汪佛池 律方成 杨升杰 刘 杰 李宁彩

基于FTIR的110kV复合绝缘子硅橡胶伞裙老化性能分析

汪佛池 律方成 杨升杰 刘 杰 李宁彩

（华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室 保定 071003）

为研究 110kV运行复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化状态，采用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR）技术对来自同一厂家运行于 3个不同地区的 9支110kV复合绝缘子硅橡胶伞裙典型基团变化情况进行了研究。对比了不同部位、污区及运行年限硅橡胶伞裙中Si-O-Si主链及Si-CH3侧链反射率差异，结果显示导线侧伞裙、重污秽地区运行伞裙及运行年限较长伞裙的红外反射率较小，表明强电场、重污环境及长运行年限复合绝缘子硅橡胶伞裙老化较严重，硅橡胶伞裙老化状况随运行年限表现出缓慢增长-急剧增加-缓慢变化的趋势；同时运行年限对硅橡胶伞裙老化的作用相对最强，电场强度作用次之，而运行环境作用相对较弱，结合硅橡胶伞裙表面SEM测试结果对硅橡胶伞裙的老化差异进行了理论分析。

傅里叶红外光谱 110kV复合绝缘子 老化 运行年限 电场强度 运行环境

1 引言

与传统玻璃绝缘子和瓷绝缘子相比，复合绝缘子具有重量轻、抗污闪能力强、运行维护方便等优点，在电力系统输配电网络中得到了广泛应用[1-3]。长期现场运行后，复合绝缘子硅橡胶伞群将逐步发生老化，表现出粉化、破损、憎水性下降等劣化迹象[4,5]，导致输电线路事故时有发生，严重影响电力系统运行的可靠性。为此，针对复合绝缘子硅橡胶伞群老化状态及规律开展分析研究，掌握复合绝缘子劣化规律，这对于确保输电网络安全可靠运行具有重要意义。

傅里叶红外光谱（FTIR）技术通过分析与样品作用前后红外光谱的变化对样品表面特征官能团进行分析。相关研究表明 FTIR技术可有效分析复合绝缘子硅橡胶材料的老化情况，文献[6]通过 FTIR分析发现运行复合绝缘子伞裙上、下表面及南、北侧官能团存在差异；文献[7]通过 FTIR分析了运行0、8、9、11、13复合绝缘子伞裙，发现随挂网时间的增长伞裙中各基团反射峰强度下降，老化程度加深；文献[8]通过 FTIR分析表明运行复合绝缘子电晕放电和局部放电产生硝酸是导致绝缘子脆断的主要原因；文献[9]采用FTIR分析比较了普通RTV和纳米复合RTV电晕老化的差别。虽然相关文献针对复合绝缘子硅橡胶伞群的老化开展了部分研究，但是针对运行复合绝缘子硅橡胶伞群随外界作用因子的老化规律及机理并未进行深入研究，而这对于指导现场复合绝缘子的运行维护具有重要的价值。

基于此，本文以FTIR为研究手段，采用Nicolet iS5傅里叶变换红外光谱仪系统分析了复合绝缘子不同部位伞群、运行于不同污秽地区绝缘子硅橡胶伞群及运行不同年限硅橡胶伞群典型基团的变化规律，同时借助 JSM-6490LV扫描电子显微镜观测了各试样表面微结构差异，研究了不同运行工况下复合绝缘子硅橡胶伞群老化规律。

2 试验样品及方法

为分析不同运行工况下复合绝缘子硅橡胶伞群的老化差异，选取了某厂生产的运行于广州、襄樊、保定等地 9支 FXBW4-110/100型110kV复合绝缘子（结构如图1所示）为研究对象（各试样情况具体如表1所示）。实验过程中分别在每支绝缘子导线侧、中部、杆塔侧伞裙边缘处各切取1cm2硅橡胶材料为研究样品，获得的试样采用无水乙醇擦洗、去离子水冲洗去除其表面污秽，待自然晾干后进行FTIR和SEM分析。

