基金项目：江苏省高校自然科学研究项目(16KJB470015)；泰州市科技支撑计划(社会发展)项目(TS201630)；泰州学院科研启
动项目(QD2016053)
作者简介：朱勇(1976- )，男，高级工程师，博士，研究方向为高电压与绝缘技术。
朱勇1，2，张小容2，陈杰2，张栋葛2，方江2
(1 泰州学院，江苏 泰州 225300；2 江苏神马电力股份有限公司，江苏 南通 226000)
摘 要：风沙对复合绝缘子性能的影响是一个值得关注的问题。通过对风沙影响因素的分析并结合复合绝缘子伞裙硅橡胶材料的风沙试验，系统研究了风沙对硅橡胶材料力学性能和憎水性能的影响。研究结果表明：风沙对硅橡胶有一定的磨蚀作用，会导致硅橡胶厚度略有减小，力学性能有轻微下降；风沙会导致硅橡胶伞裙的憎水性暂时下降，但是硅橡胶具有憎水迁移性能，会使伞裙表面的憎水性在短时间内重新达到较高的水平，从而减小了绝缘子污闪风险。 关键词：风沙；复合绝缘子；力学性能；憎水性
中图分类号：TM216 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2019)01-0056-05
Abstract: The influence of wind sand on the performance of composite insulators is a noteworthy problem. After analyzing the influence factors of wind sand, and combining with the sand and dust test of silicone rubber used for composite insulator umbrella skirt, this paper car -ried out the systematic study on the influence of wind sand on the mechanical properties and hydrophobicity of silicone rubber. The experi -mental results show that the wind sand has the abrasive effect on silicone rubber, to result in a slight decrease in the thickness and mechanical properties. The wind sand may cause the hydrophobicity of silicone rubber temporarily decrease, however, the hydrophobicity of umbrella skirt surface can recover to a high level because of the hydrophobicity migration of silicone rubber, which reduces the risk of pollution-flashover.
Key words: wind sand; composite insulator; mechanical property; hydrophobicity
ZHU Yong 1, 2, ZHANG Xiao-rong 2, CHEN Jie 2, ZHANG Dong-ge 2, FANG Jiang 2
（ Taizhou University, Taizhou 225300, China ; 2 Jiangsu Shemar Electric Co., Ltd, Nantong 22 000, China ）
Study on Influence of Wind Sand Environment on Performance of Silicone
Rubber Used for Composite Insulator Umbrella Skirt
