朱文衛(wèi)，王彥峰，范星輝，趙一楓，汪彥丞，劉剛

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

高壓電力電纜是電力系統(tǒng)中重要的輸電設備，交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)憑借其優(yōu)良的電、熱和機械特性被廣泛地用于高壓電纜的絕緣材料[1]。XLPE絕緣在運行過程中會受到電、熱以及機械等應力的長期作用，從而發(fā)生絕緣劣化現(xiàn)象，增加電纜線路發(fā)生故障的概率，嚴重危害電網(wǎng)的正常運行[2-3]。因此，高壓交聯(lián)電纜在長期運行過程中的絕緣性能變化情況一直都是電網(wǎng)運行部門關注的重點。

作為高分子聚合物，XLPE的理化特性與其絕緣性能密切相關。XLPE內(nèi)部存在結晶區(qū)和無定型區(qū)[4]，結晶區(qū)的XLPE大分子鏈在晶格內(nèi)排列緊密，使得載流子在無定型區(qū)的遷移比在結晶區(qū)容易[5]，當XLPE的晶體結構在老化過程中遭到破壞時，其介電強度隨之降低[6]。同時，有研究表明XLPE絕緣的結晶度與其斷裂伸長率呈正相關[7]。電纜的絕緣性能在運行過程中變化緩慢，因此國內(nèi)外學者一般采用加速老化的方式來等效其在運行過程中的變化過程，老化方式主要分為熱老化、電老化以及電熱聯(lián)合老化。目前，針對電纜絕緣電或熱單因子老化的研究常見諸報道[8-9]，關于電、熱應力聯(lián)合作用下電纜絕緣特性變化的研究還很少。此外，電纜絕緣老化試驗多采用切片或短電纜作為研究對象[10-11]，這可能會導致電纜絕緣試樣的老化狀況與實際情況出現(xiàn)偏差，且在電熱聯(lián)合老化試驗中，大多采用恒溫老化箱對電纜本體進行加熱，不能充分模擬電纜絕緣層在實際工況下的溫度分布對其絕緣性能的影響。

電纜絕緣在運行過程中同時受到電、熱應力的影響，因此，搭建符合電纜實際運行工況的電熱聯(lián)合老化試驗平臺，并研究電纜絕緣在老化過程中理化特性的變化，有利于電網(wǎng)相關部門對在運電纜進行運行策略調(diào)整和絕緣狀態(tài)評估。本文設置了恒溫和熱循環(huán)2種不同的熱處理方式，對長度為30 m的退役高壓XLPE電纜進行180日的電熱聯(lián)合老化試驗。通過傅里葉紅外光譜、差示掃描量熱法、X射線衍射和交聯(lián)度試驗，對老化試驗前后電纜絕緣的理化特性進行研究，對比分析不同熱處理方式下電纜絕緣的理化特性變化情況，為高壓XLPE電纜的絕緣狀態(tài)評估提供試驗基礎。

1 試驗

1.1 試驗電纜說明

本次試驗選擇運行時間為7年的國產(chǎn)110 kV XLPE電纜，電纜的總長度為120 m，按照老化試驗的要求將其四等分，每段電纜長度為30 m。根據(jù)電纜運行記錄可知，電纜在運行過程中沒有出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，電纜各層結構完好，沒有嚴重破損，無進水現(xiàn)象。電纜具體參數(shù)見表1。

表1 電纜參數(shù)Tab.1 Cable parameters

1.2 電熱聯(lián)合老化試驗

電熱聯(lián)合老化試驗平臺結構如圖1所示，每個試驗電纜回路主要由銅排、試驗電纜和終端組成。

圖1 電熱聯(lián)合老化試驗平臺結構Fig.1 Schematic diagram of thermal-electrical aging test platform

使用穿心變壓器對每個試驗電纜回路施加大電流，通過電流的熱效應對電纜絕緣進行加熱，熱處理分別以恒溫和熱循環(huán)方式進行，其中熱循環(huán)方式能夠模擬電纜絕緣溫度由負荷波動引起的變化。恒溫熱處理方式下電纜導體溫度設置為90 ℃，熱循環(huán)處理方式下電纜導體最高溫度分別設置為60 ℃和90 ℃。熱循環(huán)過程中電纜導體電流和溫度變化曲線如圖2所示，其中，I1為升溫階段電流值；I2為恒溫階段電流值。1次完整的熱循環(huán)過程包括升溫、恒溫和降溫3個階段，時間分別設置為8 h、16 h和24 h。

圖2 熱循環(huán)處理下電纜導體電流和溫度的變化Fig.2 Changes of cable conductor current and temperature during thermal cycle

在每個試驗回路的電纜表面布置熱電偶，根據(jù)測得的電纜表面溫度和導體電流實時計算電纜導體溫度[12-13]，同時根據(jù)獲得的溫度數(shù)據(jù)對試驗回路的電流進行控制。試驗電壓由高壓發(fā)生器基于串聯(lián)諧振原理產(chǎn)生，電壓值設置為恒定1.5U0=95 kV(U0=63.5 kV)。電熱聯(lián)合老化試驗時間設置為180日，老化試驗后，在每個試驗電纜回路的終端附近截取一段長度為2 m的電纜短樣。

1.3 取樣與試樣編號

采用電纜環(huán)切機沿電纜圓周方向?qū)厝〉碾娎|短樣絕緣層進行切割取樣，獲得1條厚度為0.4 mm的帶狀試樣，如圖3所示。選取距離電纜內(nèi)半導電層2 mm處的電纜絕緣試樣作為研究對象，根據(jù)各試樣的熱處理方式及導體最高溫度不同，對其進行編號，見表2。

