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终稿不同老化因素对互感器护套老化影响的研究
不同老化因素对互感器伞套老化影响的研究
叶伟标吕伟桃
摘要:
互感器伞套使用的硅橡胶材料,在运行过程中存在龟裂、粉化等老化现象,本文通过SEM和FTIR分析了硅橡胶伞套老化前后宏观表面结构变化和微观官能团变化,通过人工加速氙灯老化、湿热老化、电晕老化、户外自然老化和室内自然老化五组老化试验,研究互感器表面硅橡胶材料在不同因素影响下的理化、电气性能,试验结果表明,氙灯老化条件下,硅橡胶的硬度影响最显著,硬度从37.0HA增加到45.40HA;湿热老化条件下,硅橡胶的镜像光泽度影响最显著,镜像光泽度从75下降至40;自然户外老化条件下,硅橡胶的憎水性影响最显著,静态接触角从115.4度下降至102.1度;并通过硬度、镜像光泽度、憎水性和表面电阻四种方法评价各因素对硅橡胶伞套老化的影响大小,研究结果有助于对运行中的互感器老化程度进行监测。
关键词:
互感器,硅橡胶,氙灯老化,湿热老化,电晕老化。
Theresearchineffectofsiliconrubberageingcharacteristicsofinstrumenttransformeraccordingtodifferentageingfactor
ZhouXiqiu1,LvWeitao2,WangBin2,DengHaihui2,WuKe1,ZengXianwen1,YeWeibiao1
(1.GuangdongPowerGridCorpDongguanPowerSupplyBureau,Dongguan523000;GuangdongCrownPowerElectricityTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Foshan528000,China)
Abstract:
Transformersumbrellacoverwhicharemakedofsiliconerubbermaterialmayemergethepresenceofcracks,chalkingandotheragingduringdailyoperation,andinthispaper,changesofmacroscopicsurfacestructureandmicroscopicfunctionalgroupsofsiliconerubberumbrellacoverbeforeandafteragingareanalysedbywayofSEMandFTIR.Atthesametimephysicalandchemicalperformance,electricalperformanceofsiliconerubbermaterialwhichisonthesurfaceoftransformerareresearchedundertheinfluenceofdifferentfactorsthroughthefivegroupsofagingtestssuchasartificialacceleratedXenonlampaging,hygrothermalaging,coronaaging,outdoornaturalagingandindoornaturalaging.Theresultsshowthatthexenonlampagingconditionsaremostsignificantforthehardnessofthesiliconerubber,thehardnessofthesiliconerubberhasincreasedfrom37.0HAto45.40HA;heatagingconditionsmakethemostsignificantimpacttosiliconerubberglossmirror,andmirrorglosshasdecreasedfrom75to40;Naturaloutdoorweatheringconditionsmakethemostsignificantimpactforthehydrophobicofsiliconerubber,andstaticcontactanglehasdecreasedfrom115.4to102.1degrees.Andfourmethodssuchashardness,mirrorglossiness,waterrepellencyandsurfaceresistivityareusedtoevaluatetheeffectlevelofsiliconerubberumbrellacoveragingfromtheviewofvariousfactors.Theresultscontributetomonitoringthedegreeofagingofthetransformerduringoperation.
Keywords:
instrumenttransformer,silicomrubber,Xenonlampaging,hygrothermalaging,coronaaging.
