互感器绝缘护套龟裂老化的补强措施及现场应用效果评估
杨翠茹1，姚森敬1，陈忠东1，陆志军2
(1. 广东电网公司电力科学研究院高压所，广州 510080;
2. 福建瑞森化工有限公司，漳平 364400;)
摘 要：本文介绍了现场运行的互感器绝缘护套的老化现象，并对老化原因进行了分析。针对不同的老化程度，提出外绝缘硅橡胶护套是否具有可修复的判断依据。在本文中介绍了两种修复方案，一种是使用硅橡胶涂层进行修复，一种是使用硅氟共聚涂层进行修复;本文分别使用两种方案开展现场应用，并进行修复前后的应用效果评估。结果表明，使用两种方案修复后，伞群外护套表面憎水性均从基本丧失恢复到HC1级，直流泄漏电流均从修复前的几毫安到修复后的十几微安，交流泄漏电流均从修复前的数十毫安降低到修复后的数十微安，而对于耐漏电起痕性能，没有改善耐漏电起痕性能，硅氟共聚涂层使得耐漏电起痕性能得到提高。值得一提的是硅橡胶涂层具有优异的憎水性和憎水迁移性。
关键字：绝缘护套，硅橡胶涂层，硅氟共聚涂层，憎水性，泄漏电流，耐漏电起痕
中图分类号：TM89; TQ340. 6 文献标识码：A 文章编号：
Aging Analysis of Insulation Sheath of Transformer and Application Effect Evaluation after Reinforcing
YANG Cuiru1, YAO Senjing1, CHEN Zhongdong1, LU Zhijun2
(1. High Voltage Department, Guangdong Grid Electric Power Research Institute, Guangzhou 510080, China;
2. Fujian Ruisen Chemical Co., LTD, Zhangping 364400, China.)
Abstract: This paper introduces the aging Phenomenon of insulation sheath of transformer, and analyses the causes of aging. The judgments about the silicone rubber whether or not was repairable were put forward to the different aging degree. This paper introduces two repair plans: one kind is using silicon rubber coating, the other is using silicon and fluorine copolymerization coating. This paper applied two schemes on site, and evaluated the application effect before and after repairing. The results show that, after using different repairing schemes, the hydrophobicity of the umbrella sheath had increased to HC1 level from hydrophobicity losing; DC leakage current had decreased to more than ten microampere after repairing from the level of milliampere before repairing; AC leakage current had decreased to tens of microampere after repairing from tens of milliampere before repairing; and for the resistance to tracking and erosion before and after