近日，中国电研刘鑫团队以《特殊环境下复合绝缘子老化特性及检测方法研究进展》为题在《环境技术》2024年第5期上发表最新研究内容，第一作者为刘鑫，通讯作者为揭敢新。

      复合绝缘子老化会造成表面疏水性降低等问题，严重危害了输配电线路外绝缘的可靠性。本文针对特殊环境下复合绝缘子严峻的老化问题，从特殊环境老化特性、老化检测方法、重点研究方向进行了分类论述。首先，分析了湿热、盐雾、酸性和强辐射环境等特殊环境下复合绝缘子的老化特性研究进展，总结得出应注重提高特殊环境下硅橡胶材料的抗老化性能。其次介绍了现阶段复合绝缘子老化检测方法，从技术手段上可分为非接触式表征和采集样本试验室表征两大类，考虑在线监测需求和复合绝缘子具有疏水恢复性，提出非接触老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。最后综合调研结果，以热带海洋环境为例提出复合绝缘材料环境适应性的重点研究方向，为领域学者提供一定的参考。

引言

硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、疏水性好、运输安装方便的优点。其被广泛用于配电和输电线路的外绝缘中。然而，随着长期运行，特别是在特殊环境中，硅橡胶复合绝缘子可能会发生故障。复合绝缘子的众多故障引起了研究者对其故障原因及故障诊断技术的关注。

复合绝缘子的损伤和失效机制与陶瓷和玻璃绝缘子有很大不同。导致其失效的原因主要有以下两个方面：一种是台风等外力因素造成的绝缘子芯棒断裂的机械故障，发生的可能性较小；另是老化现象引起的电气故障，图1为交流线路上的老化复合绝缘子，老化会引起硅橡胶复合绝缘子的疏水性能下降，此类事件将导致绝缘子的表面闪络和大规模停电。

图1  退役的老化绝缘子

随着先进材料工程技术的发展，复合绝缘子用高分子材料的性能可以通过多种方式提高，以提高其长期使用，但老化问题并未很好的解决。目前国内外学者对复合绝缘子的老化进行了广泛的研究。研究主要集中在以下几个方面：复合绝缘子老化特性及机理、复合绝缘子老化表征方法、特殊环境下的复合绝缘子老化现象及分析。

目前电力行业对于复合绝缘子老化特性及机理、复合绝缘子老化表征方法的研究已经非常丰富，对盐雾、辐射、强电场等特殊环境的复合绝缘子老化现象研究也有一定进展，但是诸如热带海洋等实际特殊环境下的研究相对较少。因此本文主要分析了特殊环境下复合绝缘子老化特性的研究进展，介绍了现阶段复合绝缘子老化检测方法，并针对综述结果以热带海洋环境为例提出今后的重点研究方向。

特殊环境下复合绝缘子老化特性

面对特殊环境下复合绝缘子突出的老化问题，本章节重点综述湿热、盐雾、酸性环境以及辐射、电应力环境对绝缘子老化的影响。

1、湿热、盐雾、酸性环境

1) 湿热环境

为了确定在污染和清洁的热带地区，绝缘子是否能承受超过规定极限的电应力，进行了现场和实验室试验。选择了两个试验点，一个是位于斯里兰卡西海岸的Koggala (KG站点)的沿海站点，另一个是位于该国中部的Peradeniya (PG站点)的内陆站点。KG场地为重污秽区。KG和PG站点的年平均降雨量分别约为2400毫米和1800毫米，KG站相对湿度为75 ~ 95%，PG站相对湿度为70 ~ 90%。

图2  热带环境运行5年的绝缘子

经过5年的现场暴露后，在现场试验期间，虽然测试的复合绝缘子中没有一个闪络过，但表面产生了树状变色，这很可能是由某些放电活动引起的，如图2(a)所示。此外，在绝缘子上发现了生物生长，如图2(b)、图2(c)所示。

