电晕放电老化对高温硫化硅橡胶材料陷阱特性的影响
高电压技术 第３９卷第４期２０１３年４月３０日
Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．４，Ａｐ
ｒｉｌ ３０，２０１３电晕放电老化对高温硫化硅橡胶材料陷阱特性的影响
宋 伟１，申文伟１，王国利２，王育路３，张冠军１
（１．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安７１００４９；２．特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室，广州５１００８０；
３．陕西省电力公司规划评审中心，西安７１００６５
）摘 要：随着运行年限的增加，在役复合绝缘子的老化现象逐渐凸显，严重影响电力系统的安全。为此，首先针对在不同电晕强度（电压和时间）下老化后的高温硫化（ＨＴＶ）硅橡胶试样，研究了材料表面陷阱特性、表面微观形貌（ＳＥＭ）和元素特性（ＸＰＳ
）的变化规律，然后分析了不同年限的在役复合绝缘子伞裙材料的陷阱特性。研究表明，随着电晕电压或老化时间的增加，电子和空穴陷阱密度不断增加，最后趋向饱和水平。ＳＥＭ和ＸＰＳ分析结果表明，
老化后材料表面出现大量孔洞等缺陷，强极性基团数量增加，分别作为物理和化学陷阱对陷阱特性产生影响。对于现场复合绝缘子伞套材料，其电子和空穴陷阱密度也呈现随运行时间增加而增长的类似规律，其中空穴陷阱密度规律性好，重复性强，有望成为一种评价复合绝缘子材料老化的新型定量表征参数。
关键词：复合绝缘子；高温硫化；ＨＴＶ；电晕放电；老化；电子陷阱；空穴陷阱；ＳＥＭ分析；ＸＰＳ分析ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１００３－６５２０．２０１３．０４．０３１文章编号：１００３－６５２０（２０１３）０４－０９７９－
０８基金资助项目：特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室开放基金。
Ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｆｕｎｄ ｏｆ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａ－ｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｋｕｎｍｉｎｇ、Ｇｕａｎｇ
ｚｈｏｕ）．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｒｏｎａ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｇｉｎｇ ｏｎ Ｔｒａｐ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｒｕｂｂｅｒ ＭａｔｅｒｉａｌＳＯＮＧ Ｗｅｉ １，ＳＨＥＮ Ｗｅｎｗｅｉ １，ＷＡＮＧ Ｇｕｏｌｉ ２，ＷＡＮＧ Ｙｕｌｕ３，ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｊ
ｕｎ１
（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｆｏｒ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｋｕｎｍｉｎｇ
＆Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００８０，Ｃｈｉｎａ；３．Ｐｌａｎｎｉｎｇ
＆Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ
ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ（ＨＴＶ）ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｒｕｂｂｅｒｓ ａｇｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｒｏｎａ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ｖｏｌｔａｇｅａｎｄ ｔｉｍｅ）ａｓ ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＳＥＭ），ａｎｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ（ＸＰＳ）ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｐ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｇｅｄ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓａｍｐｌｅｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ－ｏｐｅｒａｔｅｄ－ｙｅａｒ ｓｉｔｅｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ａｌｏｎｇｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｖｉａ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｒｏｎａ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｒ ａｇｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｂｏｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ
ｒｅａｃｈ ｔｈｅｉｒ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌｓ．Ｔｈｅ ＳＥＭ ａｎｄ ＸＰＳ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅａｇｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｐｐｅａｒｓ ｔｏ ｈａｖｅ ｍｏｒｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｏｌｅｓ ａｎｄ ｆｌａｗｓ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｍａｎｙ ｎｅｗ ｃｈｅｍｉｃａｌｒａｄｉｃａｌｓ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｐｏｌａｒｉｔｙ，ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｐ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｓ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ；ｂｏｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ａｇｅｉｎｇ ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｉｍｅ－ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｓｈｏｗｓ ｇｏｏｄ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｉｓ ｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏ ｂｅ ａ ｎｏｖｅｌ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｇｅｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ；ＨＴＶ；ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ａｇｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｐｓ；ｈｏｌｅｔｒａｐｓ；ＳＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＸＰＳ ａｎａｌｙ
ｓｉｓ０ 引言
复合绝缘子因具有质量小、憎水性强等优点而
已经在电力系统中广泛使用［
１－
２］。但随着复合绝缘子使用数量和运行年限的增加，复合绝缘子材料老
化现象逐渐凸显，
造成绝缘的可靠性下降，其老化问题已引起电力运行部门的重视［
３－
