电气工程学报, 2019, 14(2): 17-23 doi: 10.11985/2019.02.004

特殊气候条件对硅橡胶表面憎水性能影响的试验研究 *

杨松澎, 吴坤远, 孙成浩, 黄泓贸, 张楚岩,

中国地质大学(北京)信息工程学院 北京 100083

Experimental Research on Influence of Special Climate Conditions on Hydrophobic Properties of Silicone Rubber

YANG Songpeng, WU Kunyuan, SUN Chenghao, HUANG Hongmao, ZHANG Chuyan,

School of Information Engineering, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083 China

通讯作者: 张楚岩，男，1986年生，博士，硕士研究生导师。主要研究方向为高电压与绝缘技术、特高压外绝缘及电磁环境等。E-mail：zcy@cugb.edu.cn

收稿日期: 2019-05-10   网络出版日期: 2019-06-25

基金资助: * 大学生创新创业训练计划.  2018AB025
中央高校基本科研业务费专项资金.  2652017115

Received: 2019-05-10   Online: 2019-06-25

作者简介 About authors

杨松澎,男,1997年生,本科生。主要研究方向为电气工程及其自动化、高压绝缘材料。E-mail：392768922@qq.com

摘要

硅橡胶绝缘子具有良好的憎水性和防污闪能力,因此在输变电外绝缘设备中有着举足轻重的作用。为了研究硅橡胶绝缘子在极端气候下的绝缘表现,首先在实验室内人工模拟低温、紫外线和酸雨等极端气候条件,然后对从复合绝缘子产品中获取的硅橡胶绝缘试片开展试验研究,通过测量试验过程中硅橡胶试片表面的静态接触角来分析几种特殊气候条件对表面憎水性的影响规律。试验结果表明,低温能改良硅橡胶绝缘子表面的憎水性,在-40℃条件下,经过240 h后,静态接触角比试验开始时增加了约23.2%;紫外线和酸雨都会加速绝缘子表面材料的老化,从而削弱硅橡胶表面的憎水性,经过336 h紫外线照射,试片表面的静态接触角下降超过60%,而在pH≈5.6的酸雨条件下,经过336 h,静态接触角下降约12%。表面静态接触角的降低代表憎水性能的下降,将会直接影响硅橡胶复合绝缘子的绝缘性能,导致污闪概率的升高。研究结论可为复合绝缘子的运行维护带来参考。

关键词： 复合绝缘子 ; 低温 ; 紫外线 ; 酸雨 ; 静态接触角 ; 表面憎水性

Abstract

Silicone rubber insulators have good hydrophobicity and anti-pollution flashover ability, so they play an important role in transmission and transformation external insulation equipment. In order to study the insulation performance of silicone rubber insulators with various extreme weather, the extreme weather conditions such as low temperature, ultraviolet radiation and acid rain are simulated artificially in the laboratory. Then the silicone rubber insulation specimens obtained from composite insulator products are studied experimentally. The influence of several special climate conditions on surface hydrophobicity is analyzed by measuring the static contact angle of the silicone rubber specimens during the experiment. The experimental results show that low temperature can improve the hydrophobicity of silicone rubber insulator surface, and the static contact angle increases by about 23.2% after 240 hours at -40℃. Both ultraviolet radiation and acid rain can accelerate the aging of insulator surface materials, thus weakening the hydrophobicity of silicone rubber surface. After 336 hours of ultraviolet radiation, the static contact angle of the specimen surface decreases by more than 60%. Under the acid rain condition of pH≈5.6, after 336 hours, the static contact angle decreases by about 12%. The decrease of the static contact angle of the surface represents a decrease in the hydrophobic performance, which will directly affect the insulation performance of the silicone rubber composite insulator, resulting in an increase in the probability of contamination. The conclusions can bring reference to the operation and maintenance of composite insulators.

Keywords： Composite insulator ; low temperature ; ultraviolet light ; acid rain ; static contact angle ; surface hydrophobicity

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本文引用格式

杨松澎, 吴坤远, 孙成浩, 黄泓贸, 张楚岩. 特殊气候条件对硅橡胶表面憎水性能影响的试验研究 *. 电气工程学报[J], 2019, 14(2): 17-23 doi:10.11985/2019.02.004

YANG Songpeng. Experimental Research on Influence of Special Climate Conditions on Hydrophobic Properties of Silicone Rubber. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(2): 17-23 doi:10.11985/2019.02.004

1 引言

近年来,我国特高压及智能电网的发展成果举世瞩目。绝缘子作为电网最重要的绝缘设备,其性能受到了学者的普遍关注[1]。与传统的以陶瓷和玻璃为原材料的绝缘子相比,复合硅橡胶绝缘子具有强度大、重量轻、体积小、憎水性好、耐污闪能力强等特点[2,3,4,5]。目前,我国已挂网运行的复合绝缘子超过700万支。