repairing, the performance did not improve using silicone rubber coating, the silicon and fluorine copolymerization coating improved the performance of resistance to tracking and erosion. Moreover，the silicone rubber coating had hydrophobicity and migration of hydrophobicity.
Key word: insulating sheath, silicone rubber coating, silicon and fluorine copolymerization coating, hydrophobicity, leakage current, resistance to tracking and erosion
0 引言
目前，硅橡胶已成为电网中运行的电气设备的主要外绝缘材料之一。然而，电气设备的运行条件恶劣，外绝缘材料不仅要经受长期的环境应力和机械应力作用，还受到电晕放电、电弧放电、火花放电等电气应力的附加作用。南方电网大部分地区处于高温潮湿多雨的亚热带地区，紫外线辐射强烈，降雨量大且持续时间长，时常有盐雾和酸雨气象情况，在这样恶劣的环境条件下南方电网公司的一些电压、电流互感器等的支柱绝缘子硅橡胶护套在运行过程中出现了不同程度的龟裂现象，特别是，某互感器厂生产的部分设备运行几年后均出现了严重的绝缘护套老化迹象，在伞裙部分出现了明显的粉化特征，当对伞裙施加外力的时候，沿应力方向会出现龟裂痕迹，并且有粉末产生。如此大范围的复合绝缘外护套龟裂情况，严重影响着电力系统的安全稳定运行，本文针对此现象，分析了其老化原因，同时引入两种方案开展现场应用，并进行修复前后的应用效果评估。
1. 护套材料特性简介和老化原因
1.1 材料特性简介
对互感器绝缘外护套，劣化硅橡胶伞裙表面出现表面憎水性减弱或完全丧失，伞套脆化、硬化、粉化、开裂等劣化现象。
从龟裂特性来看，硅橡胶表面发生龟裂的地方都会产生一层白色的粉化层，主要原因是硅橡胶伞裙中的Si-O键被破坏后，在硅橡胶伞裙形成松散形态的二氧化硅(白色粉末)，从而造成伞裙表面发白、发硬、粉化现象。这一粉化层的颜色较原硅橡胶物质明显发白，且不同位置其粉化层厚度不一，伞裙上表面的粉化层厚度大于下表面的厚度，上表面龟裂现象、裂纹数量和深度也大于下表面。
1.2 老化原因分析
通过对互感器的外护套进行憎水性测试可以发现，在高压端的伞裙，其表面憎水性明显比低压端的伞裙要差。这说明，伞裙护套上、下表面的憎水性下降程度是不同的。而且伞裙上、下表面的材料均具有良好的迁移效果。从对样品的观察中我们也可以发现，伞裙正面的粉化厚度要大于背面的粉化厚度。这说明硅橡胶的粉化程度和其憎水性的下降程度有很大关系。并且由样品上表面憎水性更差、粉化程度更严重这一现象，有理由认为老化现象的发生同雨水冲刷、阳光照射等因素有密切的因果关系。本文认为可能的因素有：
阳光、紫外线照射造成的老化。紫外线是一种高能射线，其波长短，频率高，具有较高的能量，在阳光长期照射下，紫外线可能会使得护套表面高分子材料中的化学键断裂，将大分子物质变成小分子，从而使得橡胶失去弹性，并出现粉化、龟裂现象。
雨水冲刷。最大的可能是酸雨导致上表面的材料劣化快于下表面。
电压、电场强度的影响。在下雨时，在伞裙表面会形成单个的小水珠。这些水珠具有良好的导电性，会使得电场分布产生畸变，严重时可能导致绝缘材料表面的水珠电晕放电。这些放电现象的发生会大大加速材料的老化，尤其是在伞裙的边沿位置。
套管承受机械应力的作用。作为空心复合绝缘子的外绝缘部分，护套的内部还有用于承担机械应力的环氧树脂绝缘结构以及内部充有的SF6气体。这些来自内部的机械应力有可能是导致护套上发生环向结构性龟裂的原因。
2. 护套的修复
2.1 对材料龟裂老化结构的分析
伞裙的老化结构可由图1加以说明：
图1 伞群老化示意图
