黄成才李永刚汪佛池张志猛

（1.华北电力大学电气与电子工程学院 保定 071003 2.国网河北省电力公司电力科学研究院 石家庄 050000）



基于电导电流测试的硅橡胶复合绝缘子伞群材料老化特性分析

黄成才1李永刚1汪佛池1张志猛2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院 保定 071003 2.国网河北省电力公司电力科学研究院 石家庄 050000）

摘要为利用电导电流测试手段探究复合绝缘子伞群材料的老化特性，以现场运行的复合绝缘子为试验对象进行研究。通过电导电流测试得到相关试样的电老化阈值，探究了伞群位置、运行年限、环境污秽及运行电压等级等因素对硅橡胶材料电导电流特性的影响规律，并利用傅里叶红外光谱技术分析了相关基团的变化情况。试验表明，绝缘子串上场强分布高的位置、运行年限较长的绝缘子及运行地区环境污秽严重的绝缘子，其伞群材料的电老化阈值较低、电导电流较大且内部陷阱数量较多；运行电压等级对绝缘子老化程度的影响较小。利用电老化阈值评估伞群试样的老化状态与傅里叶红外光谱分析结果具有高度的一致性，表明通过硅橡胶伞群材料的电导电流测试得到的电老化阈值，可以反映复合绝缘子伞群材料的老化特性。

关键词：电导电流 电老化阈值 硅橡胶 复合绝缘子 老化特性 陷阱

国家自然科学基金重点项目（51207055）和中央高校基本科研业务费专项资金重点项目（13MS71）资助。

0 引言

硅橡胶复合绝缘子因其自身具有良好的憎水性及憎水迁移性在电力系统中得到了广泛的应用，目前我国110kV及以上输电线路中挂网运行的复合绝缘子数量早已超过500万支[1-3]。但是作为有机合成材料，硅橡胶伞群也面临着不可回避的老化问题，老化会在一定程度上影响绝缘子的运行性能，严重时甚至会引发闪络、掉串等故障，给电力系统的运行造成了一定的安全隐患[4,5]。因此，对复合绝缘子的老化状态评估及老化后的机电性能研究受到了广泛的关注。

目前，对硅橡胶材料老化状态的评估已形成了多种方法，传统的有憎水性测试、表面微观观察、扫描电镜和泄漏电流测量等，这些方法测量误差较大，并且只能作一般的定性研究；随着科技的发展，Fourier红外光谱分析、紫外成像也得到了较为广泛的应用，但因其成本高，在实际运用中很难普及[6,7]。因此，探究一种新的硅橡胶复合绝缘子老化状态评估方法还是有必要的。基于电导电流和空间电荷测试的老化状态评估方法已经被初步应用于电缆用聚乙烯（XLPE）、变压器油及变频电机内绝缘聚酰亚胺的老化状态评估[8]，但其在硅橡胶材料老化状态评估中的应用目前还没有报道，本文对此进行了必要的研究工作。

由于聚合物的制造、加工过程及其自身的结构特征，在聚合物中总是存在大量的局域态，这些局域态能够俘获流经材料的载流子，形成空间电荷，其作用类似于陷阱，故又称为陷阱。对于复合绝缘子用硅橡胶材料来说，导致其产生陷阱的因素有两点：①由于生产、加工过程中制作工艺不合格而造成的硅橡胶材料的先天性缺陷；②由于硅橡胶材料在现场运行过程中的老化，使得大分子化学键断裂，产生大量自由基，从而增大陷阱密度[9]。陷阱密度与绝缘材料的老化程度有着必然的相关性，硅橡胶的老化，使得材料中的陷阱密度增大，而陷阱密度与空间电荷分布、陷阱载流子密度及电老化阈值有一定的关系。陷阱密度的增加会加速空间电荷的积累，从而导致电老化阈值降低[10,11]。鉴于绝缘材料的电老化阈值及陷阱载流子密度可以反映材料中的陷阱密度及深度，故可以通过电老化阈值评估硅橡胶伞群材料的老化状态和探究其老化特性。

本文以现场不同运行年限、不同电压等级的复合绝缘子为研究对象，分析了运行年限、污秽等级和伞群位置等因素对硅橡胶材料电导电流特性的影响，结果基本证明了通过电导电流测试得到试样的电老化阈值能够正确反映硅橡胶复合绝缘子伞群材料的老化特性。