文献研究说明微生物的附着和发展一般不会导致复合绝缘子橡胶外壳的性能严重下降，微生物生长似乎对绝缘子性能没有影响。但在中国西南部和南部的绝缘子和RTV涂层绝缘子上已经观察到藻类，如图3所示，且研究结果表明，藻类增强了盐的分散性，降低了绝缘子的疏水性，只是当藻类覆盖率小于20%时，对绝缘子的影响是有限的。

图3  绿藻在运行的复合绝缘子伞裙上附生

2) 盐雾环境

文献使用盐雾模拟沿海地区含盐的高湿度环境，发现盐雾处理后样品的性能恶化。盐雾处理的样品在电应力和热应力作用下变得粗糙和多孔。测试表明硅橡胶分子链断裂，填料被消耗，降低了样品的耐电弧性。吸湿性等物理化学性能的劣化会降低绝缘强度。因此，在盐雾环境中，电导率较高的硅橡胶样品更容易变质劣化，这表明盐雾加速了硅橡胶的老化。

3) 酸性环境

引起硅橡胶老化的其他酸性环境因素包括酸（盐酸外）、臭氧和氮氧化物，例如氮氧化物可吸收水分转化为硝酸。已有研究表明，绝缘子长时间服役于强酸性环境，其表面会在酸的影响下被严重破坏。酸性物质会使硅橡胶主链上的极性Si-O键断裂，生成极性Si-OH键，下图为反应化学过程。酸性环境下硅橡胶的老化反应与表面Si-C键和C-H键断裂不同，主链断裂生成的Si-OH键具有亲水性，会导致硅橡胶材料疏水性严重下降。

图4  由于酸和硅橡胶之间的反应而形成的Si–OH键

2、 辐射、电应力环境

1)辐射环境

在辐射环境中暴露于伽马射线的聚合物材料有两种影响，第一种涉及键断裂，导致交联或分子量降低。第二种涉及到含氧化合物的形成，特别是材料在表面。随着辐照剂量的增加，能量越大，氧化指数对交联的贡献越大，对聚合物的损害越大。在沙特阿拉伯中部进行的实验也得出了类似的结论，那里的紫外线辐射水平很高。此外，紫外线辐射可以加速小分子从硅橡胶本体向污染层表面的迁移，但污染和层厚度可以增加疏水性转移时间。

目前普遍认为紫外线是影响高分子绝缘材料老化的主要因素之一。传输到地面的紫外线最短波长为290nm，能量为396.3kJ/mol。尽管此能量水平通常不足以直接引发硅橡胶高分子主链的发生断裂，但在与其他不利因素协同作用时，其对硅橡胶侧链上的甲基基团却能诱发氧化反应，进而促成材料表面的老化进程。如图5所示，紫外线作用下，硅橡胶表层的C-Si键与C-H键可能遭受断裂，释放出具有较高活性的自由基。这些自由基易于与大气中的氧气发生化学反应，于材料表面生成亲水性基团，并产生甲烷等气，长期下来导致硅橡胶发生不可逆的老化与降解。

图5  硅橡胶在紫外线照射作用下的化学反应

2) 电应力环境

硅橡胶复合绝缘材料的运行环境条件通常还包括设备运行引起的强电场影响。设备运行或故障引起的电晕或电弧放电会在绝缘材料表面产生带电离子和电子的冲击，可能会引起材料高分子主链断裂，分子发生解聚。空气受电应力环境的影响，产生活性氧原子、臭氧、氮氧化合物等高氧化性物质，这导致绝缘子处于酸性环境中，引起分子链的断裂，造成材料劣化和性能下降。因此，电应力对硅橡胶复合绝缘材料作用的过程最为复杂，同时发生物理和化学老化，显著影响硅橡胶的性能。研究发现，随着电晕放电电压和暴露时间的增加，复合绝缘子硅橡胶表面的疏水性恶化，且正极性比负极性电晕对老化的有害影响更大。此外，很有趣的发现是，垂直风会加速硅橡胶的疏水性损失，而平行风会抑制硅橡胶的疏水性损失，风速越大，影响越大。

