复合绝缘子在架空线路中应用广泛，其主要由高强度环氧树脂玻璃纤维芯棒、高温硫化硅橡胶伞套及热镀锌金具三部分结构组成，为高压电网的安全稳定运行提供了有力保障^[1-3]。高温硫化硅橡胶伞裙及护套主要以包覆芯棒的形式增加爬电距离，起到外绝缘的作用^[4]。高温硫化硅橡胶属于有机材料，因此复合绝缘子在运行过程中，伞裙及护套因日晒、雨淋等环境因素及泄漏电流放电等电应力因素的影响，逐渐出现粉化、开裂等问题，导致爬电距离降低，进而引发污闪事故^[5-7]。因此，精准评估复合绝缘子伞裙的老化性能，对于预防线路跳闸及闪络事故具有十分重要的意义。

文献[8]利用显微红外、热分析及气相色谱技术，研究了某220 kV复合绝缘子高压端、低压端及中间段等不同位置伞裙的老化深度，研究结果表明，高压端伞裙老化深度最大，低压端次之，中间段伞裙老化深度值最小。英国曼彻斯特大学Rowland等^[9]利用接触角测量法，随机抽取了沿海地区一批运行年限超过15 a的400 kV复合绝缘子进行憎水性能检测，结果表明，不同位置伞裙的憎水性能随着表面颜色由深变浅呈不同程度降低，中间部位伞裙的憎水性能最差，并且同一片伞裙向阳侧的憎水性能明显低于其他朝向。

可以看出，复合绝缘子不同部位伞裙的老化程度存在很大差异，而关于整支绝缘子不同部位伞裙微观老化性能的详细报道较少。本文随机选取内蒙古电网某支110 kV复合绝缘子进行憎水性、憎水性减弱特性及憎水性恢复特性试验，并结合傅里叶红外光谱(FITR)检测及热重分析(DTA)等微观表征技术，对整支绝缘子不同部位伞裙憎水性能及材料微观特征进行研究，旨在揭示伞裙的老化规律，以便对复合绝缘子运行状况进行精准评估。

随机抽取一支内蒙古电网110 kV悬式复合绝缘子，绝缘子型号为FXBW-110 kV/70 kN，投运时间1999年10月，累计运行时间近20 a。因复合绝缘子向阳侧伞裙的老化程度最大^[10-11]，所以主要选取向阳侧的伞裙进行研究，图 1为复合绝缘子伞裙取样示意图。

图 1(Figure 1)

图 1 复合绝缘子伞裙取样位置示意图

据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^[12]，利用DropMeter^TM A-200型光学接触角测量仪对不同部位伞裙进行静态接触角及后退角的憎水性(清洗前和酒精清洗后)、憎水性减弱特性(蒸馏水浸泡96 h后)及憎水性恢复特性(蒸馏水浸泡96 h后取出，静置48 h)检测工作。静态接触角测量过程中每次滴定水滴的体积为10 μL，滴定结束静置10 s后读数；后退角测量采用抽水法，每次滴定水滴的体积为12 μL。然后利用BRUKER TENSOR-Ⅱ型傅里叶红外光谱仪对复合绝缘子不同部位伞裙上表面进行红外光谱分析，确定其主要官能团变化情况。最后，根据T/CEC 271—2019《复合绝缘子硅橡胶主要组分含量的测定》要求^[13]，利用TGA-55型热重分析仪对复合绝缘子不同部位伞裙进行热分解试验，确定其主组分质量变化情况。试验在空气氛围内进行，加热温度范围为25~700 ℃，升温速率为10 ℃/min。

图 2为清洗前、清洗后、蒸馏水浸泡96 h后及浸泡结束取出静置48 h后复合绝缘子不同部位伞裙的静态接触角和后退角的测量结果。可以看出，清洗前各部位伞裙的憎水等级均介于HC2—HC3之间，表明该绝缘子的老化程度较轻，仍符合运行要求。清洗后各部位伞裙的静态接触角和后退角均出现了一定程度降低。这是因为清洗前伞裙表面存在一层污秽层，而微米级的污秽粗糙结构会引起接触角增加^[14]。与静态接触角相比，后退角的减小程度更大，说明后退角受伞裙表面粗糙度的影响更为显著。此外，除了1号伞裙，其他伞裙的憎水性由低压侧至高压侧基本呈逐渐下降的趋势。1号伞裙因位于绝缘子最顶端，长期受紫外线照射，因此老化程度较高，憎水性能较低；而13号伞裙的憎水性能最差，主要因为该位置离导线最近，易受不均匀电场放电的作用，电晕放电等电应力因素对硅橡胶材料老化性能产生的影响大于紫外线照射等环境因素的影响。

