梁 英， 高丽娟， 董平平

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室, 河北 保定 071003)

机械应力对复合套管用硅橡胶材料电晕老化特性的影响

梁 英， 高丽娟， 董平平

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室, 河北 保定 071003)

复合套管在运行过程会长期受到热胀冷缩、风以及振动等机械应力的作用，这些都可能对复合套管的电晕老化特性造成一定影响。为了分析机械应力对复合套管用硅橡胶材料电晕老化特性影响，对不同机械应力下(0 N，10 N，50 N，100 N)复合套管用硅橡胶材料的电晕老化特性进行了研究，研制了一套能够模拟复合套管用硅橡胶材料不同受力情况的电晕加速老化试验系统，并采用 FTIR，SEM和憎水性等测试方法对电晕老化后的试样状态进行了评估分析。研究结果表明机械应力的存在很大程度上加剧了试样电晕老化的进程，对其微观形态、化学结构等产生很大的影响，同时为硅橡胶复合套管的设计提供一定的参考。

硅橡胶复合套管； 电晕； 机械应力； SEM； FTIR； 憎水性

0 引 言

硅橡胶复合套管具有优异的防污闪能力，得到了世界各国电力专家的认同和青睐[1,2]。然而由于其外绝缘材料硅橡胶为有机材质，长期经受电场、机械及环境等因素的综合作用，将会发生老化现象[3，4]。在复合套管运行中即使通过良好的设计也难以完全避免电晕的影响。电晕放电已成为引发硅橡胶老化的重要因素，且随着输电电压等级的提高和运行环境的劣化，电晕放电更易发生[5，6]。因此，复合套管外绝缘材料的长期耐电晕性是其应用于特高压输电的关键问题之一。研究者往往通过实验室人工加速试验来考察外绝缘材料的耐老化性能。老化试验平台作为老化试验体系的重要组成部分，其设计合理与否将对后续试验结果的准确性和分析的科学性产生重大影响。

目前，针对复合绝缘子的人工加速老化试验主要包括1 000 h盐雾法、转轮法及5 000 h综合加速老化试验[7-9]。以上人工加速老化试验方法着重考察的是复合绝缘子的耐漏电起痕和电蚀损特性。关于电晕老化对硅橡胶的影响，国内外研究学者研究了电压类型，电压极性，老化时间，气压，湿度，紫外线，污秽等形式对硅橡胶材料电晕老化的影响[10-14]。其中，文献[10]中讨论了交直流电晕、直流正负极性电晕对硅橡胶性能的影响，并得出对于硅橡胶的憎水性状态，表面电阻率等性能，交流电晕对硅橡胶的影响程度大于直流电晕的影响程度，直流负极性电晕的影响程度略大于直流正极性电晕的影响程度。文献[11]中研究了电压、湿度、时间对硅橡胶材料电气性能变化的影响，并发现电晕电压和老化时间对硅橡胶的老化影响显著，而相对湿度的增大或减小对硅橡胶电晕老化特性的影响不明显。文献[12]中研究了环境因素对RTV硅橡胶绝缘子表面憎水性和闪络特性的影响，针对日照中的紫外线辐射的三种波段进行模拟，发现UV-C辐射的老化较显著；低气压下，硅橡胶材料表面憎水性丧失较为严重。文献[13]中研究了6种不同硅藻土特性对材料憎水迁移性的影响。对于电极的设计布置，已有的研究大多以针-板电极形式的介质阻挡放电来模拟复合绝缘子表面发生的电晕放电[14]。硅橡胶材料置于平板电极上，未考虑材料弯曲及外界环境所产生的机械应力对电晕老化进程及特性的影响。

硅橡胶材料会在外部环境等的影响下发生不同程度的老化现象[15，16]。在实际运行过程中，复合套管还会由于热胀冷缩、风、机械负荷、电动力、电气设备振动等因素而承受一定的机械应力。同时，复合套管内部发生局部放电时，带电粒子也会通过环氧树脂进而对套管产生一定的机械应力[17]。机械应力的存在可能会对复合套管用硅橡胶材料的电晕老化产生影响，而目前针对机械应力对复合套管用硅橡胶材料的影响的研究较少[18]。因此，本文研制了一套能够模拟复合套管用硅橡胶材料不同受力情况的电晕加速老化试验系统，并利用该电晕加速老化试验系统进行了不同机械应力下(0 N，10 N，50 N，100 N)复合套管用硅橡胶材料的电晕老化试验，借助SEM、FTIR以及憎水性等测试方法对电晕老化后的试样状态进行分析，以分析机械应力对电晕老化特性的影响，并检验所研制系统的稳定性和合理性。

