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        運(yùn)行3~12年10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜電及理化特性試驗(yàn)

        2021-09-09 05:21:24周松霖齊偉強(qiáng)方春華
        科學(xué)技術(shù)與工程 2021年22期
        關(guān)鍵詞:試品羰基年限

        郭 衛(wèi), 周松霖, 齊偉強(qiáng), 苗 旺, 何 楠, 辛 鋒, 方春華

        (1.國(guó)網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院, 北京 100075; 2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司, 北京 100031;3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院, 宜昌 443002)

        電力電纜運(yùn)行壽命設(shè)計(jì)值一般為20~30年,但電纜在實(shí)際運(yùn)行中不可避免地受周?chē)h(huán)境條件的影響,特別是在電應(yīng)力、熱應(yīng)力,機(jī)械應(yīng)力及環(huán)境應(yīng)力的聯(lián)合作用下,其主絕緣的性能逐漸下降,甚至?xí)l(fā)生絕緣劣化及絕緣失效的情況[1],對(duì)長(zhǎng)期在役的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜主絕緣性能進(jìn)行測(cè)試具有重要的意義。

        電纜絕緣性能離線評(píng)定的方法主要有交流電壓迭加法和理化診斷方法[2-5],國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出了交流擊穿電壓試驗(yàn)的具體加壓方法以及電極和試品的制作方法,通過(guò)判斷老化后XLPE層的交流擊穿電壓可以大致估計(jì)XLPE層的老化程度[6-9]。電纜在線絕緣性能評(píng)定有直流疊加法,局部放電法,接地電流法及介損因數(shù)法,其中較為實(shí)用的是局放法和介損法,相比于離線的測(cè)試方法,局放法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)極易被電磁場(chǎng)干擾源影響,而目前的硬件技術(shù)很難做到剔除干擾信號(hào);介損法所測(cè)量的結(jié)果代表著電纜整體的運(yùn)行狀態(tài),無(wú)法給出電纜中故障的位置信息[10-11]。文獻(xiàn)[12-15]將差示掃描量熱和傅立葉紅外光譜(FTIR)的理化分析方法運(yùn)用于到診斷絕緣材料狀態(tài)。

        大量電氣和理化試驗(yàn)方法的運(yùn)用為電纜絕緣老化性能的評(píng)估提供多種方法和翔實(shí)的理論依據(jù),但實(shí)際的電纜的運(yùn)行壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年,絕緣性能下降是個(gè)十分緩慢的過(guò)程,針對(duì)在役的電力公司電纜試樣,其電氣和理化試驗(yàn)是否能很靈敏反映出絕緣性能劣化,較少在文獻(xiàn)中涉及。

        現(xiàn)選取北京地區(qū)運(yùn)行的XLPE電纜,運(yùn)行時(shí)間范圍為3~12年,通過(guò)電氣性能試驗(yàn)、FTIR光譜、熱分析試驗(yàn)等理化試驗(yàn)對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試研究,分析電氣指標(biāo)及理化多個(gè)指標(biāo)與電纜運(yùn)行年限的關(guān)系,提出對(duì)在役電纜絕緣劣化反映相對(duì)靈敏的幾個(gè)指標(biāo)。以期為電力系統(tǒng)選擇評(píng)估電纜絕緣狀態(tài)的手段和方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

        1 試驗(yàn)樣品與試品制作

        選取10 kV電纜共12段,運(yùn)行年限從3~12年不等,每段長(zhǎng)度1~1.2 m,均為三相絞合。將12段電纜分別編號(hào)為#1~#12,具體信息如表1所示。

        每種電纜的測(cè)試試品均通過(guò)切取電纜制得,根據(jù)試驗(yàn)要求,需要制作3種不同的試品。環(huán)切試品,沿電纜圓周方向切片,厚度0.2 mm,用于電氣性能和紅外光譜測(cè)試。沿電纜導(dǎo)體徑向切片試品,厚度1 mm,用于機(jī)械性能測(cè)試。垂直電纜導(dǎo)體切片試品(圓環(huán)),厚度0.2 mm,用于水樹(shù)枝觀察,試品見(jiàn)圖1。差示掃描量熱分析(DSC)對(duì)試品量要求較小,直接從切取5~10 mg微量絕緣微粒用于試驗(yàn)。

