試驗電壓對硅橡膠材料蝕損程度的影響范文

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《高壓電器雜志》2015年第十一期

摘要：

現行標準中僅給出交流斜面法的試驗條件，而未給出直流斜面法的試驗方法，而試驗電壓是斜面法試驗中的基本參數。為此，文中針對直流條件下試驗電壓對硅橡膠材料蝕損程度的影響展開研究。在污液流速為0.2mL/min的條件下，使用高速攝像機、紅外熱像儀觀察不同試驗電壓下硅橡膠材料表面電弧的放電現象和溫度場分布，并記錄不同試驗電壓下的泄漏電流、質量損失和最大蝕損深度。試驗結果表明，隨著試驗電壓增大，電弧弧長明顯增大，累計放電時間減小，試樣的質量損失和最大蝕損深度均減小。研究說明試驗電壓的增大雖然增加了試樣燒蝕面積，但是由于放電時間減少，試驗的嚴酷程度減輕。

關鍵詞：

直流斜面法；硅橡膠材料；試驗電壓；電弧放電；蝕損

直流輸電可以遠距離、大容量輸送電能[1-2]。近些年來，在中國大部分地區直流線路的投運數量急劇增加，復合絕緣子在直流線路上得到了大量的使用[2-3]。與瓷和玻璃絕緣子相比，復合絕緣子具有憎水性和憎水遷移性，顯著提高絕緣子的污閃電壓[3-6]。但是，有機絕緣材料的耐電痕和耐電蝕損性能較差，在直流電壓下傘套材料的耐電蝕問題更為突出。斜面法是一種考核傘套材料耐漏電起痕和電蝕性能的試驗方法。因其具有試驗時間短、設備投資小的優點，受到復合絕緣子生產廠家和運行部門的歡迎[7-10]。IEC60587—2007標準中給出了交流斜面法的試驗條件，但未對直流斜面法的試驗方法進行描述[11]。近些年來，針對直流斜面法的研究不斷增多。文[12-13]中對比了正負極性電壓下泄漏電流和試樣的蝕損情況，結果表明正極性下泄漏電流的峰值和平均值均大于負極性，試樣的蝕損程度更為嚴重；文[14]中得到了與文[12-13]中相似的試驗結論，并借助EDX分析進一步分析比較了試樣表面的離子成分，結果表明正極性電壓下試樣表面存在導電金屬離子而負極性電壓下試樣表面并未發現導電金屬離子，認為金屬導電離子使得正極性條件下泄漏電流幅值增大；文[15-17]中對比了正極性電壓、負極性電壓以及交流電壓下試樣表面的蝕損程度。

結果表明，正極性電壓下試樣的蝕損最為嚴重，交流電壓下試樣的燒蝕程度最輕。提出采用泄漏電流的變異系數作為表征試樣表面放電程度的特征量，并以此為依據嘗試對試驗電壓進行整定。此外，文[18-21]中對正負極性下泄漏電流幅值的差別進行解釋，認為正極性條件下電解液陽極可以提供更多的正離子(陽極效應)以及不銹鋼陰極的電子發射作用(陰極效應)是正極性條件下泄漏電流幅值增大的原因。提出采用單次放電脈沖的幅值與單次脈沖的持續時間的乘積作為反映放電強弱的特征量。由以上討論可知，交直流電壓作用下斜面法的試驗結果存在顯著區別，材料在交流條件下的性能不能完全代表其在直流電壓下的性能，直流斜面法不能簡單地使用交流斜面法的試驗參數。目前，IEC并未對直流斜面法的試驗方法進行明確規定，而試驗電壓是斜面法中的重要參數，為此文中在+2.5、+3.5、+4.5、+6.0kV的試驗電壓下進行試驗，研究了試驗電壓對斜面法的影響，為直流斜面法試驗參數的設定提供基礎。

