硅橡胶复合绝缘子护套伞裙表面存在竖直合模缝时的结构性能差异分析

1　引言
　　复合绝缘子因其特有的防污性能和显而易见的优越性，而具有广阔的应用前景。其复合绝缘部分是以硅橡胶为基材，填充多种填充剂，通过混炼后经硫化后成型 的。目前，普遍采用的芯棒连续挤压护套和外套粘伞裙的外绝缘组装工艺，经权威研究机构近十几年分析、研究和运行的验证，已是较为成熟的生产工艺。但近几年 来国外玻璃绝缘子生产厂家和瓷绝缘子的生产和研制机构用塑料注射方法成型，对复合绝缘子外绝缘亦采用此注射成型方法，这种工艺制成的护套伞裙表面会出现两 条对称的贯穿性竖直合模缝，合模缝处的材质结构分布状况、机电技术参数及耐老化性能必然与其它部位有所不同，有必要对其外绝缘结构性能的差异进行分析和论 证，供用户参考。
2　材质分布结构分析
　　注射成型方法是把芯棒放在上、下伞套模具中间，将硅橡胶外绝缘材料通过注射机高速注满伞套模具腔，然后经加热硫化成型。这种注射方法会在护套伞裙表面 竖直方向出现两条对称贯穿性的合模缝，此处的材料组成状况与其它部分有所不同。硅橡胶外绝缘材料模具腔内形成的表面都是由硅氧烷分子构成的，不存在颗粒状 填充剂裸露现象［1］，而由模具间隙形成的竖直方向合模缝是在注射过程中形成的，产品注射用的胶料中有直径几百pm的硅氧烷分子，占胶料体积10％的粒径 十几nm的白碳黑颗粒和占胶料体积40％的粒径为几μm的氢氧化铝及其它少量填充剂颗粒。在较高温度下高速注入伞套腔时，极易流动填满缝隙，而颗粒大的填 充剂则易滞留在其缝隙的入口处，尤其是比硅氧烷分子直径大2000多倍的氢氧化铝及其它填充剂颗粒更容易留在模具接口处。按人们尽量减少模具配合间隙的习 惯设计加工，将会更加重填充剂的堆积。护套伞裙表面的竖直合模缝形成的薄边修掉后，必然会有一定量的填充剂颗粒裸露于表面。用能量扩散X射线分析方法，在 电子扫描镜下进行检测，发现其表面层材质结构分布极不均匀，分散性较大［2］，而其它部位的表面层材质结构基本是均匀分布的，分散性极小。
3　机械性能分析
　　复合绝缘子外绝缘必须在规定的高温高压条件下进行硫化成型，才能保证其性能指标及其稳定性。若硫化压力不够，则材料结构就会疏松，不紧密，直接影响其 机械性能。合模缝处的硫化压力虽然由于伞套模具的配合缝隙较小，又有缝隙中胶边的阻力作用使得合模缝处胶质的压力增大，但实际上与伞套腔内其它部位的表面 的压力还是存在差别的，其机械性能必然降低。此外，用刀修平合模缝后材质分布的不均匀性也会影响其机械性能，尤其分布在合模缝处表面的特大粒径的氢氧化铝 及其它填充剂颗粒绝大多数都是以菱形结晶结构存在的［3］，本身易断裂或产生裂缝，严重影响了其表面的机械性能。模拟测试表明，其合模缝处的拉伸强度和撕 裂强度分别比其它表面低14．2％和6．8％，其硬度反而提高7．1％以上。
4　电气性能分析
　　采用注射成型的产品两侧出现的合模缝是工艺本身造成的无法彻底消除，其合模缝处的填充剂含量远大于正常含量，用刀修平后裸露出来的占有相当大比例的白 碳黑补强剂颗粒，其表面呈微极性，吸水性很强。白碳黑表面的含水量可分为2部分，一部分是不易获得也难以除去的结合水，而另一部分则是吸湿水，它与外界环 境有关。如果外界环境湿度变化，其吸湿量将随之变化并达到新的平衡状态［4］。至于在表面上占有较大比例的氢氧化铝及其它少量填充剂颗粒，虽然都不溶于 水，但裸露出来的颗粒外表面凸凹不平会吸附水分子，并随着外界环境湿度变化而改变。这种合模缝表面的吸湿水特性，将使产品在竖直方向的表面绝缘电阻降低， 据模拟试验结果，产品合模缝处的表面电阻率比其它表面的电阻率将降低10．9％左右。又对试件采用0．1％的盐水浸泡100h后，分别测到的表面电阻率和 体积电阻率，只有同等浸泡条件下的无合模缝试件表面电阻率和体电阻率的1／64．8和1／2，由此可见，合模缝对产品外绝缘表面的电气性能影响是很大的。
