架空裸導線絕緣包覆用硅膠絕緣性能的研究*

潘正燾，麥嘉穎，石蘭蘭，賴敏琪，董銘達

（廣東電網有限責任公司清遠清新供電局，廣東 清遠 511500）

0 引 言

架空裸導線是電力系統中主要使用的一種輸電線，該線主要以鋼芯鋁絞線為主，其由鋼芯和鋁股絞制作形成，該導線不存在絕緣層，具有良好的散熱性能，能夠完成較大電流的輸送[1-3]。架空裸導線在運行過程中，為保證其絕緣性，通常會采用絕緣護套對其進行絕緣處理[4]。由于架空裸導線服役在室外自然環境中，絕緣護套的絕緣性能受到自然環境的影響，并且電流輸送過程中會產生一定的溫度[5]，在該溫度的作用下，絕緣保護套的性能會下降，進而發生絕緣老化或者損壞情況，導致架空裸導線發生漏電以及線間閃絡[6]。常用的絕緣護套整體分為兩種，分別為聚烯烴與硅橡膠，陳田，等人[7]研究了硅橡膠復合絕緣材料在紫外老化條件下的相關特性，但是該方法的試驗條件較為單一，在高溫等其他條件下的性能研究仍舊存在不足。王永強，等人[8]對硅橡膠在老化條件下的介電特性和熱學性能展開了分析，但是，對于其絕緣性能其他方面的研究仍舊存在不足。絕緣性是通過不導電物質對于帶電體的絕緣保護，其能夠有效避免帶電體發生觸電，文中以硅膠絕緣保護套為例研究了架空裸導線絕緣包裹用的絕緣保護套的絕緣性能。

1 硅膠絕緣性能研究

1.1 試驗原材料和設備

1.1.1 試驗原材料

架空裸導線的特殊應用性導致其對于絕緣性能的要求較高[9]，本文以硅膠絕緣保護套為例展開相關研究。文中以甲基乙烯基硅橡膠（MVQ）為主材料，其生產廠為山東新動能化學有限公司，其耐受溫度范圍為-50~250 ℃，并且防潮、耐電弧、電暈以及電絕緣性能均良好，外觀呈現無透明狀態，其密度在1.12~1.3 g/cm3范圍內；文中選擇氮化硼作為填充料，其生產廠為常州邁諾進出口有限公司，其粒徑大小為5 μm，熱導率為3 300 W·m-1·K-1，通常為黑色或者棕色，其具有較好的抗化學侵蝕性，密度為2.29 g/cm3，熔點為2 700 ℃（生化），其作為改性劑，提升混合料的親油疏水性；雙2.5 硫化試劑，武漢承天精細化工有限公司生產，其為淡黃色液體，沸點為50~52 ℃之間，液體黏度為6.5 mPa·s，凝固點位8 ℃；四[β-（3，5- 二叔丁基-4- 羥基苯基）丙酸]季戊四醇酯，其生產廠為河南龍基化工有限公司，其為白色結晶粉末；硅烷偶聯劑kh-550，生產廠為杭州杰西卡化工有限公司，沸點為217 ℃，其主要用于提升塑料的抗彎、抗壓以及剪切等物理性能，同時可改善聚合物的潤濕性和分散性。

1.1.2 試驗儀器

精密分析天平（ES125SM），廣州播勒泰科技有限公司；真空干燥箱（型號DZF-6050），背景中科博達儀器科技有限公司；電熱鼓風干燥箱（型號DHG-9013A），陜西英琪藥研儀器設備有限公司；電動攪拌器（型號OS20-S），安慶潔佳儀器設備有限公司；旋轉黏度計（型號ZNN-D6B），青島恒泰達機電有限公司；密煉機（型號CF-1L），東莞市昶豐機械科技有限公司；開煉機（型號XL-KLYP1），揚州市天發試驗機械有限公司；硫化儀（型號GX-LH-2000A），揚州市江都區開源試驗機械生產廠；旋轉黏度計（型號NDJ-1C），河北中儀偉創試驗儀器有限公司；電氣強度測試儀（型號ZJC100kV），北京中航時代儀器設備有限公司；紫外線老化試驗箱（型號YT1215），上海盛世慧科檢測設備有限公司；掃描電鏡（型號TESCAN SOLARIS），青島聚好測電子科技有限公司。

1.2 樣本制備

1.2.1 材料處理

文中在進行絕緣硅膠樣本制備時，為提升絕緣硅膠的性能，選擇氮化硼作為導熱絕緣填料，其和MVQ 在相互作用時，二者的表面能差異顯著，二者之間的相容性較差，因此，導致氮化硼填料粉體結團，該現象對提升硅膠材料的力學性能產生不良影響[10-11]。因此，本試驗為提升硅膠的性能，選擇用硅烷偶聯劑kh-550 進行處理。

