三种绝缘子材料的分析及其研究进展

Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１２

·２８·化　工　新　型　材　料

ＮＥＷ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第３９卷第１２期

２０１１年１２月

三种绝缘子材料的分析及其研究进展

马立民１　崔　威２　于德梅１＊

（）西安交通大学，西安７１．１００４９；２．甘肃电力公司生技部，兰州７３００５０

摘　要　论述了绝缘子对于电力系统稳定运行的重要意义。详细介绍了陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子以及复合绝缘子所并分析了化学组成对于绝缘子电气性能用材料的化学组成与结构。根据其化学组成的不同对各绝缘子进行了分类介绍，

与机械性能的影响。介绍了外部作用对于绝缘子性能的影响，尤其详细描述了电晕、紫外线等外力作用对硅橡胶绝缘子化学结构的影响及其机理。

关键词　瓷绝缘子，玻璃绝缘子，复合绝缘子，材料老化

Ａｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｉｒｒｏｒｅｓｓ　　　　　　　　　　ｙｐｇ

１２１

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人类对于电能的需求日益增长。　　随着进入电气化时代，

由于电力资源分布不均，局部电力系统间的互联成为必然趋势。然而这种互联也将局部电网的故障风险扩展至整个电网系统。例如，１９６５年１１月９日北美东北部电网大停电，１９７８年１以及２２月１９日法国大停电，００６年１１月４日西欧电网大这些事后都被证明是由于局部电网出现问题而导致整停电，

个电网运行的中断

［１］

以硅石、长石、粘土为主要原料，典型的配比为硅石１５％长石２粘土３在１０％，０％～４０％，０％～４０％，２００℃高温下～３

烧结制得。烧成后的瓷成分为两部分：结晶相的比例在１０％及玻璃相的不均０％左右的石英与１０％～２０％的莫来石，～２

但由于内部结构上匀混合物。该类陶瓷具有良好的成型性，

，三相共存，结构不够致密）导致其机械强度低。的原因（

。

线路绝缘子作为输电线路的主要构件之一，其作用是支撑导线、防止电流回地以及增加爬电距离，它的性能对于电网的稳定运行有着重要影响。因此，对于绝缘子性能的影响因素的研究自然成为目前相关研究的重点。长期在线运行表明，对绝缘子产生影响的外部因素主要有雷击、污闪、冰害、鸟

］２３－

。通过分析这些因素的作用方式，害、以及外力破坏等［发

１．２　含氧化铝瓷

此种瓷是为改善长石质普通瓷的机械强度低的不足而开发的高强度瓷。其特征是加入了１０％～４０％的氧化铝作为原料。烧成后的瓷，其结晶相除氧化铝以外，另有８％～２０％的莫来石以及不足１０％的石英。由于氧化铝结晶所具有的高弹这种绝缘用瓷的机械强度要比长石质普性系数与固有强度，通瓷高。

现主要是对绝缘子的电气性能与机械性能产生了影响。而这些性能都与所用绝缘材料的化学结构息息相关，本文将分别从三大绝缘材料的化学成分出发，分析其对各绝缘子电气性以及由此导致的各种特性与优缺点，从能与机械性能的影响，而提出其改进的方向。

１．３　氧化铝瓷

此种瓷为高温绝缘用瓷，与含氧化铝瓷相比，其原料中氧化铝所占比例更高，一般在８０％以上。由于氧化铝的烧结温度一般需要在１在工业上制造氧化铝瓷时，需添加７５０℃以上，，烧结促进剂（锰、钛等氧化物和镁的硅酸盐等）使其在约１６００℃左右即可烧成。由此制得的氧化铝瓷具有以下特征：（）（）（机械强度高；高温电气绝缘性能优异；耐热温度高，１２３）耐磨性好。