        圖1 0.2 mm試品

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 電氣試驗(yàn)

        2.1.1 體積電阻率測(cè)量

        體積電阻率表征絕緣體阻止電流流通的能力。本文參照國(guó)標(biāo)GB/T 1410—2006進(jìn)行,使用吉士利6517B/E型靜電計(jì)及配套測(cè)試軟件HI-R test對(duì)體積電阻率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試電壓500 V,電極為三電極系統(tǒng)。每種電纜制作5個(gè)片狀試品,厚度約1 mm,分別測(cè)量5個(gè)試品的體積電阻率,取平均值作為最終結(jié)果,如表2所示。

        表2 體積電阻率

        可見(jiàn),#3的體積電阻率最高,但試品間分散性較大;其他試品大致分為兩組,#1~#6(除#3外)體積電阻率相近,#7~#12體積電阻率相近??傮w來(lái)說(shuō),除#3以外各試品的體積電阻率差距不大,#3的分散性較高,各試品的體積電阻率均在1016Ω·cm,均在合理范圍內(nèi),體積電阻率同運(yùn)行年限間并沒(méi)有很明確的關(guān)聯(lián),運(yùn)行年限超過(guò)10年的電纜#2、#3、#6、#10和#11主絕緣的體積電阻率變小的趨勢(shì)。

        2.1.2 工頻介電常數(shù)和介質(zhì)損耗測(cè)量

        相對(duì)介電常數(shù)(εr)和介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)是電介質(zhì)與絕緣體的兩個(gè)主要特征,可用于評(píng)定電工設(shè)備、元件的性能,判斷絕緣體系的含濕量、老化程度等。參照國(guó)標(biāo)GB/T 1409—2006進(jìn)行測(cè)量,使用的儀器為2821型精密西林電橋,電極直徑D為50.5 mm,電壓頻率為50 Hz,試品壓力3 N/cm2。每種電纜制作5個(gè)試品,取5個(gè)測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果,如表3所示。

        表3 εr和tanδ測(cè)量結(jié)果

        所有電纜樣品的εr均在2附近,差距較小,而tanδ區(qū)別較大,但也在10-3數(shù)量級(jí)。通常情況下,若絕緣出現(xiàn)劣化,會(huì)出現(xiàn)tanδ上升的現(xiàn)象,其中#3、#6、#11的tanδ較高,對(duì)照電纜運(yùn)行時(shí)間可以看出,這三個(gè)電纜分別運(yùn)行了12、10、11年,其中#3、#11在水樹(shù)枝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了明顯的水樹(shù)枝,因而水樹(shù)枝和運(yùn)行年限較長(zhǎng)可能是tanδ較高的主要原因。

        2.1.3 擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量

        擊穿場(chǎng)強(qiáng)是標(biāo)準(zhǔn)材料絕緣水平最主要的參數(shù),試驗(yàn)參照國(guó)標(biāo)GB/T 1408.1—2006,選用球-球電極,上下電擊直徑均為25 mm,試品為厚度(0.2±0.05)mm的片狀試品,為防止電極邊緣空氣中的局部放電,將試品和電極浸入變壓器油中,采用短時(shí)快速升壓方式,升壓速率約為2.5 kV/s。試驗(yàn)環(huán)境為室溫(10 ℃),濕度為40%??紤]要去除材料的低概率的擊穿場(chǎng)強(qiáng),每種電纜進(jìn)行15次擊穿實(shí)驗(yàn),對(duì)結(jié)果進(jìn)行Weibull統(tǒng)計(jì)分析,獲得最終結(jié)果,如表4和圖2所示。其中,擊穿場(chǎng)強(qiáng)內(nèi)的數(shù)值為擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

        根據(jù)表4和圖2,除#9和#3樣品外,其他樣品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均比較接近,在100 kV/mm附近,表明電纜運(yùn)行年限的不同尚未使材料的擊穿特性發(fā)生較大的改變。#9樣品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)最低,為89.3 kV/mm,其次#3樣品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為91.86,結(jié)合水樹(shù)枝試驗(yàn)和第4節(jié)熱分析的結(jié)果:#3號(hào)樣品出現(xiàn)炭黑擴(kuò)散,而#9樣品存在界面凸起、氣泡等缺陷,這表明電纜絕緣缺陷問(wèn)題會(huì)降低試樣擊穿電壓。

