特高压输电用复合绝缘子HTV硅橡胶的耐候性能变化研究*

范银婷，吴舜娟，林利宏，冯志新，李蓬烈，陈俊枫

（广州合成材料研究院有限公司，广东 广州 510665）

我国从20世纪80年代开始研发复合绝缘子，直至1985年由高温硫化硅橡胶作为主要材料的复合绝缘子首次挂网运行。HTV硅橡胶具有优异的憎水性、稳定的力学性能、高绝缘性能等优点[1-4]，经过大量实践证明，在电力系统外绝缘中使用HTV硅橡胶材料，可以有效减少污闪问题，确保电网安全稳定运行，因此高温硫化硅橡胶复合绝缘子逐渐取代了玻璃和陶瓷类绝缘子。近年来，随着我国“西电东送”计划及特高压输电工程的大力开展，高温硫化硅橡胶复合绝缘子在特高压电网应用越来越广泛[5]。但随着运行年限增加，硅橡胶复合绝缘子在紫外线辐射、污秽、沿海多雾、潮湿等自然环境因素影响下容易出现表面开裂、憎水性能下降、硬化以及起痕等老化现象，对特高压输电线路的安全稳定运行有着不可忽视的威胁[6]。因此，对影响复合绝缘子老化的因素进行分析，预知其运行环境对输电线路的安全运行至关重要。

本文分析了复合绝缘子伞裙护套材料高温硫化硅橡胶在特高压线路中的应用环境和老化过程，选择荧光紫外、盐雾以及湿热三种老化类型，模拟恶劣自然环境下的老化过程，采用拉伸性能测试、介电常数测试以及FITR红外光谱测试等手段评估硅橡胶绝缘子老化程度。

1 材料与方法

1.1 试样准备

为了考察运行环境对特高压(Ultra high voltage ,UHV)用复合绝缘子用HTV硅橡胶的老化特性的影响，对市面上大量复合绝缘子进行了遴选，选取了一款用于800kV特高压用绝缘伞裙护套的产品质量颇受好评的HTV硅橡胶材料作为研究对象。

1.2 人工加速老化试验

紫外光氧老化试验选用美国Q-lab公司生产的荧光紫外老化箱，依据GB/T 16422.3-2014 《塑料 实验室光源暴露试验方法 第3部分荧光紫外灯》规定执行，采用方法C：2型（UVB-313）灯，试验时间为3000h，每1000h取样一次。

盐雾老化试验按照GB/T 2423.17-2008《电工电子产品环境试验 第二部分试验方法 试验Ka：盐雾》。选用美国Q-lab公司生产的Q-FOG CCT-1100盐雾试验箱进行盐雾老化2000h，每1000h取样一次。

湿热老化试验方法参照GB/T 15905-1995《硫化橡胶湿热老化试验方法》。选择70℃×85%RH、80℃×85% RH、90℃×85%RH三个试验点老化1000h。

1.3 测试项目及仪器

选用岛津国际贸易（上海）有限公司的AG-IC 20KN型电子拉力机，依据GB/T 528-2009，拉伸速度为500mm/min，夹具间距离80mm，标距25mm，在(23±2)℃和(50±10)%RH的标准环境下进行拉伸性能试验。依据GB/T 529-2008，撕裂速度为500mm/min，夹具间距离为50mm，在(23±2)℃和(50±10)%RH的标准环境下进行撕裂性能试验。

选用日置电机株式会社的SM7110高阻计，每组取三个试样，尺寸均为100mm×100mm×2mm，依据GB/T 1692-2008，施加电压为500V，对试样进行体积电阻率测量。选用上海爱义电子设备有限公司的高频Q表，依据GB/T 1409-2006，测量试样在1MHz下相对介电常数和介质损耗因数。

采用布鲁克光谱仪器公司的TENSOR27红外光谱仪，采取表面反射法，对试样的微观结构进行分析，此方法不需对样品进行任何处理，可以有效地判断材料的化学结构的变化程度，为硅橡胶材料老化程度提供依据。

