试验电压对硅橡胶材料蚀损程度的影响范文

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《高压电器杂志》2015年第十一期

摘要：

现行标准中仅给出交流斜面法的试验条件，而未给出直流斜面法的试验方法，而试验电压是斜面法试验中的基本参数。为此，文中针对直流条件下试验电压对硅橡胶材料蚀损程度的影响展开研究。在污液流速为0.2mL/min的条件下，使用高速摄像机、红外热像仪观察不同试验电压下硅橡胶材料表面电弧的放电现象和温度场分布，并记录不同试验电压下的泄漏电流、质量损失和最大蚀损深度。试验结果表明，随着试验电压增大，电弧弧长明显增大，累计放电时间减小，试样的质量损失和最大蚀损深度均减小。研究说明试验电压的增大虽然增加了试样烧蚀面积，但是由于放电时间减少，试验的严酷程度减轻。

关键词：

直流斜面法；硅橡胶材料；试验电压；电弧放电；蚀损

直流输电可以远距离、大容量输送电能[1-2]。近些年来，在中国大部分地区直流线路的投运数量急剧增加，复合绝缘子在直流线路上得到了大量的使用[2-3]。与瓷和玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有憎水性和憎水迁移性，显著提高绝缘子的污闪电压[3-6]。但是，有机绝缘材料的耐电痕和耐电蚀损性能较差，在直流电压下伞套材料的耐电蚀问题更为突出。斜面法是一种考核伞套材料耐漏电起痕和电蚀性能的试验方法。因其具有试验时间短、设备投资小的优点，受到复合绝缘子生产厂家和运行部门的欢迎[7-10]。IEC60587—2007标准中给出了交流斜面法的试验条件，但未对直流斜面法的试验方法进行描述[11]。近些年来，针对直流斜面法的研究不断增多。文[12-13]中对比了正负极性电压下泄漏电流和试样的蚀损情况，结果表明正极性下泄漏电流的峰值和平均值均大于负极性，试样的蚀损程度更为严重；文[14]中得到了与文[12-13]中相似的试验结论，并借助EDX分析进一步分析比较了试样表面的离子成分，结果表明正极性电压下试样表面存在导电金属离子而负极性电压下试样表面并未发现导电金属离子，认为金属导电离子使得正极性条件下泄漏电流幅值增大；文[15-17]中对比了正极性电压、负极性电压以及交流电压下试样表面的蚀损程度。

结果表明，正极性电压下试样的蚀损最为严重，交流电压下试样的烧蚀程度最轻。提出采用泄漏电流的变异系数作为表征试样表面放电程度的特征量，并以此为依据尝试对试验电压进行整定。此外，文[18-21]中对正负极性下泄漏电流幅值的差别进行解释，认为正极性条件下电解液阳极可以提供更多的正离子(阳极效应)以及不锈钢阴极的电子发射作用(阴极效应)是正极性条件下泄漏电流幅值增大的原因。提出采用单次放电脉冲的幅值与单次脉冲的持续时间的乘积作为反映放电强弱的特征量。由以上讨论可知，交直流电压作用下斜面法的试验结果存在显著区别，材料在交流条件下的性能不能完全代表其在直流电压下的性能，直流斜面法不能简单地使用交流斜面法的试验参数。目前，IEC并未对直流斜面法的试验方法进行明确规定，而试验电压是斜面法中的重要参数，为此文中在+2.5、+3.5、+4.5、+6.0kV的试验电压下进行试验，研究了试验电压对斜面法的影响，为直流斜面法试验参数的设定提供基础。

1试验设备和试验方法

1.1试验设备试验设备主要包括：交直流漏电起痕试验仪、泄漏电流测试系统、高速摄像机、红外热像仪、电子天平和深度规，直流斜面法试验示意图见图1。交直流高电压漏电起痕试验仪可输出0~8kV直流电压，可同时对5路试品进行试验。试验污液由质量分数为(0.1±0.002)%的氯化铵和质量分数为(0.02±0.002)%的异辛基苯氧基聚乙氧基乙醇组成，在(23±1)℃测得的电阻率为(3.95±0.05)Ω•m。泄漏电流测试系统由采样电阻、泰克DPO4014B型示波器和计算机组成，可对试验过程中的泄漏电流进行连续记录。高速摄像机采用PhantomV12.1型高速摄像机对试验过程中试样表面电弧进行观察，仪器的满幅拍摄速率为6242帧/s，最大拍摄速率为1000000帧/s。红外热像仪采用P640型红外热像仪对试样表面温度分布进行观测，热像仪温度测量范围为-40~+550℃，读数误差为±2℃，可录制含数据的红外序列。借助ThermaCAMResearcher2.10PRO软件，可对录制的红外序列进行分析。电子天平的型号为ML104，最大称量为120g，测量精度为0.1mg。数显深度规的型号为JST-127，量程范围为0~100mm，测量精度为0.01mm。电子天平和数显深度规用于对试样的蚀损质量和最大蚀损深度进行测定。