        表4 電纜樣品擊穿特性

        圖2 電纜試品擊穿特性

        2.1.4 水樹(shù)枝觀察

        水樹(shù)枝是XLPE絕緣發(fā)生降解的一種現(xiàn)象,水樹(shù)枝的生長(zhǎng)相對(duì)緩慢,并不直接導(dǎo)致電力設(shè)備絕緣層的擊穿,但是隨著水樹(shù)枝的生長(zhǎng),電纜材料電導(dǎo)率,介電常數(shù)和損耗數(shù)值會(huì)顯著增加,同時(shí)水樹(shù)枝尖端的電場(chǎng)愈加集中,局部的高電場(chǎng)最終會(huì)導(dǎo)致水樹(shù)枝尖端引發(fā)電樹(shù)枝,從而導(dǎo)致電纜的擊穿破壞[16]。

        首先將厚度為200 μm的電纜絕緣試品進(jìn)行染色。染色液的配制步驟如下:將2.5 g亞甲基藍(lán)溶入1 000 mL蒸餾水,同時(shí)將4.0 g氫氧化鈉溶入100 mL蒸餾水,將這兩種溶液充分混合。隨后,將試品置于混合溶液中進(jìn)行染色,混合溶液保持70 ℃水浴加熱,染色36 h。染色完成后,充分清洗試品表面,然后使用日本Olympus公司生產(chǎn)的BX51-P偏光顯微鏡進(jìn)行觀察,觀察模式為透射,放大倍數(shù)為100或400倍。

        通過(guò)對(duì)為染色試品的直接放大觀察,未發(fā)現(xiàn)試品中有電樹(shù)枝的存在,但部分試品中發(fā)現(xiàn)了水樹(shù)枝,如圖3(a)和圖3(b)所示,水樹(shù)枝的密度和長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)如表5所示。在絕緣切片中的絕緣-屏蔽界面附近還觀察到存在雜質(zhì)、氣泡、界面凸起等現(xiàn)象,如圖4(a)~圖4(d)所示。

        圖3 電纜絕緣中的水樹(shù)枝照片

        圖4 電纜試品水樹(shù)枝觀察

        表5 電纜試品水樹(shù)枝統(tǒng)計(jì)

        運(yùn)行年限較長(zhǎng)的電纜試品基本都有不同程度的水樹(shù)產(chǎn)生,如#2、#6、#10和#11電纜。但未發(fā)現(xiàn)大量明顯的樹(shù)枝集聚,樹(shù)枝密度較小。

        各試品均發(fā)現(xiàn)在絕緣-屏蔽界面處有較多雜質(zhì)出現(xiàn),其中#3、#9電纜絕緣-屏蔽界面凸起和雜質(zhì)較為嚴(yán)重。#3電纜結(jié)構(gòu)中沒(méi)有擠出外屏蔽層,而是采用繞包半導(dǎo)電帶的方式。在外層能看到較多明顯的炭黑擴(kuò)散痕跡,推測(cè)是半導(dǎo)電帶里的炭黑擴(kuò)散到了絕緣中。#3和#9電纜試品絕緣中雜質(zhì)多,但水樹(shù)少或沒(méi)有,與電纜有防水結(jié)構(gòu)、敷設(shè)地點(diǎn)排水較好,或電纜運(yùn)行年限短關(guān)系較大。

        此外,國(guó)標(biāo)規(guī)定10 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣料,對(duì)于1 kg的測(cè)試樣品而言,175 μm以上的雜質(zhì)不超過(guò)5個(gè),同時(shí)不能有超過(guò)250 μm的雜質(zhì)。根據(jù)實(shí)際的照片,這些雜質(zhì)的尺寸都在175 μm以下,所以仍然滿足絕緣料潔凈度的要求。