1試驗設備和試驗方法

1.1試驗設備試驗設備主要包括：交直流漏電起痕試驗儀、泄漏電流測試系統、高速攝像機、紅外熱像儀、電子天平和深度規，直流斜面法試驗示意圖見圖1。交直流高電壓漏電起痕試驗儀可輸出0~8kV直流電壓，可同時對5路試品進行試驗。試驗污液由質量分數為(0.1±0.002)%的氯化銨和質量分數為(0.02±0.002)%的異辛基苯氧基聚乙氧基乙醇組成，在(23±1)℃測得的電阻率為(3.95±0.05)Ω•m。泄漏電流測試系統由采樣電阻、泰克DPO4014B型示波器和計算機組成，可對試驗過程中的泄漏電流進行連續記錄。高速攝像機采用PhantomV12.1型高速攝像機對試驗過程中試樣表面電弧進行觀察，儀器的滿幅拍攝速率為6242幀/s，最大拍攝速率為1000000幀/s。紅外熱像儀采用P640型紅外熱像儀對試樣表面溫度分布進行觀測，熱像儀溫度測量范圍為-40~+550℃，讀數誤差為±2℃，可錄制含數據的紅外序列。借助ThermaCAMResearcher2.10PRO軟件，可對錄制的紅外序列進行分析。電子天平的型號為ML104，最大稱量為120g，測量精度為0.1mg。數顯深度規的型號為JST-127，量程范圍為0~100mm，測量精度為0.01mm。電子天平和數顯深度規用于對試樣的蝕損質量和最大蝕損深度進行測定。

1.2試驗方法試驗采用GB/T6553—2003和DL810—2012中推薦的恒定電痕化電壓法[22-23]，除標準中規定的試驗步驟外，加入了電弧放電觀測、紅外特性測試、泄漏電流測試、試樣最大蝕損深度測試以及試樣蝕損質量測試。主要的試驗步驟如下：1)試樣取自硅橡膠絕緣子傘裙，對試樣表面進行打磨，使用電子天平稱量試樣質量并安裝試樣；2)根據試驗選擇的污液流速調節蠕動泵，當觀察到污液沿試樣表面流下后，旋轉調壓器，使試樣兩端電壓緩慢升至試驗電壓；3)打開示波器，記錄試驗6h中流過各試樣的泄漏電流；4)使用高速攝像機對試樣表面電弧放電情況進行觀察，使用紅外熱像儀對試樣表面溫度場分布進行觀察；5)試驗結束后，使用蒸餾水洗去試樣表面燒蝕的硅橡膠，將試樣放置通風處干燥，24h后稱量試樣質量并測量蝕損部位的最大深度。

2試驗結果及分析

2.1表面電弧使用高速攝像機對試驗中試樣表面電弧進行拍攝，試驗6h時表面電弧的情況見圖2。由圖2可以看出，隨著試驗電壓的增大，試樣表面電弧長度增長，+4.5、+6.0kV下電弧的長度明顯大于+2.5、+3.5kV下的電弧長度。

2.2電弧溫度當試樣表面出現電弧時，使用紅外熱像儀對試樣表面的溫度場分布進行觀測，不同試驗電壓下的測試結果見圖3。使用ThermaCAMResearcher2.10Pro軟件對圖3(d)中電弧不同位置的溫度進行分析，圖3(d)中spot1、spot2以及spot3分別為上電極弧根、弧柱以及下電極弧根，不同位置的溫度見表1。由表1可知，在圖3(d)中電弧溫度最高處為靠近下電極的弧根處，溫度值超過了550℃；上電極弧根和弧柱部分的溫度分別為195.1、198.7℃，均未達到硅橡膠材料的熱分解溫度，說明下電極弧根部分對材料的破壞最為嚴重，紅外測試結果與試驗后試樣表面的燒蝕情況相符。與其他電壓下的紅外熱像圖對比，+6.0kV下最高溫度對應的范圍并未出現明顯擴大，說明電弧長度雖然增長，但燒蝕的范圍并未明顯擴大。對不同試驗電壓下紅外熱像圖中溫度值的分布情況進行統計，結果見圖4。由圖4可知，隨著試驗電壓的升高，350℃以上區間對應的百分比由49.17%減少至6.30%，說明當污液流速一定的情況下，隨著試驗電壓的增加，試驗的嚴酷程度減弱。