5　耐老化性能分析
　　复合绝缘子是常年在室外运行的绝缘设备，要求产品在自然界各种因素的长期作用下不损坏。对于无合模缝的产品，表面因布满性能优良的耐高低温、耐臭氧氧 化、耐光照辐射、耐微生物侵蚀等的硅氧烷分子，而具有明显的抗自然界环境各种因素作用的耐老化性能。而具有合模缝的试品的合模缝处表面材质结构却截然不 同，虽然也存在着硅氧烷分子，但还夹杂着大量填充剂颗粒，并裸露出来而且有很强的吸湿性，虽然其吸附水量随着自然环境湿度变化而改变，但填充剂颗粒的含水 状态始终是存在的。由于合模缝处长期有水份存在并在白碳黑颗粒表面羟基的诱导作用下，使周围的硅氧烷分子的硅氧键发生异裂反应，而使硅氧烷分子降解老化。 尤其当有酸、碱性质物质时，硅氧烷分子水解更为迅速［5］，有可能在自然环境条件下就发生。IEEE1991年的报道显示，对带有合模缝的避雷器复合绝缘 外套进行盐雾老化试验发现，对试品施加的盐雾水电导率无论是250μs／cm还是1000μs／cm或者2000μs／cm，试品合模缝处都在100h内 发生裂化，而试品其它部位超过500h也无任何改变［2］。这充分证明复合绝缘子合模缝处的耐老化性能是较差的。中国电力科学研究院曾对采用相同外绝缘材 质、相同外绝缘伞套结构和爬电距离、不同成型方式的外绝缘试品进行直流电压盐雾试验，采用传统方法组装的试品顺利通过1000h试验。而注射成型外绝缘结 构的试品却在240h试验中就连续发生过流跳闸，致使试验难以继续进行，经检查在其合模缝处有老化现象，进一步验证了采用注射方法成型的产品外绝缘表面耐 老化性能远不如连续挤压护套外套粘伞裙的产品。
　　采用注射方法成型的产品，在伞裙和护套的外表面存在2条贯穿性合模缝。对于伞裙上的合模缝，在长期运行过程中出现劣化时只对其本身竖直方向的绝缘性能 有影响，最严重的可能是沿着合模缝发生绝缘击穿；但对于护套上的合模缝来说劣化带来的绝缘隐患比伞裙要严重得多，除了对产品外绝缘表面的绝缘性能带来影响 外，还会对既要承受内绝缘作用又要承担机械拉力的芯棒带来危害。芯棒上的护套厚度一般情况下只有3～5mm，当护套两侧合模缝处出现劣化时，水和自然界其 它破坏因素极易影响到芯棒，对于遇水分解、遇酸易脆断、耐自然老化性能较差的芯棒来说，其护套合模缝处的劣化会成为灾难性隐患。
6　憎水迁移性分析
　　外绝缘无合模缝的产品表面是由螺旋硅氧烷分子结构组成的，硅氧烷分子有机基在螺旋状分子外侧的屏蔽作用使外部水分子难以靠近硅氧烷分子中硅氧极性键和 碳硅弱极性键，使其表面有良好的憎水性［6］。而合模缝处有大量吸湿性较强的填充剂颗粒裸露出来，这些颗粒不仅对接近的水分子易吸附浸润而直接影响合模缝 处的憎水性，而且还削弱了周围硅氧烷分子有机基的屏蔽作用，进一步降低了合模缝处的憎水性。模拟试验表明，合模缝处的憎水性比其它表面降低1级左右。如果 合模缝处存在着污秽物，由于合模缝处长期含有极性水分子，使得绝缘内部没有交链的硅氧烷低分子或者诱导物质异裂出少量硅氧烷小分子，难以移动出表面来浸润 污秽物，使合模缝处的憎水迁移性降低。此外，合模缝处表面粗糙不光滑易积污也将明显削弱合模缝处的憎水迁移性。这种产品大批量挂网运行将时刻危及电网的安 全运行。
7　结束语
　　复合绝缘子护套伞裙表面竖直合模缝是由注射设备伞套模具的间隙形成的。合模缝处的材质结构分布与其它表面截然不同，其填充剂颗粒的数量远高于绝缘内部其它部位的数量，经修平后必然有一定概率的填充剂颗粒裸露出来，由此将引起产品的各种性能差别：
  （1）降低了产品的机械性能。
　　（2）降低了合模缝处表面的电气绝缘性能，因而将危及产品的安全运行。
　　（3）在厚度只有3～5mm的护套的合模缝处，水和自然界其它破坏因素极易影响芯棒，其后果难以想象。
　　（4）降低了合模缝处的憎水迁移性能。此外由于合模缝处表面易积污，因而也将直接影响产品的防污性能。