1 电导电流理论

电导电流能够反映载流子运输过程的许多微观特性，如载流子的注入、电荷的入陷和脱陷、电导机制、陷阱载流子密度和电老化阈值等，被广泛应用于研究半导体和电介质材料的电荷及载流子运输过程[12]。电介质的电导电流随着所加电压的大小而变化，根据加压的大小可分为欧姆区、空间电荷限制电流区和陷阱充满区三段，图1给出了电导电流随所加电压的变化情况。低电场时，电介质的电流-电压特性符合欧姆定律，当电压达到一定数值UΩ时，注入的载流子浓度增大，出现了空间电荷的大量积累，引起空间电荷限制电流，使得流过电介质的电流由欧姆电流区（Ⅰ区）向空间电荷限制电流区（Ⅱ区）转变。随着施加在电介质上的电压不断增加，注入的电荷量不断增多，材料中的陷阱逐渐被填满，当电压达到Um时，陷阱被填满，进入到陷阱充满的空间电荷限制电流区（Ⅲ区）。

图1　电导电流随电压的变化情况Fig.1 Conduction current changes with voltage

Ⅰ区和Ⅱ区的转折点电压UΩ（或场强EΩ）被称为绝缘材料的电老化阈值，意味着从此场强开始，材料中开始出现积聚的空间电荷，空间电荷的出现说明材料内部含有陷阱和缺陷[13]。因此，绝缘材料的电老化阈值越低，其越容易积聚空间电荷、内部的陷阱数量越多且老化状态越严重。

空间电荷限制电流由绝缘体中的空间电荷引起，经过理论推导，可得到空间电荷限制电流的密度J及电老化阈值的计算公式为

式中，εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数；U为外施电压；u为载流子迁移率；d为硅橡胶试样厚度；θ为陷阱控制参数（自由载流子密度与总载流子密度之比），，n为自由载流子密度，nt为受俘获载流子密度；e为电子常数。由于n＜＜nt，故可认为则nt可表示为

对式（1）取对数可得

从式（4）可以看出，对于空间电荷限制电流模型来讲，电流密度和外施电压在对数坐标下呈斜率为2的线性关系。

2 试样及试验方法

2.1 试样的制备

试验选用同一厂家生产的三支110kV、两支220kV复合绝缘子为研究对象，三支110kV试品标号分别为A、B和C，其中试品C运行于矿场附近，运行地区污染严重；两支220kV试品标号分别为D、E。为了比较同一试品不同伞群位置的硅橡胶材料电导电流特性，每串绝缘子分别取其杆塔侧、中间侧和导线侧各一片伞群进行试验，各伞群试样编号见表1。

表1　伞裙试样编号及其运行状况Tab.1 Sample number and parameters

从选取的伞裙试样上用打孔器取下直径为25mm的切片，再将试样厚度精密加工至0.5mm，把加工好的试样用无水酒精清洗，并放置干燥数小时。干燥后，利用SBC—12离子溅射仪在试样表面蒸镀直径为10mm的金膜作为试验电极，用以改善试样与电极的接触性能。

2.2 试验电极

测量电极采用的是标准圆柱形电极，上电极直径为10mm，高40mm；下电极直径20mm，高30mm；上、下电极的圆弧倒角分别为1mm和2mm。为了防止硅橡胶薄片在高场强试验条件下发生沿面气隙击穿而中断试验，试验时将测量电极放入绝缘性能良好的硅油介质中。

2.3 电导电流测量系统

电导电流测量装置由负极性高压直流电源、保护电阻、ZC—36型高阻计和PC40B绝缘测试电极箱组成。高压直流电源能够实现0～50kV范围的调压，ZC—36型高阻计能够实现微电流的采集（准确度达到10-14A），电极箱有恒温、控湿和屏蔽外界干扰的作用。电导电流测量装置如图2所示。