2 结果与讨论

针对未老化、紫外老化1000h、2000h、3000h和盐雾老化1000h、2000h，以及不同湿热条件老化1000h的HTV硅橡胶样品的力学性能、电气性能以及FTIR红外光谱的结果进行分析，研究HTV硅橡胶在不同老化条件和不同老化时间下性能变化规律。

2.1 力学性能

与原始样品对比，经过荧光紫外老化、盐雾老化和湿热老化后的试样力学性能均有一定程度下降。

从表1～表3拉伸强度的结果可以看出，人工加速老化1000h后，紫外老化样品的拉伸强度略微下降，盐雾样品和80℃×85%RH条件下的湿热样品的拉伸强度有较明显下降。人工加速老化2000h后，紫外老化样品强度持续略微下降，而盐雾样品强度下降明显。当荧光紫外老化3000h后，下降程度不足盐雾老化2000h。说明盐雾老化对样品拉伸强度影响最大。

从表1～表3撕裂强度的结果可以看出，人工加速老化1000h后，紫外老化样品和湿热样品的撕裂强度略微下降，而盐雾样品撕裂强度下降较明显，人工加速老化2000h后紫外老化样品的撕裂强度下降明显，盐雾样品撕裂强度略微下降，说明在短时间内，盐雾老化对样品的撕裂强度影响稍大，但在长时间老化下，荧光紫外老化对样品的撕裂强度影响较大。

表1 荧光紫外老化前后特高压用HTV硅橡胶试样的力学性能Table 1 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

从表3可以看出，在三种湿热条件（湿度相同，温度不同）中，温度越高，力学性能反而有所增大，可以推断是90℃下硅橡胶发生二次硫化，力学性能因二次硫化而增高。

表2 盐雾老化前后特高压用HTV硅橡胶试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after salt-spray fog aging

表3 湿热老化(1000h)前后特高压用HTV硅橡胶试样的力学性能Table 3 Mechanical properties of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

2.2 电气绝缘性能

体积电阻率常用来表征材料的电气绝缘性质，材料的体积电阻率越高，其作为电绝缘部件的效能通常就越好[7]。复合绝缘子HTV硅橡胶老化后相对介电常数的增大会导致电场畸变，从而引发电晕和局部放电， GB/T 18890.3-2002中提到了对硅橡胶相对介电常数要求介于2.5～3.5。介电损耗增大不仅会消耗过多电能，还会造成材料异常发热，这两者都会加速复合绝缘子的老化，甚至引发断串等严重事故[8]。因此，对复合绝缘子HTV硅橡胶材料进行体积电阻率和介电性能的分析十分有必要性。

由表4结果可以看出，与新品对比，荧光紫外老化1000h、2000h，体积电阻率下降，样品的绝缘性下降，分子链断裂后样品极性略减小，相对介电常数略微减小。荧光紫外3000h后，分子链间发生交联反应，体积电阻率增大，相对介电常数增大。介质损耗因数在紫外老化3000h后仍无明显变化。

表4 荧光紫外老化前后特高压用HTV硅橡胶试样的电气绝缘性能Table 4 Insulation properties of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

由表5结果可以看出，盐雾老化1000h后，体积电阻率有明显下降，说明电气绝缘性能明显下降，相对介电常数增大，可见试样老化劣化，分子链发生断裂，在电场作用下容易被极化，从而使得相对介电常数增大。盐雾老化2000h后，体积电阻率和相对介电常数与盐雾1000h的结果接近，而由于分子链断裂，极化产生的损耗随着试样老化程度加深而逐渐增大，因此介质损耗因数明显增大。

由表6看出，HTV硅橡胶在70℃×85%RH的湿热条件下老化1000h后体积电阻率发生明显下降，说明在70℃×85%RH的湿热老化后，HTV硅橡胶绝缘性下降。在80℃×85%RH，90℃×85%RH湿热条件下老化1000h后，体积电阻率恢复至原始值，可以推断在80℃和90℃下由于硅橡胶的二次硫化，绝缘性能有所改善。而相对介电常数和介质损耗因数在以上几种湿热环境下与原始样品对比保持率良好。