图 2(Figure 2)

图 2 不同部位伞裙静态接触角和后退角测量结果

经过蒸馏水浸泡96 h后，伞裙的憎水性能出现明显降低，但静置48 h后憎水性能又基本恢复正常。此外，原来憎水性最好的3号伞裙憎水性减弱程度最大。这主要因为3号伞裙的老化程度最小，无机物层的厚度最小，水分子更容易渗透到硅橡胶基体，因此憎水性能减弱最明显。

傅里叶红外光谱测量(FTIR)是一种有效的分析有机物组分的技术，根据所测官能团的变化情况能够对硅橡胶的老化行为进行分析。复合绝缘子不同部位伞裙FTIR检测结果见图 3。因3号伞裙硅橡胶主链Si-O-Si (1011 cm^-1)吸收峰的峰值最高，可选择该官能团吸收峰为基准，对其他官能团的峰值强度进行归一化处理^[15]，结果见表 1。可以看出，与3号伞裙相比，其他位置伞裙的Si-O-Si峰值强度均明显减弱，说明有机成分的长链含量和交联程度都有所下降。Si (CH₃)₂(794 cm^-1)基团和-CH₃(2962 cm^-1)基团吸收峰的强度与硅橡胶的憎水性能密切相关。可以看出，13号伞裙中Si(CH₃)₂基团和-CH₃基团的吸收峰值强度最小，表明该部位伞裙老化程度最严重，这与憎水性能的检测结果相吻合。

图 3(Figure 3)

图 3 复合绝缘子不同部位伞裙的FTIR吸收光谱

表 1(Table 1)

表 1 不同位置伞裙有机官能团质量分数变化

表 1 不同位置伞裙有机官能团质量分数变化

热重分析仪(TGA)是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器，能够根据热重曲线对高温硫化硅橡胶中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、阻燃剂氢氧化铝(ATH)及无机填料白炭黑的质量分数进行分析。复合绝缘子不同部位伞裙的热失重曲线如图 4所示。以伞裙心部样品的热重曲线为例，该样品在25~700 ℃的温度区间内共存在2个阶段的热分解行为：第一阶段主要发生的是ATH的热分解行为，失重率为12.67%；第二阶段发生的是PDMS的热分解行为，失重率为34.62%。依此可以分别计算硅橡胶中各主组分质量分数，计算结果见表 2。可以看出，随着老化程度的加重，各部位伞裙表面的PDMS质量分数均降低，其中13号伞裙中PDMS的质量分数最小，与基体相比下降了约18.6%，这也是其憎水性能较差的主要原因。此外还发现，随着伞裙老化程度的增加，ATH的质量分数也逐渐增加。这是因为伞裙表面在电弧放电情况下不断老化，使得硅橡胶中添加的ATH由内部不断溢出，因此，相比于内部基体，表层ATH质量分数更大，这也是憎水性降低的原因之一^[16]。

图 4(Figure 4)

图 4 复合绝缘子不同部位伞裙热失重曲线

表 2(Table 2)

表 2 复合绝缘子不同部位伞裙的主组分质量分数

表 2 复合绝缘子不同部位伞裙的主组分质量分数

(1) 伞裙憎水性的检测结果表明，该复合绝缘子符合继续运行要求。清洗后，复合绝缘子各部位伞裙的憎水性能均出现了不同程度的降低，与静态接触角相比，后退角受伞裙表面粗糙度的影响更显著。此外，第13号伞裙的憎水性能最差，表明电应力因素对硅橡胶老化性能产生的影响更显著。

(2) FTIR分析结果表明，13号伞裙中Si(CH₃)₂基团和-CH₃基团的吸收峰值强度最小；热重曲线的分析结果表明，13号伞裙表面的PDMS质量分数与基体相比显著降低，表明有机物含量的减少是造成复合绝缘子老化的重要原因。

(3) 除了1号伞裙外，复合绝缘子不同部位伞裙的老化程度基本呈线性分布。其中高压侧第1片伞裙因离导线最近，容易受不均匀电场放电的影响，老化程度最严重。建议对在役复合绝缘子运行状况进行巡检时，将高压侧第1片伞裙的憎水性能作为主要参考指标。