图2　电导电流测量装置Fig.2 Configuration of conduction current measurement system

电流测量过程中，在恒定电压作用下，施加电流初期流经被测样品的电流由三部分组成，即由松弛极化引起的松弛电流、由位移极化引起的瞬时电流和电导电流，随着加压时间的增加，流经被测试样的电流从大到小变化，最后趋于稳定到一个固定值，即电导电流[14]。标准IEC 60247和IEC 61620也指出：在直流电压下测量流经绝缘体电流时，由于空间电荷向两极的迁移作用，流经试品的电流将会逐渐减小到一极限值。在本文测量硅橡胶材料的电导电流时，试品的电导电流经过一段时间后才会稳定。图3给出了硅橡胶伞群试品电导电流在一定时间内的变化曲线，结果表明，试品中的电导电流在2min后趋于稳定，故在本文试验中电导电流取值均在3min时刻。

2.4 Fourier红外光谱分析

鉴于傅里叶红外光谱技术（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR）能够定量分析硅橡胶材料中各基团的含量，准确地反映复合绝缘子的老化状态，本文对所有伞群试样进行了FTIR分析，以进一步验证电导电流测试在硅橡胶复合绝缘子老化特性研究中的可行性。伞群试样经电导电流试验后，用无水酒精再次清洗，并干燥数小时；从干燥后的试样上切取0.5cm2的薄片，利用美国赛默飞世尔公司Nicolet Is5傅里叶红外光谱仪进行测试。

图3　硅橡胶材料电导电流随加压时间的变化关系曲线Fig.3 The temporal variations of conduction current of silicone rubber materials

3 试验结果及分析

图4给出了A、D两串绝缘子不同轴向位置的伞群试样电导电流随场强的变化关系，由图4可知，各串绝缘子不同轴向位置伞群材料的电老化阈值有着相同的变化规律，即电老化阈值大小呈现导线侧＜杆塔侧＜轴向中点处，说明导线侧伞群硅橡胶材料内部缺陷明显多于杆塔侧和轴向中点处伞群，更易积聚空间电荷，意味着老化程度也最严重。结果显示，电老化阈值的测量结果能够反映整串绝缘子伞群老化的特征。

图4　试品A、D不同轴向位置处伞群材料的电导特性Fig.4 Conduction characteristic of samples A and D in different locations of insulator string

图5　110kV试样不同轴向位置处伞群电导电流随运行年限的变化关系Fig.5 Conduction current curves of samples in various of 110kV insulators with different operating year

图5给出了110kV电压等级的试品A、B和C各轴向位置伞群试样电导电流随运行年限的变化关系，分析图5可知，随着运行年限的增加，试样的电老化阈值明显降低，电导电流数值增大，说明随着运行年限的增加，硅橡胶材料内部的缺陷不断增多、陷阱密度不断增加，复合绝缘子伞群材料的老化状态不断的加重。220kV电压等级的试品D、E也有着相同的变化规律。

图6给出了运行年限相同、运行电压等级不同的试样B2、D2的电导电流特性曲线，由图6可知，电老化阈值大小呈现电压等级220kV的试样D2略低于110kV的试样B2，说明运行电压等级越高的复合绝缘子，其伞群材料的老化状态略显严重。

图6　相同运行年限不同电压等级试样的电导电流特性Fig.6 Conduction characteristic of samples with same operating years and different operating voltage levels

图7给出了在Ⅳ级污区运行14年和在Ⅱ级污区运行15年的伞群试样电导电流特性，由图7可以看出，运行14年的试样C1其电老化阈值反而明显低于运行15年、运行电压等级更高的试样E1，表明在Ⅳ级污区运行的复合绝缘子相对于在Ⅱ级污区运行更易发生老化，运行环境的污秽等级对硅橡胶材料的老化有着重要影响。

图7　运行于不同污秽等级地区的试样电导电流特性Fig.7 Conduction characteristic of samples in different operating environment

表2给出了所有试样的电老化阈值及根据空间电荷限制电流计算而得到的一些相关参数。由表2可知，老化程度越严重的试样，其电老化阈值越小，电导电流数值越大；各试样的陷阱载流子密度nt是根据式（3）计算得到的（取硅橡胶的介电常数εr为3.5），其大小与电老化阈值成正比关系。表2还根据试验结果给出所有试样的电导特性在对数坐标下的斜率，可知硅橡胶伞群试样的电导特性斜率均在2.7左右，与式（4）的理论斜率2稍有差距，这可能是由于硅橡胶在制备过程中参入的杂质离子等因素导致材料在高场作用下电导机理发生微妙变化而造成的[15,16]。