1 复合套管用硅橡胶材料电晕加速老化试验平台的设计及实现

复合套管外绝缘材料在实际运行过程中，将受到表面张力等各种因素导致的机械应力的作用。等价性是设计人工加速老化试验的重要标准。复合套管外绝缘材料人工电晕加速老化试验平台需要考虑电晕放电和机械应力的共同作用。因此，该电晕加速老化试验平台主要包括三部分：电晕放电系统、机械应力调节和测量系统及老化特性分析系统。

1.1 试样制备

试样采用高温硫化硅橡胶材料。由保定电力修造厂制备，其配方按传统工艺配制。制备HTV硅橡胶试样若干，对应于针-拱形电极的尺寸为150 mm×45 mm×1.5 mm(长×宽×厚)。将试样置于无水乙醇中清洗表面，然后用去离子水(或蒸馏水)冲洗，干燥后置于防尘容器内，在实验室标准环境下保存24 h后备用。

1.2 复合套管用硅橡胶材料电晕加速老化试验平台构成

1.2.1 电晕放电系统

该电晕放电系统采用了多针-板放电模型，使硅橡胶材料表面能够形成一个能量较均匀的老化区域。为了模拟硅橡胶材料作为外绝缘护套时所具有的弧度，本文将放电模型下极板由传统的平板改为拱形极板，如图1所示。将拱形电极(半圆柱体)的半径设置为20 mm，长度为40 mm。同时为了保证电晕放电条件的一致性并提高试验效率，该电晕放电系统共包含16套与图1相同的电极。调节针电极的高度，使针尖到试样表面的距离为4 mm；并施加工频交流电压，当电压加到3 kV左右时，示波器上出现周期性的电晕放电电流，同时听到微弱的“呲呲”声；随着电压的增加，电晕放电声音越来越明显，当加到10 kV时，电晕放电的“呲呲”声已经非常明显，因此本文设定10 kV为电晕老化电压。

1.2.2 机械应力调节和测量系统

将复合套管用硅橡胶材料置于如图1所示的拱形电极上，只能从一定程度上模拟复合套管的弯曲状态，实际产生的机械应力(表面张力)较小，与实际情况不符。为此，试验前将硅橡胶试样用压板固定于拱形电极的两侧，通过调节压板下方装设的机械应力调节螺母，实现对材料机械应力的调节，如图1所示。然而直接在硅橡胶试样上测量其受力大小并不容易实现，本文改进为测量下极板的受力。当下极板受到来自硅橡胶的机械应力时会发生形变，若在下极板的两端粘上应变传感器用以感应下极板的形变情况，再根据力的相互作用就可以得到在硅橡胶材料上所施加的机械应力。采用BZ2205C程控静态电阻应变仪来完成机械应力的准确测试。机械力的具体施加方法如下：拱形极板两侧应变片的引出线接至BZ2205C程控静态电阻应变仪的8个触点上，调试程序使应变仪内部电桥平衡；在对应的拱形电极上分别放置一定质量的重物，记录此时应变仪的应变数据；将重物取下后调节螺母对硅橡胶试样施加机械应力，其大小分别对应于放置重物时所显示的应变数据，通过此种方法就可以实现对硅橡胶样品上机械应力的施加与调节。

图1 电晕加速老化试验平台Fig.1 Corona accelerated aging test platform

1.2.3 老化特性测试分析系统

硅橡胶材料老化状态测试系统主要包括微观性能观测(表面物化结构)。具体如下：采用赛默飞世尔科技公司的Nicolet Is5 型傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)，对材料表面的化学结构变化进行分析；采用美国科诺工业有限公司的 SL200A/B、动/静态接触角测量仪及其配套的分析软件，对材料表面的憎水迁移性进行分析；采用中科科仪KYKY-2800B 型数字化扫描电子显微镜(SEM)，观测材料表面形貌的微观变化。

1.3 复合套管用硅橡胶材料电晕加速老化试验流程

试验时，将试样置于下电极上，对于拱形电极则采用1.1中机械应力施加方法进行受力调节，对试样分别施加了0 N、10 N、50 N、100 N的机械应力，并进行了电晕加速老化试验。将20组试样分别进行编号：1～4 组为拱形电极不施加力，5～8组拱形电极施加10 N，9～12 组拱形电极施加50 N，13～16拱形电极施加100 N(剩下的4组电极为备用电极)。对应的试样分别标记为0 N、10 N、50 N和100 N。调节针尖到硅橡胶试样上表面的距离为4 mm，施加10 kV的交流电压，老化时间为300 h。然后取出对应试样进行老化特性测试分析。

2 结果与分析

2.1 试样表面特性

不同应力后的试样表面形态如图2所示，可以看出，试样表面正对针尖处析出了白色物质，而附近区域呈放射性黑色圆环；随着试样所受机械应力的增加，黑色放射性区域逐渐向周围扩张。这一现象表明，机械应力的施加可能会加速电晕老化区域向外扩散的速度。