表6 湿热老化（1000h）前后特高压用HTV硅橡胶试样的电气绝缘性能Table 6 Insulation properties of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

2.3 FTIR表征结果及分析

依据峰高以及峰面积的变化，能够反映分子链断裂情况。Si-O-Si基团对应的特征峰变化情况反映了主链的断裂情况，Si-CH3、Si(CH3)2、C-H基团对应的吸收峰减小程度反映了侧链的断裂程度。FTIR分析结果如图1所示

图1 不同条件下老化1000h前后特高压用HTV硅橡胶FTIR全谱和特征峰谱图Fig.1 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after aging for 1000h under different conditions

对未老化、紫外老化1000h、湿热老化1000h以及盐雾老化1000h的HTV硅橡胶样品进行红外光谱分析得到图1(a)全谱图，与主链相关的Si-O-Si峰面积和峰值减小，表明HTV硅橡胶的主链发生断裂，可能使得力学性能下降。由图1(b)可以看出，不同条件老化后与主链相关的Si-O-Si峰面积和峰值依次减小的为荧光紫外老化、湿热老化、盐雾老化，说明盐雾老化后HTV硅橡胶力学性能下降最明显，其次是湿热老化。与侧链相关的Si-CH3、Si(CH3)2相关的特征峰面积和峰值减小表明Si-C结合键断裂，Si-C键断裂会造成憎水性下降，使体积电阻率降低。从图1(c)、(d)可以看出，盐雾老化1000h后样品表面与Si-CH3、Si(CH3)2相关的特征峰面积和峰值下降程度最大，因此盐雾老化1000h后HTV硅橡胶的体积电阻率下降最明显。

对未老化、荧光紫外老化1000h、2000h以及3000h的HTV硅橡胶样品进行红外光谱分析得到图2(a)全谱图，从整体上看，老化后特征峰面积和峰值均有一定程度下降。由图2(b)可以看出，随着辐照时间延长，Si-O-Si峰面积和峰值先减小后增大。分析可知，荧光紫外老化1000h、2000h后Si-O-Si峰面积和峰值略微减小的原因是除了紫外辐射光中存在极少量波长小于290nm的光子，使得Si-O键断裂，另外紫外辐照使主链两侧对称分布的非极性甲基基团(-CH3)2从硅氧主链上脱落，使得Si-O-Si峰强度略微减弱。而相对介电常数受主链影响，所以相对介电常数无明显变化。荧光紫外老化3000h后，Si-O-Si峰面积和峰值增大，这是由于主链之间发生进一步的交联反应，使得Si-O键相对含量增加。部分甲基基团的脱落和主链之间的交联均导致HTV硅橡胶表面极性增强，在电场下容易极化，因此相对介电常数增大。由图2(c)、(d)可知，Si-CH3和Si(CH3)2反射峰强度的变化规律与Si-O-Si峰强度变化规律相同，呈现出先减弱后增强的趋势，Si-O-Si峰面积和峰值减小的原因是紫外辐射光中的290～400 nm紫外线光子能量为413～299 kJ/mol，足以切断硅橡胶中部分Si-C和C-H键，Si-C结合键断裂，生成新的自由基。Si-C键与HTV憎水性密切相关，Si-C断裂，会造成憎水性下降。而憎水性下降会使HTV硅橡胶容易吸收空气中的水分，水的微弱电离会使载流子浓度增加，使体积电阻率下降。因此在荧光紫外老化1000h、2000h后，体积电阻率下降，而荧光紫外老化3000h后，主链间发生进一步的交联反应，导致Si(CH3)2、Si-CH3含量略微增加，体积电阻率增大。荧光紫外老化后主链和侧链一定程度断裂和交联导致了力学性能呈现出一定程度下降。

图2 荧光紫外老化前后特高压用HTV硅橡胶FTIR全谱和特征峰谱图Fig.2 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after ultraviolet radiation