综上所述，引起复合绝缘子材料老化的三个主要因素为物理老化、化学老化和电老化。造成物理老化的因素包括紫外线照射和局部高温。导致化学老化的因素包括酸碱、臭氧和氮氧化物。电老化过程通常伴随着物理和化学老化，其老化效应更严重、更快。聚合物绝缘体在高湿度下最容易随着电晕放电而老化，尤其是在盐雾、酸性和强辐射环境中。因此，在上述环境下，应更加重视聚合物绝缘子的在线监测，提高硅橡胶材料的抗老化性能。

复合绝缘子老化检测方法

1.电参量检测方法

1)泄露电流

泄露电流的测试主要集中于评价复合绝缘子污秽程度的试验中，用以预防污闪。目前还未有研究将泄露电流用于绝缘子老化状态的评估，但是绝缘子老化会导致表面泄露电流的幅值和谐波含量增加，后续研究可将泄露电流参数用于绝缘子老化状态的评估。

2)闪络电压

复合绝缘子的闪络电压是评价其是否可以正常运行的重要指标，从电压形式上分为交直流闪络试验、雷电/操作冲击闪络试验，从运行环境上分为污秽闪络试验、覆冰闪络试验、盐雾闪络试验等。

3)电导特性测试

材料的电导特性和空间电荷分析已经用于绝缘材料的老化状态评估中。目前有两种应用形式，一是根据材料在直流电下开始形成空间电荷时的场强，即电老化阈值，作为材料老化程度判据。二是通过材料空间电荷的积聚及数量进行评估。

2.物理特征检测方法

物理特征检测方法主要包括外观形貌、内外颜色对比、疏水性测试、硬度测试等。

1)外观形貌

检查绝缘子外观形貌特征，通过肉眼观察复合绝缘子材料表面是否出现脆化、裂纹、电蚀、粉化等现象，大致评估绝缘子老化状态。

2)内外色差

老化会导致表层颜色的变化，对复合绝缘子材料进行切片，对比材料表面下2mm颜色相比表面颜色差异，根据经验评估材料老化程度。

3)疏水性

优秀的疏水性能有助于抑制伞裙表面积聚的泄漏电流，进而提升绝缘子防污闪能力。根据IEC/TS 62073-2003可采用为静态接触角法、表面张力法及HC喷水分级法对绝缘子表面疏水性进行评估。

4)硬度测试

对材料进行硬度测试能够在一定程度上揭示其力学特性。复合绝缘子的硅橡胶材料在老化后机械性能随之也会发生变化，因此也可通过材料的硬度测试表征复合绝缘子的老化程度。

5)微观图像

扫描电子显微镜（SEM）有助于直观地探索聚合物绝缘子表面的微观形态变化，并识别肉眼不易看到的缺陷或变形，如粗糙度变化。这有助于提供老化聚合物绝缘体微观形态特性的总体概述，并确定实验室加速老化试验和实际样品的使用寿命是否具有可比性。

3.化学特征检测方法

1)傅里叶红外光谱测试分析（FTIR）

傅里叶红外光谱可分析材料表面官能团组成成分，可利用傅里叶红外光谱特性分析高分子绝缘材料化学键或特征官能团(Si-O和Si-CH3)的特性及变化，从而分析电力复合绝缘材料的老化特征及老化机理。

2)X射线光谱仪分析(EDX)

EDX分析用于获得硅橡胶材料的表面元素百分比。随着老化的增加，Si和C的含量通常会降低，而氧的含量会增加，通过元素含量可以表征老化程度。

3)介电常数

介电常数是表征电场下电介质存储静电能的重要参数，还可以指示电介质的极化程度。电介质的介电常数越小，其蓄积静电势能的能力相对越弱，这一特性从某种程度上表明该电介质具有更优的绝缘性能。因此，宽带介电谱仪测量的介电常数也可以作为表征聚合物绝缘体老化的参数。

