摘要：从复合绝缘子憎水迁移性的机理出发，探讨憎水性的分级和测量方法，深入分析温度、湿度、电弧放电、孬污秽程度及酸碱度等因素对复合绝缘子憎水性的影响情况，并总结出相关规律，为改善复合绝缘子的憎水跬能，降低污闪事故的发生提供技术参考。
关键词：复合绝缘子；憎水温度；pH值；等值盐密；等值灰密
复合绝缘子具有体积小、重量轻、机械强度高、憎水性强、耐污闪性能好、不测零值和少维护等优 占在电力系统中得到广泛应用，使用数量逐年递增。复合绝缘子的外护套是硅橡胶材料，具有很好的 膳水迁移性和优异的防污闪性能。随着复合绝缘子挂网数量的增多和运行年限的增长，其憎水性下降甚至丧失而导致复合绝缘子发生污闪事故的概率增大。国内外对复合绝缘子的憎水性变化进行了大量研究，仍缺乏全面深人的结论，因此有必要从憎水迁移性的机理出发，探讨憎水性的分级和测量方法，近一步分析影响复合绝缘子憎水性的因素，并总结出相关规律。
1憎水性及迁移机理
憎水性是指绝缘材料所吸收的水分在其表面以不连续的孤立小水珠形式存在，不形成连续水膜，绝缘表面难以构成导电通路。许多材料具有憎水性，有些材料的憎水性甚至比硅橡胶更强，但硅橡胶复合绝缘子以其独有的憎水迁移性和可自恢复的特点在耐污性能方面远远超过了其它材料而得到电力系统的认可。如今所用的复合绝缘子通常是高温硫化硅橡胶复合绝缘子，其外绝缘由分子量为45万~70万的聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成，PDMS分子结构见图1。其宏观性能的4个主要特征为甲基基团之间小分子作用力、硅氧主链的柔顺性、硅氧键的高键能和硅氧主链的局部离子特性。围绕硅氧主链紧密排列的非极性甲基基团向表面取向，屏蔽了Si一O键的强极性作用，使得硅橡胶表现出优异的憎水性。另外在硅橡胶中不同程度地含有未交链的低分子量硅氧烷链段，它的存在对合成绝缘子憎水性的迁移与恢复有重要的影响。
图1 PDMS分子结构图
硅橡胶材料具有憎水迁移性是由于体内一些低分子量的链段向表面扩散，因此对宏观的憎水性迁移和恢复过程有重要的影响。如果预先用溶剂充分提取硫化硅橡胶中的低分子量的链段，电晕老化后憎水性的恢复速度显著降低，憎水性迁移到人工污层表面的速度也明显下降。绝缘表面脏污时未与其他分子相交链的小分子硅氧烷从绝缘材料内部扩散到绝缘材料表面，并进一步扩散到污秽层表面，这种迁移过程改变了污秽层的表面特性，使其表面具有憎水性。
2憎水性的分级及测量方法
目前常用的2种憎水性的分级和测量方法是静态接触角法（CA法）和喷水分级法（HC法）。
2.1静态接触角法（CA法）
静态接触角法是通过直接测量固体表面平衡水珠的静态接触角来反映材料表面憎水性状态的方法，采用静态接触角测量仪器、测量显微镜或照相来测量静态接触角0的大小。该方法对前进角和后倾角进行了区分，其示意图见图2。
图2静态接触角示意图
测量时应使用角度计。将试品水平布置在角度计上，并用注射器使水滴垂直置于试品表面。前进角通过1个目镜在注射器滴人水滴的瞬间测量其扩散的周边，后倾角应当在水滴向上移动的瞬间测量其较高的周边。水珠的体积为4~7uL（即水珠重量 4~7mg)，测量时，需测5个水珠的静态接触角，取其平均值。
2.2喷水分级法（HC法）
喷水分级法是用憎水性分级来表示固体材料表面憎水性状态的方法。该方法将材料表面的憎水性状态分为7级，分别表示为HC1-HC7级。HCI级对应憎水性很强的表面，HC7级对应完全亲水性的表面。由于该方法操作简便，适合于户外现场测量。