５］。老化的因素有日光紫外线辐射、污秽以及电晕放电老化、电弧放电等，其中电晕放电老化发生的概率高，持续时间长，
危害也较大［
６－
７］。如果复合绝缘子长时期受到电晕放电老化，材料的表面结构就会发生破坏，憎水性就会丧失，进而会使绝缘子失去其使用价值，影响电网
的安全运行［
８－
９］。多年来国内外学者对硅橡胶老化现象进行了大量的研究，如梁曦东、梁英、徐志钮等针对交流电晕
９
７９
对材料憎水性的影响进行了研究［１０－１２］，Ｔóｔｈ Ａ、Ｄｉｃｋ－ｓｏｎ ＡＥ等人则从硅橡胶材料的氧化老化以及化学成分变化的角度进行了分析［１３－１４］，另外Ｇｏｒｕｒ ＲＳ等［１５－１６］则对现场绝缘子老化及造成的性能下降问题进行过分析。但大多集中在材料的憎水性、表面微观特性等方面，尚缺乏有效的复合绝缘子老化评估表征方法。目前电力行业标准ＤＬ／Ｔ ８６４—２００４［１７］针对复合绝缘子老化的评估方法限于外观检查和宏观电气、机械特性试验，存在主观性、经验性、测试结果分散性大等问题，在实际应用中已经凸显出很大的问题。
本文认为，复合绝缘子硅橡胶材料老化的本质是在不同应力作用下化学键断裂，分子结构改变，同时产生一系列低分子化合物、表面微孔、强极性基团等微观特性变化，这些物理和化学缺陷产生了更多的陷阱，从而导致材料陷阱密度增加。根据现代固体理论，陷阱是一种局域态，材料导带中的电子在输运过程中容易被这种局域态俘获，而在热激励作用下，被陷阱俘获的电子会被再次激发至导带，从而产生陷阱调制电导的效应。陷阱调制电导效应会对材料的介电、放电、闪络、击穿等特性产生很大影响。尹毅、屠德民等对聚合物陷阱理论的研究［１８－１９］表明，陷阱可以作为一种聚合物老化的有效表征参数，并得到了老化实验的验证。梁英采用热刺激电流（ＴＳＣ）技术对高温硫化（ＨＴＶ）硅橡胶材料电晕老化前后的陷阱特性进行了研究，发现随老化强度的增加，陷阱能级加深，陷阱电荷量明显增加［２０－２１］。但ＴＳＣ技术无法区分电子或空穴陷阱，且ＴＳＣ谱解析方法只能得到谱峰（１个或若干个）对应的陷阱能级及密度，无法得到连续的陷阱能级分布［２２－２３］。本文采用等温电流衰减法［２４－２５］测量材料的陷阱特性，该理论基于绝缘材料受激励后被陷阱俘获的载流子在恒温条件下的热脱陷过程，认为介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放；在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流反映了陷阱能级的分布规律。其优点在于不需要任何陷阱分布先验假设，测量的等温衰减电流随时间的变化关系能直接反映材料的陷阱分布。
本文对复合绝缘子伞套硅橡胶材料进行电晕放电老化实验，并采用等温电流衰减法对老化后样品做陷阱特性分析，研究硅橡胶陷阱分布随老化的变化规律。另外还结合表面微观形貌（ＳＥＭ）和元素特性（ＸＰＳ）分析，研究老化前后硅橡胶材料表面的微观变化。最后选取不同运行年限的绝缘子样本，研究
其陷阱特性的变化规律，进行对比分析。
１ 电晕放电老化实验
１．１ 电晕放电老化实验装置及试品处理
作者在实验室搭建了一套电晕放电老化实验装置，如图１所示。采用针—板电极放电，密集均匀排列的钢针作为高压电极，铝制平板作为地电极。整个电极装置放在密封的有机玻璃外套中，其中装置的温度、湿度独立可调，并通过温度、湿度计显示。
实验用试品为新复合绝缘子切片，尺寸为４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍ。现场绝缘子陷阱测试样片取自河南１１０ｋＶ线路用复合绝缘子靠近导线侧１号和２号伞裙，样片尺寸约为３０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ。将样片先用无水乙醇洗去脏污后，再用去离子水超声清洗，最后放入干燥箱干燥处理并装入干燥密封袋编号保存
。
图１ 电晕放电老化实验装置原理图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｇｅｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
１．２ 实验参数选择