图1 Fig.1

表1 试样情况Tab.1 Sample parameters

复合绝缘子用硅橡胶材料常由 45～70万聚二甲基乙烯基硅氧烷（PDMS）组成，其中 PDMS分子主体由 Si-O-Si主链和 Si-CH3侧链组成[10-11]，其分子以共价键方式组成，键力较弱、键能较低，在光、电等高能量粒子作用下 PDMS中的 Si-O-Si及Si-CH3链段将发生断链、交联[12-13]，导致硅橡胶材料绝缘、机械性能下降。而硅橡胶材料的 FTIR谱图中 1 100～1 000cm-1波段和 1 270～1 255cm-1波段处反射峰强度与Si-O-Si和Si-CH3链段强度具有一致性，通过分析比较 FTIR中 1 100～1 000cm-1（Si-O-Si主链）和1 270～1 255cm-1（Si-CH3侧链）波段处反射峰强度可有效分析Si-O-Si和Si-CH3链段强度[14-17]，表征复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化状态。另外，试验过程中采用 SEM 对硅橡胶材料的表面微结构进行测量分析获取伞群表面宏观状态的劣化情况。

2 试验结果

2.1 不同部位伞裙 FTIR差异

图2所示为部分复合绝缘子导线侧、中部、杆塔侧伞裙FTIR测试结果。从结果可以看出，5支绝缘子伞群中 Si-O-Si主链反射峰强度呈现出中部伞群＞杆塔侧伞群＞导线侧伞群，5支绝缘子伞群中Si-CH3侧链反射强度呈现出中部伞群＞杆塔侧伞群＞导线侧伞群；此外，Si-O-Si主链反射峰强度有6支绝缘子呈现出中部伞群＞杆塔侧伞群和中部伞群＞导线侧伞群、7支绝缘子杆塔侧伞群＞导线侧伞群，Si-CH3侧链反射强度有6支绝缘子杆塔侧伞群＞导线侧伞群、7支绝缘子中部伞群＞杆塔侧伞群、8支中部伞群＞导线侧伞群。结果表明，经过长期现场运行后复合绝缘子导线侧伞裙易于出现老化，杆塔侧伞群次之，而中部伞裙相对不容易发生老化。

图2 绝缘子不同部位伞群基团反射率Fig.2 FTIR characteristic of silicon rubber sheds at different insulator parts

2.2 不同运行污区伞裙FTIR差异

图3 不同污区伞群FTIR谱图Fig.3 FTIR of insulator sheds in different service environment

表2 不同污区伞裙典型链段反射率Tab.2 Infrared spectrum of rubber silicon sheds in different service environment

图3和表2所示为在广州地区某一线路Ⅲ级和Ⅳ级污区运行 13年复合绝缘子导线侧硅橡胶伞裙FTIR谱图及其相关基团反射强度情况。可以看出，Ⅲ级污区硅橡胶伞裙相关特征基团反射峰强度均显著高于Ⅳ级污区硅橡胶伞裙，表明运行于Ⅳ级污区复合绝缘子硅橡胶伞群老化情况要显著严重于Ⅲ级污区复合绝缘子。

2.3 不同运行年限伞裙FTIR差异

图4所示为不同运行年限110kV复合绝缘子硅橡胶伞裙中Si-O-Si主链、Si-CH3侧链对应红外光谱反射强度变化情况（其中取各绝缘子伞群最小反射强度为该绝缘子特征值，运行13年绝缘子趋势线连接点取4支绝缘子特征值的均值）。可以看出，随运行年限增加，硅橡胶伞裙的Si-O-Si主链和Si-CH3侧链对应反射强度均呈现减小的趋势，表明随运行年限增加复合绝缘子硅橡胶伞裙的老化程度不断加重。同时可以看出，在投运初期（运行时间 0～5年）硅橡胶伞群中Si-O-Si主链及Si-CH3侧链对应红外光谱反射强度呈现出快速下降的趋势，表明投运初期硅橡胶伞群会出现一个较快的老化阶段；投运5年后（运行时间5～9年），各基团对应红外光谱反射强度呈现缓慢下降趋势，表明硅橡胶伞群进入缓慢老化阶段；运行时间较长硅橡胶伞裙（如运行9～13年）各基团对应红外光谱反射强度呈快速下降趋势，表明硅橡胶伞群出现快速老化、劣化过程；而运行时间≥13年硅橡胶伞裙各基团对应红外光谱反射强度变化又趋缓，表明硅橡胶伞群老化速度又趋于缓慢。