作为复合硅橡胶绝缘子的主要材料——甲基乙烯基硅橡胶,分子结构如图1所示,其主链为交替连接的Si—O键,键能较大,故耐热性好。由于加入了少量的乙烯基团,使得甲基乙烯基硅橡胶材料的硫化活性增强,因此该材料具有良好的力学性能[6]。除此之外,硅氧主链紧密排列的非极性甲基基团向外表面取向,减弱了Si—O键的强极性作用, 使得该材料具有良好的憎水性[7]。

图1

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图1   甲基乙烯基硅橡胶材料分子结构图


然而,硅橡胶绝缘子在运行过程中,由于始终暴露在大气环境中,在经历了长期运行后容易受环境因素影响而发生材料的老化现象,进而威胁绝缘子的整体性能。复合绝缘子发生老化时,其表面憎水性能将显著下降。特殊气候条件如低温、强紫外线、酸雨等都将影响硅橡胶表面的憎水性。在我国的东北以及青藏高原等严寒地区,低温时间持续很长,因此,这些地区对硅橡胶绝缘子耐低温的性能要求较高[8]。即便是南方地区,电网也有低温的威胁,如2008年我国南方地区出现的罕见严寒冰冻灾害[9]。同时,我国已经在青藏高原、云贵高原等高海拔地区建设了多条高压输电线路[10]。那里空气稀薄,紫外线辐射强,能加速硅橡胶绝缘子的老化,导致硅橡胶绝缘子表面的憎水性降低,使其原本优异的耐污闪能力被削弱,容易发生闪络事故[11,12,13,14]。除此以外,我国西南和华南地区酸雨频发,酸雨pH值较低,能够腐蚀绝缘材料,给暴露在大气环境中的绝缘子正常运行带来严峻考验[15,16]。综上所述,研究特殊气候条件对硅橡胶复合绝缘子表面性能的影响,具有重要的实际意义。

目前,国内外已经有很多学者分别从动态接触角[2, 17]、静态接触角[3-4, 18]、机械强度[19]、泄漏电流[20,21]的角度来对各种天气因素对硅橡胶绝缘子表面性能的影响进行了说明。目前最为常见的检测憎水性的方法有喷水分级法,动态、静态接触角法和表面张力法。已有的相关研究大多数都只考虑了单一影响因素,由于实验试品及条件的不统一,不同结果之间难以进行横向比较,这就为工程指导带来了困难。

本文通过在实验室内人工模拟多个气候条件,选取统一的试品开展试验研究,使得不同气候因素下的结果能够进行横向对比,为揭示环境因素对复合绝缘子性能的影响机理奠定基础,同时指导工程实践。综合考虑工程现场应用以及经济因素,本文选取静态接触角作为单一指标来衡量硅橡胶绝缘子在不同特殊气候条件下的表面憎水性能,分别在低温(0℃、-20℃、-40℃)、紫外线照射和酸雨三种条件下开展了试验。

2 试验方法

2.1 静态接触角的测量方法

本文主要通过静态接触角来反应硅橡胶绝缘子的表面憎水性。测量方法如下。

(1) 预处理。将硅橡胶绝缘试片从人工气候实验箱中取出后,先用去离子水将其表面冲洗干净,然后放入烘干箱内,令其表面的水分蒸发完毕。

(2) 使用量程为10 μL的微升取样器从蒸馏水中取样6~7 μL,并将液体滴定于硅橡胶绝缘子表面。选择微升取样器滴定液滴的目的是减少由于液滴本身所受重力的影响。

(3) 待液体稳定后,用单反相机将此时的液体状态拍摄下来。

(4) 使用AutoCAD2017画出此时绝缘子试片的液滴与绝缘子水平面的夹角,并标出静态接触角的大小。如图2、3所示。

图2

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图2   静态接触角1(憎水性良好)


图3

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图3   静态接触角2(憎水性较差)


(5) 多次取样,取平均值,获得静态接触角,进而判断憎水性能。

传统的静态接触角测量方法是使用静态接触角测量仪进行测量,需要从完整的硅橡胶绝缘子中取样一小块放于静态接触角测量仪上才能得出静态接触角的大小,对于硅橡胶绝缘子来说属于破坏性测试。在工程实际中,精确测量表面静态接触角是比较困难的,而喷水分级法的主观性较强,难以量化分析。本文选取的测量方法利用单反相机对焦的原理,可避免上述问题,测量过程简单,对试验器材的要求不高,便于工程现场测量,且所得结果精确度较高。

