CN104458554A - 一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，包括以下步骤：硅橡胶的紫外老化性能试验；采用TSC测试方法对硅橡胶的紫外老化性能进行评价。本发明提供的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，本发明通过对硅橡胶进行长时间的紫外辐射，并定期采用TSC测试进行老化性能的判断，明确紫外辐射对硅橡胶陷阱参数的老化影响；通过试验实现对紫外辐射的硅橡胶材料老化的评价。

Description

一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法

技术领域

本发明涉及一种评价方法，具体涉及一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法。

背景技术

在高压输电线路绝缘领域，复合绝缘子因为其强度高，重量轻，防污闪能力强，维护方便，不易破碎，得到了很广泛的使用。但是随着运行年限的增长，复合绝缘子伞裙老化问题已经越来越受到人们的关注。

探索复合绝缘子硅橡胶材料的抗紫外老化性能并作出评价是非常有必要的。绝缘材料中的缺陷能态的研究是近年来国外电气绝缘领域的研究热点之一，通过介质中的缺陷能态以及能态密度的分布分析可以判断电介质材料电气性能的变化、电介质的老化状态。热刺激电流(Thermal-Stimulated Current，TSC)测试技术可以较方便地研究介质材料中陷阱、偶极子和可动离子的性质，准确地测量介质材料的活化能ΔE(或陷阱深度)等微观参数。复合绝缘材料TSC特性已越来越广泛地用于材料老化特性的研究中。

作为长期作用于复合绝缘子的重要因素，紫外辐射对复合绝缘子的伞裙材料的老化得到了较为广泛的关注。一方面由于紫外线的辐照波长较短，能量较高，对有机复合材料的老化影响不容忽视；另一方面，我国的西电东送战略实施过程，高海拔强紫外辐射地区对复合绝缘子的老化性能同样值得关注。近年来，TSC测试技术开始应用于复合绝缘子伞裙硅橡胶材料性能的评估，一般来说，在硅橡胶材料的老化过程中材料本身可能会发生许多微观结构的变化，出现更多的陷阱。陷阱的密度和能级的增加，可以作为复合材料老化程度判断的一个有效手段，由于聚合物材料中的陷阱或缺陷与空间电荷有着非常密切的关系，因此可以通过测量陷阱的电荷量来判断出聚合物材料的老化程度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，本发明通过对硅橡胶进行长时间的紫外辐射，并定期采用TSC测试进行老化性能的判断，明确紫外辐射对硅橡胶陷阱参数的老化影响；通过试验实现对紫外辐射的硅橡胶材料老化的评价。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：硅橡胶的紫外老化性能试验；

步骤2：采用TSC测试方法对硅橡胶的紫外老化性能进行评价。

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：依照紫外老化试验箱的照射窗口大小，将硅橡胶裁剪为75mm*150mm*2mm的样本，采用无水酒精擦拭样本表面后，放置在紫外老化试验箱内；

步骤1-2：将紫外老化试验箱中UVB-313紫外灯管设置为全力输出，将样本进行20h光照后和放入暗室4h循环交替操作，其中，环境温度始终设置为50℃。

所述紫外老化试验箱由灯管组、温控系统、湿度调节系统及喷淋系统组成，满足硅橡胶的自然运行环境。

所述紫外老化试验箱采用不锈钢材料，腔内设计两排UVB-313紫外灯管，UVB-313紫外灯管中心间距70mm。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：老化过程中，进行试片的TSC测试，得到TSC曲线；

步骤2-2：对TSC曲线进行处理分析，确定陷阱参数。

所述步骤2-1具体包括以下步骤：

步骤2-1-1：将圆片放入TSC设备中，以2K/min的升温速率升温至极化温度，在极化温度下施加直流极化电压，保持该直流极化电压使原片极化；

步骤2-1-2：到达极化时间后，将圆片以15K/min的降温速率降温至极低温度后，移除直流极化电压，将样本上下表面短路2min；

步骤2-1-3：采用2K/min的升温速率将圆片升温至120℃，同时将圆片接到静电计回路，测量样本两端的短路电流，该短路电流与温度的关系曲线即为样本的TSC曲线。