在电力行业中,电压互感器、电流互感器、复合绝缘子、干式互感器、高压开关、穿墙套管、增爬伞裙等设备均使用硅橡胶作为外绝缘材料【1】,其中以电压互感器、电流互感器的单个设备使用量最大。
一台互感器在投入运行数年后,表面的硅橡胶伞套在自然环境、高电场及其它因素作用下,会出现表面粉化脆化、表面电阻下降、憎水性下降、闪络电压下降、泄漏电流增大等老化问题【2-4】。
不同运行环境、不同运行年限的互感器老化程度差异较大,多因素影响下互感器的老化差异,难以排查出引起老化的最本质因素。
本文通过实验研究,将最有可能导致互感器护套老化加速的因素单独罗列出来进行老化试验,分析每一种因素对硅橡胶老化的影响程度,并通过多种评价方法对每一种老化现象进行了量化评价。
1伞套老化现象分析
1.1伞套存在的老化现象
(1)硅橡胶伞套的老化表现为:
伞裙表面粉化,丧失弹性,颜色变白,硬度上升;在受到外力作用的情况下会产生不可恢复的龟裂裂纹。
说明硅橡胶伞裙的老化并不是单纯的材料龟裂,而是伴随着材料本身材质的变化。
(2)硅橡胶伞套的所有位置均发生严重的老化现象,表面电阻、表面憎水性均下降。
(3)通过解剖伞套可以发现,伞裙上表面的粉化层厚度大于下表面,伞裙边缘的粉化层厚度大于伞裙内部;说明阳光、降雨等外界自然因素可能对护套的老化有加速作用。
1.2SEM电镜分析硅橡胶护套老化
图1、图2为新制硅橡胶和从运行9年的互感器上切割下来的存在老化现象的硅橡胶材料表面SEM电镜分析。
图1 新制硅橡胶 图2运行9年硅橡胶 图3 硅橡胶老化伞群横切面图
从图1、图2可以看出,在SEC电镜5000倍放大情况下,新制硅橡胶表面致密,未有明显缺陷,而运行9年的硅橡胶伞套表面相对粗糙,颗粒感严重,出现明显的疏松、缝隙和多孔的结构。
用手掰运行9年互感器伞群,明显感觉到表面这种疏松多孔的结构为脆性,掰弯开裂后不可再回复至原有结构。
图3为运行9年的硅橡胶伞群横切图,可以看出伞群内部的硅橡胶材料依然致密,有弹性,有镜像光泽,老化只在表面发生,测量得知上表面老化层厚度大于下表面,伞群边沿老化层厚度大于伞群根部与伞间连接处。
1.3FTIR光谱分析互感器硅橡胶伞套老化
老化前后硅橡胶FTIR谱图如图4所示,其中未老化样品为新制硅橡胶,严重老化样品为运行9年的互感器上取下的样品。
图4老化前后硅橡胶的FTIR图谱
由峰值的比较可以看出,严重老化的硅橡胶伞套,其四大吸收峰的高度都显著降低,说明其中含有的硅橡胶成分已经非常少。
严重老化与未老化硅橡胶图谱相比,严重老化硅橡胶Si-O键的吸收峰较宽且位置发生了变化,可能的原因是硅橡胶交联体系发生改变,硅氧烷分子的过度交联或者降解导致其主链结构发生变化,使得Si-O键种类变多造成的。
从吸收峰值来看,严重老化的硅橡胶试样的吸收峰有明显的下降,其Si-C、Si-O特征峰的比值约为1.787~2.436;而未老化的试样比值为0.912。
这是自然老化的硅橡胶试样一个明显特点,即:
Si-C吸收峰的下降速度远大于Si-O吸收峰。
可能的原因是,在自然条件下,支链的有机基团首先受到紫外、氧气、水份等外部因素攻击发生降解断链,主链无机结构的Si-O键能较高,结构相对支链有机基团稳定,需要更高的活化能才能使其降解断链,因此可以认为硅橡胶老化龟裂现象主要是由于硅氧烷侧链上有机基团的断裂造成的。
2老化因素选择分析
2.1氙灯老化试验
复合绝缘护套为有机材料,引起其老化的主要因素包括紫外线、氧、臭氧、水分及温度变化、工业污秽等,而太阳光中的紫外线是引起高分子有机材料老化的最主要原因[5]。
阳光的照射,尤其是太阳光中紫外线的照射,往往是造成硅橡胶绝缘伞套老化的重要原因【6】。
因此,项目组将模拟太阳光照射情况对硅橡胶材料进行人工加速老化试验作为首选因素试验。
人工加速老化用氙灯灯管具有辐照功率强、与太阳光的光谱分布相近的特点,因此适合用来模拟太阳光照射下的硅橡胶材料老化过程。