本文主要研究电晕放电老化对硅橡胶材料的破坏作用。虽然交流或直流电压下的电晕放电老化特性是不同的，但放电过程中都产生大量的带电粒子、臭氧、紫外线等，它们对材料的破坏作用在本质上是相同的。由于施加正极性直流电压时起始电晕电压高，击穿电压低，所以其电晕放电老化电压范围较窄；而施加负极性直流电压时则相反。为增强不同电压作用效果的对比性，本文选择施加负极性直流电压，产生均匀稳定的电晕放电老化来对硅橡胶材料进行老化实验。电晕放电的作用效果由放电粒子速度、密度决定，宏观上表现为放电电流。针对本套老化实验装置，实验研究表明：随着电压增加，放电电流呈指数增长规律，电压为７ｋＶ时，电流约为１．２μＡ；电压为１２ｋＶ时，电流为８．５μＡ；而电压为１５ｋＶ时，电流突然增长到了２３μＡ。为增强不同老化电压下老化效果的对比性，本实验选择合理的电压梯度，分别为１０ｋＶ、１４ｋＶ、１５ｋＶ。空气湿度会影响硅橡胶电晕放电老化效果，本文针对干燥环境下复
０
８
９高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（４）
合绝缘子的电晕放电老化状况进行研究，将空气相对湿度设定为２５％，主要研究不同电晕电压和老化时间条件下硅橡胶材料的老化规律。试品分为３组。电晕放电老化实验装置可对同一组９片试品同时进行电晕处理，２４ｈ为１个老化周期，每隔１ｄ取出样片进行特性测试分析。本实验中选取的实验参数如表１所示。１．３ 陷阱测量
本文采用等温电流衰减技术来测量硅橡胶表面陷阱特性。等温电流衰减技术可通过选择正极性或负极性注入载流子来对电子或空穴陷阱加以区分，且可以获得不同能级陷阱分布的完整信息。测试时首先对试品进行电晕充电，充电电压为直流±４ｋＶ，充电时间为５ｍｉｎ。充电结束后，快速将振动式电位探头移至充电区域，
探头与试品表面距离保持为２ｍｍ，选择最大电位点位置进行等温电流衰减表面电位测量，电位衰减过程中注意保持温度不变。陷阱参数测量装置示意图如图２所示。
根据等温电流衰减理论［２１－
２２］，电子或空穴的陷
阱能级和密度可由式（１）和（２
）分别求得：Ｅｔ＝ｋ
Ｔｌｎ（γｔ）；（１
）Ｊ（ｔ）＝ｑｄｋＴ２ｔ
ｆ０（Ｅｔ）Ｎ（Ｅｔ）。
（２）式中：Ｅｔ为陷阱能级，ｅＶ；Ｎ（Ｅｔ）
为单位陷阱能级下的陷阱数密度，１０１９·ｅＶ－１·ｍ－３；ｋ为玻耳兹曼常数，
（１．３８０ ６５８±０．０００
０１２）×１０－２３
Ｊ／Ｋ；Ｔ为温度，Ｋ；γ为电子试图从陷阱中逃逸的频率，
本文取１０１２
Ｈｚ；ｑ为单位电子电量，
１．６×１０－１９
Ｃ；ｄ为试品厚度，ｍ；ｆ０（Ｅｔ）
为初始电子占有率，可取０．５；Ｊ（ｔ）为衰减电流密度，Ａ／ｍ２；ｔ为时间，ｓ
。等温衰减电流密度Ｊ（ｔ）可由表面电位衰减变化率ｄｕｓ（
ｔ）／ｄｔ得到，如式（３）所示Ｊ（ｔ）＝ε０εｒｄｄｕｓ（ｔ）ｄｔ
。（３
）式中：ε０为真空介电强度；εｒ为硅橡胶材料的相对介电常数。
由式（１）、（２）和（３），就可从ｄｕｓ（
ｔ）／ｄｔ求得表面陷阱的参数。计算方法是首先由式（３）计算得到Ｊ（ｔ），再代入式（２）计算出Ｎ（Ｅｔ）；然后另外由式（１）计算出对应的Ｅｔ。
２ 实验结果
２．１ 电晕放电老化试品陷阱特性
１）Ａ组试品
图３为未老化以及１０ｋＶ电压下老化２、３ｄ
后
图２ 陷阱参数测量装置示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｒａｐ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ表１ 电晕放电老化实验参数的选择Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｇｅｉｎｇ
组号温度／°Ｃ相对湿度／％电晕电压／ｋＶ老化时间／ｄ
Ａ ４０ ２５ １０ １～８Ｂ ４０ ２５ １４ １～８Ｃ
４０
２５
１５
１～
８试品的电子和空穴陷阱密度分布。由图３可见，电子和空穴陷阱密度大致呈钟形分布，在老化的初始阶段，电子陷阱和空穴陷阱的密度会有明显增加趋势。本文研究中，陷阱分布规律相同，最大陷阱密度对应的陷阱能级基本相同。随着老化时间的增加，陷阱分布曲线整体抬高，而能级分布范围基本不变，陷阱峰值密度与陷阱曲线下面包围的面积（即陷阱总电荷量）呈正相关，因此可取陷阱分布曲线的峰值作为特性参数分析。
图４为１０ｋＶ电压下更完整的陷阱密度随时间的变化规律。由图４可见，发现电子和空穴陷阱密度随老化不断增加，在老化起始阶段增加较快，但老化至２～３ｄ时，陷阱密度增速减缓，且有逐渐趋于饱和的趋势。注意到电子陷阱与空穴陷阱密度单调增长的规律不同，它在６～
７ｄ时有一个短暂的下降点。２）Ｂ组试品
当温度为４０°Ｃ、相对湿度为２５％、老化电压为１４ｋＶ时，
陷阱密度的变化规律如图５所示。由图５可见，与图４变化趋势相同，随着老化时间的增加，电子和空穴陷阱密度逐渐增加，最终有“饱和”的趋势。但在７ｄ时电子陷阱密度变小，原因可能为此时绝缘子片表面出现硬化而使得电子陷阱无法显现出来，而空穴陷阱密度则呈现出较为明显的单调增长规律。
