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。