在“十四五”期间国家将大力发展以西藏地区为代表的藏电外送工程,送电电源规划拓展至藏东南地区,送电侧海拔提升至3500 m以上的超高海拔地区。复合绝缘子具有耐污闪特性好、维护工作量少、工程造价低等特点,广泛使用于输电线路中,承担着电气绝缘和机械支撑的重要作用。然而,目前尚无超高海拔地区±800kV实际工程经验可借鉴,针对上述极端复杂环境的实验方法和数据较为缺乏,因此亟需建立超高海拔地区复合绝缘子性能评价体系,为海拔3500m以上的特高压直流工程用复合绝缘子可靠性的提升提供理论和方法支撑。
超高海拔地区输电工程中,需考虑以下四种环境因素:
1. 强紫外辐照
2. 恶劣环境温度(高温、低温、大温差)
3. 高湿度
4. 低气压
一、高海拔地区紫外辐照对复合绝缘子材料老化特性的影响:
对于硅橡胶的紫外辐射老化特性,已有部分学者开展了相关研究。发现受紫外辐射后的硅橡胶表面呈现出凹凸不平,破损程度增加的状态,X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)中的SiOx (x=3,4)结构增加,能量色散X-射线光谱(energy dispersive X-Ray spectroscopy,EDS)中的C元素下降,O、Al、Si元素上升,傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)中的C-H和Si-CH3含量下降,憎水性下降。同时,发现表面硬度和表面电阻率增加,小分子量、拉伸伸长率和体积电阻率下降。随着紫外老化时间的增加,HTV硅橡胶表面的放电间隔时间缩短,交流电压下沿面爬电的发展加剧。
尽管专家学者们已经对于硅橡胶紫外光老化前后表面基团、表面元素含量、表面形貌、硬度、拉伸性能、体积电阻率、热失重及小分子量等参数及性能进行了大量研究,但是对于外绝缘用LSR,目前专家学者们的研究主要集中于如何提高其耐漏电起痕及电蚀损性能或者温湿度对其性能的影响。关于紫外辐射对LSR的影响的研究较为缺乏,同时老化机理也不清晰。并且关于适用于高海拔地区外绝缘用硅橡胶材料的选型问题也存在较大的争议。
二、环境温度作用下复合绝缘子材料的老化机理:
复合绝缘子伞裙与护套通常由交联结构的硅橡胶组成,由于复合绝缘子的伞裙大多暴露在外,直接受运行环境温度变化的影响。在实际运行中,不同地区的硅橡胶材料受到高-低温循环周期、温度、波动等多因素的影响,会出现较大的性能差异,因此在研究复合绝缘子用硅橡胶老化过程中,应充分考虑地域性差异。硅橡胶材料运行环境应力的影响中,高-低温循环变化的氧化作用是导致硅橡胶老化的重要因素。高温条件下,氧气会与硅橡胶发生氧化反应,加速消耗抗氧化剂,进而导致分子链的断裂、氧化和交联,形成非均匀结构和局部缺陷,最终导致硅橡胶的交联度和硬度上升;低温条件下,硅橡胶的大分子链被冻结,脆性增加,在持续机械应力服役过程中容易出现微裂纹并持续发展。
三、环境温度-湿度耦合作用下复合绝缘子材料的老化机理:
高温导致的交联度上升和低温形成的微裂纹,二者循环作用会导致硅橡胶表面疏水性降低,加速水分渗入硅橡胶内部,水分中的可溶性成分会破坏材料内部硅氧键并形成硅醇等亲水基团和低分子产物,最终导致材料的耐电晕特性和机械性能降低。
四、低气压作用下复合绝缘子材料的老化机理:
对于硅橡胶材料的低气压沿面闪络沿性能测试,已有部分学者开展了相关研究。试验选用针-板电极,气压范围为50 k Pa ~101k Pa。结果表明,绝缘材料的闪络电压随着气压基本呈线性变化:气压比较低时,闪络电压随气压升高,幅度变化不大;而当气压比较高时,尤其是当气压从 90k Pa 上升到 101k Pa 时,尽管气压上升的幅值只有 10kpa,但是电压上升的幅度却很大。当气压增加时,气体分子的密度增加,电子的平均自由行程降低,相邻两次碰撞之间电子无法积聚到足够能量,不易于引发气体分子的电离,从而闪络电压随气压增加而增加。