胡青云，黃應敏，胡超強，邵源鵬，郝志峰

（1 廣州番禺電纜集團有限公司，廣東廣州511442；2 廣東工業(yè)大學輕工化工學院，廣東廣州510006）

在電纜的使用中早期常常使用塑料絕緣材料來作為接頭材料，隨著材料學的發(fā)展，性能更優(yōu)的硅橡膠材料開始應用于電纜接頭材料中［1-3］。但隨著使用時間的增加，硅橡膠材料開始出現(xiàn)老化情況，包括電老化［4］、熱老化［5］、外力作用［6］等。在老化中出現(xiàn)水樹［7］特征，水分容易進入絕緣材料內部形成水樹，降低了材料的絕緣性，同時也會導致材料的擊穿。而對老化的電纜接頭材料出于經(jīng)濟考慮，無法進行全部更換，因此需要開發(fā)老化的性能恢復方法。在早期對老化性能恢復中，常常將材料退運后放置，由于材料具有彈性，放置中水樹中的水分擴散出來，但重新投入使用后，性能很快會退化回先前狀態(tài)［8］。國外學者，目前研究的重點轉為硅氧烷修復液，運用修復液對材料進行表面清洗，但無法深入滲透進水樹區(qū)域，修復效果一般［9］。

1 不同狀態(tài)下10kV 硅橡膠電纜接頭材料老化

1.1 10kV 硅橡膠接頭材料熱老化

針對硅橡膠接頭材料的不同的熱老化時間來對硅橡膠材料的老化性能影響進行研究。而硅橡膠在高溫下會發(fā)生主鏈降解以及側基氧化反應，端基為硅羥基（Si-OH）的橡膠在受到高溫影響下，出現(xiàn)解扣降解情況，造成主鏈斷裂。在高溫下，甲基硅橡膠對端乙烯基（Si-C=C）發(fā)生無硅斷裂，同時，殘余催化劑也將參與解扣方式。而當其中存在堿時，存在如圖1 所示反應：

圖1 硅橡膠電纜接頭老化解扣反應Fig.1 Reaction of silicone rubber cable joint

根據(jù)相關研究文獻得知，在硅橡膠泡沫中的結構受破壞程度會隨著老化溫度的提高而增加［10-11］。而當硅橡膠的材料在老化后因內部結構的破壞導致受到力矩壓縮，出現(xiàn)變形。在出現(xiàn)高溫老化時玻璃化轉變向高溫區(qū)域移動，同時硅橡膠材料的損耗降低。在硅橡膠作為電纜接頭材料的使用過程中，高壓直流電纜在使用過程中，由于自身運行發(fā)出熱量的作用下，出現(xiàn)熱老化情況［12］。絕緣材料的分子鏈結構發(fā)生變化，導致硅橡膠電纜接頭上的硅橡膠材料絕緣性能下降，直流擊穿強度降低。在不同老化時長和測試溫度下硅橡膠電纜材料的直流擊穿強度見表1。

表1 硅橡膠老化后的直流擊穿強度Table 1 DC breakdown strength of silicone rubber after aging

由表1 可知，在35℃、75℃的測試溫度中，135℃的熱老化溫度中擊穿強度最高。175℃下?lián)舸姸茸畹停跓崂匣瘯r長達到700h 時，老化溫度對硅橡膠電纜接頭材料的擊穿強度影響不大。伴隨著老化時間的增加，硅橡膠材料的直流擊穿強度整體降低。由于材料內部的老化時間的增加和溫度的提高，材料內部出現(xiàn)熱降解反應，形成低鍵能化學鍵，導致內部出現(xiàn)水樹區(qū)域，導致直流擊穿強度下降。

1.2 10kV 硅橡膠電纜接頭材料耐臭氧老化性

在硅橡膠材料使用中，由于電纜在放電過程中會產(chǎn)生臭氧，對硅橡膠材料具有腐蝕作用，表面出現(xiàn)龜裂和白色粉狀物質［13-14］。導致硅橡膠的硬度、憎水性變差，導致絕緣失效。如圖2 所示。