準備1 L 體積濃度為90%的乙醇水溶液，通過精密分析天平稱取1 g 硅烷偶聯劑kh-550，將其置于備好的水溶液中，在40℃溫度下進行攪拌處理，持續時間為30 min。將攪拌后的液體取出置于室溫環境下，加入100 g 1.005 6 mol/L 堿液進行攪拌，調節混合液pH 值為4.5，將調好的混合液體置于溫度為80 ℃水浴中，繼續攪拌6 h；過濾攪拌后的液體，用蒸餾水沖洗3 次；在此基礎上，采用抽濾器進行抽濾，并且將其置于真空干燥箱，溫度為100 ℃，干燥處理8 h 后取出，放入干燥器中備用。

1.2.2 硅膠絕緣材料制備

取100 phr 的MVQ、1 g 硅烷偶聯劑kh-550、10 phr 季戊四醇酯以及10 phr 氮化硼，將其加入密煉機中進行處理，當其扭矩不再發生變化后，停止密煉，取出密煉膠。為增加膠體的可塑性，對密煉膠進行塑煉處理，該處理采用小型雙輥開煉機完成[12]。在此基礎上再進行混煉處理，在該處理階段中，需加入適量硫化劑，混煉膠內部填充完全均勻后停止操作，以此可獲取大分子鏈的聚合物，再通過硫化儀硫化處理該聚合物，將其倒入指定的長方形模具中固化48 h[13]，將固化完成的絕緣硅膠裁剪成啞鈴狀，尺寸大小為12 cm×6 cm×2 cm，裁剪完成的材料為獲取的絕緣硅膠樣本。同樣方法，增加氮化硼的含量，使其為15 phr 和20 phr，再制備2 種不同氮化硼填料含量的絕緣硅膠樣本，制備的樣本分別用J01、J02、J03 編號表示。絕緣硅膠制備工藝流程如圖1 所示。

圖1 制備工藝流程Fig. 1 The preparation process

1.3 性能測試方法

硅膠的絕緣性能與其力學性能存在直接聯系，力學性能越好，在服役過程中的抗老化性能越佳，對絕緣性能的影響越小[14]。因此，在測試硅膠的絕緣性能前，先測試絕緣膠的相關力學性能和交聯密度、熱膨脹系數。除此之外，絕緣硅膠用于架空裸導線后，需在導線進行電流輸送的情況下進行服役，因此，絕緣硅膠的絕緣性能會直接受到電流擊穿、介電損耗、電弧燒蝕等情況的影響，因此，絕緣硅膠的性能測試主要包含擊穿強度性能、介電性能、耐電弧燒蝕老化性能和電絕緣性能幾個方面。

（1）黏度測試

采用旋轉黏度計對絕緣膠在固化前的黏度進行測定，測定時間為制備完成后的60 min 內。

（2）交聯密度測試

交聯密度也稱為交聯度，本試驗中采用HG/T3870-2006 標準，進行交聯密度測試。將質量為m0的絕緣硅膠放入裝有甲苯溶液的容器中，將容器密封處理后，放入真空干燥箱，在30 ℃進行烘干處理，持續時間為24 h，達到時間后，取出容器，并從容器中取出絕緣硅膠樣本，將樣本表面的水分擦拭干凈，放于精密分析天平上測試樣本的質量，該質量即為溶脹后質量，用m1表示。依據m1的結果計算樣本相鄰交點之間的鏈段相對分子質量，用Mc表示，在此基礎上計算樣本的交聯密度D，計算公式為：

式中：ρ0和ρ1均表示密度，前者對應甲苯溶液，后者為樣本溶脹前；Vm表示溶劑的摩爾體積；γ 和γ0均表示橡膠相體積分數，前者對應橡膠溶脹后，后者對應溶脹前。X 表示常數。

（3）力學性能測試

將裁剪好的絕緣硅膠樣本置于電子萬能試驗機上，測定其拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度設為500 mm/min。

拉伸強度φ 的計算公式為：

式中：F 表示斷裂時最大力；W 表示樣本拉伸部位的寬度和厚度。

斷裂伸長率φ 的計算公式為：

式中：L 和L0均表示絕緣硅膠樣本長度，前者對應斷裂時，后者對應初始。

（4）耐電弧燒蝕老化性能測試

架空裸導線在使用過程會產生電弧，該電弧直接影響絕緣硅膠的耐老化性能，耐老化性能如果破壞嚴重，則架空裸導線絕緣性能也會降低[15]。文中搭建耐電弧燒蝕老化性能測試裝置進行測試。采用該裝置進行測試，將樣本放置于裝置臺中間，然后將試樣的兩側分別連接針狀電極，電極的一端為220 V 電壓，另一端接地，電極和樣本之間的角度為45°，兩個電極之間的距離為8 cm，將裝置電流接通后，利用兩個電極之間產生的電弧對樣本表面進行燒蝕，持續時間為20 min，電流大小為10 mA。