图4 不同运行年限伞群典型基团反射率分布图Fig.4 FTIR characteristic of rubber silicon sheds with different operating year

3 分析与讨论

输电线路复合绝缘子长期运行于户外环境，遭受着电、光、热、污秽等多外力作用下，绝缘子伞裙表面污秽受潮放电、导线电晕放电等将产生高能带电粒子，而太阳光中含有大量紫外光子[18-19]。其中放电产生电子的能量可高达 963kJ/mol、太阳中紫外光的能量可高达 598kJ/mol，而 Si-O 键能为446kJ/mol、Si-C键能为 301kJ/mol、甲基中的 C-H键能为 413kJ/mol[9,15-16]，其键能显著小于光子和电子的能量。所以，运行复合绝缘子在放电产生的带电粒子及太阳紫外光子的作用下，组成硅橡胶材料PDMS分子中的Si-O-Si主链和Si-CH3侧链将发生断链，引发硅橡胶性能劣化，表现出电气、机械性能下降及绝缘子老化等现象。

绝缘子运行过程中，由于高压导线、杆塔等物体杂散电容的作用，导致复合绝缘子各部位电场分布并不均匀。试验过程中采用DL—1型绝缘子电场分布测试仪对试验用FXBW4—110/100绝缘子的电场分布情况进行了测试，结果如图5所示，其电场分布表现出导线侧伞裙电场＞杆塔侧伞裙电场＞中部伞裙电场。在污湿气候条件下，放电将首先出现在场强相对较高的导线侧伞裙和杆塔侧伞裙，形成带电粒子。同时，太阳及放电过程都会产生紫外光，受光照及放电部位限制，导线侧和杆塔侧伞裙遭受紫外光作用的强度和频度相对更高。由于放电形成的带电粒子及紫外光子的能量均显著高于硅橡胶PDMS 分子中Si-O键、Si-C键及C-H键的键能，导致 PDMS 分子中的 Si-O-Si主链和 Si-CH3侧链发生裂解，导致硅橡胶伞裙材料中的 Si-O-Si链和Si-CH3含量减少，表面表现出如图6所示粉化、裂化状态。正由于导线侧、杆塔侧及中部伞裙发生放电及遭受紫外作用存在差异，导致导线侧伞群表面裂化相对更严重，表现为大量微裂纹且交织成块状分裂情况，而中部伞群和杆塔侧伞群表面裂化相对较轻，整体表现为明显裂纹，且杆塔侧伞群表面裂纹相对更长、更宽。硅橡胶伞裙表面典型基团分布及裂化状态均表现出绝缘子各部位伞裙老化裂化程度呈现出导线侧伞裙＞杆塔侧伞裙＞中部伞裙的规律。

图5 绝缘子电场分布Fig.5 Electric field distribution of insulator

图6 不同部位伞裙典型SEM 图Fig.6 SEM morphologies of samples at different insulator parts

干燥状态下，绝缘子表面污秽的导电能力较弱，不会对硅橡胶伞裙的性能产生影响。当伞裙表面污秽受潮后，污秽导电能力增强，导致绝缘子表面泄露电流增大，局部干区、湿区形成，引发绝缘子表面放电形成，放电产生的带电粒子和紫外光子轰击硅橡胶伞裙表面，将引发硅橡胶伞裙分子链裂解。长期运行于Ⅳ级污区绝缘子表面积污相对较重，受潮后其表面放电将更容易发生，导致伞裙表面 Si-O-Si链和 Si-CH3链含量下降相对更严重，表现出如图3和表2所示的差异。同样的原因也导致Ⅳ级污区运行 13年绝缘子伞裙表面微裂纹（宽度达到约13μm）显著大于Ⅲ级污区运行绝缘子伞裙表面微裂纹（如图 7所示）。故从红外光谱分析及表面 SEM分析均表明Ⅳ级污区绝缘子伞裙老化程度较Ⅲ级污区绝缘子伞裙严重。