圖2 硅橡膠材料龜裂現(xiàn)象Fig.2 Cracking of silicone rubber material

在放電中，臭氧和硅膠中的甲基乙烯出現(xiàn)交聯(lián)反應，并形成活性高的碳自由基，碳自由基會與硅橡膠上的硫化膠表面生成臭氧化物和密實薄層［15］。該薄層雖然可以阻擋臭氧滲透，但易受到破壞，當臭氧滲透進擴大的裂縫中時，與硅橡膠的分子鏈發(fā)生反應，破壞橡膠的分子鏈反應，導致交聯(lián)鍵和交聯(lián)網(wǎng)絡出現(xiàn)破損，出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

2 不同狀態(tài)下10kV 硅橡膠電纜接頭材料老化性能恢復方法

2.1 修復液配制

本文使用了一種ML 的硅橡膠修復液，該修復液為低黏度的小分子有機液體，低溫柔順性和流動性較好，同時不會發(fā)生結晶，對水反應較為活躍，與水接觸發(fā)生聚合反應，由于修復液的小分子結構，滲透性較強。該修復液的主要成分為聚甲基苯硅氧烷，同時在該修復液中添加了催化劑TIPI 使修復液中的硅氧烷和水分子產(chǎn)生聚合反應，并消除水分子，并生成硅氧基團以及甲醇，聚合物化學反應過程如圖3 所示。通過使用該修復液來對硅橡膠接頭材料的水樹區(qū)域進行填充和修復。

圖3 聚合反應過程Fig.3 Polymerization process

2.2 修復液填充

在傳統(tǒng)修復過程中，修復液通過纜芯直接排出，少部分進入絕緣層和水分反應發(fā)揮作用。當填充物的電導率σ 范圍為10-12～10-8S/m，在對10kV 硅橡膠的絕緣性上，影響最大的是電場的參數(shù)介電常數(shù)ε，而伴隨ε 增大，σ 對電場的影響越小。根據(jù)文獻研究，當填充物的介電常數(shù)ε 小于3 時，電場與未老化前Emax0=2.77×106V/m對比更接近，可以提升電纜的絕緣強度。因此本文的性能修復方法在調制的修復液時將介電常數(shù)設置為接近或小于3。并將電導率保持在10-9S/m 以下，以保證優(yōu)良效果。修復液通過壓力注入橡膠電纜接頭中，壓力源使用N2氣瓶和修復液承裝瓶組成，承裝瓶采用不銹鋼制成，承受壓力大，且不會和修復液發(fā)生反應。通過使用N2壓力氣瓶，并將氣壓控制在0.2MPa，使氣體高速通過材料，排出接頭材料殘余水分。將N2瓶中氣壓調整至0.3MPa并將修復液沿材料孔隙擴散至材料內部。修復流程如圖4 所示。

圖4 修復裝置連接流程圖Fig.4 Flowchart of repair device connection

當修復液進入材料后，透過材料的XLPE 聚合分子的空隙進入材料的水樹區(qū)域發(fā)生反應，如圖5 所示。

圖5 修復液在橡膠電纜接頭材料中的擴散Fig.5 Diff usion of repairing fluid in rubber cable joint material

由于修復液中的催化物TIPT 遷移速度小于其中的聚合物，在修復液通過聚合分子后滲透到XLPE 的水樹區(qū)域時發(fā)生水解反應，而修復液中的甲氧基在水分子的作用下，生成醇類物質，而當催化劑TIPT 滲透至該位置時，在催化出水解產(chǎn)物PhMeSi(OH)(OMe) 并產(chǎn)生縮聚反應，同時產(chǎn)生二聚物，在進一步的反應中生成三聚物并在網(wǎng)狀結構里填充水樹通道。在縮聚反應下，伴隨多聚物生長，整體反應速度加快，同時殘余在絕緣體中的修復液也可以抑制水樹的發(fā)展。反應過程為：

在催化劑TIPT 的作用下，產(chǎn)生的縮聚反應：

反應式（2）代表了二聚物的生成過程，而三聚物的生成過程如式（3）所示，同時伴隨著縮聚反應，持續(xù)生成多聚物。而催化劑TIPT 與水形成水解反應，在材料水樹區(qū)域中生成TiO2無機納米顆粒，由于TiO2具有親水性，可以附著在表面，形成水殼，提高材料的抗熱老化能力。

