁移环境空气流通性较好时,有利于促进试品污层干燥,减小憎水性随迁移时间增长过程中的波动性。研究认为:染污复合绝缘子污层表面憎水性能随迁移时间总体上是增长的,但是,憎水性波动过程的存在,以及迁移过程受迁移环境的影响显著,使得单一的迁移时间不是描述污层憎水性能的理想参数。要提高复合绝缘子人工污秽试验与自然污秽试验间的等价性,需要寻找更合适的参数来描述试品污层的憎水性状态。     

复合绝缘子憎水性机理分析

本文阐述了老化前后复合绝缘子表面憎水性的变化，分析了复合绝缘子老化的原因，并通过试验验证了复合绝缘子憎水性丧失及恢复的机理。     

运行后复合绝缘子的理化分析

为了获得复合绝缘子在运行后老化的状况,选取了3个厂家生产的6支绝缘子试样,分别对这6支试样进行了憎水性测试、Fourier红外光谱分析、热分析和扫描电镜(SEM)检测。结果表明:硅橡胶表层的憎水性基团Si-CH3、-CH3各自与-Si-O-Si-基团的摩尔比明显低于中心层,而-OH未见明显规律;憎水性基团Si-CH3、-CH3摩尔比的相对变化能较好地表征憎水性,而-OH不宜作为复合绝缘子的憎水性表征指标。新复合绝缘子表层和中心层的组成基本相同。投运后复合绝缘子表层和中心层中无机化合物的质量规律性不明显;表层及中心层中高分子物质的质量随运行时间的延长而呈下降趋势,且中心层中高分子物质的质量高于表层;表层中低分子物质的质量高于中心层。投运时间对试样的扫描电镜结果具有一定的影响。新复合绝缘子试样喷水后的憎水性级别为HC1,运行后试样的憎水性级别处于HC3～HC4,同一复合绝缘子试样中不同伞裙、不同位置的憎水性也略有不同。研究结果对复合绝缘子老化评估具有参考价值。     

现场运行复合绝缘子憎水性的研究

为及时发现长期运行复合绝缘子伞裙护套材料的憎水性下降,测试了现场运行复合绝缘子的憎水性迁移、丧失和恢复特性,并利用傅立叶变换红外光谱法(FTIR)分析了伞裙材料表面成分。结果发现复合绝缘子所用生胶PDMS主链增长是其憎水性下降的原因之一。应做好复合绝缘子运行状态检测工作,以充分发挥其优异性能。     

气温剧变对复合绝缘子憎水性及表面硬度的试验研究

绝缘子在实际使用过程中,不仅会随着使用年限的增加而产生老化,环境温度的突然变化也会对绝缘子的憎水性、表面硬度产生影响,在电力系统中,许多不明闪络往往发生在外界环境发生突变的时候,为了更好的研究环境温度短时间内剧烈变化对复合绝缘子的影响,文中对复合绝缘子样品进行了温度循环试验,以模拟环境温度短时间内剧烈变化,并研究了复合绝缘子在温度循环试验条件下憎水性及表面硬度的变化。结果表明,短时间的温度突变能够影响绝缘子表面憎水性与硬度,并且随着温度循环次数的增加,绝缘子表面的憎水性会进一步下降,表面硬化更加明显,二者表现出一定的相关性。     

特殊工业粉尘地区复合绝缘子自然积污特性研究

硅橡胶复合绝缘子具备机械强度高、防污闪性能优异、质量轻、运行维护方便等优点,在电网建设中应用广泛。在部分工业化工区,存在特殊工业粉尘污染,该类地区运行的复合绝缘子表面更容易积污,绝缘子表面在积污后憎水性显著降低,绝缘性能明显减弱。为研究特殊工业粉尘地区运行的复合绝缘子自然积污特性,文中对江苏某工业园区运行的复合绝缘子进行取样,使用污秽度与微观分析结合的方法对积污特性进行研究。结果表明,该地区运行的复合绝缘子普遍表面污秽度较重,污秽可溶物等值盐密(ESDD)数值较高,且污秽中存在的不溶灰分主要元素为碳(C)、氧(O)、硅(Si),含碳粉、二氧化硅(SiO 2)、氧化钙(CaO)等影响绝缘子表面导电性及吸水性的物质。文中所提方法能较好地揭示特殊工业粉尘地区的污秽特性。     