表2　伞群试样的电导特性Tab.2 Conduction characteristic of samples

结合图4～图7及表2结果，分析通过试样的电导电流测量得到的电老化阈值可以得到复合绝缘子伞群材料老化的几点特性：

（1）对于同一串绝缘子而言，电老化阈值大小呈现导线侧＜杆塔侧＜轴向中点处，说明导线侧伞群的老化程度最为严重，杆塔侧的老化程度次之，轴向中点处的伞群老化程度最轻。这是由绝缘子运行过程中电场分布规律所决定的，与运行中所承受的电场强度有关，绝缘子串高压导线侧伞群承受的电场强度最大、运行条件最为严酷，中部场强最低，故其老化程度最轻。

（2）对比同一电压等级下不同运行年限的试品测量结果可以发现：随着试样运行年限的增加，试样的电老化阈值明显降低。试验结果表明，随着运行年限的增加，复合绝缘子伞群材料的老化程度会大大增加。

（3）运行年限相同而电压等级不同的试样，运行电压等级越高，电老化阈值越低，但电老化阈值大小极为相近，说明运行电压等级对复合绝缘子伞群材料的老化影响较小。

（4）复合绝缘子运行地的污秽等级严重加速其伞群材料的老化，运行环境的污秽等级是导致复合绝缘子老化的重要因素。

4 讨论

利用电导电流测试得到的电老化阈值来评估硅橡胶的老化程度是在老化导致陷阱产生的基础上展开的，它实际反映的是材料内部的陷阱数量及分布。陷阱是由材料内部的物理化学缺陷引起的，与材料内部的分子结构有着密不可分的关系。复合绝缘子在运行过程中，由于受到紫外照射、酸碱性物质腐蚀、强电场和沿面放电等影响，其硅橡胶材料会发生氧化、降解等反应，导致大量的分子键断裂，形成大量的陷阱[17]，从而使得空间电荷更容易积累，电老化阈值降低。为了深入分析老化导致硅橡胶材料分子结构的变化及其基团分子键的断裂情况，本文利用FTIR技术对所有试样进行了主要基团含量分析，探究硅橡胶各相关基团含量与其电老化阈值之间的关系。

复合绝缘子用硅橡胶材料是以聚二甲基乙烯基硅氧烷（PDMS）为基体，与多种填料进行填充、混炼后经过高温或室温硫化而成的。其中PDMS是由Si-O-Si主链和Si-CH3侧链构成主体部分，其分子由共价键方式组成。复合绝缘子在运行过程中的的老化，会导致Si-O-Si主链及Si-CH3侧链中大量的共价键发生断裂，使得材料中Si-O-Si及Si-CH3基团含量减少。而硅橡胶材料的红外光谱图中的1 000～1 100cm-1波段及1 255～1 270cm-1波段处的反射峰强度可有效分析Si-O-Si及Si-CH3的链段强度[18]，反映材料的老化程度[19]。试样的FTIR分析结果如图8～图10所示。

图8给出了同一电压等级、相同伞群位置和不同运行年限试样的FTIR分析结果，由图8可知，运行5年的试样A1各相关基团特征峰吸收值均要明显高于试样B1和C1，而试样B1的相关特征峰吸收值又大于试样C1，说明运行年限越长，PDMS各基团共价键断裂越严重，导致相应基团的特征峰吸收值越小，试样的老化程度越严重。由图9可知，对于同一串试样而言，各伞群基团特征峰吸收值呈现轴向中点处＞杆塔侧＞导线侧，这说明伞群试样运行时所承受的场强越强，其相应基团的特征峰吸收值越小，试样的老化越严重。

图8　不同运行年限的绝缘子伞群FTIR谱图Fig.8 FTIR of insulator sheds with different operating years

图9　同串不同轴向位置伞群FTIR谱图Fig.9 FTIR of samples in different locations of insulator string

图10　伞群试样Si-O-Si基团的特征峰吸收值Fig.10 FTIR characteristic absorption value of all samples