对未老化、盐雾1000h以及2000h的HTV硅橡胶样品进行红外光谱分析得到图3(a)全谱图，与新品对比，盐雾老化后样品主链和侧链峰面积和峰值下降明显，但盐雾老化1000h后样品和盐雾老化2000h后样品主链和侧链峰面积和峰值变化较小。由图3(b)可以看出，盐雾老化1000h后主链Si-O键含量有明显下降，HTV力学性能有明显下降，而盐雾2000h后主链Si-O含量持续下降，因此力学性能也略有下降。由图3(c)、(d)可以看出，盐雾1000h后侧链Si-C含量明显下降，盐雾2000h侧链Si-C含量与盐雾1000h时接近，侧链Si-C键断裂，则导致憎水性下降，HTV硅橡胶容易吸收盐雾中的水分和离子，由于离子的导电性，其体积电阻率下降，电气绝缘性能下降。

图3 盐雾老化前后特高压用HTV硅橡胶FTIR全谱和特征峰谱图Fig.3 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after salt-spray fog

对于未老化和70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃ ×85%RH三种湿热条件下老化1000h的HTV硅橡胶样品进行红外光谱分析得到图4(a)全谱图，从图4(a)来看，湿热老化对样品的结构变化有一定影响。从图4(b)来看，三种湿热条件老化后Si-O-Si峰面积和峰值下降程度相近，因此力学性能下降程度接近。从图4(c)、(d)可以看出，Si-CH3和Si-(CH3)2裂解程度与温度呈正相关，温度越高，Si-C键断裂程度越大。其中在90℃×85%RH的湿热条件下，样品处于高湿高温环境中，Si-C键断裂程度最大，湿度和氧气的作用能使硅橡胶中的侧基发生氧化和交联反应，导致HTV硅橡胶表面极性增强，在电场下容易极化。

图4 不同湿热条件老化（1000h）前后特高压用HTV硅橡胶FTIR全谱和特征峰谱图Fig.4 FTIR spectra of HTV silicone rubber for UHV before & after hygrothermal aging 1000h

3 结论

采用荧光紫外老化、盐雾老化和湿热老化三种老化方式模拟特高压用HTV硅橡胶在恶劣环境下的老化情况，并对老化前后的样品进行力学性能和电气性能分析，同时使用傅里叶红外光谱对老化前后样品的微观结构进行分析。得出以下结论：

（1）采用UV-B紫外线对HTV样品进行3000h的辐照过程中，辐照1000h后，力学性能和电气性能无明显变化，辐照2000h后，力学性能和电气性能出现较明显下降，辐照3000h后，力学性能持续略微下降，而电气性能则有所回升。这是由于HTV样品在紫外线辐照下发生光降解，使硅橡胶分子链断裂和交联，引发一系列反应过程，从而影响样品的各项性能。

（2）采用盐雾对HTV样品进行2000h的腐蚀试验，盐雾1000h后，力学性能和电气性能均有大幅下降，腐蚀2000h后，力学性能持续略微下降，电气性能与1000h的结果保持一致。

（3）采用70℃×85%RH、80℃×85%RH、90℃× 85%RH三种湿热条件对HTV样品进行老化1000h，在以上三种湿热条件中，湿度相同，温度越高，力学性能和电气性能保持率反而更高，这是由于力学性能因硅橡胶二次硫化而增大。从化学结构上看，Si-O-Si峰面积和峰值下降程度相近，Si-CH3和Si-(CH3)2裂解程度与温度呈正相关，温度越高，Si-C键断裂程度越大。

（4）通过三种不同老化方式老化1000h后的结果来看，荧光紫外老化后样品在短时间紫外辐照下力学性能和电气性能变化最小，与主链和侧链相关的化学键断裂程度最小。其中盐雾老化后样品的力学性能和电气性能下降程度最大，盐雾老化后样品中与Si-O-Si、Si-CH3以及Si-(CH3)2相关的特征峰面积减少程度最大，这也表明了盐雾老化使HTV样品化学键断裂情况最严重，说明在盐雾环境下，特高压HTV硅橡胶容易老化。