复合绝缘子由于质量小、机械强度大、耐污闪、憎水性及憎水迁移性好等优势，在我国电网的各等级输电线路中挂网数量不断增加。自二十世纪80年代以来，我国复合绝缘子制造企业已形成以高温硫化硅橡胶为伞裙和护套、单相玻璃纤维增强型环氧树脂为芯棒、热镀锌碳素钢为金具的复合绝缘子结构^[1]。虽然复合绝缘子具有免维护特性，但在长时间挂网运行中，其表面硅橡胶由于降解老化导致伞裙粉化、硬化现象常有发生，已成为影响复合绝缘子安全运行的关键因素^[2]。因此对复合绝缘子老化进行评估，已成为高电压绝缘领域的重点研究方向。本文通过对蒙西地区输电线路复合绝缘子硅橡胶伞裙进行分析，研究复合绝缘子硅橡胶材料的老化特征量与其老化的相关性，以期为复合绝缘子运行提供参考。

试验所用样品为内蒙古乌海地区暴露在自然环境下的复合绝缘子，生产厂家分别为A厂、B厂、C厂，对A厂家生产的复合绝缘子进行接触角测量、显微形貌观察、邵氏硬度、X射线能谱分析（XPS）及傅立叶红外光谱（FTIR）分析，B厂、C厂家生产的复合绝缘子仅进行邵氏硬度试验。

为评价不同挂网时间下静态接触角的变化情况，使用DropMeter^TM ProfessionalA-200型光学接触角/表面张力测量仪对A厂不同老化程度的复合绝缘子伞裙进行接触角试验，结果如图 1所示。静态接触角值θ_av＞90°时可认为其憎水性良好；θ_av＜90°时，认为其为亲水性材料^[3]。根据试验数据可以看出，随着挂网时间延长、老化程度加深，复合绝缘子硅橡胶伞裙表面的静态接触角逐步减小，说明其憎水性持续变差。

图 1(Figure 1)

图 1 不同挂网时间复合绝缘子伞裙静态接触角

选取不同挂网时间的复合绝缘子，使用邵氏硬度计对其伞裙进行检测，检测结果见图 2。复合绝缘子伞裙主要由3种成分组成：高分子，如聚硅氧烷分子（PDMS）；低分子，如催化剂硅烷偶联剂、硫化剂、硅油、硅氧烷小分子；无机填料，主要为气相白炭黑和氢氧化铝^[4]。文献[5]认为，复合绝缘子硅橡胶硬度主要由其PDMS和Al（OH）₃添加量决定，PDMS添加量越多，硅橡胶越软；Al（OH）₃添加量越多，硅橡胶硬度越高。不同厂家的硅橡胶配方不同，硬度也不同，但随着挂网运行时间的增长、老化程度的加深，其硬度均呈上升趋势。

图 2(Figure 2)

图 2 不同挂网时间复合绝缘子伞裙表面邵氏硬度

为研究复合绝缘子伞裙表面显微形貌与其老化程度的关系，选取挂网时间为3 a、5 a、9 a、15 a的A厂生产的复合绝缘子进行分析，显微形貌如图 3所示。挂网时间3 a、5 a的复合绝缘子伞裙表面均较为平整，基本无空洞、裂纹；挂网时间9 a的复合绝缘子伞裙表面可见明显裂纹，在2000倍放大的显微形貌中可观察到硅橡胶表面已不再平整，外漏填料及有机物残留在其表面粗糙分布；挂网15 a的复合绝缘子伞裙表面劣化程度更深，裂纹及孔洞已随处可见，表面可见大量外漏的填料与有机物残留。

图 3(Figure 3)

图 3 不同挂网时间复合绝缘子伞裙表面显微形貌

根据对不同挂网时间的复合绝缘子表面形貌分析可以发现，在复合绝缘子运行初期，硅橡胶伞裙表面还未出现明显变化，表面较为平整；随着挂网运行时间的延长，在日照紫外线、污秽环境的影响下，其老化程度也随之加重，硅橡胶伞裙表面开始变得不平整，材质变得疏松，裂纹、孔洞开始出现并增多、增大，其内部填料外漏并在裂纹及孔洞周边分布。

为研究复合绝缘子硅橡胶伞裙表面各元素质量分数随老化时间的变化规律，使用XPS分析伞裙表面及伞裙内部C、Si、O、Al元素的质量分数，分析结果如图 4所示。可见，随挂网运行时间的增加，伞裙表面C、Si元素质量分数不断下降，同时伞裙表面O元素质量分数随之增加。这是因为C、Si元素主要存在于硅橡胶内部有机硅中，随着挂网运行时间的增长，表层的有机硅迁移到污秽层，造成C、Si质量分数下降。在交流电晕的作用下，C原子生成CO₂逸出硅橡胶表面，也造成C元素质量分数下降^[6]。受到氧化作用，-OH增多，O元素质量分数也随之增多。伞裙内部各元素质量分数变化不明显，这是由于伞裙内部受外部环境影响较小，可近似认为其保持出厂状态。

图 4(Figure 4)

图 4 不同挂网时间复合绝缘子XPS各元素质量分数

A厂不同挂网时间的复合绝缘子伞裙红外光谱如图 5所示，主要吸收峰所对应的特征基团为位于800~700 cm^-1的Si（CH₃）₂、1100~1000 cm^-1的Si-O-Si及1270~1255 cm^-1的Si-CH₃，伞裙主要化学基团仍为Si-O-Si主链及Si-（CH₃）₂、Si-CH₃基团。不同挂网时间的红外光谱主要特征峰各波段未发生明显移动，未发现新的特征峰，没有生成新的化学键。但随着挂网运行时间增长，Si（CH₃）₂、Si-O-Si、Si-CH₃基团吸收峰均逐步下降，说明随着老化程度加重，其表面Si-O-Si主链发生断裂，有机硅小分子发生迁移流失；硅橡胶表面更趋于极性，憎水性下降。

图 5(Figure 5)

图 5 不同挂网时间复合绝缘子红外光谱

本文基于复合绝缘子硅橡胶伞裙材料表征，分析材料特征值变化与老化情况的相关性，得到如下结论：随着复合绝缘子挂网运行时间的增加，其老化程度加重，微观层面表现为伞裙硅橡胶表面裂纹、孔洞增加，C、Si元素质量分数降低，O元素质量分数升高；宏观物理性能方面表现为静态接触角下降、憎水性降低、邵氏硬度增加。初始静态接触角，伞裙表面C、Si、O元素质量分数，以及邵氏硬度等参数变化与复合绝缘子老化程度有着显著相关性，可以作为复合绝缘子老化评估的参考数据。

不同厂家、不同挂网时间的复合绝缘子硅橡胶配方不同，造成其材料各方面性能均有不同，无法进行定量比较；但伞裙芯部硅橡胶无明显老化，可近似认为其与出厂状态相同，从而可作为硅橡胶表面材料特征值变化的基准值进行分析对比。