3 實驗論證分析

為了驗證設計的硅橡膠電纜接頭材料的老化性能恢復方法的可行性，使用本文方法以及文獻［1］、文獻［2］、文獻［3］ 中的性能恢復方法對10kV 硅橡膠電纜接頭材料進行修復對比實驗。

3.1 硅橡膠加速水樹老化處理

考慮到真實硅橡膠老化材料之間差別較大，影響實驗對比結果。本文實驗使用完好10kV 硅橡膠電纜接頭材料進行加速水樹老化處理，在材料中的不同位置進行分散扎孔，并將其放入濃度為20% 的NaCl 溶液中，同時每天時間10kV 工頻電壓10h，模擬工作環(huán)境，進行材料加速老化處理，如圖6 所示。

圖6 材料加速水樹處理圖Fig.6 Materials accelerated water tree treatment chart

經(jīng)過處理后的材料內部構造出現(xiàn)老化反應破壞，作為實驗中的被測材料。材料的導體截面為145mm2，內半導電層厚度為0.75mm，XLPE 絕緣層厚度為4.2mm，外半導電層厚度為0.87mm，銅屏蔽層厚度0.1mm。

3.2 實驗過程

首先使用4 個相同型號的10kV 硅橡膠電纜接頭材料進行上述的加速水樹處理。其中一個材料根據(jù)上述內容中的修復方法進行修復液修復，其余材料使用文獻中記錄方法進行修復。修復后的材料使用EST122 型皮安表測試材料的電導電流，并檢測材料的絕緣電阻情況，來得出修復效果結論。為了保證實驗結果的可靠性，首先對4 個經(jīng)過加速水樹處理后的硅橡膠電纜接頭材料進行對比，以確定4 種材料經(jīng)過加速老化水樹處理后性能參數(shù)相仿，并為性能修復后的參數(shù)提供參考值。實驗中為了檢驗性能恢復情況，通過介質損耗角的正切變化來反映聚合物的整體絕緣性能，同時檢測材料的絕緣電阻來評定絕緣性能的好壞，修復前的材料介質損耗角的變化情況如圖7、圖8 所示。

圖7 材料老化后介質磨損角變化Fig.7 Change of wear angle of media after aging

圖8 材料老化后絕緣電阻變化Fig.8 Changes of insulation resistance after aging

圖7 和圖8 證明材料在老化后性能相仿，可以使用進行修復實驗。

3.3 實驗結果

通過對4 種材料進行修復后，材料的介質損耗角變化結果如圖9 所示。

圖9 材料修復后介質磨損角變化情況Fig.9 Change of wear angle of media after material repair

圖9 中恢復方法一為本文方法，恢復方法二為文獻［1］中的恢復方法，恢復方法三為文獻［2］中的恢復方法，恢復方法四為文獻［3］中的恢復方法。從圖9 中可以發(fā)現(xiàn)，在修復后的一周內，由于修復液消耗了材料中水樹水分，提高了材料的絕緣性能，同時催化加快了醇類物質的生產(chǎn)，使修復效果在一周內進入穩(wěn)定期，且介質磨損角變化平穩(wěn)，而圖9 中，修復方法一的修復效果最好。修復后的絕緣電阻變化情況如圖10 所示。

圖10 修復后的絕緣電阻變化Fig.10 Changes in insulation resistance after repair

在圖10 中，經(jīng)過修復后的材料隨著靜置時間的增加，電阻值不斷增加，且在一個月后趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖10 和圖9 結果，證明本文設計的材料性能恢復方法修復效果較好，具有可行性。

4 結束語

本文通過對10kV 硅橡膠電纜接頭材料的性能恢復方法的改進，提高了修復后材料的性能。但本文研究中修復實驗中使用的材料為人工老化后的材料，未來需要使用真實的老化材料進行進一步的實驗分析。同時在方法的改進中，研究針對修復液的填充過程進行改進，缺乏對修復液成分的改良和深入研究。