0 引言
与瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有如下明显的优势[1-2]：强度高、重量轻；湿闪污闪电压高；运行维护简便、不易破碎；更能适应恶劣的自然环境等。绝缘子在长期运行中，表面会逐渐沉积一层污秽物，当遇有雾、露、雨、融冰、融雪等潮湿天气时，污层电导率增加，从而易导致污闪的发生。复合绝缘子伞硅橡胶材料中含有一定量的未交联的憎水性小分子硅氧烷，能向污层扩散并被污层吸附，使得污层获得憎水性，从而使得污层不易受潮，并且表面的水滴相互分离不形成连
续的水膜，沿面泄漏电流大大低于同等污秽度下瓷和玻璃绝缘子的泄漏电流，有利于提高复合绝缘子的污闪电压 [3]。
由于复合绝缘子主体由有机材料制成，其相比传统瓷或玻璃绝缘子的最大差异就是存在可能的老化现象。各种老化因素，例如温度、紫外线、盐雾、电弧和电晕等对复合绝缘子，特别是对伞裙硅橡胶材料的影响一直以来是研究人员的研究重点，并取得了一定的成果[4-6]。但是风沙对伞裙硅橡胶的影响，特别对于其磨蚀效果研究较少，而我国风沙天气频发，沙尘对复合绝缘子伞裙的性能影响不容忽视。
一般认为沙尘可能会对复合绝缘子伞裙造成多方面影响[7-8]。一方面是使硅橡胶表面发生磨蚀，
因为石英的主要特点是硬度大，在沙尘与高速气流或沙尘与较长作用时间周期相结合下，它能成为静止表面的磨料，使硬度相对较低的硅橡胶伞裙磨耗或损伤；另一方面使硅橡胶伞裙表面积污，增加污闪风险，因为沙尘的侵蚀会增加伞裙表面的粗糙度，使表面易积聚沙尘。特别在湿润地区，已积聚的沙尘中可溶性粒子受潮溶解形成电解液，不溶性粒子使电解液滞留在表面，同时湿润的绝缘子表面使沙尘更容易沉积其上，改变了沙尘沉积量，增加了污闪的风险。所以风沙对复合绝缘子用硅橡胶的磨蚀是户外复合绝缘子必须考虑的重要环境因素。
本文首先分析沙尘影响复合绝缘子的各类因素，并针对风沙的影响，利用沙尘试验箱模拟的沙尘环境，对伞裙用硅橡胶试片和复合绝缘子短样进行风沙处理。为研究风沙对硅橡胶的上述两方面影响，通过考察试验前后硅橡胶磨蚀量和力学性能变化评估风沙的磨蚀效果；考察试验积聚沙尘前后硅橡胶的憎水性变化评估风沙对硅橡胶憎水性及憎水迁移性的影响。
1 风沙对复合绝缘子的影响因素
复合绝缘子在实际运行中，硅橡胶伞裙直接暴露在风沙中，所以风沙对复合绝缘子危害主要是通过对硅橡胶的影响实现。除去硅橡胶材料本身的配方、工艺外，风沙对复合绝缘子的影响因素可以归结为以下几点。
1.1 风速
沙尘包括大密度的沙粒和轻密度的土粒，风速越大，粒子越容易跃起，风速可以增加沙尘对硅橡胶的冲击速度，伞裙表面磨损的程度取决于侵入粒子相对于表面的速度，风速越大越容易造成伞裙表面的侵蚀。同时不同风速下不同高度层灰沙的含量是不同的，绝缘子附近流场也具有明显的差异，最终影响积污特性和污层分布。
1.2 沙尘浓度
沙尘浓度及大颗粒出现的机会，随风速的增大而增加。但它随诸如温度、湿度、粒子构成等因素而异。大于150μm的粒子，一般被限制在近地面l m的空气层内。在这层内约有半数沙粒(质量计)是在地表面上10mm内运动，而另一半，多数是在近地表面上100mm内运动。沙尘浓度越高，则对伞裙表面磨损的磨损几率增大，使磨损量加剧；不同沙尘浓度有不同的沉积密度，从而影响绝缘子的积污特性和污层分布。
1.3 沙尘粒子硬度
单个沙尘粒子的硬度，可用来确定它对所接触物体的刮伤能力。具有较高硬度等级的物质能刮伤任何较低硬度等级的物质。由结晶石英微小碎渣或其他矿物质构成的沙硬度较大。因此，沙能刮伤硅橡胶伞裙表面。不同地区的不同硬度的沙尘对绝缘子表面的侵蚀有所不同。
1.4 环境湿度
沙尘的沉积对环境湿度是非常敏感的。沙层具有吸湿性，沉积的沙尘在湿度增大时易吸潮溶解，同时湿润的绝缘子表面也使沙尘更容易沉积其上，从而影响表面的沙尘沉积量，进而影响绝缘子的污闪特性。在湿度越大的环境下，沙尘对绝缘子造成的危害越大。
2 模拟风沙试验
2.1 风沙试验