图2 不同机械应力下电晕300 h的试样表面Fig.2 Samples surface with different mechanical stresses after corona aging 300 h

2.2 试样FTIR特性

首先对表面未擦拭的硅橡胶样品进行FTIR测试，测试结果如图3所示。从中可以看出高分子主链Si-O-Si和侧链Si-CH3、Si-(CH3)2基团都有大幅下降，而 C-H基团处的吸收峰降低甚至消失。这些数据都表明相同电晕作用下，随着所施加机械应力的增加，硅橡胶样品老化程度加剧。

试验过程中发现，硅橡胶表面出现的黑色和白色物质极易脱落。不难推断，实际运行过程中，复合套管伞裙因表面放电而产生的物质在风、雨水及重力作用下也将逐渐扩散甚至脱落。为了研究表面物质脱落后硅橡胶的老化程度，用无水乙醇将表面物质进行擦除，之后进行了FTIR测试，结果如图4所示。

从中可以看出：(1)与新试样的FTIR谱图相比，试样10 N、50 N和100 N在位于波数1 270 cm-1(Si-CH3基团)和波数1 100 cm-1(Si-O-Si)的吸收峰均呈下降趋势，当机械应力大于50 N后下降趋势更为显著；(2)新试样在1 620 cm-1处并没有吸收峰，电晕300 h后该处附近出现了C=O 对应的吸收峰，并随着机械应力的增加而减小；(3)试样0 N的FTIR谱图与新试样相比整体变化较小。可见，当仅有电晕放电作用时，试样内部的化学结构变化不大，而在电晕放电和机械应力的共同作用下，不仅试样表层生成了新的物质，进一步，其内部硅橡胶中固有的化学基团遭到了破坏，有新的氧化物生成。

图3 不同机械应力下未进行处理样品的FTIR谱图Fig.3 FTIR spectra of the samples untreated at different mechanical stress

图4 不同机械应力下处理后样品的FTIR谱图Fig.4 FTIR spectra of the samples treated at different mechanical stress

2.3 试样憎水性特性

电晕电压作用下硅橡胶材料表面变得粗糙，不光滑，因此接触角测量存在滞后现象，对电晕放电后不同时间试样进行动态接触角的测试，测试过程中首先对电晕结束0 h后的硅橡胶进行测试，发现电晕刚刚结束后的样品的憎水性基本丧失，无论电晕时间长短样品憎水性基本一致，没有比较价值；随后对电晕结束1 h后的样品进行测试，测试角度范围为20°～30°，差距也不大，比较价值不高；当对电晕结束后2 h的样品进行测试时，发现各数据之间有了较为明显的差距，所以本文的憎水性测试选择的是电晕老化结束2 h后的样品，测试结果如图5。从中可以看出随着机械应力的增加前进角与后退角都在减小，角度的大小表征了硅橡胶的老化程度，前进角与后退角越小，说明硅橡胶老化程度越严重。并且机械应力越大，憎水性恢复越慢。

图5 不同机械应力作用下试样憎水性的变化Fig.5 The changes of hydrophobicity of samples under different mechanical stress

2.4 试样SEM特性

各试样的SEM结果如图6所示，放大倍数为500。从图中可以看出，新试样和试样0 N表面致密、均匀、光滑；施加机械应力为10 N的样品表面出现了絮状物质，施加机械应力为50 N的样品表面絮状物质明显增加且面积变大，当对样品施加100 N机械应力时样品表面不仅有絮状物质还出现了孔洞。足见电晕形成的粒子对样品表面有化学腐蚀和机械撞击双重作用，且机械应力的存在对这一过程有较大影响。

图6 不同机械应力下的SEM结果Fig.6 SEM test results under different mechanical stresses

2.5 讨 论

电晕放电对试样的影响主要来自于带电粒子的从上至下的机械撞击和臭氧、硝酸等的化学腐蚀。由于本试验在开阔环境中进行，且空气相对湿度较低，因此臭氧和硝酸的影响较为有限。在硅橡胶中，Si—C 键的结合能为301 kJ/mol， C—H 键的结合能为414 kJ/mol，Si-O 键的结合能447 kJ/mol。因此，在高能粒子的持续撞击下，Si—CH3和C—H基团更容易被切断，形成游离的自由碳[10]。这也就是试样表面呈现黑色物质的主要原因，即SEM图片中的絮状物质。同时，持续不断的粒子轰击会在试样表面形成一定的机械作用力，进而可能在试样表面造成裂纹甚至孔洞等缺陷。

