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SMS复合材料制成的绝缘子，能否提升自身的抗紫外线老化性能？原创2023-05-31 09:14·云边小鲤娱文 | 古梦今说编辑 | 古梦今说-＜SMS复合材料＞-在高压输电系统中，绝缘是一个关键参数，因此绝缘子对系统的可靠性起着重要作用。在过去的几十年里，由于聚合物绝缘子比传统的陶瓷和玻璃绝缘子具有更多的优点，以及不同的优良特性，如机械强度、高热能力和轻质等，因此被用于户外高压绝缘。接下来，小梦将为大家讲述SMS复合材料制成的绝缘子，能否提升自身的抗紫外线老化性能。聚合物绝缘子还拥有特殊的疏水性，在污染闪络方面有更好的表现。相反，由于其有机性质，聚合物绝缘体对环境条件很敏感，特别是紫外线风化，会导致化学结构逐渐分解。因此，疏水性损失、粉化、开裂、分解损失、机械强度和化学链的损坏都会发生，导致性能不佳和较少的使用寿命。此外，对于使用聚合物绝缘子作为户外绝缘，抗紫外线和其他环境压力是CIGRE WG D1.14中指出的12个物理参数之一。为了了解聚合物绝缘子的长期性能、老化行为和使用寿命，已经开发和应用了各种模拟风化条件的实验方法。但是，对于特定天气条件下的老化行为和填充物的选择，仍需要更多的努力来提高聚合物绝缘子的性能。对于户外聚合物绝缘子，许多研究小组已经描述了在役老化和实验室在众多因素风化下的人工老化。此外，还进行了一些研究来调查硅橡胶作为户外绝缘体的性能。最近，硅橡胶及其复合材料的抗追踪性和侵蚀性与热分布一起被评估。同样，使用STRI疏水性的分类指南研究了硅橡胶在不同温度下的疏水性。结果发现，新硅橡胶的表面疏水性即使在浸泡8天后也没有完全丧失，这表明硅橡胶的可持续性得到了改善。不同的研究评估了不同填料和尺寸的环氧树脂及其复合材料的绝缘性能。同样，在直流电压下，研究了用不同负载量的巴克明斯特-富勒烯C60填充的环氧树脂的表面电荷积累。结果发现，在环氧树脂中添加200ppm的富勒烯C60，可以明显减少绝缘体表面的电荷积累。根据液体渗透试验研究环氧树脂和SiR及其含有纳米/微米二氧化硅填料的复合材料的性能。结果表明，抗浸透性受填料颗粒大小和重量的制约。对于高压交流电的聚合物绝缘子的表面退化、老化和寿命估计，已经进行了大量的研究。然而，为了远距离传输更多的电力，HVDC和UHVDC被认为是一个经济的选择，与全世界的HVAC相比。此外，由于绝缘子上的污染积累较多，在高压直流的情况下，老化和退化现象是主要的。因此，研究聚合物绝缘子在HVDC压力下的性能以及紫外线和热老化是一项重要任务。研究人员对交流和直流压力进行了一些研究，以评估考虑不同参数的长期性能，如抗紫外线风化、电晕效应、抗跟踪和侵蚀。这些研究报告指出，在直流电压下，绝缘子的材料特性有相当大的损失。同样，在对聚合物绝缘子在直流电压下的长期性能分析中，与交流电压相比，观察到了较高的表面退化和泄漏电流。然而，有关紫外线风化、吸水现象、热降解以及在高压直流下对复合绝缘子的硬度参数评估的信息还不够充分。-＜实验设置＞-A. 试样的制备低粘度原始PDMS材料SiR（RTV-615）从WiLKON分销商（中国）处采购，分为A和B两部分，而环氧树脂（二缩水甘油醚-双酚A：DER-331）从陶氏化学北京公司（中国）处购买。尺寸为10nm和5μm的SiO2颗粒的填料来自中国武汉新立信化工。四甲基秋兰姆二硫化物（TMDT）、氧化锌、巯基苯并噻唑（MBT）和硬脂酸被用来作为制备样品的辅助添加剂。