喷水分级法测量憎水性的操作过程是喷嘴距离试品25 cm，喷水1次／s，共25次，喷水后表面应有水珠流下。喷射方向尽可能垂直于试品表面，憎水跬分级HC值的读取应在喷水结束后30 s内完成。试品与水平面呈20度~30度倾角。喷水设备可用喷壶，应满足：每次喷水量0.7~1 mL；喷射水流散开角为50度~70度。喷射水流散开角的校核可采用如下方法•在距喷嘴25 cm处立一张报纸，喷射方向垂直于报纸，喷水10~15次。
3憎水性的影响因素分析
3.1高湿度及pH值对憎水性的影响
为了研究复合绝缘子在高湿、连续大雨或大雾环境中其表面憎水性的变化，将复合绝缘子伞裙做成试品，并对试品进行预处理，然后浸泡在不同pH 值溶液中，每隔24 h用HC法测量其憎水性等级，试验结果见表1。
表1浸泡时间及溶液PH值对憎水性的影响
由表1可知硅橡胶在不同pH值溶液中浸泡后，其憎水性均发生不同程度的变化，当pH值小于7或等于7时，在试验过程中其憎水性的变化基本一致。由此可知，当pH值小于或等于7时，溶液pH值对硅橡胶憎水性的影响是一致。当pH值大于7时，硅橡胶憎水性的丧失随pH值的增加而加速，碱性溶液对硅橡胶憎水性的丧失起到很重要的作用。复合绝缘子在运行过程中，不可避免地要经受污湿环境的长期考验，如果污湿环境呈碱性，硅橡胶表面憎水性将受到严重威胁并有可能完全丧失憎水性从而导致闪络事故发生。
3.2电弧对憎水性的影响
复合绝缘子长期处在污湿环境下，其表面憎水 性会有不同程度的下降。运行绝缘子上表面长期暴露于污湿环境中，膳水性将下降，其下表面相对受污湿环境的影响则小得多，因此仍保持较好的憎水性，从而形成干燥带，其干燥带上将承受较高的电压。因此，无论在试验还是在运行中，极易在伞裙下表面的伞径根部和钢脚处产生局部电弧。局部电弧对复合绝缘子表面的僧水性产生2个方面的影响： 1）硅橡胶表面分子结构被电弧破坏；2）电弧的作用使硅橡胶外表面碳化剥离出新的表面从而能提高表面的憎水性。当局部电弧发生后，在电弧等离子体作用下，很容易发生分子断链、表面能高的官能团引人和交联聚合反应。分子断链是这种反应的第一步；表面能高的官能团的引人，将增加硅橡胶表面的表面能，降低表面憎水性；表面分子的交联聚合限制了硅橡胶内部的憎水性小分子向表面的移动，由此将降低复合绝缘子的憎水迁移性能，导致闪络电压的降低。
3.3环境温度对憎水性的影响
低温模拟试验的方法是将复合绝缘子放人所设定的低温条件下8 h，在温度充分达到平衡后取出检查其水性。表2是运行绝缘子和新绝缘子上表面憎水性随温度变化的对比试验结果。
结果表明，无论是运行绝缘子还是新绝缘子，低温下绝缘子的憎水性都出现了不同程度的降低。
表2复合绝缘子表面憎水性与温度关系测量结果
从结果看存在一个低温临界点，在临界点以下无憎水性。不同配方绝缘子其低温临界点不同，由低温造成的憎水性丧失其恢复时间较快。而且，硅橡胶材料的憎水迁移速度与环境温度有关，温度越低，憎水性迁移速度越缓慢。绝缘子表面结冰时，膳水性丧失较快。这也是表面污秽的复合绝缘子在结冰状态下容易发生闪络的原因。试验结果还表明，在0一10 ℃范围内包括新绝缘子在内憎水性均有不同程度降低，不同厂家、不同配方所受影响不同。而且，资料表明，硅橡胶材料的憎水迁移速度与环境温度有关，温度越低，憎水性迁移速度越缓慢。因此在低温下，复合绝缘子的憎水性受到较大影响。这也是复合绝缘子在某些地区冬季低温冷雾情况下发生污闪的原因。
高温环境中由于复合绝缘子外表面长期受紫外线照射，其分子结构发生微小变化，产生一些有机小分子聚硅烷，这些小分子聚合物的挥发使其在短时间内进人硅橡胶表面污层，使污层获得憎水性。试验表面温度在50 ℃下硅橡胶材料小分子聚合物的挥发速度是20 ℃下的7.5倍，100 ℃下的挥发速度是20 ℃下的130倍。小分子聚合物的挥发速度越快，硅橡胶表面的耐污性能越强，硅橡胶憎水性老化速度越快，所以温度越高硅橡胶憎水性越强，硅橡胶老化越严重。