TSC测试过程中，极化温度为65℃，极化时间为30min，极低温度为-80℃，极化电场为300V/mm。

所述步骤2-2中，陷阱参数包括陷阱电荷量Q_TSC和陷阱能级E，分别表示为：

$Q_{\mathrm{TSC}}={\∫}_{t_0}^{t_1}I\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{60}{\mathrm{\β}}{\∫}_{T_0}^{T_1}I\left(T\right)\mathrm{dT}$

$E=\frac{2.47T_m^{2}k}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，β为升温速率，T₀为极低温度，T₁为极化温度，T_m为峰值电流对应的温度，ΔT为半峰值电流对应的温度差，k为波尔兹曼常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过对硅橡胶进行长时间的紫外辐射，并定期采用TSC测试进行老化性能的判断，明确紫外辐射对硅橡胶陷阱参数的老化影响；通过试验提出TSC测试方法对紫外辐射的硅橡胶材料老化的评价方法，该评价方法过程简单，易于实现，应用广泛。

附图说明

图1是本发明实施例中UVB-313紫外灯管与太阳光的光谱比较示意图；

图2是本发明实施例中不同辐射周期的硅橡胶试片的TSC曲线示意图；

图3是发明实施例中静态接触角与老化时间维度的关系示意图；

图4是本发明实施例中陷阱电荷量与老化时间维度的关系示意图；

图5是本发明实施例中陷阱能级与老化时间维度的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：硅橡胶的紫外老化性能试验；

步骤2：采用TSC测试方法对硅橡胶的紫外老化性能进行评价。

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：依照紫外老化试验箱的照射窗口大小，将硅橡胶裁剪为75mm*150mm*2mm的样本，采用无水酒精擦拭样本表面后，放置在紫外老化试验箱内；

步骤1-2：将紫外老化试验箱中UVB-313紫外灯管设置为全力输出，辐射度可达0.8W/m²，仅考虑紫外辐射对其性能的影响，故取消进行冷凝喷水阶段，于是仅将样本进行20h光照后和放入暗室4h循环交替操作，其中，环境温度始终设置为50℃。

所述紫外老化试验箱由灯管组、温控系统、湿度调节系统及喷淋系统组成，满足硅橡胶的自然运行环境。如图1所示，其波长大多都在紫外光部分，，可以模拟大部分紫外光以获得最大的老化效果，且它的短波长试验结果更能反映材料在强紫外照射地区的抗紫外老化的能力，故选用Q-lab生产的UVB-313紫外灯管，并按照试验箱的设计分列排布。

所述紫外老化试验箱采用不锈钢材料，腔内设计两排UVB-313紫外灯管，UVB-313紫外灯管中心间距70mm。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：老化过程中，进行试片的TSC测试，得到TSC曲线；

步骤2-2：对TSC曲线进行处理分析，确定陷阱参数。

热刺激电流(TSC)测试是热刺激过程的一种，是非等温测量方法，即一边对试样进行升温一边测量。试样受到电场极化后，在试样内部会注入一定量的电荷；去掉电场且热刺激后，试样由极化状态转变到平衡状态时，会在外回路中产生去极化电流，记录电流随温度变化的情况，即可以得到TSC曲线。由于材料内部荷电粒子的微观参数(活化能、松弛时间等)不同，由热刺激电流法得到的曲线也不一样，反映了试样内部陷阱特性、偶极子和可动离子的性质。

所述步骤2-1具体包括以下步骤：

步骤2-1-1：将圆片放入TSC设备中，以2K/min的升温速率升温至极化温度，在极化温度下施加直流极化电压，保持该直流极化电压使原片极化；

步骤2-1-2：到达极化时间后，将圆片以15K/min的降温速率降温至极低温度后，移除直流极化电压，将样本上下表面短路2min；

步骤2-1-3：采用2K/min的升温速率将圆片升温至120℃，同时将圆片接到静电计回路，测量样本两端的短路电流，该短路电流与温度的关系曲线即为样本的TSC曲线。

由于试验参数的差异会影响试样的TSC特性，为了保证试验结果的可比性，TSC测试过程中，极化温度为65℃，极化时间为30min，极低温度为-80℃，极化电场为300V/mm。

所述步骤2-2中，陷阱参数包括陷阱电荷量Q_TSC和陷阱能级E，分别表示为：

$Q_{\mathrm{TSC}}={\∫}_{t_0}^{t_1}I\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{60}{\mathrm{\β}}{\∫}_{T_0}^{T_1}I\left(T\right)\mathrm{dT}$