图10给出了所有试样Si-O-Si主链的特征峰吸收值，由图10可知，随着运行年限的不同，试样的Si-O-Si基团吸收值在0.2～0.6之间变化。分析图10可以得到以下几点：对于同串不同伞群位置的试样，Si-O-Si基团的吸收值均呈现轴向中点处＞杆塔侧＞导线侧，五支试品数据充分说明伞群试样运行的场强越强，老化状态越严重；对于110kV的试品A、B、C或220kV的试品D、E而言，运行年限越长，试样两种基团的特征峰吸收值越低，老化状态越严重；运行年限为14年的试样C，由于运行环境污秽严重，其相应基团的特征峰吸收值最低，老化程度严重于运行15年的试验样E，说明运行于污秽严重地区的复合绝缘子老化情况更为严重；对于运行年限均为10年，而电压等级不同的试品B、D，试品D的特征峰吸收值略低于试品B，说明运行电压等级高的试品老化程度较严重。此外，所有试样的Si-CH3基团也有着相似的变化规律。

以上FTIR分析结果能够充分反映复合绝缘子伞群材料的老化特性，对比电导电流测试结果，两者具有高度的一致性，试样的电老化阈值与其各基团的特征峰吸收值有着高度的对应关系，说明通过电导电流测试得到的电老化阈值可以用来反映材料内部的陷阱和缺陷情况，可以用来评估复合绝缘子的老化状态、反映绝缘子伞群的老化特性。

5 结论

1）复合绝缘子不同轴向位置处的伞群材料老化状态不同，导线侧伞群老化程度最为严重，杆塔侧次之，轴向中点处伞群老化程度相对较轻。

2）运行年限和运行地区的环境污秽等级是影响复合绝缘子老化状态的最主要因素；运行电压等级对老化状态的影响则较小。

3）电导电流测试结果表明，绝缘子串上场强分布高的位置、运行年限较长的绝缘子及运行地区环境污秽严重的绝缘子，其伞群材料电老化阈值明显较低，且电导电流较大，内部陷阱数量较多。此外，试样的电导电流测试结果与其FTIR分析结果存在着高度的对应关系。

因此，本文的研究结果可以基本证明，通过硅橡胶伞群材料的电导电流测试得到的电老化阈值，可以用来反映材料内部的结构缺陷及老化状态，可以反映复合绝缘子伞群材料的老化特性。然而，本文的研究工作还存在很多欠缺与不足，还需要对更多的现场运行过的绝缘子进行系统研究及分析。

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黄成才 男，1989年生，硕士研究生，研究方向为高电压绝缘与复合绝缘子老化状态评估。

E-mail:jshchengcai@163.com（通信作者）

李永刚 男，1967年生，教授，博士生导师，研究方向为电气设备状态监测与故障诊断。

E-mail:lygzxm0@163.com

Study on Aging Characteristics of Silicone Rubber Sheds of Composite Insulators Based on Conduction Current Test

Huang Chengcai1Li Yonggang1Wang Fochi1Zhang Zhimeng2
（1.College of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Baoding 071003 China 2.Hebei Electrical Power Research Institute Shijiazhuang 050000 China）

AbstractTaking being operated composite insulators as the object,the aging characteristics of composite insulators based on conduction current test is assessed.Electrical degradation threshold was got by the conduction current test,the influence of aging factors on electrical degradation threshold of the silicone rubber sheds such as shed locations,operating years,environment contamination levels and operating voltage levels were considered,and the changes of relevant groups of samples were studied with the Fourier transform infrared spectrum（FTIR）method.It is founded that the electrical degradation threshold of samples are lower,conduction current are larger and trap is more under the following situations:samples from the location where the electric field of the insulator string is higher; and samples from the insulators with a longer operation life or working in seriously polluted areas.The operation voltage almost has no influence on the aging state of insulators.Evaluating the sheds aging state by using the electric degradation threshold and FTIR analysis have high consistency,and indicates that electrical degradation threshold which got by the conduction current test can reflect the aging characteristics of silicone rubber sheds of composite insulators.

Keywords：Conduction current,electrical degradation threshold,silicone rubber,composite insulators,aging characteristics,trap

作者简介

收稿日期2014-06-24 改稿日期 2014-07-25

中图分类号：TM85