2.2 低温环境试验方法

本文使用BC/BD-202SFA型小型制冷冰柜作为人工模拟低温环境的装置。该装置能从+10 ℃~-40 ℃进行调温。试验分别在0 ℃、-20 ℃和-40 ℃环境中进行。将0 ℃、-20 ℃和-40 ℃三组试验分别编号为1号、2号和3号。试验流程如下。

(1) 试验前用去离子水先冲洗待测量的硅橡胶绝缘子,待其表面水分挥发完毕,在每组硅橡胶绝缘子试片上滴定5个液滴,测量其静态接触角并计算出平均值见下表,作为对照组。

表   硅橡胶绝缘子表面初始静态接触角

编号1(0 ℃)2(-20 ℃)3(-40 ℃)
静态接触角/(°)108.1102.995.4

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(2) 将硅橡胶绝缘子试片放于已经设定好温度的制冷冰柜中,如图4所示。

图4

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图4   低温试验环境


(3) 每隔12 h测量一次,每组试验持续240 h。每次将硅橡胶绝缘子试片从制冷冰柜取出之后应当静置一段时间再进行测量,否则由于绝缘子表面的温度过低,并且滴定的水滴只有6~7 μL,很容易结冰,导致测量的静态接触角不准确。

2.3 紫外线环境试验方法

本文选用功率为6 W的紫外线消毒灯模拟高海拔地区的强紫外线环境。整个试验过程都是在60 cm× 50 cm×50 cm的有机玻璃无菌试验箱中进行。试验前,先从硅橡胶绝缘子串中剪下一部分绝缘子试片作为试验对象,测量出该试片在初始状态的静态接触角平均值为120.3°。将试片放于有机玻璃无菌试验箱中进行紫外线照射,如图5所示。

图5

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图5   人工紫外线环境


每12 h测量一次该绝缘子试片的静态接触角的平均值并做好记录,试验一共持续336 h。

2.4 酸雨环境试验方法

酸雨试验使用醋酸和清水配置出与酸雨的pH值接近的溶液(pH≈5.6),并且通过3喷头超声波雾化器在有机玻璃无菌实验箱中模拟酸雨环境。超声波雾化器工作状态和人工模拟的酸雨环境效果如图6所示。

图6

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图6   人工模拟酸雨效果图


试验前先测量硅橡胶绝缘子样本试片初始状态的静态接触角平均值为110.3°,然后将样本放入到有机玻璃试验箱中进行试验。每12 h测量一次硅橡胶绝缘子的静态接触角的平均值,试验一共持续336 h。

3 试验结果与分析

3.1 低温环境试验结果与分析

图7为硅橡胶绝缘子试片分别在0℃、-20 ℃和-40 ℃低温环境处理后测量的静态接触角大小的变化曲线。

图7

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图7   不同温度条件下静态接触角平均值的变化规律


由试验结果可以看出,1号试验组在0 ℃环境中,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角呈现剧烈波动,在剧烈波动的过程中,静态接触角的大小整体上有缓慢下降的趋势,静态接触角的大小从最初的108.1°下降为104.8°,下降了约3%,静态接触角趋于稳定。2号试验组在-20 ℃环境中,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角先随着时间逐渐增加,从最初的102.9°上升为110°,静态接触角增加了约7%,增加的速度比较平缓。3号试验组在-40 ℃环境中,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角也随着时间逐渐增大,从最初的95.4°上升为117.4°,静态接触角增加了约23%,,增长的速度明显快于2号试验组(-20 ℃)。

在低温环境中,硅橡胶绝缘子的憎水性在0 ℃时整体上趋于稳定,而在-20 ℃和-40 ℃时,憎水性逐渐增强,最后趋于稳定,并且温度越低,憎水性增长的速度越快。

由于硅橡胶绝缘子中有一部分氢氧化铝(Al(OH)3),它具有一定的亲水性,并且大于甲基和乙烯基的亲水性[3,22]。Al(OH)3分子会随着低温处理逐渐进入到甲基乙烯基硅橡胶分子内部,并充斥于各个相邻基团的缝隙中,使得整个硅橡胶材料更加致密[23,24],故憎水性逐渐增强。温度越低,Al(OH)3分子渗入到硅橡胶分子内部的速度越快。但当Al(OH)3量较少或者已经充斥到饱和时,硅橡胶绝缘子的憎水性将不再变化并趋于稳定。0 ℃作为冰水分界线,在环境温度略小于0 ℃时,Al(OH)3分子渗入到硅橡胶分子中,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角增大;在略大于0 ℃时,Al(OH)3分子可能会从硅橡胶分子中渗出,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角减小。故在0 ℃冰水分界线时,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角大小呈现出剧烈波动。