$E=\frac{2.47T_m^{2}k}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，β为升温速率，T₀为极低温度，T₁为极化温度，T_m为峰值电流对应的温度，ΔT为半峰值电流对应的温度差，k为波尔兹曼常数。

实施例

将紫外照射0h，100h，200h，300h，400h，500h的硅橡胶样本，按照上述测试要求进行TSC测试，并结合憎水性测试来说明应用效果。所得TSC曲线整理如图2所示；

相应地，对上述样本进行辐射面静态接触角测量，所得结果如图3所示。发现，500小时内的紫外辐射，在接触角测量结果中，并不能很好地得到老化情况的区分，一些接触角的沿时间分布，并无明显的下降趋势。

分别对曲线进行计算处理，得到各个老化时期的硅橡胶试片陷阱参数，列于表1。

表1

老化周期/h	陷阱电荷量QTSC/nC	陷阱能级E/eV
			0	11.588	0.244
50	29.008	0.251
			100	32.449	0.283
200	40.782	0.312
			300	48.088	0.320
400	51.179	0.323
			500	65.595	0.337

将计算所得的陷阱参数以老化时间为横向维度，如图4和图5所示。可见，陷阱电荷量与陷阱能级都在随着老化时间的增加而变大。说明了UVB-313紫外灯管的照射可以引起硅橡胶材料表面的老化，影响了材料表面的性能。短时的紫外辐射，TSC测试方法能够较为准确的体现出紫外辐射对材料的老化性能的变化，而与之对比的静态接触角测量，却不能清晰地将老化性能表现出来。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：硅橡胶的紫外老化性能试验；

步骤2：采用TSC测试方法对硅橡胶的紫外老化性能进行评价。

2.根据权利要求1所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：依照紫外老化试验箱的照射窗口大小，将硅橡胶裁剪为75mm*150mm*2mm的样本，采用无水酒精擦拭样本表面后，放置在紫外老化试验箱内；

步骤1-2：将紫外老化试验箱中UVB-313紫外灯管设置为全力输出，将样本进行20h光照后和放入暗室4h循环交替操作，其中，环境温度始终设置为50℃。

3.根据权利要求2所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述紫外老化试验箱由灯管组、温控系统、湿度调节系统及喷淋系统组成，满足硅橡胶的自然运行环境。

4.根据权利要求2或3所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述紫外老化试验箱采用不锈钢材料，腔内设计两排UVB-313紫外灯管，UVB-313紫外灯管中心间距70mm。

5.根据权利要求1所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：老化过程中，进行试片的TSC测试，得到TSC曲线；

步骤2-2：对TSC曲线进行处理分析，确定陷阱参数。

6.根据权利要求5所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述步骤2-1具体包括以下步骤：

步骤2-1-1：将圆片放入TSC设备中，以2K/min的升温速率升温至极化温度，在极化温度下施加直流极化电压，保持该直流极化电压使原片极化；

步骤2-1-2：到达极化时间后，将圆片以15K/min的降温速率降温至极低温度后，移除直流极化电压，将样本上下表面短路2min；

步骤2-1-3：采用2K/min的升温速率将圆片升温至120℃，同时将圆片接到静电计回路，测量样本两端的短路电流，该短路电流与温度的关系曲线即为样本的TSC曲线。

7.根据权利要求6所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：TSC测试过程中，极化温度为65℃，极化时间为30min，极低温度为-80℃，极化电场为300V/mm。

8.根据权利要求5所述的复合绝缘子用硅橡胶的紫外老化性能试验及评价方法，其特征在于：所述步骤2-2中，陷阱参数包括陷阱电荷量Q_TSC和陷阱能级E，分别表示为：

$Q_{\mathrm{TSC}}={\∫}_{t_0}^{t_1}I\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{60}{\mathrm{\β}}{\∫}_{T_0}^{T_1}I\left(T\right)\mathrm{dT}$

$E=\frac{{2.47T}_m^{2}k}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，β为升温速率，T₀为极低温度，T₁为极化温度，T_m为峰值电流对应的温度，ΔT为半峰值电流对应的温度差，k为波尔兹曼常数。