（5）電絕緣性能測試

該性能采用電壓擊穿試驗儀完成樣本電絕緣性能的表征。在該測試過程中，電擊電壓大于20kV，測試標準為GB/T3048.8。

2 測試分析

2.1 黏度結果分析

對3 種氮化硼含量的絕緣硅膠樣本J01、J02、J03 進行黏度測試，并獲取3 種樣本在固化過程中的黏度結果，如表1 所示。

表1 3 種樣本在固化過程中的黏度結果Table 1 The viscosity results of three samples in the curing process

分析表1 測試結果可知：3 種樣本在固化過程中，隨著時間的增加，黏度發生不同程度的變化，但是J02 樣本的黏度變化較小，在60 min 內，黏度結果均維持在30 000 mPa·s 上下，沒有出現顯著下降趨勢。另外2 種樣本則發生顯著變化。結合絕緣硅膠的應用環境和需求，確定J02 的黏度性能最佳。

2.2 交聯密度分析

獲取3 個試樣在相同的紫外線老化條件下，隨著老化時間的增加，J01、J02、J03 樣本的交聯密度測試結果，如表2 所示。

表2 樣本的交聯密度測試結果Table 2 The crosslinking density test results of samples

分析表2 測試結果可知：隨著老化時間的逐漸增加，3 種樣本的交聯密度結果也發生差異性變化，老化時間在5 d 時，3 個樣本的交聯密度結果均發生明顯增加，最高分別達到2.06×105mol/g、3.11×105mol/g、3.08×105mol/g，隨著老化時間的增加，交聯密度結果開始逐漸下降。其中，J02、J03 兩個樣本的交聯密度結果差距較小。

2.3 力學性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在不同溫度下，φ、φ 的測試結果，如表3 所示。

表3 力學性能測試結果Table 3 The test results of mechanical properties

分析表3 測試結果可知：隨著溫度的不斷增加，3 個試樣的力學性能也存在不同變化，其中，隨著溫度的逐漸增加而先增加后下降，呈現下降趨勢。其中，J02 的性能指標均優于另外2 種樣本的性能結果，其最高值為0.83 MPa、最高值為933%。

2.4 耐電弧燒蝕老化性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在耐電弧燒蝕老化性能測試裝置上，樣本發生電弧燒蝕后，其電子掃描鏡結果，如圖2 所示。

分析圖2 測試結果可知：3 個樣本經過同樣條件的電弧燒蝕測試后，樣本均出現不同程度的燒蝕情況，其中，J02 的燒蝕程度嚴重程度最小，J01 的燒蝕程度最顯著。因此，J02 的耐電弧燒蝕老化性能最佳。

2.5 電絕緣性能分析

獲取J01、J02、J03 樣本在25kV、35kV 2 種電擊強度下，隨著電擊時間的逐漸增加，樣本發生的擊穿強度結果，如表4 所示。

表4 電絕緣性能測試結果Table 4 The electrical insulation performance test results

分析表4 測試結果可知：在2 種電擊強度下，隨著電擊持續時間的逐漸增加，三種樣本擊穿強度存在顯著差異，其中，J02 樣本的擊穿強度最小，在電擊強度為25 kV 和35 kV 時，擊穿強度結果均在14.5 kV/mm 左右，另外兩種樣本則在電擊強度為35 kV 時，擊穿強度最大值分別在18.2 kV/mm 和17.6 kV/mm，J02 樣本的擊穿強度比其他樣本降低了3.1 kV/mm 左右。因此，J02 的電絕緣性能最佳。

3 結 論

為提升其絕緣性能，從而提升架空裸導線的應用性能，本文研究架空裸導線包覆用絕緣硅膠的絕緣性能，并制備不同材料含量的裸導線絕緣硅膠樣本，對其相關性能展開測試。測試結果顯示：不同材料含量的絕緣硅膠性能存在一定差異，綜合分析，氮化硼含量為15 phr 的絕緣硅膠樣本的性能最佳，其力學性能最佳，耐電弧燒蝕老化性能也明顯優于其他兩種含量的樣本性能，有效保證硅膠的絕緣性能。導線施工過程中，可依據使用需求選擇不同材料含量制備架空裸導線絕緣包覆用硅膠，從而提高架空裸導線的應用性能。