对于SiR复合材料，使用重量百分比进行制造。制备样品时，保持基础聚合物（A）和策剂（B）的比例为10：1。为了使二氧化硅填料均匀地分散到硅橡胶基体中，使用了高剪切力混合器和超声机。在开始加工之前，二氧化硅颗粒在160°C的烘箱中保持24小时，以吸收水分。首先，将干燥的二氧化硅加入到RTV-615 SiR中，并混合以润湿填料。搅拌直到完全去除块状物。在混合过程中，搅拌器的温度、时间和速度分别保持在150℃、20分钟和50rpm。随后，加入凝固剂并缓慢混合几分钟，以获得均匀的最大的二氧化硅分散。然后在真空中对混合物进行脱气，以去除气泡。最后，脱气后，将混合物倒入模具。为了制备环氧树脂样品，纳米二氧化硅最初使用乙醇溶液进行分散，以避免粘连。然后将该溶液置于超声波浴（40 kHz）中90分钟，以达到精细分散。随后，使用转速为3600rpm的剪切混合器将环氧树脂添加到混合物中，持续30分钟。最后，将乙醇、填料和环氧树脂的混合物在80℃的烤箱中保持4小时，直到乙醇完全蒸发。选择的温度高于乙醇的沸点。然后将该混合物置于真空中以去除气泡。脱气后，将混合物放在模具中，在室温下保存24小时。下表中给出了样品的名称，以及它们的代码和研究中考虑的填料浓度。B. 环境室和风化条件一个由亚克力板组成的环境室被用来做实验。2.5千伏的正极性直流电压与所需的加速紫外线应力的模拟风化条件一起被施加在箱体内。应用的直流电压是通过一个整流器从一个220V/5kV的中心抽头变压器获得的。为了保持50°C的热应力，在试验室内安装了四个各500瓦的电加热器和一个温度控制器。三个UVA-340 (20-W)荧光灯被安装在试验室中，以模拟加速的紫外线风化条件，因为UVA-340在从365纳米到295纳米的太阳能截止点的关键短波长区域可以最好地模拟太阳光。此外，对样品表面的紫外线强度的测量是用Lutron测光仪（UV-340A）完成的。测试样品被安装在紫外灯前的铜电极上，这样每个样品的一面被暴露在紫外光下。复合材料的目标面的紫外线应力保持在15W/m2。所有的样品都按照IEC61109的规定，以20mm/kV的特定爬电距离通电。为了评估复合材料的耐候性，紫外线耐候性，连续进行了3600小时的直流电压力。此外，在老化后还进行了几次浸水试验，以评估紫外线老化对复合材料的抗水渗透性的影响。一个电热恒温干燥箱（XMTD-702）被用作烤箱来进行沸水试验。-＜特性＞-A. 视觉检查在老化期结束后，进行了视觉检查，看是否有由加速的紫外线风化、热和电应力引起的重大开裂、粉化和变色。所有的样品都在灯下通过la ens进行适当的分析。通过一个高分辨率的数码相机拍摄照片，记录每个样品的表面状况。B. 疏水性疏水性的评估是监测复合绝缘体性能的基本参数之一。复合材料的表面化学和润湿性可能会由于风化而改变，这就需要在老化后对其进行调查。测试程序如下。每个样品用自来水喷洒20秒，在10秒内用高分辨率数码相机拍摄照片。为了评估疏水性，根据STRI指南[34]，将样品图像与标准图像（HC1-HC7）进行比较。C. 泄漏电流泄漏电流分析是聚合物绝缘体老化调查中的一个关键参数。泄漏电流的测量采用了间接测量法。1MΩ的电阻器与每个绝缘体样品的死端串联。使用UT-70B万用表通过识别每个电阻上的电压，在间隔240小时后测量泄漏电流。泄漏电流是通过使用以下数学计算来测量的，如下所示：D. 硬度和重量研究了应力对机械性能的协同影响，如试样的重量和硬度。每个样品的硬度和重量都在每10天的老化后进行测量。