电晕老化会引起聚合物高分子链结构变化，随着电晕时间的增加和机械应力的施加，聚合物高分子链间的平均距离增加，会改变高分子链的柔顺性，导致聚合物分子结构破环并重新排列。憎水性得以恢复的原因主要在于低分子量小分子(LMW)的迁移和主链的柔顺性，这些LMW可能是硅橡胶制造过程中存在的，也可能是机械应力作用下导致的聚合物中长链断裂，也可能是电晕老化产生的。也就是说，硅橡胶表面憎水性的丧失是其内部可移动小分子衰竭耗尽，类硅无机物的产生，或者主链柔顺性降低，阻碍了小分子的迁移，也就阻碍其憎水性的恢复[21]。同时，从结果图中可以看出机械应力越大，恢复的速度越慢，老化程度越严重，反映在FTIR上是主链Si—O—Si结构减少，说明硅橡胶表面遭到严重破坏，主链柔顺性严重丧失，致使试样丧失憎水性。

从肉眼观察硅橡胶材料表面光滑平整，但是通过扫描电镜仔细观察发现，硅橡胶材料表面会出现一些微孔结构。硅橡胶材料具有良好的透气性，在其受到机械应力后，外表面向外张开，使得空气更容易注入到材料内部。这些微孔结构在未受到机械应力时，在一定时间内电晕放电对其影响较小。当硅橡胶材料承受一定强度的机械应力后，微孔结构会在应力的作用下变大，形成一些孔隙，束缚针电极端注入的空间电荷[22]。这些孔隙会承受较高的外加场强，同时空间电荷也会建立内部场强，内外场强的叠加使孔隙处的场强畸变严重，使电晕放电更容易发生[18]。从SEM结果中可以看到，随着机械应力的增加，试样表面的絮状物质不断增多，当施加100 N时，试样表面致密的孔洞清晰可见。机械应力的施加，如同在试样表面施加了一定的轴向拉伸力，生成的黑色物质在该力的作用下，逐渐加速向外扩散，进而扩大了带电粒子和试样表面的作用面积，因而更易形成孔洞等缺陷。同时，黑色物质的扩散也使得更多的游离态氧原子参与到后续的氧化交联反应中，使得试样表面的化学结构发生更大的变化。综上可知，机械应力的存在很大程度上加剧了试样电晕老化的进程，并对其微观物理、化学结构产生更大的影响。

3 结 论

(1)开发了一套模拟复合套管外绝缘材料受力情况的硅橡胶电晕加速老化试验系统，包括电晕放电系统、机械应力调节和测量系统及老化特性测试系统三部分。

(2)通过FTIR 试验，发现在电晕放电和机械应力的共同作用下，不仅在试样表层生成了新的物质，其内部硅橡胶中固有的化学基团遭到了破坏，有新的氧化物生成，并随着机械应力的增加而减小。

(3)通过憎水性试验，随着机械应力的增加前进角与后退角都在减小，并且机械应力越大，憎水性恢复的越慢，说明硅橡胶老化程度越严重。

(4)通过SEM试验，可以发现随着机械应力的增加，试样表面的絮状物质不断增多，当施加100 N时，试样表面致密的孔洞清晰可见。

(5)利用该电晕加速老化试验系统，对不同机械应力作用下的硅橡胶试样进行了电晕加速老化试验，结果表明，机械应力的存在很大程度上加剧了试样电晕老化的进程，并对其微观物理、化学结构产生更大的影响。同时，验证了所研发的试验系统的稳定性和合理性。

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Influence of Mechanical Stress on the Corona and Aging Characteristics of Composite Casings Made by Silicone Rubber Materials

LIANG Ying, GAO Lijuan, DONG Pingping
(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense,North China Electric Power University，Baoding 071003, China)

Composite casings are suffering thermal expansion and cold contraction, weathering, vibration and other mechanical stresses during long-term operation, which may have an impact on the corona and aging characteristics of composite casings. By studying the corona and aging characteristics of composite casings made by silicone rubber materials under different mechanical stress (0 N, 10 N, 50 N, 100 N), a set of coronas and accelerated aging test system was developed. It can simulate the situation where composite casings made by silicone rubber materials suffer different stresses (0 N, 10 N, 50 N, 100 N). FTIR, SEM and hydrophobicity tests are used to evaluate and analyze the states of samples after corona and aging. The results show that mechanical stress largely increases the corona and aging process, which has a great impact on the micromorphology and chemical structure. And this research will provide certain references for the designing composite casings made by silicone rubber materials.

silicone rubber composite casings; corona; mechanical stress; SEM; FTIR; hydrophobicity

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.08

2016-11-24.

国家自然科学基金资助项目(51207055)；河北自然科学基金项目(E2013502213).

TM21

A

1007-2691(2017)04-0050-07

梁英(1978-)，女，讲师，研究方向为电介质材料介电特性、高电压与绝缘技术；高丽娟(1993-)，女，硕士研究生，研究方向为电介质材料介电特性、高电压与绝缘技术；董平平(1992-)，女，研究方向为电介质材料介电特性、高电压与绝缘技术。