由外至内，可以将伞裙分为粉化层、过渡层和未粉化层三个部分。粉化层是指完全发生老化、失去橡胶弹性的部分，是龟裂发生的部位，龟裂深度和粉化层深度相同。过渡层为已经发生了一定老化的部分，这一部分与粉化层和内部硅橡胶材料相比，颜色明显比较浅，仍然具有一定的弹性;最里面的是为粉化部分，这一部分仍然良好保持着硅橡胶材料原有的特性。硅橡胶材料的老化是一个从外向里发展的过程。
2.2 修补的主要方法
2.2.1 修复判断
(1)眼观：运行中出现较强的刷状放电，需修复。
(2)眼观：伞裙表面出现起皮、龟裂等现象，需修复。
(3)眼观：伞裙出现破损，需修复。
(4)眼观：对伞裙喷水进行憎水性检测，伞裙表面的憎水性及憎水迁移性下降到HC5级或丧失，且不能恢复。需修复。
(5)手动：用手捏伞裙有粉末脱落，需修复。
(6)手动：用手捏伞裙会有局部破损，需修复。
(7)手动：用手捏伞裙边并弯曲成45度后，伞裙出现多处裂纹，需修复。
(8)手动：用手捏伞裙，出现不可恢复性的断裂、破损，不可修复。
(9)手动：用手捏伞裙边并弯曲成45度后，伞裙出现不可恢复性的外观、损坏，不可修复。
2.2.2 修补的主要方法
利用喷涂或者涂敷的方式，在外层均匀附着一层具有一定的憎水、较好的电气性能，并且能够良好附着在伞裙表面的材料。这层材料可以有效地阻止外界各种因素对内层硅橡胶材料的劣化侵蚀作用，同时本身又具有很好的电气性能、憎水性和耐老化性能。
2.3 修复方案
目前主要有两种修复方案，一种是使用室温硫化硅橡胶喷涂涂层，具有RTV的各种优点，具有优异的憎水性和憎水迁移性。一种是由有机硅预聚物、改性有机硅氟橡胶和芳纶特种纤维浆膜复合形成的聚合物互穿网络结构的涂料，该硅氟共聚涂层表面，自洁性能好。
2.3.1 方案一(硅橡胶涂层修复)
这一工序分为三个步骤。
第一步，采用低分子液(蓝色)对清洁后的套管表面进行表面性能处理，要求低分子液完全覆盖套管表面(低气压喷涂)，使套管表面上劣化的Si-O键重新和新的聚二甲基硅氧烷进行交联，使其恢复原有性能。
第二步，待低分子液与打磨层完全交联固化后(约2小时)涂敷补强凝胶(黄色粘稠胶状物质)，这是补强修复的主要成分。对套管表面进行整体修补时，需进行多次施工，根据龟裂程度，如采用喷涂工艺应不低于4道喷涂(喷涂1道厚度为0.2mm)，采用刷涂工艺应不低于2道刷涂(刷涂1道厚度为0.4mm)。整体修补后，新覆盖的补强凝胶涂层厚度应大于0.8mm。
第三步，在补强凝胶表干固化后(约30分钟)再喷涂修复涂料(红色涂料)进行对套管表面的修复，整体施工完成后涂层总厚度应大于1mm。
图2 修复过程
修复前、后的绝缘护套外观图如下所示：
(a)修复之前的互感器外护套 (b)修复之后的互感器外护套
图3 修复前后的互感器外护套
2.3.2 方案二(硅氟共聚涂层修复)
第一步，伞裙外护套表面处理，先采用清除松散、已粉化的表面，然后采用含有低分子聚二甲基硅氧烷的专用表面处理剂对硅橡胶伞裙表面进行处理，将伞裙表面上的Si-OH重新和新的聚二甲基硅氧烷进行交联，并使新的硅橡胶涂层能很好地和原有硅橡胶伞裙结合在一起。
第二步，伞裙伞套表面修补，对于出现大裂纹的劣化硅橡胶伞裙表面，采用修补胶进行填补修复。如有破损的需用预制的硅橡胶片对缺损、断裂的伞裙粘接进行修补。
第三步，套管整体修复，采用硅氟共聚涂料对套管表面进行整体修补，施工可采用喷涂或刷涂工艺。对套管表面进行整体修补时，需采用防爆破飞溅涂料进行多次施工，采用喷涂工艺应不低于5道喷涂(喷涂1道厚度为0.2mm)，采用刷涂工艺应不低于3道刷涂(刷涂1道厚度为0.4mm)。整体修补后，新覆盖的修补胶涂层厚度应大于1mm。 整体修补后，再喷涂或刷涂一遍涂料，进行套管表面修饰。
(a)修复后的上伞和修复前的下伞的对比 (b)修复之后的互感器外护套
图4 修复前后的互感器外护套
3、修复前后的效果评价
为了比较室温硫化硅橡胶涂层和硅氟共聚涂层的修复效果，选择在广东省内某500kV变电站对500kV电流互感器老化的外护套进行修复补强，
3.1 SF6电流互感器伞群修复前后试验结果(方案一)
3.1.1 表面憎水性测试
试验方法：用喷水分级法(HC法)来反映表面憎水性的状态。
试验结果如表1所示：
表1：表面憎水性测试结果