为综合考虑风沙对复合绝缘子的影响，对江苏神马电力股份有限公司生产的电站空心复合绝缘子和线路复合绝缘子短样各一支以及与绝缘子伞材料相同配方的高温硫化硅橡胶(HTV)试片分前后两面进行了吹砂试验。吹砂试验在中国人民解放军空军装备研究院环境与可靠性试验中心进行，使用的是M4循环流动式砂尘试验箱[9]，试验情况如图1所示。
试验箱用沙与自然界砂粒相似，为次棱角状石英砂，其平均圆度因子(krumbein值)为0.2，莫氏硬度为7，一般采用沙漠地区的风成砂筛选配制。按质量计算，其二氧化硅含量为95%以上，由下
列尺寸构成：
图1 吹砂试验用M4循环流动式砂尘试验箱
57
(1)0.5%～1.5%通不过孔径为850μm 的筛网；(2)1.2%～2.2%通不过孔径为600μm 的筛网；(3)13.8%～15.8%通不过孔径为425μm 的筛网；(4)36%～38%通不过孔径为300μm 的筛网；(5)27.6%～29.6%通不过孔径为212μm 的筛网；
(6)11.7%～13.7%通不过孔径为150μm 的筛网；
(7)4.2%～6.2%可通过孔径为150μm 的筛网。此次风沙试验所选取试验参数如表1所示。
试验结束后，除憎水性试验，其他性能试验试片均将表面沙尘冲洗干净，并分别用乙醇和蒸馏水清洗，用滤纸擦干后，放置48h，进行相关试验。2.2 性能表征
试片的硬度测试依据GB/T 531—1999进行；拉伸强度、拉断伸长率测试依据GB/T 528—1998进行，采用2型哑铃状试样；撕裂强度测试依据GB/T 529—1999进行，采用直角型不开口试样；憎水性测试依据电力行业标准DL/T 810—2012进行，用静态接触角法(CA 法)和喷水分级法(HC 法)两种方法评估。
3 结果分析
试验结束后，硅橡胶表面沉积有沙尘，整个表面呈黑，图2所示为风沙试验前后硅橡胶试片表面状态。
3.1 磨蚀效果评估
通过风沙试验前后硅橡胶试片的厚度变化及力学性能的变化来评估风沙对硅橡胶的磨蚀效果。厚度的变化直接反映风沙对硅橡胶的磨蚀作用，硬度、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度等力学性能都可以作为判断硅橡胶老化的判据，可以从不同角度评估风沙对硅橡胶的磨蚀效果，特别是拉断伸长率，C.de Tourreil 的研究结果[10]表明从宏观和微观两方面综合分析，复合绝缘子用热硫化硅橡胶在材料的老化过程中，其拉断伸长率的下降最为明显，是优先考虑的效果评价指标。
其中风沙试验前后，厚度和硬度是各自在同一试片上进行，拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度都是在同样规格的试片上进行，结果如表2所示。
从表中可以看出，风沙对硅橡胶有一定磨蚀作用，试验前后硅橡胶厚度略有下降。本次试验中，硅橡胶在3h 强风沙的作用下，厚度减少0.09mm；硬度有所升高，主要原因可能是硅橡胶表面虽然经过清洗，但仍有少量沙残留在表面，由于沙的硬度比橡胶要高，所以导致被测硅橡胶的硬度有所增加；拉
伸强度、拉断伸长率和撕裂强度也均有轻微减小。这主要是因为试片通过拉力机试验，在拉伸和撕裂的作用下，硅橡胶试片的断裂都是从裂纹源处开始断裂，而磨蚀会造成表面粗糙，表面裂纹增多和原有裂纹扩大，从而导致各项力学性能的轻微下降。其中拉断伸长率由355%下降到341%，下降率为3.9%，表明风沙对硅橡胶有一定的老化作用，但对整体性能的影响并不明显。3.2 憎水性
憎水性是高温硫化硅橡胶作为复合绝缘子外绝缘材料最为重要的性质，使得复合绝缘子表面即使淋雨、受潮后，吸附的水分以不连续的孤立小水珠的形式存在，不形成连续水膜，从而限制了表面泄漏电流，提高了闪络电压。与其它外绝
缘材料相比，硅橡胶还具有独特的憎水迁移性，即硅橡胶表面积污后，硅橡胶可以把自身的憎水性迁移到污秽物表面，使污秽物表面也有憎水性。风沙的作用会改变硅橡胶表面粗糙情况和污秽情况，所以考察风沙磨蚀前后硅橡胶憎水性及憎水迁移性，对掌握户外绝缘子受风沙影响的情况有
表1 沙尘试验参数