丧失憎水性的直流复合绝缘子耐污特性

通过人工污秽试验研究了丧失憎水性的复合绝缘子在直流电压下的污秽闪络特性,给出了两种憎水性状态下的复合绝缘子污闪电压,在憎水性完全丧失状态下时不同表面污秽度下的复合绝缘子50%闪络电压,文中还分析了表面污秽不均匀分布对污闪电压的影响。试验结果表明即使复合绝缘子完全丧失憎水性,其污闪电压较相同长度的瓷或玻璃绝缘子串高20%～50%。     

基于TSC测试的硅橡胶复合绝缘子伞裙材料老化特性研究

为利用热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)测试手段对复合绝缘子老化特性进行评估,以现场运行复合绝缘子为研究对象,进行了TSC测试及憎水性等级喷水分级测试。初步探寻了伞裙位置、运行年限及环境污秽等级等因素对现场运行复合绝缘子伞裙材料TSC特性的影响规律。结果表明,绝缘子串上场强分布较高的位置、有较长运行年限及重污区的绝缘子,其伞裙材料的TSC曲线峰值较大,相应的陷阱电荷量也较大。对2种评估复合绝缘子伞裙材料老化的测试手段进行了对比分析,可知TSC测试结果能更加明显地区分复合绝缘子伞裙材料老化程度的不同,对于老化性能的评估更具优越性。     

复合绝缘子酸液侵蚀的脆断研究

在输电线路中,复合绝缘子的芯棒非联接部分频繁出现脆断、掉线,其中酸性介质侵入并渗透到内部芯棒,腐蚀芯棒截面,是造成复合绝缘子机械强度下降进而脆断的主要原因。建立了复合绝缘子的酸液侵蚀模型．利用ANASYS对其场强和电位进行仿真分析。分析结果表明,酸液侵蚀复合绝缘子后,金具处场强最大值比正常复合绝缘子数值大,且侵蚀部位场强畸变严重;复合绝缘子侵蚀后的电位分布比正常复合绝缘子的高．单片绝缘子承担的电压偏大,加速了绝缘子老化。     

大气环境对合成绝缘子的憎水性影响分析

通过模拟不同的气候条件,试验分析了大气环境中影响合成绝缘子憎水性的各种因素,结果表明:分离水珠影响了硅橡胶表面的电场分布,局部小电弧导致了硅橡胶表面憎水性能的下降;合成绝缘子的憎水性随污秽层等值盐密的升高而降低,随污秽层附着时间的增长而增强,且酸性物质对合成绝缘子憎水性的影响较碱性物质影响小;低温特别是覆冰条件下,合成绝缘子的憎水性将减弱甚至丧失;随温度的升高,小分子聚合物挥发速度加快,硅橡胶的憎水性能越强,其老化速度加快。     

不同运行年限复合绝缘子表面护套特性的研究

随着复合绝缘子运行年限的增长,有机材料的复合绝缘子会发生不可逆转的老化。伴随绝缘材料自身的性能的恶化,有可能影响电力系统的安全在线运行。为了进一步积累复合绝缘子安全运行的相关经验,特对可能存在安全隐患的110 kV叶氮清线及110 kV白氮线中不同运行年限的绝缘子共摘取3只进行抽检,研究不同运行年限后的复合绝缘子表面特性,对其进行了一系列的试验。研究内容包括绝缘子表面不同部位的憎水性分布、通过扫描电镜来分析绝缘子表面的污秽特征,以及通过离子成分分析,研究了污秽成分。试验研究表明,运行后的绝缘子的憎水性能出现不均匀分布,分析绝缘子表面的污秽成分,有助于了解该区域的污区特点,合理的制定防污措施。