高温硫化(HTV)硅橡胶电晕老化特性及机理的研究

摘要

硅橡胶合成绝缘子由于具有重量轻、机械强度高以及极好的耐湿闪和污闪性能等优点，在国内外得到了广泛的应用。随着使用年限的增加，原本认为无需维护的合成绝缘子也引发了不少危害输电线路可靠性的事故，合成绝缘子老化问题正越来越受到运行部门和研究单位的关注。本文着重研究由于电晕引起的硅橡胶合成绝缘子的老化问题，对于更好地理解合成绝缘子的耐电晕老化机理以及科学评估合成绝缘子的使用寿命等具有重要意义。 本文以合成绝缘子常用的外绝缘材料——高温硫化(HighTemperatureVulcanization，HTV)硅橡胶为研究对象，利用自行研制的固体绝缘材料耐电晕老化试验系统，通过观测硅橡胶在不同条件下的表面态、憎水性及陷阱特性的变化，首次系统地研究了电晕电压、硝酸、湿度对硅橡胶老化特性的影响规律，并对硅橡胶的电晕老化机理进行了研究。同时，探索了以陷阱特性为参考的合成绝缘子耐电晕老化性能评价方法。取得了以下成果： 1．通过研究硅橡胶在不同电晕电压和不同电晕时间后的憎水性发现，当停止电晕作用后，若电晕电压较低且作用时间不长，硅橡胶暂时丧失的憎水性通常可以基本完全恢复；若长时间高强度电晕作用后，硅橡胶的憎水性并不能完全恢复，并且憎水性恢复速率在电晕老化的不同阶段呈现出不同的特点：硅橡胶表面针孔的出现使憎水性恢复加快，而晶体层的形成将阻碍憎水性恢复，晶体层的破裂会重新加快憎水性恢复，裂缝等更严重缺陷的形成使憎水性恢复减缓甚至不能完全恢复。因此，憎水性恢复单因子用于评价硅橡胶的老化状态时存在一定局限性，结合硅橡胶的表面态，能够更准确地反映硅橡胶的电晕老化程度。 2．通过研究硅橡胶在不同相对湿度下电晕后的憎水性，发现电晕时间较短时相对湿度对硅橡胶的憎水性丧失及憎水恢复特性的影响很小，但当电晕时间较长时，硅橡胶的憎水性恢复速率随着相对湿度的增加而减慢，表面态也发生了更大的变化。与带电粒子、硝酸的单独作用相比较，指出湿度的提高加强了电晕放电中的带电粒子和硝酸的协同作用，从而导致了更严重的老化。 3．采用热刺激电流(ThermallyStimulatedCurrent，TSC)技术，首次从硅橡胶陷阱分布特性的角度来研究硅橡胶的老化特性，结合硅橡胶的表面态，发现电晕老化过程中硅橡胶的陷阱分布与其表面态变化存在一定的对应关系：硅橡胶表面出现针孔时，TSC主峰值小于50pA，且所对应的陷阱能级低于0.533eV，称为轻度劣化；形成裂纹或较浅裂缝时，TSC峰值小于90pA，且所对应的陷阱能级低于0.680eV，为中度劣化：形成深裂缝或沟壑时，TSC峰值大于90pA或所对应的陷阱能级达到0.680eV，此时为严重劣化。因此，应用陷阱特性能够定性地对合成绝缘子的的电晕老化程度进行评估。 4．首次将硅橡胶在老化过程中的陷阱特性与憎水性恢复特性结合起来进行研究，发现两者之间存在一定的关系，在电晕条件下，若硅橡胶的深陷阱能级达到0.680eV时，则其憎水性永久丧失。陷阱特性能够对硅橡胶憎水性的永久丧失进行量化，从而成为评价合成绝缘子使用寿命的重要依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究HTV硅橡胶电晕老化的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1老化试验方法

1.2.2老化特性及评估方法

1.2.3老化机理

1.3存在的问题

1.4本文的研究内容

第二章试验装置及测试方法

2.1固体绝缘材料耐电晕老化测试系统

2.1.1系统的设计及实现

2.1.2电晕老化试验方法和程序

2.2热刺激电流(TSC)试验系统

2.2.1 TSC简介

2.2.2 TSC试验系统介绍

2.2.3TSC试验方法和程序

2.2.4 TSC试验系统的校验

2.2.5 TSC试验参数的确定

2.3相关分析方法

2.3.1憎水性测试

2.3.2SEM分析

2.3.3FTIR分析

2.3.4 XPS分析

2.4小结

第三章电晕电压对HTV硅橡胶老化特性的影响

3.1试验方法

3.1.1试样准备

3.1.2试验过程

3.2电晕电压作用时间对HTV硅橡胶老化特性的影响

3.2.1电压作用时间对表面态的影响

3.2.2电压作用时间对憎水性丧失及恢复特性的影响

3.2.3电压作用时间对陷阱特性的影响

3.3电晕电压大小对HTV硅橡胶老化特性的影响

3.3.1电压大小对表面态的影响

3.3.2电压大小对憎水性丧失及恢复特性的影响

3.3.3电压大小对陷阱特性的影响

3.4带电粒子作用机理分析

3.4.1憎水性丧失的机制

3.4.2憎水性恢复特性变化的原因

3.4.3陷阱特性变化的原因

3.5小结

第四章硝酸对HTV硅橡胶老化特性的影响

4.1 试验方法

4.1.1硝酸浓度的确定

4.1.2硝酸浸泡后处理试验参数的确定

4.1.3硝酸浸泡试验过程

4.2硝酸作用时间对HTV硅橡胶老化特性的影响

4.2.1硝酸作用时间对表面态的影响

4.2.2硝酸作用时间对憎水性丧失及恢复特性的影响

4.2.3硝酸作用时间对陷阱特性的影响

4.3硝酸浓度对HTV硅橡胶老化特性的影响

4.3.1硝酸浓度对表面态的影响

4.3.2硝酸浓度对憎水性丧失及恢复特性的影响

4.3.3硝酸浓度对陷阱特性的影响

4.4硝酸作用机理分析

4.4.1憎水性丧失及恢复的原因

4.4.2陷阱特性变化的原因

4.5小结

第五章湿度对HTV硅橡胶老化特性的影响

5.1试验方法

5.1.1试样准备

5.1.2试验过程

5.2湿度对HTV硅橡胶老化特性的影响

5.2.1湿度对表面态的影响

5.2.2湿度对憎水性丧失及恢复特性的影响

5.2.3湿度对陷阱特性的影响

5.3湿度在HTV硅橡胶老化中的作用机理

5.3.1憎水性丧失及恢复特性变化的原因

5.3.2陷阱特性变化的原因

5.4小结

第六章基于陷阱的HTV硅橡胶电晕老化评价方法

6.1 HTV硅橡胶电晕老化中陷阱的产生

6.1.1带电粒子轰击硅橡胶引发的陷阱

6.1.2硝酸腐蚀硅橡胶引发的陷阱

6.1.3带电粒子和硝酸联合作用于硅橡胶引发的陷阱

6.2 HTV硅橡胶的陷阱特性与憎水性的内在联系

6.3陷阱特性用于评价HTV硅橡胶的电晕老化状态

6.4小结

第七章结论

参考文献

致 谢

个人简历及攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作