图7 不同污区伞裙SEM图Fig.7 SEM morphologies of samples in different service environment

图8 不同运行年限伞裙SEM图Fig.8 SEM morphologies of samples with different operating year

复合绝缘子硅橡胶伞裙在户外运行过程中遭受电、热、化学、紫外等多因子的联合作用，随着运行年限增加，复合绝缘子遭受多因子作用频度及强度都将不断增加，导致复合绝缘子伞裙材料的老化也不断加深[20]。运行时间较短（如≤9年）复合绝缘子由于其硅橡胶伞裙材料表面憎水性好、污秽积累量相对较少，污秽放电的强度相对较小，硅橡胶伞裙遭受高能带电粒子、紫外、热等作用的强度和频度有限，伞裙老化速度相对缓慢，FTIR测试结果表现为运行时间≤9年硅橡胶伞裙 Si-O-Si主链和Si-CH3侧链对应波段峰值变化缓慢；随着运行时间增加，复合绝缘子伞裙憎水性逐步劣化、表面污秽不断增加，引发高强度污秽放电等频率相对较高，硅橡胶伞裙遭受高能带电粒子、紫外、热等老化作用强度将增大，伞裙老化将加快，FTIR测试结果表现为运行 9～13年硅橡胶伞裙 Si-O-Si主链和Si-CH3侧链对应波段峰值快速下降；随着运行时间进一步增加，复合绝缘子硅橡胶伞裙材料老化逐步向纵深发展，由于老化因子作用导致硅橡胶老化向纵深发展的程度和速度有限，FTIR测试结果表现为运行 13年以上硅橡胶伞裙 Si-O-Si主链和 Si-CH3侧链对应波段峰值变化趋缓。图8所示不同运行年限复合绝缘子橡胶伞裙SEM图也显示运行5、6、9年伞裙表面未见明显裂纹；而运行 13年、15年和19年伞裙表面均出现了宽4～8μm不等的裂纹，其老化表现形式与FTIR测试结果一致。

为了分析运行年限、污区和场强对硅橡胶伞裙老化作用差异，对比分析了如图9和表3所示不同污区运行6年和13年不同部位伞裙FTIR测试结果及典型基团反射率差异。综合比较可以看出，Ⅲ级污区运行 13年绝缘子杆塔侧伞裙 Si-O-Si主链和Si-CH3基团反射率均＜Ⅲ级污区运行6年绝缘子导线侧伞裙反射率，表明运行年限对硅橡胶伞裙的老化作用强于电场作用；而运行13年绝缘子伞裙中，Ⅲ级污区导线侧伞裙Si-O-Si主链和Si-CH3基团反射率明显＜Ⅳ级污区杆塔侧伞裙反射率，表明电场强度对硅橡胶伞裙老化作用强于运行环境（污区）；而Ⅳ级污区运行13年绝缘子导线侧伞裙典型基团反射率均高于Ⅲ级污区运行伞裙基团反射率。上述现象表明，在复合绝缘子运行过程中运行年限对其伞裙老化作用相对最严重，电场强度次之，运行环境作用相对最弱。这主要是由于运行年限是污秽、电场等多因素综合作用的结果，高电场场强易引发放电现象，而污秽引发放电、热作用等均只在特定气候才能出现，故运行年限、电场、污区对硅橡胶伞裙老化作用存在差异。

图9 不同运行条件绝缘子伞裙FTIR谱图Fig.9 FTIR of rubber silicon sheds in different service environment