１　陶瓷绝缘子

陶瓷是将无机非金属材料的粉末粘结塑型后，经高温烧结定型后制成的一种非匀质固体材料。根据绝缘用瓷所用原料类型与比例的不同，绝缘用瓷还可分为以下几类：

１．４　氧化锆瓷

此为另一种高温绝缘用瓷，通过将占比例５０％以上的

１．１　长石质普通瓷

联系人：于德梅。

，作者简介：马立民（男，硕士研究生，主要研究方向为绝缘材料与导电高分子材料。１９８７－）

第１２期

马立民等：三种绝缘子材料的分析及其研究进展

·２９·

ＺｒＳｉＯ２Ｏ２·２中添加长石及碱土类金属的碳酸盐与粘土的混（合物烧制而成。其特点为：热膨胀系数低；耐热冲击性能１）（）（）机械强度高；高频特性好。优异；２３

作为最早使用的绝缘子材料，瓷绝缘子具有加工制作容易控制，取材方便，价格便宜，性能稳定等优点，目前仍在许多国家广泛使用。陶瓷的物理与化学性质非常稳定，其化学结其中金属原子周围的化学键都被氧原子所构以离子键为主，

占据，使金属原子被包裹在氧原子紧密排列的间隙当中，很难再同介质中的氧发生作用，甚至在高温时也是如此，所以具有很高的耐火性能和不可燃烧性；此外，由于化学Ｓｉ－Ｏ键化学性质稳定，使得陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质具有较强

４］

。的抗腐蚀能力［

串的电压分布较均匀，有利于降低导线侧和接地侧附近绝缘子所承受的电压，从而可以减少无线电干扰降低电晕损耗，延

９］

。高频振动疲劳试验结果表明，玻璃长绝缘子的使用寿命［

绝缘子的机电强度振动后变化不大，而振动后瓷绝缘子的机电强度明显下降。综上可见，玻璃绝缘子具有优异的电气绝缘与机械性能，是目前绝缘子发展的一个重要方向。

然而玻璃绝缘子也有其不足之处。由于表面为高能面，有亲水性，玻璃绝缘子在被水浸润后会形成连续水膜，形成导电通路，导致沿面泄漏电流较大，抗污闪能力差，易发生污闪需要对其进行定期的现象。相对于后边提到的复合绝缘子，

１０］

。此外，人工清扫或者喷涂憎水涂料作为补救［玻璃材料在

长时间接触水、污物等的情况下，会导致其碱金属的溶出，从

７］

。而使得玻璃表面出现裂纹等，导致力学性能下降［

然而陶瓷作为三相（结晶相、玻璃相和气孔）共存的非均质材料，存在大量的内部缺陷。在长期使用过程中，这些缺陷会逐步扩展，导致机械性能的下降。此外，由于绝缘子上瓷件、铁帽、钢架膨胀系数不同产生的热应力，同样会使得缺陷扩散，导致绝缘子失效。在遇到污闪、雷击等的冲击时，这些绝缘子掉落等情况的出现。要发现缺陷可能导致铁帽炸裂，

这些出现缺陷扩散问题的绝缘子，必须进行登杆逐片检测，需物力；此外由于误判和漏检等情况的存在，花费大量的人力、

５］

。检测的作用也会大打折扣［

３　复合绝缘子

复合绝缘子，或称有机绝缘子，最早出现在１９世纪４０年代，当时采用环氧树脂作为绝缘材料制成了供室内使用的绝但由于其户外耐老化性能差、容易失效，未能实现户外缘子，

１１］

。此后直到１德、美、法等国才开始应用［９世纪六七十年代，

制造由高分子聚合物伞裙和环氧树脂增强的玻璃钢芯组成的德国人首次采用高可供室外使用的复合绝缘子。７０年代初，

１２］

。有机聚合物材料温硫化硅橡胶（用于复合绝缘子［ＨＴＶ）

２　玻璃绝缘子

玻璃是由石英砂、白云石、长石、石灰石和其它化工原料经过高温熔融成液体后冷凝而成的一种均质非晶体。虽然具有无机材料的优异绝缘性能，一般的玻璃材料由于机械性能并不能满足绝缘子材料的要求，直到钢化玻璃的出现，不足，

弥补了玻璃材料的这一缺陷。玻璃材料在加热到接近的软化点后，通过快速均匀的冷却即可得到钢化玻璃。此种玻璃由于获得均匀分布的钢化内应力，而显著提高了材料机械强度

６］

。根据化学成分的不同，和耐冷热急变性能［玻璃绝缘子也

其绝缘性能优异，此外还具有很低由于其稳定的共价键结构，

的表面能，从而保证绝缘子在潮湿环境下仍具有优异的绝缘性能。

目前市面上常见的复合绝缘子主要由使用环氧树脂与硅橡胶作为其绝缘材料。根据硫化条件的不同，硅橡胶又可分为高温硫化橡胶与室温硫化橡胶。下面主要就以硅橡胶绝缘子为例进行深入分析。