1.2试验方法试验采用GB/T6553—2003和DL810—2012中推荐的恒定电痕化电压法[22-23]，除标准中规定的试验步骤外，加入了电弧放电观测、红外特性测试、泄漏电流测试、试样最大蚀损深度测试以及试样蚀损质量测试。主要的试验步骤如下：1)试样取自硅橡胶绝缘子伞裙，对试样表面进行打磨，使用电子天平称量试样质量并安装试样；2)根据试验选择的污液流速调节蠕动泵，当观察到污液沿试样表面流下后，旋转调压器，使试样两端电压缓慢升至试验电压；3)打开示波器，记录试验6h中流过各试样的泄漏电流；4)使用高速摄像机对试样表面电弧放电情况进行观察，使用红外热像仪对试样表面温度场分布进行观察；5)试验结束后，使用蒸馏水洗去试样表面烧蚀的硅橡胶，将试样放置通风处干燥，24h后称量试样质量并测量蚀损部位的最大深度。

2试验结果及分析

2.1表面电弧使用高速摄像机对试验中试样表面电弧进行拍摄，试验6h时表面电弧的情况见图2。由图2可以看出，随着试验电压的增大，试样表面电弧长度增长，+4.5、+6.0kV下电弧的长度明显大于+2.5、+3.5kV下的电弧长度。

2.2电弧温度当试样表面出现电弧时，使用红外热像仪对试样表面的温度场分布进行观测，不同试验电压下的测试结果见图3。使用ThermaCAMResearcher2.10Pro软件对图3(d)中电弧不同位置的温度进行分析，图3(d)中spot1、spot2以及spot3分别为上电极弧根、弧柱以及下电极弧根，不同位置的温度见表1。由表1可知，在图3(d)中电弧温度最高处为靠近下电极的弧根处，温度值超过了550℃；上电极弧根和弧柱部分的温度分别为195.1、198.7℃，均未达到硅橡胶材料的热分解温度，说明下电极弧根部分对材料的破坏最为严重，红外测试结果与试验后试样表面的烧蚀情况相符。与其他电压下的红外热像图对比，+6.0kV下最高温度对应的范围并未出现明显扩大，说明电弧长度虽然增长，但烧蚀的范围并未明显扩大。对不同试验电压下红外热像图中温度值的分布情况进行统计，结果见图4。由图4可知，随着试验电压的升高，350℃以上区间对应的百分比由49.17%减少至6.30%，说明当污液流速一定的情况下，随着试验电压的增加，试验的严酷程度减弱。

2.3泄漏电流试样表面流过的电流呈脉冲状，示波器采集的典型电流波形见图5。对试验过程中的泄漏电流进行分析，4个试验电压下电流脉冲平均值见表2，试验过程中脉冲波形的累计脉冲时间变化情况见图6。由表2和图6可知：1)+2.5kV下泄漏电流幅值与+3.5kV下泄漏电流幅值相近，均小于+4.5、+6.0kV下泄漏电流幅值。总体上看，泄漏电流幅值随试验电压的增加呈增大趋势。2)随着试验电压的增大，累计脉冲时间呈下降趋势。这是由于试验电压的提高，增大了试样两端的电压和流过的泄漏电流，由P=UI可知，试验电压较高时污液可获得更大的功率，在污液流量相同的情况下，蒸发污液所需时间明显缩短。泄漏电流在一定程度上可以反应放电活动的强弱。测试结果表明，试验电压增大，泄漏电流脉冲值增加，但同时累计脉冲时间减小，说明电弧与试样表面接触时间缩短，减少了电弧向试样传递的热量，不利于电弧对试样表面造成破坏。

2.4蚀损情况在试验后对试样的质量和蚀损深度进行称量，计算出试验前后试样的质量损失。不同试验电压下试样的蚀损质量和最大蚀损深度变化情况见图7。由图7可以看出，试验电压为+2.5、+3.5kV时，最大蚀损深度基本不变，蚀损质量相差不大。试验电压进一步增大，最大蚀损深度和蚀损质量明显减少。试验电压为+6kV时，硅橡胶材料基本不发生烧蚀。总体上，随着试验电压增大，试样的最大蚀损深度和蚀损质量均呈下降趋势，说明在污液流速为0.2mL/min的条件下，在一定范围内增大试验电压可以减弱试验的严酷程度。考虑到当施加电压值为零时试样不会出现蚀损，试样蚀损程度应随外施电压先增大后减弱。

3结语

保持污液流速为0.2mL/min不变，当试验电压在+2.5~+6.0kV范围内逐渐增大时，电弧长度增长，试验回路中泄漏电流脉冲幅值呈增大趋势，累计脉冲时间缩短，试样的最大蚀损深度和蚀损质量均呈下降趋势。直流斜面法中，在一定范围内增大试验电压虽然增加了试样烧蚀面积，但是由于放电时间减少，试验的严酷程度减轻。

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作者：李字明 徐康泰 孙佑飞 屠幼萍 王璁 单位：国网黑龙江省电力有限公司 国网冀北电力有限公司经济技术研究院 华北电力大学高电压与电磁兼容北京重点实验室