李堯 邊琦 劉克 山東省建筑科學(xué)研究院有限公司

引言

現(xiàn)代化工業(yè)蓬勃發(fā)展，增加了電力電纜的供應(yīng)需求量，同時電纜化程度標(biāo)志著城市現(xiàn)代化進程以及生活質(zhì)量的高低。這就足以說明穩(wěn)定并具有經(jīng)濟性的電力傳輸是現(xiàn)階段電網(wǎng)的發(fā)展方向。大容量并自帶高電壓的電網(wǎng)將會提高電力電纜的傳動以及可靠性。隨之而來的就是會加速整個電力電纜的老化程度。眾所周知絕緣層材料以及絕緣層護套材料是主要的電纜中的絕緣材料。一般發(fā)熱導(dǎo)線或者是發(fā)熱導(dǎo)線與接地屏蔽層見到材料城會被稱之為絕緣層。絕緣層的作用就是隔離電線，避免人們直接接觸電線而產(chǎn)生觸電。絕緣護套材料大部分都是結(jié)合硅橡膠材料經(jīng)過高溫模壓環(huán)節(jié)進而成型的。由此說明電纜材料一定程度上決定著整個電網(wǎng)安全性能?；诖饲闆r必須就電纜絕緣聚合物材料的老化成因機理進行動態(tài)化分析，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 電纜絕緣材料老化研究現(xiàn)狀

實際分析絕緣護套材料可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用性能比較明顯，即具有優(yōu)良的電氣性能、耐老化以及耐高低溫，最重要的是在任何條件下都能應(yīng)用。現(xiàn)階段電線電纜通常應(yīng)用的絕緣材料有聚氯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯等。不同的電纜材料應(yīng)用到電力電纜中，不斷運行的電力電纜收到多種因素的影響，其電纜材料也會發(fā)生不同程度的老化。電纜材料發(fā)生老化就會降低整個電纜材料的絕緣性能，絕緣性能降低不僅會影響整個材料的使用年限，嚴(yán)重的還會造成電纜的漏電以及電網(wǎng)停電事故。我國研究學(xué)者王靜思等人就深度分析光、熱以及臭氧等外界環(huán)境因素造成電纜材料老化具體原因。從中發(fā)現(xiàn)了絕緣聚合物材料分子鏈的交聯(lián)與降解會進一步降低材料的絕緣性能。當(dāng)然絕緣性能降低程度需要針對聚合物的種類、所處環(huán)境情況、甚至是老化的溫度以及時間進行整合測定評估。

Choi 當(dāng)研究學(xué)者針對電場對電纜絕緣護套材料老化程度進行多個實驗分析，總結(jié)出了電纜中空間電荷的分布與其加壓時間的對比關(guān)系。即空間內(nèi)不斷變化電荷分布量，產(chǎn)生的表面電暈放電，形成橡膠表面的老化變色。橡膠表面的老化變色程度就體現(xiàn)著護套材料的絕緣性能。比如護套材料出現(xiàn)發(fā)黑或者發(fā)黃現(xiàn)象，見圖1，對其絕緣片進行電壓測試，其測試的數(shù)據(jù)結(jié)果均可以體現(xiàn)材料的絕緣老化程度非常嚴(yán)重?？偨Y(jié)眾多學(xué)者的研究數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)電纜運行過程中出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象就意味著電纜內(nèi)部絕緣性能下降。而電纜內(nèi)部絕緣性能下降的原因是由于絕緣材料受到內(nèi)部或者外部環(huán)境因素影響。