疏水性恢复”３．１　复合绝缘子的“

当复合绝缘子在线运行一段时间后，由于放电或是污物其疏水性会出现下降。但不同于其他绝缘子，硅橡胶的作用，

１３］

。目绝缘子的疏水性在一定条件下会部分或完全得到恢复［

可进一步分为以下几类：

（）石英玻璃，由硅砂和水晶的粉末约在１１８００℃下加热熔融而制成，几乎不含碱成分，电阻率高，介质损耗小，绝缘性能优异。

（）钠钙玻璃，软化温度低，碱成分多，导致不适合电气绝２

从而引入Ｂ介电特性缘。通过在加热时加入碳酸钡矿，ａＯ后，得到改善。

（）铅玻璃，含Ｐ软化温度低，加工容易，绝缘３ｂＯ的玻璃，性好。

（）硼硅玻璃，碱成分少，加工容易，机械性能优良。由于４

硼元素的存在，使得玻璃绝缘子带有一定的抗菌性，从而避免

７］

。了细菌等微生物对绝缘子的腐蚀作用［

前，主要有三种机理可解释这一现象：极性基团的定向作用，

１４］

。低分子量硅胶的迁移以及表面羟基基团的聚合［

极性基团定向理论认为在发生轻微表面氧化的硅橡胶部分，原有分子链中的极性基团会重新定向，形成由表面指向基体的定向基团，从而抵消了氧化造成的疏水性能的损失。而目前得到普遍承认的低分子量硅胶迁移理论则认为，疏水性小分子（原本存在的以及由于老化生成的低分子量硅油）向材料表面，尤其是那些丧失了疏水性能的表面的迁移，是绝缘子表面疏水性恢复的主要原因。这些低分子量硅油的主要组成部分据信为环状结构的Ｐ其分子结构通式为ＤＭＳ低聚物，［（ＣＨ３）ＳｉＯ］＝４～９。此外也有部分线状低聚物发ｎ，其中ｎ挥了作用。而第三种解释，即表面羟基基团的聚合，由于相关

］１５１７－

。研究并不充分，且其作用有限，这里就不再列出［

玻璃绝缘子是在１９世纪７０年代以后才出现的新型绝缘子，在经过钢化后，其表层会形成很高的压应力，使其在出现缺陷时会迅速发展导致自爆，避免发生低值和零值等失效情况的出现，在运行过程中不需如瓷绝缘子般登杆检查，从而减自爆后的玻璃绝缘子仍有少维护所需的人力与物力。此外，

较高的残余强度，能保持绝缘子串的完整而不会引起绝缘子

８］

。玻璃的介电系数较高，爆炸而导致掉线事故［玻璃绝缘子

３．２　复合胶绝缘子的老化

绝缘子在使用中会受到各种因素的影响导致其化学成分使得其性能收到影响。对于复合有机绝缘与结构发生改变，

主要有以下几种因素导致其出现老化和性能下降：紫子来说，

·３０·

外线照射，电晕放电以及电弧放电。３．２．１　紫外线照射

化工新型材料

第３９卷

［吴向东，杜勇．湖北地区５３］００ｋＶ输电线路绝缘子运行状　彭泽君，

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［］ｌａｓｍａｔｒｅａｔｅｄｏｌｄｉｍｅｔｈｌｓｉｌｏｘａｎｅｓｕｒｆａｃｅｓＪ．ＪＣｏｌｌｏｉｄＩｎ－　　　　－ｐｐｙｙ，（）：ｔｅｒｆａｃｅＳｃｉ１３７１１１２４．　－

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［］，ｅｔｈｌｓｉｌｏｘａｎｅａｆｔｅｒｅｘｏｓｕｒｅｔｏｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｅｓＪ．Ｐｏｌｍｅｒ　　　　　ｙｐｇｙ（）：１９９８，３９１０１９９１１９９８．－