１
８９宋 伟，申文伟，王国利，等．电晕放电老化对高温硫化硅橡胶材料陷阱特性的影响
图３ １０ｋＶ电压下不同老化时间的电子和空穴陷阱分布Ｆｉｇ．３ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｕｎｄｅｒ １０ｋＶ ｖｏｌｔａｇｅ
３）Ｃ组试品
当温度为４０°Ｃ、相对湿度为２５％、电晕电压为１５ｋＶ时，对实验室老化后的样片进行电子和空穴陷阱特性的测量。测量结果如图６所示。由图６可见，电子陷阱密度在１５ｋＶ老化电压下，与１０ｋＶ、１４ｋＶ电压下具有相同的老化变化规律，说明在老化７ｄ后，确实有陷阱密度下降这一现象的存在，而空穴陷阱密度规律性良好。
２．２ 电晕放电老化试品ＳＥＭ分析
对实验室老化样片进行ＳＥＭ分析，观察不同老化程度样片的表面微观形貌变化。图７为Ｃ组部分试样的ＳＥＭ分析结果。由图７可见，未老化样片表面致密完整，没有明显的孔洞，表面白色斑点为成型时加入的Ａｌ（ＯＨ）３填料；老化１ｄ后，样片表面出现零星的孔洞，由带电粒子撞击造成，但孔洞半径不大，深度也很浅，密度很小；而老化２ｄ后，表面出现了大量的孔洞，孔洞增大，深度加深，破坏程度增加；老化至４ｄ时，可看到表面部分缺失，这是带电粒子持续作用累积的效果，说明硅橡胶材料发生了较大程度的破坏。孔洞、裂纹等缺陷的产生导致了新的物理性陷阱的产生
。
图４ １０ｋＶ电压下电子和空穴陷阱密度随老化时间的变化Ｆｉｇ．４ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ａｇｅｉｎｇ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ １０ｋＶ ｖｏｌｔａｇ
ｅ
图５ １４ｋＶ电压下电子和空穴陷阱密度随老化时间的变化Ｆｉｇ．５ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ａｇｅｉｎｇ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ １４ｋＶ ｖｏｌｔａｇ
ｅ
图６ １５ｋＶ电压下电子和空穴陷阱密度随老化时间的变化Ｆｉｇ．６ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ａｇｅｉｎｇ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ １５ｋＶ ｖｏｌｔａｇｅ
２．３ 电晕放电老化试品ＸＰＳ分析
对实验室老化样品进行ＸＰＳ测量，分析不同老化时间后的原子百分比及价态变化。选取未老化和１５ｋＶ电压下老化１ｄ、２ｄ、４ｄ后的样片进行了测
２
８
９高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（４）
图７ 电晕放电老化导致表面微观形貌的变化
Ｆｉｇ．７ Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ａｆｔｅｒ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｇｅｉｎｇ
量。表２列出了ＸＰＳ测量对各谱峰进行精细扫描的结果，可以分析得到各元素的价态变化情况。由表２可见，未老化的绝缘子表面化学基团多以－ＣＨ３、－Ｓｉ－Ｃ等形式存在，而老化后原有基团遭到破坏，且出现了Ｃ－Ｏ、－Ｃ＝Ｏ、－ＯＨ等强极性键，随着老化时间的增加，这些基团的数量也不断增加。当老化４天时，甲基基团已经被大量破坏，而且硅橡胶分子链的主链Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ也大量断裂，使分子链变短。同时材料表面出现了无机物的硅元素，说明在电晕过程中有硅的氧化物生成，如ＳｉＯ３或ＳｉＯ４等。这表明，电晕的作用导致硅橡胶分子链遭到破坏，长链断裂，分子结构外侧大量的甲基基团被破坏，同时硅氧主链的硅氧键－Ｓｉ－Ｏ失去甲基的屏蔽，且在周围形成了很多－Ｃ＝Ｏ，－ＯＨ等强极性基团，从而导致大量化学陷阱的产生。
２．４ 现场运行绝缘子老化后陷阱特性
２０１１年摘取了河南１１０ｋＶ线路不同运行时间的复合绝缘子，运行时间分别为２ａ（２００９年挂网）、３ａ（２００８年挂网）、５ａ（２００６年挂网）、６ａ（２００５年挂网）、９ａ（２００２年挂网）、１０ａ（２００１年挂网）、１２ａ（１９９９年挂网）、１４ａ（１９９７年挂网）、１５ａ（１９９６年挂网）。现场运行绝缘子试品表层存在大量污秽，影响陷阱特