表3 不同运行条件绝缘子典型链段反射率Tab.3 Infrared spectrum of rubber silicon sheds with different running condition

4 结论

通过对不同部位、运行污区、运行年限复合绝缘子硅橡胶伞裙进行FTIR测试分析，可知：

（1）由于复合绝缘子不同部位伞裙处电场强度存在差异，导线侧伞裙电场较高易引发放电形成高能电子、紫外光子作用，而杆塔侧伞裙电场强度及遭受太阳光作用均强于中部伞裙，故复合绝缘子导线侧伞裙老化相对较重，杆塔侧伞裙次之，中部伞裙老化相对较弱。

（2）重污区运行绝缘子伞裙表面积污相对较严重，在高湿条件下放电强度相对较重，其放电引发高能电子及紫外光子作用导致硅橡胶伞裙老化相对更为严重。

（3）随运行年限增加复合绝缘子硅橡胶伞裙表面老化程度逐步加重并且逐步向硅橡胶材料内部纵深发展，总体表现出运行年限较短伞裙（如≤9年）老化速度较慢，而后呈现老化加速，当伞裙老化较严重后（如运行年限≥13年）老化速度又趋缓。

（4）运行年限对硅橡胶伞裙的老化是多外应力联合作用的结果，高场强区伞裙易遭受放电产生的电子和紫外光子作用，而运行污区仅在特定气候下引发硅橡胶伞裙老化，导致运行年限对复合绝缘子硅橡胶伞裙老化作用最强，而电场强度次之，运行污区相对最弱。

[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): l-7.

Liu Zehong. Present situation and prospects of applying composite insulators to uhf transmission lines in china [J]. Power System Technology, 2006, 30(12): l-7.

[2] Mackevich J, Shah M. Polymer outdoor insulating materials. Part I: comparison of porcelain and polymer electrical insulation[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation Magazine, 1997, 13(3): 5-12.

[3] 关志成. 绝缘子及输变电设备外绝[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.

[4] 宿志一, 陈刚, 李庆峰, 等. 硅橡胶复合绝缘子伞裙护套的老化及其判据研究[J]. 电网技术, 2006, 30(12): 53-57.

Su Zhiyi, Chen Gang, Li Qingfeng, et al. Study on aging and criterion of sheds and housing of silicon rubber composite insulator[J]. Power System Technology, 2006, 30(12): 53-57.

[5] 赵林杰. 硅橡胶复合绝缘子憎水性与污闪特性研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2008.

[6] Rowland S, Robertson J, Xiong Y, et al. Electrical and material characterization of field-aged 400kV silicone rubber composite insulators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, 17(2): 375-383.

[7] 屠幼萍, 陈聪慧, 佟宇梁, 等. 现场运行复合绝缘子伞裙材料的老化判断方法[J]. 高电压技术, 2012, 38(10): 2522-2527.

Tu Youping, Chen Qionghui, Tong Yuliang, et al. Aging characteristics of shed materials of silicone rubber composite insulators in service[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(10): 2522-2527.

[8] Chughtai AR, Smith DM, Kumosa LS, et al. FTIR analysis of non-ceramic composite insulators[J]. IEEE Transactions on Dielections and Electrical Insulation, 2004, 11(4): 585-596.

[9] 蓝磊, 文习山, 刘辉. 用红外光谱研究室温硫化硅橡胶电晕老化及寿命估计[J]. 高电压技术, 2009, 35(11): 2652-2656.

Lan Lei, Wen Xishan, Liu Hui. Corona aging tests and lifetime evaluation of RTV silicone rubber through FTIR[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(11): 2652-2656.

[10] 巫松桢, 谢大荣, 陈寿田, 等. 电气绝缘材料科学与工程[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1996.

[11] Seog Hyeon Kim, Cherney E A, Hackam R, et al. Chemical changes at the surface of RTV silicone rubber coatings on insulators during dry-band arcing [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1994, 1(1): 106-123.

[12] Efimenko K, Wallace W E, Genzer J. Surface modification of Sylgard-184 poly(dimethyl siloxane) networksby ultraviolet andultraviolet/ozone treatment[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2002, 254: 306-315.