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［］１９ｏｓｈｉｍｕｒａＮ，ＫｕｍａａｉＳ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｉｎ　Ｙ　　　　　ｇｇｇ

［］ｏｆｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒｕｓｅｄｉｎｏｕｔｄｏｏｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎ　　　　　　　　，（）：１９９９，６５６３２６５０．ＤＥＩ－

［］２０ｕｂａｎｓｋｉＳ　Ｍ．ＰｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒｈｏｕｓｉｎｓａｎｄＣｏａｔ　Ｇ　　　　　　　－ｐｇ

［］，（）：ｉｎｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＥＩ１９９２，２７２３７３３８２．　　　－ｇ

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ａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＲＴＶｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒｃｏａｔｉｎｓｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ　　　　　　　　　ｇ［］，：ｄｒｂａｎｄａｒｃｉｎＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＤＥＩ１９９４，１（１）ｄｕｒｉｎ－　　　　ｙｇｇ　１０６１２３．－

［］］２３Ｊ．职业技能，２００６，　赵华，蔡晓华．复合绝缘子特性的研究［

（）：５２６１９８１９９．－

［］２４　张秀敏，张晓东．高压户外复合绝缘子外绝缘材料的研究与应

］（）：用进展［Ｊ．绝缘材料，２００６，３９１４６５１．－

紫外线作为高能光束，会对化学键产生作用，使其发生断裂以及重排反应。相对于陶瓷与玻璃材料，紫外线对于高分子材料的作用尤其显著。实验表明，随着紫外线照射的增加，

１８］

。分析认为，硅橡胶的疏水性能逐渐降低［这是由于在紫外

硅橡胶中能量较低的Ｃ－Ｈ键与Ｓ线的照射下，ｉ－ＣＨ３键会发生生成具有亲水性硅烷醇基团。此外断裂反应生成的自断裂，

由基会与低分子链发生交联，从而导致低分子链硅油数目的减少

［１９］

。

３．２．２　电晕放电

在一定时间段内，电晕放电可以加速疏水性能的恢复。然而随着放电时间的延长，则疏水性能逐渐下降。这是由于电晕放电可以产生低分子量硅油，从而加速疏水性能的恢复，然而电晕放电同时会产生硅烷醇基团与羰基基团等亲水性基团，随着这些亲水性基团含量的逐渐增加，这些亲水基团可以与低分子量链段发生相互作用并阻碍链段向硅橡胶表面的移

］２０２１－

。从而导致疏水性能的下降［动，

３．２．３　电弧放电

电弧放电对于绝缘子的作用包括两个方面，电气作用与热作用。首先，电弧放电产生的高热能可使硅橡胶高分子的但由于温度太高（主链发生断裂并生成低分子链硅油，＞，远高于低聚物硅油的沸点，导致低聚物大量挥发，疏５００℃）水性能反而下降。其次，电弧放电对于硅橡胶表面的影响也极其显著，由于放电与强烈放热的作用，硅橡胶的表面发生了一系列的化学变化，生成了主要成分为无定形ＳｉＯＳｉＯ２、２水

］２２２３－。合物（及硅碳石的亲水性多孔无机薄层［ＳｉＯＨ２Ｏ）２·ｘ

因此，即使具有恢复疏水性能的低分子链段不挥发，生成的亲水表面也会导致绝缘子疏水性能的丧失。

３．３　复合绝缘子的不足与改进方向

硅橡胶绝缘子电气性能和憎水性都很好，但价格较高并且在使用过程中在出现性能退化后，难以通过现场检测的手段发现，限制了它的使用。因此，亟需研究出能够进行快速在线检测的仪器以提高检测效率。绝缘子在运行中由于所处电高压端的绝缘子伞裙会出现电晕现象，导致硅胶场极不均匀，

２４］

。表面出现电蚀损和电痕化现象，从而降低其表面性能［

４　结论

由于材料的化学结构的不同，３种绝缘子材料具有各自不同的电气与机械性能，以及由此而来的各种优缺点，因此在选用过程中为了达到最佳的经济效益与安全系数，要充分考虑使用条件及工作要求以进行选择。此外，应当继续就各种绝缘子的性能进行研究以改进，以满足现在及未来可能出现的各种需求。

参考文献

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收稿日期：２０１１０１２４－－