试品修复前硅橡胶伞裙修复后硅橡胶伞裙修复前硅橡胶表面憎水性图片修复后硅橡胶表面憎水性图片
表面憎水性(HC级)高压段上伞群HC6～HC7HC1
下伞群HC2～HC3HC1
护套HC6～HC7HC1
3.1.2 绝缘电阻测量
试验方法：测量充分湿润前后的绝缘电阻，每段伞群施加2500V试验电压。
试验结果如表2所示：
表2：绝缘电阻测试结果
试品测试结果
高压段中间段接地段
修复前硅橡胶伞裙(干燥表面)66GΩ20GΩ>100GΩ
硅橡胶伞裙(湿润表面)3-10MΩ5MΩ1.2GΩ
修复后硅橡胶伞裙(干燥表面)>100GΩ>100GΩ>100GΩ
硅橡胶伞裙(湿润表面)>100GΩ>100GΩ>100GΩ
3.1.3 直流泄漏电流测量
试验方法：测量直流泄漏电流时，将最高运行电压的有效值等效为直流电压，则每段伞群施加的直流电压为550/ /4.2*0.5=37.8kV，在表面完全湿润的情况下，测量泄漏电流的大小。修复前记录从完全湿润状态到施加到试验电压的时间，修复后施加电压时间为60S。
试验结果如表3所示：
表3：直流泄漏电流测试结果
试品试验结果
高压段中间段接地段
修复前施加电压/时间//37.8kV/1.5min
泄漏电流(峰值)//4.7mA
修复后施加电压37.8kV37.8kV37.8kV
泄漏电流最大峰值/稳定峰值11uA/10uA28uA/12uA12uA/12uA
注： “/”,表示由于表面电导率太高，直流电压无法施加至试验电压，而被迫停止试验。
对于修复后的硅橡胶表面，憎水性分级为HC1级，直流泄漏电流基本稳定，偶尔有一个放电脉冲，因此在试验中记录了泄漏电流的最大峰值和稳定峰值。
3.1.4 交流泄漏电流测量
试验方法：一次绕组对地及二次绕组的工频耐压试验按出厂值的0.8倍进行，则每段伞群施加的交流电压为680*0.8/4.2*0.5=64kV。在表面完全湿润的情况下，测量泄漏电流的大小，修复后施加电压时间为60S。
试验结果如表4所示：
表4：交流泄漏电流测试结果
试品试验结果
高压段中间段接地段
修复前施加电压/时间64kV/1.25min64kV/0.87min64kV/0.4min
泄漏电流(峰值)41mA36.1mA34mA
修复后施加电压64kV64kV64kV
泄漏电流最大峰值/稳定峰值68uA/50uA90uA/88uA82uA/81uA
注：交流泄漏电流的记录项目同直流泄漏电流的记录项目。
3.1.5 结论
根据硅橡胶修复前后的对比试验，说明：
(1)修复后，伞裙表面憎水性得到提高，从基本丧失憎水性恢复到HC1级的憎水性，润湿状态下的绝缘电阻测试结果表明：互感器外绝缘性能得到恢复。
(2)互感器外护套的直流泄漏电流从修复前的几毫安降低到修复后的十几微安，一方面是因为修复前伞群表面较为脏污，修复后表面清洁;更为主要的是由于修复后伞群憎水性大大提高，外绝缘性能良好。
(3)互感器外护套的交流泄漏电流从修复前的数十毫安降低到修复后的数十微安，一方面是因为修复前伞群表面较为脏污，修复后表面清洁;更为主要的是由于修复后伞群憎水性大大提高，外绝缘性能良好。
(4)对修复前的硅橡胶伞群进行耐漏电起痕试验，通过了1A2.5级试验、未通过1A 3.5级6h试验;对修复后的硅橡胶伞群进行耐漏电起痕试验，未通过1A2.5级和1A3.5级试验，说明修复后的硅橡胶伞群，没有改善耐漏电起痕性能，建议对CT伞群加强巡视。
3.2 SF6电流互感器伞群修复前后试验结果(方案二)
3.2.1 表面憎水性测试
试验方法：用喷水分级法(HC法)来反映表面憎水性的状态。
试验结果如表5所示：
表5：表面憎水性测试结果
试品修复前硅橡胶伞裙修复后硅橡胶伞裙修复前硅橡胶表面憎水性图片修复后硅橡胶表面憎水性图片
表面憎水性(HC级)上伞群HC6～HC7HC1
下伞群HC4～HC6HC1
护套HC6～HC7HC1
3.2.2 绝缘电阻测量
试验方法：测量充分湿润前后的绝缘电阻，每段伞群施加2500V试验电压。
试验结果如表6所示：
表6：绝缘电阻测试结果
试品绝缘电阻测试结果
高压段中间段接地段
修复前硅橡胶伞裙(干燥表面)56GΩ45GΩ>100GΩ
硅橡胶伞裙(湿润表面)120MΩ46MΩ107MΩ