[13] Moreno V M, Gourur R S. Effect of long-term corona on non-ceramic outdoor insulator housing materials[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2001, 8(1): 117-128.

[14] 蓝磊, 王汉良, 文习山, 等. 高温硫化硅橡胶加速电晕老化试验分析及其寿命预测[J]. 高电压技术, 2012, 38(4): 82-89.

Lan Lei, Wang Hanliang, Wen Xishan, et al. Accelerated corona aging tests analysis and lifetime prediction of HTV silicon rubber[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(4): 82-89.

[15] 傅佳, 覃永雄, 王勇, 等. 248nm紫外激光照射高温硫化硅橡胶实验及老化机理探讨[J]. 电网技术, 2012, 36(11): 77-82.

Fu Jia, Qin Yongxiong, Wang yong, et al. 248nm ultraviolet laser radiation experiment of high temperature vulcanized silicone rubber and its accelerated ageing mechanism[J]. Power System Technology, 2012, 36(11): 77-82.

[16] 王建国, 刘洋, 方春华, 等. 交流电晕对高温硫化硅橡胶性能的影响[J]. 高分子学报, 2009, 4: 31-37.

Wang Jianguo, Liu Yang, Fang Chunhua, et al. Performance influence of high temperature vulcanization silicone rubber by alternating current corona discharge [J]. Acta Polymerica Sinica, 2009, 4: 31-37.

[17] 高海峰, 贾志东, 关志成. 运行多年 RTV涂料绝缘子表面涂层老化分析研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(9): 58-63.

Gao Haifeng, Jia Zhidong, Guan Zhicheng. Aging study on RTV coating covered on insulators and energized for many years[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(9): 58-63.

[18] Moreno V M, Gorur R S, Kroese A. Impact of corona on the long-term performance of nonceramic insulators [J], IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(1): 80-95.

[19] Xiong Y, Rowland S M, Robertson J, et al. Surface analysis of asymmetrically aged 400kV silicone rubber composite insulators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(3): 763-770.

[20] 梁曦东, 李震宇, 周远翔. 交流电晕对硅橡胶材料憎水性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(27): 19-23.

Liang Xidong, Li Zhenyu, Zhou Yuanxiang. Influences of AC corona on hydrophobicity of silicone rubber[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(27): 19-23.

The Aging Characteristic of Silicon Rubber Sheds of 110kV Composite Insulators Based on FTIR Test

Wang Fochi Lü Fangcheng Yang Shengjie Liu Jie Li Ningcai

（Heibei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Deference North China Electric Power University Baoding 071003 China）

In order to study on the aging characteristic of silicone rubber sheds of 110kV composite insulators, 9 silicone rubber composite insulators running in 3 different regions with 110kV were study with the Fourier transform infrared spectrum(FTIR) method. The FTIR difference of the silicon rubber sheds running with different electric field level, service environment and operating years were analyzed. The results indicate that the FTIR of the rubber silicon shed with higher electric field, more serious pollution environment and longer running years is smaller. At the same time, it is shown that the rubber silicon shed with higher electric field, more serious pollution environment and longer running years also aged more seriously. Moreover, the aging velocity of the rubber silicon shed increased slowly in the first 9 years running time, then increased sharply and become slowly after 13years running time. The operating year deteriorates the silicon rubber sheds more seriously than electric field and service environment. The SEM photographs of the silicon rubber sheds were also analyzed to demonstrate the surface deterioration of silicon rubber sheds.

FTIR, 110kV composite insulator, aging, operating year, electric field, service environment

TM85

汪佛池 男，1980年生，博士研究生，主要研究方向为输变电设备外绝缘。

国家自然科学基金（51207055），中央高校基本科研业务费专项（13MS71）和河北省自然科学基金（E2015502009）项目资助。

2013-12-31 改稿日期 2014-04-17

律方成 男，1963年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为高电压绝缘、电气设备在线监测等。