        3 紅外光譜

        紅外試驗(yàn)使用IRprestige-21型紅外光譜分析儀。試驗(yàn)需要先進(jìn)行背景掃描,再進(jìn)行試品掃描。本試驗(yàn)除獲取試品的紅外吸收譜圖外,還計(jì)算了表征絕緣材料劣化程度的羰基指數(shù),羰基指數(shù)定義為波數(shù)1 720 cm-1處羰基吸收峰強(qiáng)度與波數(shù)2 010 cm-1處不隨熱氧老化變化的吸收峰強(qiáng)度的比值(A1 720/A2 010)。

        試品紅外觀察結(jié)果如圖5所示,根據(jù)紅外數(shù)據(jù)計(jì)算得到的羰基指數(shù)如表6所示。

        表6 電纜試品羰基指數(shù)

        圖5 各電纜試品紅外曲線

        根據(jù)試品紅外觀察和羰基指數(shù)計(jì)算結(jié)果,各種試品的羰基指數(shù)近似,均在1附近,說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生明顯的熱氧老化。#9在1 050 cm-1波數(shù)附近較為異常。文獻(xiàn)[16]顯示,1 300~1 000 cm-1是C—O—C的伸縮振動(dòng)的特征峰。此外,#9在指紋區(qū)600~500 cm-1還有一個(gè)異常峰,也是C—O—C的特征峰之一。

        4 熱分析

        差式掃描量熱分析(DSC)是由材料在連續(xù)升溫條件下吸收熱量變化得到的曲線。通過(guò)分析DSC曲線可得到材料在吸熱熔融和放熱結(jié)晶過(guò)程中的熱焓、熔點(diǎn)、結(jié)晶溫度、結(jié)晶速度等,從而判斷材料的基本組成成分和分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特征[17-18]。

        試驗(yàn)使用瑞士METTLER公司生產(chǎn)的DSC 822e型差熱掃描量熱儀,設(shè)定以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至200 ℃,保溫5 min后,再以-10 ℃/min的速率降溫至30 ℃,試驗(yàn)過(guò)程全程以高純氮?dú)獗Wo(hù),電纜絕緣試品質(zhì)量為5 mg。

        DSC試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,根據(jù)DSC曲線得到的相關(guān)參數(shù)如表7所示。

        表7 電纜試品DSC參數(shù)

        圖6 電纜試品DSC曲線

        根據(jù)DSC試驗(yàn)結(jié)果,除#9以外,其他試品的DSC曲線相似,熔點(diǎn)和結(jié)晶溫度接近。電纜運(yùn)行年限較長(zhǎng)的電纜試品出現(xiàn)了熔點(diǎn)和結(jié)晶溫度略微上升的現(xiàn)象,說(shuō)明交聯(lián)聚乙烯分子鏈在電纜工作狀態(tài)下有一定的分子鏈重排,但并未引起聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的老化。

        在DSC結(jié)果中,#9試品比較異常,存在兩個(gè)熔點(diǎn)(111.33、118.67 ℃),而其他試品的熔點(diǎn)在105 ℃附近,且結(jié)晶和熔融峰變寬,結(jié)晶度也最高。判斷#9電纜XLPE絕緣料的基料中有一部分HDPE或LLDPE,是兩種聚乙烯的共混,考慮到相容性的差異,可能是引起#9擊穿性能較低的原因。

        5 結(jié)論

        (1)各試品的體積電阻率差距不大,均在1 016 Ω·cm左右,在合理范圍內(nèi);試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)均比較接近,在100 kV/mm附近;不同年份的運(yùn)行電纜均未發(fā)現(xiàn)大量明顯的樹(shù)枝集聚,樹(shù)枝密度均較小。

        (2)通過(guò)紅外觀譜分析,各種試品的羰基指數(shù)近似,均在1附近,沒(méi)有發(fā)生明顯的熱氧老化,電纜運(yùn)行年限與羰基指數(shù)無(wú)關(guān)。

        (3)運(yùn)行年限較長(zhǎng)時(shí),tanδ相對(duì)較高,tanδ可作為一個(gè)分析XLPE絕緣性能下降的重要指標(biāo),同時(shí)熔點(diǎn)和結(jié)晶溫度也會(huì)略微上升。

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