温度/℃相对湿度/%风速/(m ·s -1)沙尘浓度/(g ·m -3)持续时间/h 243029 2.23
表2 风沙试验前后硅橡胶性能变化
性能
吹沙试验前
吹沙试验后厚度/mm 2.04 1.95硬度/shA 6465拉伸强度/MPa 5.37 5.13拉断伸长率/%355341撕裂强度/(kN ·m -1)
15.33
14.64
图2 风沙试验前后的硅橡胶表面情况
a)风沙试验前b)风沙试验后
9
重要的意义。
为考察硅橡胶的憎水性和憎水迁移性，对风沙试验前、风沙试验后0h 和风沙试验后48h 的硅橡胶表面进行憎水性的测试。图3是不同时间段硅橡胶表面的静态接触角，可知风沙试验前硅橡胶的憎水性良好，静态接触角达到110.2°。风沙试验时，部分沙尘积聚在试片表面，且风沙磨蚀硅橡胶表面，使得表面粗糙，沙尘更易积聚，而沙尘是亲水性的，所以在试验结束0h 内，表面的静态接触角为75.7°，已是亲水性表面。众所周知硅橡胶具有特有的憎水迁移性
[11-12]
，硅橡胶内的小分子会迁移到其表面的沙尘上，使得沙尘也具有憎水性，所以试验48h 后的硅橡胶表面，其静态接触角达到104.8°，重新获得憎水性。
对三种情况硅橡胶的表面进行喷水分级法测试，其结果与静态接触角的趋势类似。结果如图4所示。
风沙试验前的硅橡胶表面增水性良好，达到HC1级；试验积聚沙尘后，在0h 时，其表面憎水性下降，
仅达到HC4～HC5级；48h 后，表面沙尘由于硅橡胶的憎水迁移性，获得憎水性，表面达到HC1～HC2级。电站空心及线路复合绝缘子硅橡胶伞裙在风沙试验前后喷水分级法情况分别如图5和图6所示。其中a)、b)和c)分别为风沙试验前、风沙试验结束0.5h
和风沙试验结束48h 后的硅橡胶伞表面憎水状态。
图3 不同时间段的硅橡胶表面静态接触角
a)风沙试验前
b)风沙试验后0h
c)风沙试验后48h
A 1
角度：110.2°
A 1
角度：75.7°
A 1
角度：104.8°
a)风沙试验前图4 不同时间段的硅橡胶表面憎水性等级
b)风沙试验后0h
c)风沙试验后48
h
图5 电站空心复合绝缘子伞裙风沙
试验前后憎水性情况
a)风沙试验前
b)风沙试验后0.5
h
c)风沙试验后48
h
a)风沙试验前
对比憎水性变化，试验前，复合绝缘子硅橡胶伞裙的憎水性喷水分级非常优异，达到HC1。试验时，硅橡胶伞裙表面积污，同时砂尘使伞表面发生磨蚀，增加伞裙表面的粗糙度，使表面更易积聚污秽。污秽的附着使得表面憎水性下降严重，由试验后0.5h 后测得的喷水分级法可知，两绝缘子伞裙表面憎水性仅达到HC4～HC5级。但是经过48h 后，由于硅橡胶特有的憎水性迁移性能，并且硅橡胶配方中添加有低粘度的低分子物质以改善憎水迁移性，使得表面污秽很快获得憎水性，此时喷水分级可达到HC1～HC2级，硅橡胶伞裙依然具有良好的憎水性。
以上试验结果表明，风沙对硅橡胶的憎水性有一定的影响，但是在较短的时间内，硅橡胶所具有的憎水迁移性能会使得硅橡胶表面重新得憎水性，减小了风沙对导致复合绝缘子伞裙表面憎水性下降的效果，保证了复合绝缘子的安全运行。
4 结语
本文结合文献报告和通过对复合绝缘子伞裙硅橡胶材料的风沙试验，得出以下结论：(1)风沙对复合绝缘子的影响因素包含硅橡胶材料本身的配方、工艺，以及风速、沙尘浓度、沙尘粒子硬度和环境湿度。(2)风沙对硅橡胶有一定的磨蚀作用，磨蚀后会导致硅橡胶厚度略有减小，力学性能有轻微下降，但对整体性能的影响并不明显。(3)风沙会导致硅橡胶伞裙的憎水性下降，但是硅橡胶具有憎水迁移性能，会使伞裙表面的憎水性在短时间内重新达到较高的水平，减小了绝缘子污闪风险。
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收稿日期：2018-09-11
图6 线路复合绝缘子伞裙风沙试验前后憎水性情况
b)风沙试验后0.5h
c)风沙试验后48
硅胶表面电晕处理h
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