试验采用合肥赛帆试验设备有限公司制造的水冷型氙灯老化箱,氙灯功率6kW,最大辐照强度1.8kW/m2。
以200小时为一组试验进行氙灯老化。
试样接受到的200h辐照总量约1152MJ/m2,根据《GB/T3511-2008硫化橡胶或热塑性橡胶耐候性》的规定,这一辐照值约为华南地区4个月接受到的阳光辐射总量。
2.2湿热老化试验
我国南方大部分地区都处在高温高湿的亚热带地区,高温高湿的气候条件也有可能是造成硅橡胶老化的因素之一【7,8】。
实验模拟南方地区高温高湿环境,采用生化培养箱来控制试验温度,使之保持在40℃。
利用饱和盐溶液控制环境湿度,具体的做法是在密封的容器中加入一定量的饱和盐溶液,然后通过支架将实验室制作的硅橡胶样品放在饱和盐溶液的上方。
试验中利用饱和NaCl溶液和饱和K2SO4溶液两种盐溶液,分别使样品始终处于74.7±0.2%和96.4±0.4%的相对湿度,进行为期4000h的恒温恒湿老化试验。
2.3电晕老化试验
互感器长期处于高电场环境下运行,局放有加速其老化的影响【9,10】。
项目组模拟在强电场环境下可能发生的电晕放电等现象,对硅橡胶材料进行了电晕老化试验。
试验使用多极尖-板电极产生电晕,样品尺寸为150mm*150mm*2mm,共进行两组试验,时间分别为120h和240h,试验电压6kV。
试验装置如图5所示。
图5电晕老化试验装置图6户外自然老化试验
2.4自然环境户外老化试验【11-17】
自然环境户外老化试验是能最真实反映互感器在户外运行老化情况的试验,户外自然老化是光照、温度、湿度、氧气流速等除电场因素外的其它因素综合作用的结果。
硅橡胶护套分子发生老化,从开始的侧链自由基老化,至最终主链断裂分子失去硅橡胶特性,有可能导致此结果发生的所有因素在自然环境户外老化中都可以找到,因此户外老化试验是最真实,也是其它老化试验的最佳参照试验。
项目组设置了一组户外自然老化实验,将实验室新制的硅橡胶样品露天放置于楼顶的平台上,使之暴露于自然环境之中,然后每2000h对样品进行一次性能检测。
深圳市位于北纬22°27′~22°52′,为了使样品达到最佳老化效果,样品架采用面向东南的位置摆放,倾角约22°,如图6所示。
2.5自然环境室内老化试验
自然环境室内老化试验测试样品在室内相对温和环境下的老化情况,作为其它环境老化试验的对比实验,项目组将实验室制作的硅橡胶样品直接放在室内阴凉的地方,让他们暴露于室内环境之中,同时避免阳光直接照射,每2000h对这组样品进行一次性能检测。
3老化试验结果分析
实验室自制新硅橡胶,制品按照道康宁公司HVI1541/10P双组份加成型液体硅橡胶制作,此类硅橡胶用以制作互感器硅橡胶伞套【18】。
5组不同环境发生老化的样品,试验结果通过硬度、憎水角、镜像光泽度和绝缘电阻4个具体的量化指标进行评价,加上新制硅橡胶和已经运行老化9年的硅橡胶,共计7组数据对比,分析不同老化对其老化程度的影响。
3.1硬度
项目组对每组老化试验都取5片样品,每片样品的不同位置进行了6次测量,取6次测量结果的平均值作为每片样品的表面硬度,试验结果见表1。
表1七组样品硬度测试结果
编号
测试项
邵氏硬度/HA
平均硬度/HA
1
人工加速氙灯老化
氙灯老化200h
42.7
43.0
41.8
43.4
42.5
42.68
氙灯老化400h
44
47.5
46
44.5
45
45.40
2
湿热老化
40℃,75%湿度,4000h
44.3
45.7
45.5
44.2
44.0
44.74
40℃,96%湿度,4000h
45.2
44.3
44.0
45.8
44.6
44.78
3
电晕老化
电晕老化120h
41.3
42.3
42.0
41.2
41.6
41.68
电晕老化240h
43.2
43.8
44.5
43.7
43.3
43.70
4
自然户外老化
户外老化4000h
44.2
44.6
44.0
43.7
44.3
44.16
户外老化6000h
45.4
44.1