表２ 电晕放电老化后绝缘子材料表面基团
及其原子百分比分析
Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｆｔｅｒ ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｇｅｉｎｇ元素编号峰位／ｅＶ
可能的
基团
原子百分比／％
０ｄ１ｄ２ｄ４ｄＣ１ ２８６．１－ＣＨ３５３．１２ ４３．０１ ３２．７４ ２７．３４Ｃ１ｓＣ２ ２８６．６Ｃ－Ｏ ０．４８ ９．２２ １７．０７ ２０．８３Ｃ３ ２８８．０Ｃ＝Ｏ ０ ０ ３．０４ ５．３１
Ｏ１ ５３２．１Ｃ＝Ｏ ０．２１ ０ ２．９７ ３．８１Ｏ１ｓＯ２ ５３２．７Ｓｉ－Ｏ ２４．０１ ２１．５１ １７．２１ １４．４５Ｏ３ ５３３．７－ＯＨ ０．８７ ６．２２ ８．０１ １０．７１Ｓｉ２ｐ
Ｓｉ１ １０２．３９无机硅相０ １．３０ ４．６１ ６．６２
Ｓｉ２ １０３．６７有机硅相２１．３２ １８．７４ １４．３４ １０．８５注：峰位是指某化合价态元素的电子结合能；原子百分比是指某价态原子数占材料分子中总原子数的比例。
性测量，因此测试前需将试品清洗干净，可按１．１节中所述的方法进行试品处理。由于硅橡胶材料具有憎水性迁移性，表面污秽层中存在一定量的小分子，虽然在清洗过程中不可避免地会洗去污秽层中的小分子，但材料表层的缺陷基本不受影响，因此本文测量的是材料表层的陷阱特性。
现场运行绝缘子片的电子陷阱分布规律如图８所示。相比图３中实验室电晕放电老化样品的陷阱
３
８
９
宋 伟，申文伟，王国利，等．电晕放电老化对高温硫化硅橡胶材料陷阱特性的影响
图８ 现场运行绝缘子片的电子陷阱分布规律
Ｆｉｇ．８ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
分布结果，图８的现场结果更加“光滑”，这是由于实验数据处理方法的差异所造成的，图８中增加了曲线前半段的数据点，所以显得比图３更加光滑，但其实２者并无本质上的区别，这２种数据处理方式对陷阱峰并无影响。由图８可见，电子陷阱密度随着运行时间的增加而不断增长，运行２ａ时，最大陷阱密度只有１．１８４×１０１９ ｅＶ－１·ｍ－３，而运行１０ａ时增加至１．９２６×１０１９ ｅＶ－１·ｍ－３，到１５ａ时增加至２．２５×１０１９ ｅＶ－１·ｍ－３。
所有现场绝缘子样片的电子陷阱密度Ｎｅ（ｔ）随运行时间ｔ的变化规律如图９所示。由图９可见，整体上电子陷阱密度随运行时间而呈现上升趋势，但局部呈现出不升反降的不规律性，尤其是在运行１２ａ（１９９９年挂网运行）时出现较大幅度的下降。
现场运行绝缘子片的空穴陷阱分布规律如图１０所示。由图１０可见，空穴陷阱密度随运行时间的变化规律性较好，整体数值不断增大，与电子陷阱相比，空穴陷阱密度的增加幅度较小。此外各运行时间下的空穴陷阱能级差别不大，其分布曲线也不如电子陷阱曲线“尖锐”，这与２者的特性有关。
所有现场绝缘子样片的空穴陷阱密度Ｎ
ｐ
（ｔ）随运行时间ｔ的变化规律如图１１所示。由图１１可见，空穴陷阱密度随运行时间呈现出明显的增长规律，除运行３ａ的样片偏差较大外，其他数据点偏差很小，基本上分布在１条曲线附近。
３ 实验结果分析
硅橡胶材料的主要成分为聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ），并添加一定量的炭黑和Ａｌ（ＯＨ）３填料，以增加材料的机械强度和耐高温性能。电晕放电老化会产生大量高能带电粒子，并生成臭氧，臭氧和空气中的水分作用形成硝酸。在直流电场的作用下，
带
图９ 电子陷阱密度Ｎ
ｅ
（ｔ）随运行时间ｔ的变化曲线Ｆｉｇ．９ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｙｅａｒ
ｓ
图１０ 现场运行绝缘子片的空穴陷阱分布规律
Ｆｉｇ．１０ Ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏ
ｎ
图１１ 空穴陷阱密度Ｎ
ｐ
（ｔ）随运行时间ｔ的变化曲线Ｆｉｇ．１１ Ｈｏｌｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｙｅａｒｓ
电粒子加速撞击到材料表面，造成机械破坏，研究表明［２６］，电子到达材料表面时的平均动能为３０８ｋＪ／ｍｏｌ，最高可达９６３ｋＪ／ｍｏｌ，而ＨＴＶ硅橡胶中主链Ｓｉ－Ｏ键的键能约为４６１ｋＪ／ｍｏｌ，Ｓｉ－Ｃ键的键能约为３０１ｋＪ／ｍｏｌ，侧链甲基中Ｃ－Ｈ键的键能为４１３ｋＪ／ｍｏｌ，因此带电粒子能够对硅橡胶中多数的化学键造成破坏，切断硅氧主链，造成聚合物大分子降解，同时生成大量的活性基团。这些活性基团在空
４
８
９高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（４）
气中氧及硝酸的作用下会发生一系列化学反应，如氧化反应、水解反应、缩合反应以及交联反应等，生成－Ｃ＝Ｏ、－ＯＨ等强极性基团，造成分子结构相互交联，结构柔顺性降低。因此电晕放电老化不仅会造成材料表面出现大量孔洞、裂纹、缺失等物理性缺陷，而且会产生大量化学性缺陷，这些孔洞及化学基团形成电荷的捕获或复合中心，从而形成大量陷阱。这就可以解释随着老化的进行，电子或空穴陷阱密度不断增加的现象。
另外还发现，各能级下对应的陷阱密度均匀增加，这说明新陷阱是在原有缺陷基础上发展的。此外，电子陷阱密度在一定老化阶段出现短暂的下降点，可能与材料表面硬化有关，根据表２中ＸＰＳ分析结果可知，电晕放电老化过程中有无机硅生成，随着老化的加深，无机硅在材料表面形成一层致密的氧化层，造成陷阱测量时电子无法注入导致部分电子陷阱无法测量。而随后电晕放电作用破坏氧化层，老化继续向材料内部发展，此时测得的陷阱密度又会重新增加。
相比实验室老化，现场老化因素更加复杂，除电晕放电老化对材料的破坏之外，日光紫外辐射、电弧放电、污秽的化学腐蚀以及个别地区风沙对复合绝缘子的风蚀作用都会对复合绝缘子材料表面造成破坏。本文选取的复合绝缘子样片污秽程度并不严重，且运行环境较好，主要考虑电晕放电老化、日光紫外辐射对材料的老化作用，在这些因素的影响下，复合绝缘子伞裙材料缺陷增加，造成电子和空穴陷阱密度不断增长。
对比电晕放电老化后试品陷阱特性的变化，现场老化绝缘子材料也呈现出相似的规律，尽管结果有一定的分散性，但可以说明陷阱密度与老化确有明显的相关特性，其中空穴陷阱密度重复性好，规律性更强，有望成为一种表征复合绝缘子材料老化的新型的定量特征参数。
４ 结论
本文针对复合绝缘子伞套材料ＨＴＶ硅橡胶电晕老化后的陷阱特性进行了研究，并结合ＳＥＭ和ＸＰＳ分析，对电晕放电老化作用机理以及陷阱产生的原因做了合理的解释。在此基础上，研究了现场老化绝缘子材料的陷阱特性变化规律。得出以下结论：
１）ＨＴＶ硅橡胶材料电子和空穴陷阱密度呈现“钟形”分布，随着老化的进行，各能级对应的陷阱密度均匀增加，这说明新陷阱是在原有缺陷基础上发展的。
２）电晕放电老化的初始阶段，电子和空穴陷阱密度增长较快，但到一定阶段后，增长速度减缓而逐渐趋于饱和，在不同老化阶段呈现出不同特点。
３）ＳＥＭ和ＸＰＳ分析结果表明，硅橡胶材料老化是电晕带电粒子的机械破坏以及化学腐蚀共同作用的结果。
４）现场老化绝缘子材料的陷阱密度随运行时间而呈现不断增长的规律，空穴陷阱密度有望成为一种表征硅橡胶材料老化的新型特征参数。
复合绝缘子的宏观电气、机械性能与其伞裙硅橡胶材料特性如憎水性、陷阱特性、胶含量、耐电蚀性等密切相关。深入分析材料的老化特性，找寻特征量，建立材料特性与宏观电气、机械性能的关系，从而对复合绝缘子老化状况进行科学评估。这正是作者下一步的研究计划。
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ＳＯＮＧ Ｗｅｉ
Ｐｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ
宋 伟
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Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｎｚｚ６７９０＠１２６．ｃｏ
ｍ
ＳＨＥＮ Ｗｅｎｗｅｉ
申文伟
１９８８—，男，硕士生
主要从事电力系统外绝缘、真空沿面闪络方
面的研究
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗｗ．ｈｅｌｌｏ＠ｓｔｕ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期 ２０１２－０７－１０ 修回日期 ２０１２－１２－１２ 编辑 李 东
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９高电压技术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０１３，３９（４）