圖1 護套材料出現(xiàn)發(fā)黑或者發(fā)黃現(xiàn)象

2 絕緣老化機理

2.1 熱老化

絕緣介質(zhì)中的各個化學(xué)結(jié)構(gòu)在熱量的作用下產(chǎn)生變化，進而導(dǎo)致材料的絕緣性能下降的反應(yīng)就稱之為熱老化現(xiàn)象。其實整個熱老化現(xiàn)象本質(zhì)就是一種化學(xué)反應(yīng)。即絕緣材料受到熱量的影響，產(chǎn)生了化學(xué)變化，而且環(huán)境溫度要是越高，其化學(xué)反應(yīng)的速度也會更快。那么化學(xué)反應(yīng)就會進一步促進高分子有機材料的熱降解，從而形成氧化反應(yīng)。這種熱降解反應(yīng)又被稱之為自氧化游離基連鎖反應(yīng)，其實就是聚乙烯產(chǎn)生氧化，其中的C-H 鍵中的H 脫離出來。熱老化導(dǎo)致絕緣材料的電氣以及機械性能大幅度變化，進而降低其材料的絕緣年限。具體的機械特性變化為材料的伸長率、拉伸強度等。大多數(shù)地區(qū)的大氣溫度并不會產(chǎn)生熱老化，但是并不排除部分炎熱高溫的地區(qū)，當(dāng)然該地區(qū)電力電纜材料出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象更多的由于電力自身設(shè)備生成的熱量而引發(fā)的，比如其設(shè)備電能局部放電、電能大損耗都會產(chǎn)生較高的溫度?；诖饲闆r，就要從避免絕緣材料中的有機高分子的熱降解，即防止材料出現(xiàn)氧化反應(yīng)，崇從根源規(guī)避其較大熱量的產(chǎn)生。當(dāng)然也可以適度結(jié)合添加抗氧化劑等方式來防止其氧化反應(yīng)的產(chǎn)生?？寡趸瘎┏煞譃楸椒酉祷衔?，這類化合物即使接觸其氧化老化連鎖反應(yīng)，就會快速的產(chǎn)生COO-，以此來阻斷連鎖反應(yīng)。其實該氧化反應(yīng)可以程度性的體現(xiàn)出絕緣材料的熱老化壽命與溫度關(guān)系為Arrhenius 定律。即其中的f（T）代表著老化狀態(tài)的物理量，而E 則為老化需要的能量大小，T 為熱力學(xué)溫度，其他的都是常數(shù)。根據(jù)Arrhenius 定律，可以發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)溫度越高，要求其材料絕緣性能就越高，與此同時其絕緣材料的使用年限也會隨之而降低，電纜內(nèi)部最高溫度和電纜護套溫度數(shù)據(jù)表如下1：

表1 高壓電纜溫度數(shù)據(jù)

2.2 機械老化

生產(chǎn)、安裝以及運行狀態(tài)下的固體絕緣系統(tǒng)會受到多種機械應(yīng)力，導(dǎo)致引發(fā)機械老化。機械老化其實就是受到機械應(yīng)力作用的絕緣材料出現(xiàn)瑕疵點，當(dāng)然小的缺陷點會隨著設(shè)備的運行時間以及持續(xù)的機械應(yīng)力，進而演變?yōu)榇蟮牧芽p，其電纜就會產(chǎn)生局部放電，形成這一電-機械擊穿現(xiàn)象將會破壞電纜材料的絕緣。

2.3 電老化

電場受到長期作用下，形成其電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的老化現(xiàn)象就稱之為電老化，具體分析其電老化機理可以認知非常繁雜，因為其中會存在著由于電-機械擊穿導(dǎo)致的放電現(xiàn)象，進一步引發(fā)一系列的物理以及化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)然絕緣材料耐強電場的性能大小要依據(jù)其絕緣材料的本征擊穿場強大小判斷。雖然高分子材料的本征擊穿場強的數(shù)量級都挺高，即MV/cm 級別，但是實際的絕緣材料擊穿強度遠遠小于本征擊穿強度。造成這一現(xiàn)象的原因有很多，比如由于厚度效應(yīng)、雜質(zhì)的介入以及電纜制造過程中產(chǎn)生的氣孔等都會產(chǎn)生材料表面的凸起，由此而產(chǎn)生電極效應(yīng)。總體來說，理想狀態(tài)下的絕緣材料擊穿場強為本征擊穿強度，見圖2。具體分析固體絕緣材料，發(fā)現(xiàn)以下兩種絕緣擊穿機理。第一個絕緣擊穿機理是在一定電場強度下，急劇增加的電子數(shù)量迫使絕緣材料受到擊穿，這一擊穿破壞現(xiàn)象主要是因為電子，由此而產(chǎn)生電擊穿機理。另外一個是微電流通過的絕緣體，受到電壓的作用，電流產(chǎn)生焦耳熱反應(yīng)，導(dǎo)致材料擊穿破壞，這一擊穿破現(xiàn)象被稱之為熱擊穿。

圖2 電絕緣護套材料電氣老華裝置和樹枝結(jié)構(gòu)圖

2.4 環(huán)境老化

作為一種物理性質(zhì)上老化現(xiàn)象的環(huán)境老化，主要發(fā)生在運輸以及運行狀態(tài)下的電纜材料。因為電纜材料容易受到各類外界環(huán)境污染物的影響，如，灰塵以及輻射。存在于外界的酸堿性物質(zhì)非常容易腐蝕電纜外皮，不僅如此酸堿性物質(zhì)產(chǎn)生的雜散電流也會造成電纜外皮的麻點開裂以及穿孔，由此而產(chǎn)生絕緣材料的空洞，絕緣材料內(nèi)部分界面就會受到破壞，整個電纜材料的力學(xué)性能以及電氣性能就會大幅度降低。