修复后硅橡胶伞裙(干燥表面)>100GΩ>100GΩ>100GΩ
硅橡胶伞裙(湿润表面)>100GΩ>100GΩ>100GΩ
3.2.3 直流泄漏电流测量
试验方法：测量直流泄漏电流时，将最高运行电压的有效值等效为直流电压，则每段伞群施加的直流电压为550/ /4.2*0.5=37.8kV，在表面完全湿润的情况下，测量泄漏电流的大小。修复前记录从完全湿润状态到施加到试验电压的时间，修复后施加电压时间为60s。
试验结果如表7所示：
表7：直流泄漏电流测试结果
试品试验结果
高压段中间段接地段
修复前施加电压/时间37.8kV/60s37.8kV/60s37.8kV/60s
泄漏电流(峰值)1.48 mA0.53 mA0.77 mA
修复后施加电压/时间37.8kV/60s37.8kV/60s37.8kV/60s
泄漏电流最大峰值/稳定峰值9μA/7μA 20μA/18μA24μA/18μA
注：修复前，由于伞群表面憎水性丧失严重，特别是上伞群憎水性分级为HC6～HC7级，下伞群为HC4～HC6级，护套为HC6～HC7级。在完全湿润的状态下，伞群表面大都形成连续的水膜，当互感器外绝缘表面积污较严重时，此时，表面电导率很大，且形成连续通路，泄露电流较大，在施加电压的过程中，高温天气和放电产生的热量均能蒸发一定的水，表面逐渐干燥，电导率逐渐减小，泄漏电流逐渐减小，因此，在试验中记录了从完全湿润状态到施加到试验电压的时间，并记录此时的泄漏电流峰值。
而对于修复后的硅橡胶表面，憎水性分级为HC1级，直流泄漏电流基本稳定，偶尔有一个放电脉冲，因此在试验中记录了泄漏电流的最大峰值和稳定峰值。
3.2.4 交流泄漏电流测量
试验方法：一次绕组对地及二次绕组的工频耐压试验按出厂值的0.8倍进行，则每段伞群施加的交流电压为680*0.8/4.2*0.5=64kV。在表面完全湿润的情况下，测量泄漏电流的大小，修复后施加电压时间为60s。
试验结果如表8所示：
表8：交流泄漏电流测试结果
试品试验结果
高压段中间段接地段
修复前施加电压/时间64 kV/60s64 kV/60s64 kV/60s
泄漏电流(峰值)4.3mA2.8mA1.0mA
修复后施加电压/时间64 kV/60s64 kV/60s64 kV/60s
泄漏电流最大峰值/稳定峰值60μA/45μA149μA/120μA158μA/130μA
注：交流泄露电流的记录项目同直流泄漏电流的记录项目。
3.2.5 结论
根据硅橡胶修复前后的对比试验，说明：
(1)修复后，伞裙表面憎水性得到提高，从基本丧失憎水性恢复到HC1级的憎水性，润湿状态下的绝缘电阻测试结果表明：互感器外绝缘性能得到恢复。
(2)互感器外护套的直流泄漏从修复前的几毫安到修复后的十几微安，泄露电流大大降低，一方面是因为修复前伞群表面较为脏污，修复后表面清洁;更为主要的是由于修复后伞群憎水性大大提高，外绝缘性能良好。
(3)互感器外护套的交流泄漏从修复前的数十毫安到修复后的数十微安，泄露电流大大降低，一方面是因为修复前伞群表面较为脏污，修复后表面清洁;更为主要的是由于修复后伞群憎水性大大提高，外绝缘性能良好。
(4)对修复前的硅橡胶伞群进行耐漏电起痕试验，通过了1A2.5级试验、未通过1A 3.5级6h试验。对修复后的硅橡胶伞群进行耐漏电起痕试验，通过1A2.5级和1A3.5级试验，但未通过1A4.5级6h试验;说明修复后的硅橡胶伞群，耐漏电起痕性能得到提高。
3.3 两种方案的修复效果比较
表9：两种方案的修复效果比较
方案憎水性直流泄漏电流交流泄漏电流耐漏电起痕性能
方案一修复后，均从基本丧失憎水性恢复到HC1级的憎水性均从修复前的几毫安到修复后的十几微安均从修复前的数十毫安降低到修复后的数十微安没有改善耐漏电起痕性能
方案二耐漏电起痕性能得到提高
方案一的最外层使用的是室温硫化硅橡胶材料，所以相对于运行多年的高温硫化硅橡胶的耐漏电起痕性能并没有改善，这也是室温硫化硅橡胶的固有性质，但是硅橡胶具有优异的憎水性和憎水迁移性，特别是憎水迁移性是硅氟树脂所不能比拟的。方案二使用的是硅氟树脂，其机械性能和耐漏电起痕性能都较硅橡胶性能好，只是其本身不具有憎水迁移性，所以在使用过程中应综合考虑实际需要进行方案的选择。