4) 热分析技术

此外，还利用了各种热分析技术，包括差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA），来研究聚合物绝缘体中有机成分的转化。根据参考文献中描述的试验结果，热分析技术对聚合物绝缘子的性能评估具有重要价值。

综上所述，表征复合绝缘子老化的方法有很多，从技术手段上可分为两大类。一种是非接触表征方法。运行中的绝缘子适用于非接触式表征。另一种是采集样本并将其送回实验室进行检测。这种方法通常需要断电以及更多的时间和人力资源。此外，复合绝缘子具有疏水恢复性。当样品返回实验室时，其特性可能会发生变化。因此，非接触老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。

研究展望

据上述分析，特殊环境的复合绝缘子更易于老化，因此，本文以典型的热带海洋环境为例，阐述研究展望。复合绝缘子在热带海洋环境下面临更严重的环境挑战，高温、高湿、强光照环境下不仅会加速复合绝缘子的老化，引起复合绝缘子更快出现粉化，还存在更严重的鸟粪污染、强风撕裂、绿藻附生、芯棒酥朽断裂问题。因此，为了保障电网安全稳定运行，可根据热带海洋环境针对复合绝缘子的老化与故障失效问题开展以下研究：

1）热带海洋环境下复合绝缘子环境失效特性分析

根据地方电网-海南电网历史运维数据，针对环境引起的复合绝缘子老化、失效以及故障案例进行调研分析，建立热带海洋环境下复合绝缘子的环境失效数据库，提取引起复合绝缘子老化和环境失效的关键因素及特征。

2）热带海洋环境下复合绝缘子状态评估方法研究(老化的在线检测)

根据热带环境下复合绝缘子的环境失效特性，提取复合绝缘子老化特征，选取或开发复合绝缘子老化评价装置或方法，对热带海洋环境下复合绝缘子老化状态进行评估。根据前文分析，应对可在线监测的非接触老化表征方法重点研究。

3）热带海洋环境下环境监测系统(进行不同环境剩余寿命的预测)

根据热带环境下复合绝缘子的环境失效特性，提取影响复合绝缘子老化的环境特征，开发相应的综合环境监测设备，对复合绝缘子应用所在地进行环境监测，并建立不同环境下剩余寿命的预测模型，便于对在网复合绝缘子的老化状态进行评估。

4）综合老化加速试验方法开发(特殊环境的等效试验技术)

根据热带海洋环境下复合绝缘子的老化特征及机制，设计并开发复合绝缘子5000h多因素加速老化试验。对将应用在热带海洋地区的复合绝缘子的环境耐久性进行试验评估，填补特殊环境的等效试验技术。

结论

面对特殊环境下复合绝缘子突出的老化问题，本文从特殊环境老化特性、老化检测方法方面进行了分类综述，并以典型的热带海洋环境为例，提出重点研究方向。

1) 分析了特殊环境下复合绝缘子老化特性的研究进展，复合绝缘子硅橡胶材料的老化可分为三种主要类型：物理老化、化学老化和电学老化。湿热、盐雾、酸性和强辐射环境等特殊环境下，其老化问题十分突出，应注重提高特殊环境下硅橡胶材料的抗老化性能。

2) 介绍了现阶段复合绝缘子老化检测方法，从技术手段上可分为非接触式表征和采集样本试验室表征两大类，考虑在线监测需求和复合绝缘子具有疏水恢复性，提出非接触老化表征方法是评估复合绝缘子老化的首选方法。

3)针对综述结果以热带海洋环境为例提出今后的重点研究方向，分别为：热带海洋环境下复合绝缘子环境失效特性分析；复合绝缘子状态评估方法研究(老化的在线检测)；热带海洋环境下环境监测系统(进行不同环境剩余寿命的预测)；综合老化加速试验方法开发(特殊环境的等效试验技术)。

引用本文：

刘鑫,许可,许雪冬,揭敢新.特殊环境下复合绝缘子老化特性及检测方法研究进展[J].环境技术,2024,42(05):47-54.