3.4等值附盐密度对憎水性的影响
随着时间的增长，原本亲水的污秽物逐渐获得不同程度的憎水性，这是由于硅橡胶材料憎水性迁移造成的，硅橡胶材料体内存在少量易于流动扩散的低分子链段（LMW），低面能的LMW在向外扩散过程中被吸附于高面能污秽物的表面，导致污秽物获得不同程度的憎水性。污秽物表面吸附 LMW的多少影响到宏观憎水性的状态，所以污秽物在硅橡胶表面的停留时间越长，LMW扩散并吸附于污秽物表面数量也不断增多，污秽物表面的憎水性也不断增强。同时，在相同的迁移时间里，污秽层表面的憎水性随ESDD的增加而减弱。虽然憎水性的 LMW吸附层使污秽物获得憎水性，但吸附层并不能完全抑制污秽物本体的作用，污秽层化学特性对污层获得憎水性的速度和程度有较大影响。随着ESDD 的升高，污层中的有机盐对水分的吸附能力变强，而对憎水性的LMW吸附能力减弱，所以污秽层最终获得的憎水性随着盐密的升高而减弱。
3.5等值附灰密度对憎水性的影响
为了分析等值附灰密度（NSDD）对复合绝缘子憎水性迁移的影响，本文采用2、10 mg/cm2等值附灰密度对憎水性进行试验研究，对试品预处理后（环境温度20 ℃盐密ESDD：0•05 mg/cm2)，定时利用HC 法测量复合绝缘子的憎水性。
随着时间的增长，硅橡胶材料的憎水性逐渐迁移到污层表面，使原本亲水性的污秽物质逐渐获得了不同程度的憎水性，直至饱和。不同的迁移时间对应了不同的憎水性状态。当 NSDD 0•2 mg/cm2,灰密对污秽层获得的憎水性影响很小；NSDD>0.4 mg/cm2,在一定的迁移时间内（约48 h)，随着灰密的增加，污层表面的憎水性减弱，但数天后复合绝缘子表面又具有很好的膳水性；当NSDD>I.O m以，复合绝缘子的表面憎水性将长时间无法恢复。其原因可能是硅橡胶小分子只有迁移到污秽层表面并包覆污秽颗粒才能使其获得憎水性。随着等值灰密的增加，使污秽层的厚度加大，小分子迁移所需时间明显增加，导致憎水迁移时间明显加大，因此憎水迁移速度变慢。
4结论
1）硅橡胶在不同pH值溶液中，其憎水性随着浸泡时间的增加逐渐减弱。酸性溶液对憎水跬的影响和蒸馏水没有明显区别，而碱性溶液对憎水性的影响则与碱性度有关
2）局部电弧的发生不仅降低复合绝缘子的表面憎水性，而且降低了憎水迁移性能。
3）在低温环境下，复合绝缘子的膳水性受到较大影响，硅橡胶材料的憎水迁移速度与环境温度有关，温度越低，憎水迁移速度越缓慢。在高温环境下，温度越高，硅橡胶憎水性越强，硅橡胶憎水性老化越严重。
4）硅橡胶小分子的迁移使复合绝缘子表面原本亲水的污层获得憎水性，时间越长其污秽层获得的憎水性越好。在相同的迁移时间里，污秽层表面的憎水性随ESDD的增加而减弱。
5）当等值附灰密度较小时，灰密对污秽层获得的憎水性影响很小；随着等值附灰密度的增加，污层表面的憎水性减弱；等值附灰密度大到一定程度时，复合绝缘子污层表面的憎水性将消失。
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项目名称：输电线路耐张复合绝缘子检修新技术研究
项目编号：031900KK58180029
论文作者:韦海坤,唐淑歆,张忠豪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/26
标签：水性论文; 绝缘子论文; 表面论文; 硅橡胶论文; 污秽论文; 分子论文; 电弧论文; 《电力设备》2018年第28期论文;