0 引言

复合绝缘子主要由绝缘芯棒、硅橡胶伞套、伞裙和两端的连接金具组成，具有优良的憎水性、机械性、耐碎性、耐污闪性，被广泛应用于高压输电线路中^[1-2]。有研究表明，复合绝缘子在运行过程中会受到污秽物、温度、湿度、紫外线、灰尘等诸多环境因素的影响而发生老化，进而诱发闪络^[3-6]。赵林杰^[7]等首次利用在线检测装置对我国北方重污秽地区复合绝缘子的憎水性能进行了测试，总结了在役复合绝缘子憎水性随季节变化的规律，并建立了基于带电检测的在运复合绝缘子憎水性评估方法。为了实现对复合绝缘子表面污秽度的预测，李璟延^[8]对复合绝缘子进行了污秽试验，分析了泄漏电流特征，并以此为基础建立了泄漏电流特征量与绝缘子表面污秽度的关系。文献[1]研究了灰密及污秽性质等因素对复合绝缘子憎水性能的影响，并提出了针对不同使用环境的维护措施。

蒙西电网自1995年起在输电线路上投入使用复合绝缘子。为了确保蒙西电网安全、可靠、稳定运行，有必要对复合绝缘子的运行情况进行跟踪，进而准确掌握复合绝缘子的运行状态，全面、客观评价其老化性能。针对蒙西地区复合绝缘子运行环境污染较为严重的情况，本文选取某220 kV输电线路上的单支复合绝缘子作为研究对象，通过宏观形貌观察、X射线数字成像检测、扫描电镜微观形貌观察、化学成分分析、憎水性测量及傅立叶红外光谱分析等一系列试验，研究重污秽环境下复合绝缘子的老化特性，研究结果可为蒙西电网复合绝缘子的检修维护提供参考。

1 试验样品、材料及方法 1.1 试验样品

试验用复合绝缘子选自蒙西电网某220 kV输电线路，该线路运行区域污秽等级为Ⅳ级，属于重污秽区。该复合绝缘子由某制造型号为FX⁃ BW4-220 kV/100 kN，于2016年3月投运。这种型号的复合绝缘子主要用于交流电力系统额定电压为10~330 kV、频率不超过100 Hz的架空线路、变电站，环境温度范围为-40~40 ℃，海拔不超过1000 m，绝缘子的具体性能参数见表 1所示。

1.2 试验仪器及方法

（1）利用FinePix HS33EXR型数码相机对复合绝缘子的外观形貌进行观察及分析；

（2）利用X射线扫描成像技术（DR）对复合绝缘子的压接工艺及护套与芯棒的结合面进行检测；

（3）利用S3700型扫描电子显微镜对复合绝缘子伞裙表面微观形貌进行观察，并利用Bruk⁃ er-XFLash Detector 510型能谱仪对护套表面粉末的化学成分进行分析；

（4）利用DropMeter™ProfessionalA-200型光学接触角/表界面张力测量仪及TENSORⅡ型傅立叶红外光谱仪对复合绝缘子伞裙的憎水性及有机官能团的组成进行检测。

2 试验结果及分析 2.1 宏观形貌检查与分析

经测量，复合绝缘子的结构高度为2160 mm，伞裙为大小伞结构，伞间最小距离90 mm，符合DL/T 864—2004《标称电压高于1000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》规定（≥70 mm）^[9]。整个绝缘子伞裙表面覆着一层灰色粉末，积污较为严重。此外，复合绝缘子两端金具也严重积污，低压侧金具（碗头）表面除了附着一层灰色粉末外，无明显锈蚀痕迹；而高压侧金具（球头）上的镀锌层已被严重腐蚀，球头处有明显的腐蚀锈层（见图 1），由此判断高压侧可能存在放电行为。

宏观观察可以看出，不同朝向绝缘子护套表面的附着物存在明显差异，朝北侧的附着物主要为弥散分布的白色粉末（见图 2（a））；而朝南侧的附着物以片状黑色粉末为主（见图 2（b）），表明附着物的形态与绝缘子朝向有关。

在高压侧第1个伞裙的下表面有明显的放电痕迹。当绝缘子伞裙表面有水膜形成时，泄漏电流导致局部高温并形成干区，干区电场强度超过临界电场强度时会引发电弧放电，并在复合绝缘子表面形成导电通道，即电痕^[10-11]。电痕的形成过程是一种不可逆的劣化行为。

2.2 DR检测与分析

利用DR对复合绝缘子进行检测，得到的复合绝缘子整体形貌如图 3所示。可以看出，伞裙与护套及护套与芯棒的密封性基本良好，无明显缝隙。此外，还可以观察到复合绝缘子部分伞裙发生了弯曲变形。