46.2
47.2
46.7
45.92
5
自然室内老化
室内老化2000h
38.3
38.3
40.6
39.4
38.6
39.04
室内老化4000h
40.0
40.6
42.3
40.6
40.7
40.84
室内老化6000h
42.0
41.5
42.3
43.1
42.6
42.30
6
新制样品
36.5
38.4
37.5
37.3
38.8
37.70
7
运行老化9年样品
52.3
53.5
54.0
54.2
53.1
53.42
从表1可以看出,新制造硅橡胶的邵氏硬度值为37.7HA,此值与新投入运行的互感器伞套硬度37.0HA接近,说明实验制作的硅橡胶与互感器使用的硅橡胶的一致性。
氙灯老化400h后样品硬度45.40HA接近自然老化6000h的45.92HA,说明光照是硅橡胶老化的重要原因,湿热老化4000h样品硬度44.78HA比自然户外老化4000h样品的硬度44.16HA略高但不显著,说明湿热有加速样品老化的作用,而75%湿度和96%湿度两种湿度情况下样品硬度几乎无区别。
电晕老化时间从120h增加大240h,样品硬度从41.68HA增至43.70HA,说明电晕老化对硅橡胶产生一定影响,43.7HA的硬度接近户外老化4000h的样品硬度44.16HA也同样说明电晕对硅橡胶老化产生影响。
自然户外老化环境下老化样品硬度高于室内温和环境,直接说明光照、雨水、氧气流速等因素会加速硅橡胶老化。
3.2镜向光泽度
表面光泽度测量主要用于油漆、涂层、金属机件平整度检测等。
应用于评价硅橡胶材料的表面状况也能反映硅橡胶老化情况。
硅橡胶样品表面出现老化后,由于细小的裂痕等原因会导致样品表面粗糙度上升,表面光泽度下降。
在试验过程中我们使用型号为WGG60-E的表面光泽度计进行测试,测试结果见表2。
表2七组样品镜像光泽度测试结果
编号
测试项
镜向光泽度
1
人工加速氙灯老化
氙灯老化200h
60~65
氙灯老化400h
50~70
2
湿热老化
40℃,75%湿度,4000h
55~65
40℃,96%湿度,4000h
40~45
3
电晕老化
电晕老化120h
60~70
电晕老化240h
60~70
4
自然户外老化
户外老化2000h
55~65
户外老化4000h
50~60
户外老化6000h
40~45
5
自然室内老化
室内老化2000h
60~70
室内老化4000h
65~70
室内老化6000h
60~65
6
新制样品
60~75
7
运行老化9年样品
20~30
从表2可以看出新制硅橡胶镜像光泽度最高,5组老化试验中湿热老化对镜像光泽度的影响最大,96%湿度4000h老化镜像光泽度从75下降至40。
而从硬度判断得出的氙灯紫外老化因素对硅橡胶老化影响最大这一点,在对镜像光泽度测试时未有体现,自然户外老化、电晕老化和自然室内老化均随老化时间的持续,镜像光泽度持续下降。
镜像光泽度表征样品表面的老化程度,有较好的区分度且操作方便。
但是这种方法也存在缺点:
当被测试品表面未出现粉化层,则测量结果差异不大。
3.3憎水性接触角【19-24】
优异的憎水性是硅橡胶被应用于互感器外绝缘护套的重要原因。
憎水性可提高护套的污闪电压,降低护套表面泄漏电流,使用憎水性来评价互感器的运行老化情况是一个非常有效的方法,被行业内广泛使用。
7组样品通过憎水性检测后,测试结果如表3所示。
表3七组样品憎水性测试结果
编号
测试项
静态接触角平均值/度
1
人工加速氙灯老化
氙灯老化200h
118.5
氙灯老化400h
114.5
2
湿热老化
40℃,75%湿度,4000h
121.1
40℃,96%湿度,4000h
104.3
3
电晕老化
电晕老化120h
116.3
电晕老化240h
115.2
4
自然户外老化
自然老化2000h
120.1
自然老化4000h
102.1
自然老化6000h
104.4
5
自然室内老化
室内放置2000h