2.3泄漏電流試樣表面流過的電流呈脈沖狀，示波器采集的典型電流波形見圖5。對試驗過程中的泄漏電流進行分析，4個試驗電壓下電流脈沖平均值見表2，試驗過程中脈沖波形的累計脈沖時間變化情況見圖6。由表2和圖6可知：1)+2.5kV下泄漏電流幅值與+3.5kV下泄漏電流幅值相近，均小于+4.5、+6.0kV下泄漏電流幅值。總體上看，泄漏電流幅值隨試驗電壓的增加呈增大趨勢。2)隨著試驗電壓的增大，累計脈沖時間呈下降趨勢。這是由于試驗電壓的提高，增大了試樣兩端的電壓和流過的泄漏電流，由P=UI可知，試驗電壓較高時污液可獲得更大的功率，在污液流量相同的情況下，蒸發污液所需時間明顯縮短。泄漏電流在一定程度上可以反應放電活動的強弱。測試結果表明，試驗電壓增大，泄漏電流脈沖值增加，但同時累計脈沖時間減小，說明電弧與試樣表面接觸時間縮短，減少了電弧向試樣傳遞的熱量，不利于電弧對試樣表面造成破壞。

2.4蝕損情況在試驗后對試樣的質量和蝕損深度進行稱量，計算出試驗前后試樣的質量損失。不同試驗電壓下試樣的蝕損質量和最大蝕損深度變化情況見圖7。由圖7可以看出，試驗電壓為+2.5、+3.5kV時，最大蝕損深度基本不變，蝕損質量相差不大。試驗電壓進一步增大，最大蝕損深度和蝕損質量明顯減少。試驗電壓為+6kV時，硅橡膠材料基本不發生燒蝕。總體上，隨著試驗電壓增大，試樣的最大蝕損深度和蝕損質量均呈下降趨勢，說明在污液流速為0.2mL/min的條件下，在一定范圍內增大試驗電壓可以減弱試驗的嚴酷程度。考慮到當施加電壓值為零時試樣不會出現蝕損，試樣蝕損程度應隨外施電壓先增大后減弱。

3結語

保持污液流速為0.2mL/min不變，當試驗電壓在+2.5~+6.0kV范圍內逐漸增大時，電弧長度增長，試驗回路中泄漏電流脈沖幅值呈增大趨勢，累計脈沖時間縮短，試樣的最大蝕損深度和蝕損質量均呈下降趨勢。直流斜面法中，在一定范圍內增大試驗電壓雖然增加了試樣燒蝕面積，但是由于放電時間減少，試驗的嚴酷程度減輕。

參考文獻：

[1]趙畹君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[2]舒印彪．中國直流輸電的現狀及展望[J]．高電壓技術，2004，30(11)：1-2．SHUYinbiao.PresentstatusandprospectofHVDCtransmissioninChina[J].HighVoltageEngineering，2004，30(11):1-2.

[3]宿志一，李慶峰．我國電網防污閃措施的回顧和總結[J]．電網技術，2010，34(12)：124-130．SUZhiyi，LIQingfeng.HistoricalreviewandsummaryonmeasuresagainstpollutionflashoveroccurredinpowergridsinChina[J].PowerSystemTechnology，2010，34(12):124-130.

[4]宿志一，劉燕生．我國北方內陸地區線路與變電站用絕緣子的直、交流自然積污試驗結果的比較[J]．電網技術，2004，28(10)：13-17．SUZhiyi，LIUYansheng.Comparisionofnaturalcontami-nantsaccumulatedonsurfacesofsuspensionandpostinsu-latorswithDCandACstressinnorthernChina’sinlandar-eas[J].PowerSystemTechnology，2004，28(10):13-17.

[5]李震宇，梁曦東，王彬，等．直流電壓下復合絕緣子的自然積污試驗[J]．電網技術，2007，31(14)：10-14．LIZhenyu，LIANGXidong，WANGBin，etal.Naturalpol-lutiondeposittestofpolymericinsulatorsoperatedunderDCvoltage[J].PowerSystemTechnology，2007，31(14):10-14.

[6]關志成，劉瑛巖，周遠翔，等．絕緣子及輸電設備外絕緣[M]．北京：清華大學出版社，2006．

[7]吳光亞，雷民，蔡煒，等．合成絕緣子人工加速老化試驗方法的評價[J]．高電壓技術，1998，24(4)：42-44．WUGuangya，LEIMin，CAIWei，etal.Estimationofac-celeratedagingtestmethodsofthesiliconrubbercompos-iteinsulators[J].HighVoltageEngineering，1998，24(4):42-44.

[8]殷禹，梁曦東，周遠翔，等．合成絕緣子交流轉輪法與斜面法的比較研究[J]．高電壓技術，2005，31(2)：6-8．YANYu，LIANGXidong，ZHOUYuanxiang，etal.Track-ingwheeltestofcompositeinsulatorsandcomparisonwithinclinedplanetest[J].HighVoltageEngineering，2005，31(2):6-8.

