郝 永，李 巍

(华电内蒙有限公司卓资发电分公司，内蒙古乌兰察布012300)

0 引言

由于复合绝缘子具有重量轻、防污闪、易维护等优点在输电线路上得到了广泛应用。复合绝缘子属于聚合物材料，它们的性能在运行过程中会随着外界应力和物理化学的作用而发生老化和劣化，如在电场、紫外辐射、湿度和温度等环境下的伞裙和护套材料粉化、蚀损、憎水性和抗撕裂强度的降低。为了延长复合绝缘子挂网运行时间，应研究现场老化复合绝缘子的各项性能［1－5］。因此，本文对现场老化的复合绝缘子进行老化特征分析，分析导致老化的主要因素，为今后复合绝缘子的设计以及运行维护提供参考。

1 绝缘子串的电场仿真计算

本文以现场运行老化的硅橡胶复合绝缘子作为研究对象。该绝缘子为1支500 kV棒形悬式复合绝缘子，现场运行时间10 a以上，当地地理环境污秽等级为I级。绝缘子由67个等径伞组成，全长为3.9 m，每个伞的直径为165 mm，相邻伞的间距为34 mm，芯棒直径为31 mm，其简化结构如图1所示。

图1 复合绝缘子结构示意图

首先，根据实际物理结构进行ANSYS电场建模仿真计算。由于建立模型时适当地对模型进行简化，不会对整体计算结果的精度造成很大影响，因此只建立该复合绝缘子的二维简化模型。表1为ANSYS建模计算时对应材料的参数设置，图2为其整串绝缘子电场分布计算结果。

表1 模型计算的参数

图2 绝缘子串电场分布云图

从图2可以看出，高压端部的金具处的尖端处存在较大的电场强度，这是由于建模时采用尖角导致的，实际绝缘子串没有过于明显的尖端，故不会存在特别大的电场。对于伞裙和护套等硅橡胶材料而言，底部高压端处的电场强度明显比中部的电场强度要高，并且较高强度电场的范围也比接地端处的要大。图3为电场强度沿绝缘子串伞群中间位置的分布情况。

图3 绝缘子串的电场分布

从图3可以明显看出，绝缘子串中部伞裙承受的电场最小。高压端的电场强度较其它位置强。由于均压环和金具的影响，最大电场强度位于大概1、3号伞裙的附近。低压端附近的电场强度比中部高，在离低压连接金具3、4个伞群距离的位置有1个电场强度极大值点，但它比高压端低。

2 绝缘子伞裙的憎水性测量

良好的憎水性及憎水迁移性是复合绝缘子的优良耐污闪性能的主要原因。憎水性的好坏直接影响现场运行故障的大小。本文按照DL/T 846－2004《标称电压高于1 000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》中的静态接触角法进行复合绝缘子伞裙的憎水性测量。首先，将伞裙试片用无水乙醇清洗掉表面的污秽物，用自来水冲洗，干燥后置于防尘容器内，在标准环境条件下至少保存24 h。然后，将测试样品置于平台上，用针管将水珠小心滴至试片上后利用照相机进行照相，将获取的水珠照片利用图像处理软件测量其水珠的接触角。每片样品测量10次，取平均得到该试样的憎水性静态接触角。静态接触角越大则表明该材料的憎水性越好，其测量方法和结果如图4、图5所示。

图5的憎水性分布结果表明:复合绝缘子串的憎水性分布与电场分布的趋势几乎相反，即承受的电场强度越大，运行多年后的憎水性越差。绝缘子串的中部位置由于电场强度较弱，其憎水性维持在一个较好的水平，平均静态接触角为141°，而靠近两端的位置，特别是高压端的下表面，水滴的静态接触角只有120°。并且同一处的伞裙的上下表面的憎水性也不一样，平均而言，上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