119.7
室内放置4000h
114.4
室内放置6000h
114.5
6
新制样品
115.4
7
运行老化9年样品
97.1(上表面)
95.0(下表面)
表3的前五组老化数据对比新制硅橡胶样品可以看出,在老化初期硅橡胶的憎水性不但未下降,反而更高,这一数据也与实践运行中的互感器、绝缘子等硅橡胶制品反应出的数据一致,原因可能与硅橡胶材料特有的憎水性迁移特性有关。
综合来看,随着老化时间持续,憎水性均有规律的逐渐下降,湿热老化与自然户外老化下降最为明显,静态接触角分别下降至104.3度和102.1度。
湿热环境下样品憎水角下降是因为硅橡胶材料在此环境下憎水性会部分丧失,但在重新置于干燥环境下16h后,憎水性即能回复,考虑到互感器实际运行环境极少会连续出现超过4000h(167d)的高湿环境,因此湿热环境不会严重影响材料的憎水性。
自然户外环境下憎水性下降明显,说明多种老化因素共同作用对其影响较大,此外自然户外环境下样品表面污秽累积也有可能导致憎水性下降。
3.4表面电阻
良好的绝缘性是硅橡胶伞套的根本性能。
由于运行多年的硅橡胶伞套结构固定,用传统的三电极法对从硅橡胶伞套所取样品的体积电阻率和表面电阻率进行测量不具有可操作性。
考虑到现场试验的条件限制,项目组采用测量表面电阻的方法来测定硅橡胶的绝缘电阻。
具体方法如下:
使用一直径约2.5cm的圆形模具,紧压在硅橡胶伞裙表面,然后沿圆周在伞裙表面涂抹导电胶,直至形成环形导电带。
将摇表的一个测量电极置于圆环正中央,另一测量电极置于圆环导电胶上,摇动手柄,加压进行测量。
测量装置如图7,测量结果见表4.
图7表面绝缘电阻测量装置示意图
表4七组样品表面电阻测量结果
编号
老化条件
便面电阻值范围/MΩ
1
人工加速氙灯老化
氙灯老化200h
1400~1800
氙灯老化400h
1100~1600
2
湿热老化
40℃,75%湿度,4000h
1200~1500
40℃,96%湿度,4000h
1200~1500
3
电晕老化
电晕老化120h
1600~1700
电晕老化240h
1300~1500
4
自然户外老化
户外老化2000h
1700~2000
户外老化4000h
1700~2000
户外老化6000h
1600~2000
5
自然室内老化
室内老化2000h
>2000
室内老化4000h
>2000
室内老化6000h
>2000
6
新制样品
>2000
7
运行老化9年样品
400~700
试验结果显示,这一测量手段虽然受到设备精度的限制,不能得到准确的硅橡胶伞裙表面电阻,但不同因素和不同老化时间引起的表面电阻变化,可以得到很好的区分度。
通过表4可以看出,5种不同因素引起的老化,均可以导致硅橡胶材料表面电阻的大幅下降,氙灯与湿热环境下下降尤为显著,而运行老化9年的互感器伞群的表面电阻较新制硅橡胶已经下降80%。
4结论
综上所述,我们可以得出以下结论:
1)互感器硅橡胶伞套发生老化时,材料由致密变得疏松多孔,硅橡胶分子的各种有效官能团均降低,侧链有机基团降解速度快于主链无机基团,护套的老化主要由侧链有机基团老化引起。
2)根据不同的老化条件试验,考察其对硅橡胶老化因素的不同影响程度:
其中氙灯老化条件下,硅橡胶的硬度影响最显著,表现为硬度增加,从37.0HA增加到45.40HA;湿热老化条件下,硅橡胶的镜像光泽度影响最显著,表现为镜像光泽度从75下降至40;自然户外老化条件下,硅橡胶的憎水性影响最显著,表现为静态接触角从115.4度下降至102.1度;氙灯与湿热老化条件下,硅橡胶的表面电阻影响最为显著,同时,电晕老化对各项理化性能也有较大影响。
3)硅橡胶护套老化是一个持续但缓慢发生的过程,在实际运行中,应有计划的定期检测互感器的老化程度,监控硅橡胶护套的老化状况,避免突发事故发生,给供电安全带来隐患。
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