[9]梁曦東，薛家麒．硅橡膠材料耐漏電起痕性的加速老化試驗[J]．高電壓技術，1994，20(4)：48-52．LIANGXidong，XUEJiaqi.Acceleratedagingtestsofthetraekinganderosionresistanceofsliconerubbermaterial[J].HighVoltageEngineering，1994，20(4):48-52.

[10]王梓楊，朱正一，賈志東，等．直流污穢放電對硅橡膠表面特性破壞過程[J]．高電壓技術，2012，38(10)：2611-2616．WANGZiyang，ZHUZhengyi，JIAZhidong，etal.Degra-dationprogressofsiliconrubbersurfacepropertiesunderDCcontaminationflashover[J].HighVoltageEngineering，2012，38(10):2611-2616.

[11]IEC60587—2007Electricalinsulatingmaterialsusedundersevereambientconditions-testmethodsforevaluat-ingresistancetotrackinganderosion，internationalstan-dard[S].2007.

[12]BRUCEGP，ROWLANDSM，KRIVDAA.DCinclined-planetestingofsiliconerubberformulations[J].ElectricalInsulationandDielectricPhenomena，2008:196-199.

[13]BRUCEGP，ROWLANDSM，KRIVDAA.PerformanceofsiliconerubberinDCinclinedplanetrackingtests[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsula-tion，2010，17(2):521-523.

[14]VASJV，VENKATESULUB，THOMASMJ.TrackinganderosionofsiliconerubbernanocompositesunderDCvoltagesofbothpolarities[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation，2012，19(1):91-98.

[15]GHUNEMRA，JAYARAMSH，CHERNEYEA.ErosionofsiliconerubbercompositesintheACandDCinclinedplanetests[J].IEEETransactionsonDielectricsandElec-tricalInsulation，2013，20(1):229-236.

[16]GHUNEMRA，JAYARAMSH，CHERNEYEA.ErosionofATHandsilicafilledsiliconerubberintheDCin-clinedplanetest[C]//2012IEEE10thInternationalCon-ferenceonthePropertiesandApplicationsofDielectricMaterials(ICPADM).India:Bangalore，IEEE，2012：1-4.

[17]GHUNEMRA，JAYARAMSH，CHERNEYEA.Statis-ticalindicatorsofsiliconerubbererosionintheDCin-clinedplanetest[C]//2012AnnualReportConferenceonElectricalInsulationandDielectricPhenomena(CEIDP).USA：Montreal，IEEE，2012:737-740.

[18]關志成，陳原，梁曦東，等．合成絕緣子傘裙護套材料的直流斜面法試驗的若干問題[J]．電瓷避雷器，1998(1)：17-22．GUANZhicheng，CHENYuan，LIANGXidong，etal.Sev-eralproblemsaboutDCinclinedplanetestoncompositeinsulatorsheath[J].InsulatorsandSurgeArresters，1998(1):17-22.

[19]關志成，陳原，湯存燕，等．合成絕緣子耐直流電蝕損及漏電起痕性能的研究[J]．電瓷避雷器，1997(5)：3-9。GUANZhicheng，CHENYuan，TANGCunyan，etal.StudyonreliabilityofcompositeinsulatorunderDCtrackinganderosion[J].InsulatorsandSurgeArresters，1997(5):3-9.

[20]陳原．超高壓直流合成絕緣子的研究[D]．北京：清華大學，1997．

[21]李荻．電化學原理[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1989．

[22]GBT6553—2003評定在嚴酷環境條件下使用的電氣絕緣材料耐電痕化和蝕損的試驗方法[S].2003.GBT6553—2003Testmethodsforeraluatingresistancetotrackinganderosionofelectricalinsulatingmaterialsusedundersevereambienconditions[S].2003.

[23]DLT810—2012±500kV及以上電壓等級直流棒形懸式復合絕緣子技術條件[S]．2012．DLT810—2012Technicalspecificationforlongrodcompositeinsulatorswithanominalvoltageof±500kVDCandabove[S]．2012。

作者：李字明 徐康泰 孫佑飛 屠幼萍 王璁 單位：國網黑龍江省電力有限公司 國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 華北電力大學高電壓與電磁兼容北京重點實驗室