对复合绝缘子两端金具进行DR检测，可以看出，绝缘子芯棒两端均插入金具末端，并且芯棒与金具之间无明显缝隙，表明二者密封性良好，见图 4（a）、（b）。根据复合绝缘子伞裙与护套的胶结面DR检测结果可以确定，该复合绝缘子采用的是挤包护套加黏伞盘生产工艺，即芯棒经过打毛处理刷黏结剂后，再经挤包机制成护套，进行二次硫化后采用室温的硫化硅橡胶与已硫化好的伞裙在穿伞机内黏结，最后经端部连接金具、密封处理后完成^[12]。该工艺生产的复合绝缘子芯棒与护套的黏接主要靠二次硫化完成，伞裙与护套的胶结面较小。局部DR检测结果显示，该绝缘子低压侧伞裙与护套间（伞裙左数第4—8个）的胶结面差异很大，如图 4（c）所示。部分胶结面处有很大间隙，护套厚度明显薄于其他位置；而一些胶结面伞裙下沿接口处被过度撑开，导致其一直处于受张力状态，加速了绝缘子的老化。此外，在复合绝缘子低压侧的第1个大伞裙和小伞裙上表面的接口处有开裂现象，可能与生产工艺有关，如图 4（d）所示。

2.3 SEM微观形貌观察与分析

利用SEM电子扫描显微镜分别对复合绝缘子低压侧、中部及高压侧表面的微观形貌进行观察，3个位置的复合绝缘子表面均被颗粒状物质覆盖，并且形成不同程度的微裂纹，如图 5所示。对不同位置微裂纹宽度进行统计，高压侧表面微裂纹的宽度最大，低压侧次之，中部最小，如图 6所示。造成这种差异的主要原因是高压侧导线放电，加速了复合绝缘子伞裙表面的老化；低压侧绝缘子表面受紫外线照射的程度最为严重；而复合绝缘子中部伞裙受两种因素的影响较小，因此其微裂纹宽度最小。此外，微裂纹宽度的统计结果表明，与紫外线照射相比，电应力对复合绝缘子伞裙老化的影响更显著。

2.4 能谱检测与分析

利用Bruker能谱仪对复合绝缘子护套上的白色粉末和黑色粉末进行检测。结果表明，白色粉末的主要成分为O、Ca、C、S、Na、Al、Fe、Cl、K和Si等化学元素，而黑色粉末则主要由O、Ca、C、S、Al、Fe、和Si等化学元素组成。与黑色粉末相比，白色粉末中出现了Na、K、Cl 3种化学元素，这可能与该复合绝缘子周边的化工厂有关。

2.5 憎水性检测与分析

利用DropMeter™ProfessionalA-200型光学接触角/表界面张力测量仪对复合绝缘子不同位置（低压侧、中部、高压侧）伞裙的憎水性能进行检测和分析。检测结果表明，绝缘子中部伞裙的静态接触角最小，高压侧伞裙的静态接触角最大，并且3个位置的憎水性均达到了HC1—HC2级，符合DL/T 376— 2010《复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件》要求（憎水性级别低于HC5级建议退出运行）^[12]。

有研究表明，复合绝缘子伞裙表面的粗糙度会对其憎水性能产生很大影响，当绝缘子伞裙表面呈憎水性时，其憎水性能会随着粗糙度的增加而加强；当绝缘子伞裙表面呈亲水性时，其憎水性能会随着粗糙度的增加而显著降低^[13]。根据SEM微观形貌的观察结果可知，复合绝缘子高压侧伞裙表面的粗糙程度最大，并且由于该复合绝缘子的运行时间较短，其伞裙表面具有较强的憎水性。3个位置伞裙表面的憎水性按高低顺序依次为高压侧、低压侧、中部。

2.6 傅立叶红外光谱检测与分析

傅里叶红外光谱测量（FTIR）是一种分析物质化学组分的有效手段。FTIR吸收峰峰值强度越高，则其相应的官能团数量就越高，因此，可根据测得的有机官能团数量对可能发生的化学反应过程进行分析^[14]。本文利用TENSOR Ⅱ型傅立叶红外光谱仪对复合绝缘子的不同位置伞裙（低压侧、中部、高压侧）进行了检测和分析，测量结果如图 7所示；傅立叶红外光谱主要存在6个特征峰，对应的有机官能团见表 2。选择Si-O-Si官能团最强吸收峰为基准进行归一化处理^[14]。由统计结果可以看出，不同位置伞裙官能团数量总体变化不大，可能与该复合绝缘子的投运时间较短有关。通过对比可以发现，A、C、E处伞裙中Si（CH₃）₂、Si-CH₃、CH等官能团的光束强度略低于B、D、F处，说明朝向为南的伞裙更容易老化。

3 结束语

本文采用先进的材料检测方法对蒙西电网某220 kV复合绝缘子的老化性能进行研究，结果表明该绝缘子的黏结工艺不规范，导致部分伞裙与护套结合处存在明显孔洞和缝隙。此外，由于复合绝缘子高压侧受电晕放电的作用较强，导致该侧伞裙表面的微裂纹宽度最大，憎水性能最弱；受紫外线辐射的影响，向阳面复合绝缘子伞裙中主要官能团的数量明显降低，表明强电场及光照作用均会导致复合绝缘子材料的老化加速。

建议加强输电线路在役复合绝缘子的监督工作，巡检时应重点观察复合绝缘子高压侧及向阳面的伞裙、护套，并定期对其各项性能进行检测分析，确保输电线路安全稳定运行^[15-19]。