3 绝缘子伞裙表面电镜扫描(SEM)结果

观察绝缘子的各个伞裙，发现各伞裙均出现了一定程度的劣化，表现为粉化和局部发黑，但是各个部位的伞裙的劣化程度不一致。其中靠近两端的伞裙的表面发黑较严重，高压端第一个伞裙表面几乎全部变黑，而绝缘子串中部的伞裙只有靠近芯棒处的小部分有点发黑。将复合绝缘子串的伞裙的表面用无水乙醇擦洗过后发现除了1号伞裙和67号伞群(即最靠近两端的伞群)保持原有的颜色外，其它伞裙表面呈现出一种粉状的白化现象。将各伞裙进行电镜扫描观察其微观形貌，试验结果如图6所示。

图6 绝缘子串伞裙表面形貌

通过观察放大1 000倍的绝缘子伞裙表面形貌可以看出，在各伞裙表面都存在有大量的孔洞。其中1号和4号伞裙表面可以看到约为10 μm宽度的裂痕和5 μm直径的孔洞;10号伞裙表面也有明显的裂痕，但是宽度只有3 μm左右，其上的孔洞较少，但有大量的突起物;34号伞裙的表面较为光滑，没有裂纹，孔洞较少;58号和64号伞裙存在大量的直径长达10 μm的孔洞;67号伞裙上可以看到1条不明显的小裂纹，同时存在直径超过10 μm的孔洞。总体来说，靠近两端的伞裙微观表面越复杂，孔洞越多，裂痕越明显，而高压端的表面的劣化程度比低压端表面严重。

4 结果分析

图3、图5和图6表明，复合绝缘子的憎水性与该处承受的电场强度和表面形貌结构有直接的关系。硅橡胶复合绝缘子表面的憎水性取决于材料本身的非极性基团和表面结构。在下雨或者大雾等潮湿条件下，停留在绝缘子表面的水珠将引起局部电场的畸变，加大了局部的电场强度，当局部电场达到一定强度时，便会产生局部放电现象。在局部放电过程中，高能放电粒子不断对复合绝缘子硅橡胶材料表面进行轰击，导致硅橡胶分子链断裂，表面硅氧烷小分子流失，表面孔洞增加，从而导致硅橡胶材料的憎水性下降。由于硅橡胶材料憎水性的下降导致水滴容易在表面停留，从而导致电晕和局部放电产生，加速材料老化。同时，即使是在干燥没有电晕的条件下，太阳光也会对复合绝缘子的老化产生一定的影响。一方面，太阳光中高能的紫外线能协同局部放电或者其它的老化因素一起，导致硅橡胶中分子断链，加速绝缘子材料的老化。另一方面，适量的光线能够给材料内部的硅氧烷小分子向外迁移提供一定的能量，从而导致憎水迁移性和憎水性的恢复。而绝缘子伞群上表面受到太阳光照射的概率比下表面大，绝缘子伞裙上表面的憎水性比下表面的憎水性好。

5 结论

1)硅橡胶材料复合绝缘子表面憎水性能随着场强的增大而减小。

2)潮湿条件下高场强区由于局部电场畸变导致电晕或者局部放电现象是硅橡胶材料憎水性下降的主要原因。

3)太阳光能够加速憎水性的恢复，其紫外线等高能射线在其它老化因素的共同作用下导致材料老化憎水性下降。

［1］刘泽洪.复合绝缘子使用现状及其在特高压输电线路中的应用前景［J］.电网技术，2006，30(12):1－7.

［2］张文亮.复合绝缘子在±800 kV特高压直流工程中的应用研究［J］.电网技术，2006，30(12):8－11.

［3］赵锋，张福增，杨皓麟，等.复合绝缘子憎水性及直流污闪特性的影响因素［J］.中国电机工程学报，2009，29(1):107－112.

［4］程养春，李成榕，陈勉，等.高压输电线路复合绝缘子发热机理的研究［J］.电网技术，2005 ，29(5):57－61.

［5］梁英，李成榕，丁立健，等.电晕对HTV硅橡胶憎水性恢复的影响［J］.高电压技术，2008 ，34(1):30－32，40.