同时，记录这两个参数以了解老化对复合材料吸水率的影响。硬度测试是根据GB/T 531-2008（类似于ASTM D2240）使用硬度计（Shor-A，0-100 HA）进行的，而样品的重量是使用ANDi电子压缩秤（GT-500）测量的。E. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）被用来调查所有样品的表面形态。在进行显微镜检查之前，在每个样品上进行了2.5纳米的溅射金涂层，因为溅射涂层对于通过SEM调查的绝缘材料是必要的。F. 傅立叶变换光谱法在老化期开始和结束时，使用FTIR光谱仪对原始样品的结构变化进行分析。样品吸收峰的光谱图是用Perkin-Elmer Spectrum 2000 FTIR光谱仪获得的。所有测试中使用的透明材料是溴化钾粉末。G. 抗水渗透性根据ASTM-570规定的程序，对样品的耐水浸泡性和渗透性进行了比较研究。因此，在25℃下进行了24小时的浸泡测试，而在100℃的沸水中进行了2小时的测试。对样品的重量和硬度进行了测量和记录，以供分析。-＜结果和讨论＞-A. 目测检查对样品的视觉观察显示没有重大的裂纹或表面损伤。然而，所有试样都出现了明显的表面变色。注意到NE的表面粗糙，有白色斑点。同样地，NS在紫外线照射的一侧出现了深灰色的表面。而对于ENS、EMS和SMS样品，可以看到表面有白色粉末状的粉化现象。聚合物绝缘体表面的粉化和变色现象可能是由于分子内过程的环化和高电应力与其他应力结合而发生的。此外，低分子量（LMW）分子的消除和表面氧化的启动也会导致聚合物的降解、表面变色和疏水性的丧失。B. 疏水性由于羟基的形成和交联的发生，复合材料的表面疏水性可能随着紫外线的风化而改变。此外，高压直流造成的持续电应力也会影响复合材料的表面疏水性。使用STRI疏水性标准对样品的拒水程度的变化进行了调查。如下图所示，在老化试验之前和之后，对每个样品进行了拍照。每个样品在原始和老化状态下的疏水性等级显示在表中。-＜结论＞-基于SiR和环氧树脂复合材料在高压直流应力下对紫外线耐候性的反应。在直流电压下，两种材料的绝缘性能损失和加速紫外线老化的结果都得到了检验。两种材料的比较研究包括表面变色、疏水性、泄漏电流、SEM、FTIR和抗水/湿度。实验进行了3360个小时。结果表明，所有试样的几种特性都有差异。带有微型和纳米二氧化硅的SiR混合物显示出更好的抗疏水性损失的能力。然而，在SMS的表面发现了明显的褪色和黑点。其余的样品也出现了表面褪色和粉化现象。泄漏电流测量表明，在所有样品中，SNS的泄漏电流抑制效果更好，其次是SMS。扫描电子显微镜（SEM）检查显示NE和NS的表面粗糙度很高，而ENS、SMS和SNS提供了更好的抗裂性和表面畸变。此外，FTIR结果表明，环氧树脂和SiR试样的吸收峰高度在重要组别中明显减少。在SiR复合材料的情况下，发现文数为1008cm-1的重要峰值的损失，这表明了解聚现象。尽管SNS和SMS在所有性能方面都有改善，但在硬度测试中记录的结果相对较弱，其中两种SiR复合材料的硬度都有增加。在水渗透试验中，EMS在高温水浸泡试验后的硬度表现相对更好，其次是SNS和SMS。然而，SMS和SNS在质量吸收值方面显示出更好的抗水能力。总体调查表明，SiR和环氧树脂中的微/纳米填料显示出更好的性能，由于持续的紫外线照射和直流电压下的高温，导致降解时间推迟。
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