2.5 水老化

電纜老化常見現(xiàn)象之一水老化，主要是由于絕緣材料在水分以及電場疊加環(huán)境下，進一步形成分布不均勻的電場或者是太過集中的電場，這些都是樹枝化現(xiàn)象。電纜局部應(yīng)力增加導(dǎo)致水樹枝轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌渲?，同時受到高溫影響，水樹枝還會發(fā)生氧化反應(yīng)，進一步增強了電纜的吸水性，這也就是為何電樹枝的導(dǎo)電性能越高的原因。一般水樹枝產(chǎn)生于交流電場以及高壓電場強度上，水樹枝會進一步演變?yōu)閮?nèi)導(dǎo)水樹枝化、蝴蝶水樹枝化以及外導(dǎo)樹枝化等。尤其是水分含量較多的絕緣材料內(nèi)部，其低頻介質(zhì)損耗角相對復(fù)介電常數(shù)就會大幅度提升，其實就是由于大幅度增加的含質(zhì)離子以及可束縛電荷數(shù)目變多，相對復(fù)介電常數(shù)就會變得更多，由此而引發(fā)高頻方向的電常數(shù)虛部的最小值發(fā)生移動。另外就是由于水樹枝化現(xiàn)象造成的電纜絕緣老化，其老化的時間以及所處的溫度情況，都可以具體的分析其水樹枝程度。

3 電纜絕緣聚合物材料的抗老化對策

3.1 在材料中添加穩(wěn)定劑等抗老化成分

制品變色的原因大部分都是由于聚氯乙烯中的高分子鏈結(jié)構(gòu)在一百攝氏度持續(xù)加熱狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)中的雙鍵、支化點以及大量不穩(wěn)定的氯原子就會分解出HCI，將產(chǎn)生生色的共軛多烯結(jié)構(gòu)。分離出來的HCI 會程度性形成聚氯乙烯的催化，促進其降解，當(dāng)然，HCI 所處的溫度越高，其材料就會分離出更多的HCI，反復(fù)如此，就會堆積大量的HCI，然后又促進其聚氯乙烯的降解。制品顏色又加深，其炭化價值也會由于不斷下降的物理力學(xué)性質(zhì)逐漸消失。形成不斷降解的反應(yīng)，會大大的促進大分子交聯(lián)，此時，必須要通過穩(wěn)定劑實現(xiàn)其可持續(xù)運行的聚氯乙烯，由此而保障電纜材料的良好絕緣性能。比如可以應(yīng)用鈣鋅穩(wěn)定劑、有機錫熱穩(wěn)定劑以及酚類抗氧化劑等，充分使用到聚氯乙烯制品加工中，就能確保其分離出來的HCI，與鈣鋅穩(wěn)定劑中的鋅化合物反應(yīng)，產(chǎn)生路易斯酸，路易斯酸本質(zhì)為一種降解催化劑物質(zhì)，作用其中就能充分的降低酯化反應(yīng)的皂基，實現(xiàn)降低催化效果的目的。

3.2 聚合物材料本體改性

預(yù)防聚合物老化的最佳方式為改性聚合物材料本體，即將各種新型技術(shù)應(yīng)用到電纜聚合物材料設(shè)計、生產(chǎn)以及改性中，尤其是針對聚合物材料的本體改性，可以有氟化、硫化等，比如具有超強的熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性的電氣絕緣材料的六氟化硫，將其作為電纜絕緣材料，其電纜的材料生產(chǎn)過程中，就將其作為加熱加壓媒介，充分提升電纜材料的擊穿強度以及耐樹枝放電性能。又如將性能優(yōu)質(zhì)的硅橡膠作為電纜材料，硅橡膠結(jié)合硅脂產(chǎn)生分子的溶脹反應(yīng)，由此而促進互相作用的線性結(jié)構(gòu)聚硅氧烷分子、硅橡膠分子鏈單元。電場作用下的溶脹反應(yīng)會加速其電纜的老化。因此可以將氟化硅脂均勻涂抹到硅橡膠表面，以此來提升其硅橡膠的耐溶劑性能，避免電纜材料的加速老化，增強其絕緣性能。

4 結(jié)語

本文就電纜絕緣聚合物材料的老化成因機理及其研究現(xiàn)狀分析，深度探討其電纜絕緣材料老化研究現(xiàn)狀、絕緣老化機理，針對性提出電纜絕緣聚合物材料的抗老化對策，由此來提升電纜絕緣物材料的抗老化性能、絕緣性能。