综上所述,在长时间的低温环境下,硅橡胶绝缘子材料的憎水性不仅没有降低反而升高了,从而提高了高压输电设备的耐污闪能力。

3.2 环境试验结果与分析

图8为硅橡胶绝缘子试片在紫外线环境下静态接触角大小的变化曲线。

图8

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图8   紫外线照射下硅橡胶绝缘子静态接触角的变化规律


由此变化规律可以看出,硅橡胶绝缘子的静态接触角大小随着紫外线照射逐渐下降,并且有饱和趋势。经过336 h的照射,绝缘子的静态接触角由最初的120.3°下降到44.2°,静态接触角下降了约63%。说明紫外线对硅橡胶绝缘子材料老化作用非常明显,绝缘子的憎水性下降得非常快。

试验中使用的紫外线消毒灯能量大概为500~600 kJ/mol,而硅橡胶绝缘子的主要高分子——甲基乙烯基硅橡胶中主要的化学键为Si—O、Si—C、C—H键,键能分别为460 kJ/mol、347 kJ/mol、414 kJ/mol,三者都小于紫外线灯的能量,故紫外线能破坏甲基乙烯基硅橡胶中的化学键,使其断裂。甲基乙烯基硅橡胶中原本能使硅橡胶绝缘子呈现良好憎水性的甲基被破坏,并且在强紫外线环境中臭氧(O3)的含量很高,使得部分甲基乙烯基硅橡胶分子中的甲基被羟基——OH取代,生成了具有良好亲水性的硅醇,故绝缘子逐渐由憎水性变为亲水性。因此,无论是从化学角度还是物理角度考虑,紫外线都会对甲基乙烯基硅橡胶分子造成破坏,加速硅橡胶绝缘子老化的速度,使其憎水性迅速被削弱,从而增大了发生漏电和闪络事故的概率。

3.3 酸雨环境试验结果与分析

图9为硅橡胶绝缘子试片在酸雨环境下静态接触角大小的变化曲线。

图9

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图9   酸雨环境中硅橡胶绝缘子静态接触角的变化规律


从试验结果可以看出,硅橡胶绝缘子的静态接触角在酸雨环境中先从初始110.3°下降至98°,下降速度比较快,然后逐渐稳定在约98°,静态接触角下降了约11%。即硅橡胶绝缘子在酸雨环境中会缓慢老化,憎水性逐渐下降,并且下降到一定程度后开始趋于稳定。

本文选择的酸溶液是醋酸,化学式为CH3COOH。醋酸电离出的氢离子具有氧化性,使硅橡胶绝缘子中与Si相连的甲基——CH3断裂生成硅氧烷醇[25]。由于醋酸是弱酸,电离出氢离子(H+)的过程是一个可逆过程,随着H+不断被消耗,促进了醋酸的电离过程,产生更多的硅氧烷醇,破坏了甲基乙烯基硅橡胶分子的结构。这一破坏过程与氢离子H+的浓度有关,酸性越强的酸雨对甲基乙烯基硅橡胶分子的破坏程度越大。除此以外,醋酸中电离的羧基——COOH会分解产生羟基——OH。非极性基团减少并且极性基团增多,使得硅橡胶绝缘子原有的憎水性被削弱,变为亲水性材料。这就是酸雨使硅橡胶绝缘子材料憎水性下降的原因。

4 结论

本文研究了硅橡胶绝缘子在低温、紫外线和酸雨气候条件下静态接触角的变化规律,从而得到硅橡胶绝缘材料的憎水性随着特殊气候的变化规律。主要结论如下。

(1) 硅橡胶绝缘子在0 ℃低温环境中,静态接触角下降了3%,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角比较稳定,基本不发生变化,故憎水性基本不变;在-20 ℃和-40 ℃环境中,硅橡胶的静态接触角大小先逐渐增加,最后趋于稳定,憎水性得到了加强。硅橡胶的静态接触角分别上升了7%和23%,并且在-40 ℃环境下增长速度更快。故低温环境对于硅橡胶绝缘子来说是个友好的环境,温度越低,硅橡胶绝缘子表面的静态接触角上升越快。

(2) 在强紫外线作用下,绝缘子表面受到了紫外线的老化作用,内部结构发生了物理、化学变化,导致硅橡胶绝缘子的静态接触角下降非常快。静态接触角下降了63%,硅橡胶绝缘子逐渐变成了亲水性材料,耐污闪能力被削弱。因此,西部高原地区的高压输电项目应当对这个问题引起足够的重视。

(3) 在酸雨环境中,硅橡胶绝缘子的静态接触角会逐渐下降,静态接触角下降了11%,但下降速度比较缓慢,这是由于酸雨的酸性还远远不及强酸,氢离子的浓度不够大。即便如此,酸雨多发地区也应当引起足够的重视,切忌掉以轻心。

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