圖3 環(huán)切電纜絕緣層試樣Fig.3 Sample of ring cut cable’s insulation layer

表2 試樣編號Tab.2 The numbers of samples

1.4 試驗

a)傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR spectrometer)試驗：采用VERTEX 70型紅外光譜儀對各個試樣的化學結構進行分析，波數(shù)范圍為600～3 600 cm-1，分辨率為4 cm-1，信噪比設置為55 000∶1。

b)差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)試驗：采用DSC-214型差示掃描量熱儀在氮氣氣氛下對各個試樣的升溫和降溫熱流曲線進行測量。試驗過程中將5 mg試樣從30 ℃升溫至140 ℃，恒溫5 min后降至30 ℃，升溫和降溫速率均為10 ℃/min。

c)X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)試驗：采用Bruker D8型X射線衍射儀對各個試樣的聚集態(tài)結構變化進行研究。試驗過程中，布拉格角2θ(θ為衍射角)的掃描范圍設置為5°～60°，掃描速度為10(°)/min，掃描步長為0.131°。

c)交聯(lián)度試驗：參照JB/T 10437—2004《電線電纜用可交聯(lián)聚乙烯絕緣料》規(guī)定的方法對各個試樣的交聯(lián)度進行測量。每次試驗過程中取0.25 mg試樣，將其浸沒于二甲苯溶劑中，在110 ℃烘箱中萃取24 h，然后在150 ℃烘箱中真空干燥30 min，使試樣的質(zhì)量保持恒定，最后用電子天平測量萃取干燥后試樣的質(zhì)量；每組試樣分別取3個樣品進行試驗，并以測量數(shù)據(jù)的平均值作為該組試樣的試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結果與分析

2.1 FTIR試驗結果與分析

老化試驗前后電纜絕緣試樣的FTIR曲線如圖4所示。

圖4 老化試驗前后電纜絕緣試樣的FTIR曲線Fig.4 FTIR curves of cable insulation samples before and after aging test

圖4中波數(shù)為720 cm-1、1 471 cm-1、2 856 cm-1和2 937 cm-1處存在明顯的紅外吸收峰，這是由于XLPE內(nèi)部特征基團亞甲基(—CH2—)的伸縮振動或彎曲振動引起的。XLPE一般通過低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)與過氧化二異丙苯(dicumyl peroxide，DCP)交聯(lián)劑在高溫高壓條件下發(fā)生的交聯(lián)反應制得。與此同時，交聯(lián)反應會產(chǎn)生苯甲醇、苯乙酮和α-甲基苯乙烯等交聯(lián)副產(chǎn)物，分別對應苯乙烯基、羰基和羥基官能團，相應的紅外吸收峰波數(shù)為1 600～1 680 cm-1、1 741 cm-1和3 371 cm-1。電纜絕緣在老化過程中會產(chǎn)生含有雙鍵、羰基等官能團的熱氧老化產(chǎn)物，其中，波數(shù)為1 635 cm-1處的紅外吸收峰對應不飽和基團乙烯基，可用來衡量絕緣降解的程度[14]。

由圖4可知，相對于試驗后的電纜絕緣各試樣，試樣A在波數(shù)為1 600～1 680 cm-1、1 741 cm-1和3 371 cm-1處存在較高的紅外吸收峰強度，表明實際運行7年的電纜絕緣內(nèi)部仍殘留大量的交聯(lián)副產(chǎn)物。

為了進一步分析電纜絕緣試樣在電熱聯(lián)合老化試驗過程中的化學結構變化，通過式(1)、(2)計算各試樣的羰基指數(shù)(carbonyl index，CI)和不飽和基指數(shù)(unsaturated band index，UBI)[15]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：ACI、AUBI分別為CI、UBI的值；I1741、I1635、I1471分別為試樣在波數(shù)為1 741 cm-1、1 635 cm-1、1 471 cm-1處的吸光度。其中，波數(shù)為1 471 cm-1處的吸光度與亞甲基的剪式彎曲振動有關，在老化試驗過程中無明顯變化。

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的CI和UBI見表3。

表3 老化試驗前后各試樣的CI和UBITab.3 CI and UBI of samples before and after aging test

由表3可知，與試樣A相比，試樣C和D的CI出現(xiàn)不同程度的減小，試樣B的CI輕微增大，試驗后電纜絕緣各試樣的UBI均明顯減小。由試驗電纜的運行記錄可知，電纜在整個服役過程中以低負荷方式運行，XLPE絕緣受到的熱應力影響較小，其內(nèi)部仍殘留有交聯(lián)副產(chǎn)物。在經(jīng)過180日電熱聯(lián)合老化后，電纜絕緣未出現(xiàn)明顯的熱氧老化現(xiàn)象，同時其內(nèi)部殘留的交聯(lián)副產(chǎn)物在高強度的電熱應力影響下充分揮發(fā)，各試樣的CI和UBI減小。相對于試樣B，試樣C的CI和UBI較未老化試樣減小，表明在相同熱處理方式下，較高溫度的電熱聯(lián)合老化試驗能夠促進電纜絕緣內(nèi)部可揮發(fā)性交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)的減少。與試樣C相比，試樣D的CI和UBI較大，CI和UBI的增大與電纜絕緣內(nèi)部發(fā)生的化學反應有關。試樣D為恒溫熱處理方式，長時間的高溫使得其內(nèi)部化學反應速率加快，CI和UBI隨之增大。

2.2 DSC試驗結果與分析

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的第1次升溫熱流曲線如圖5所示。隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部片晶厚度小、較不完善的晶體開始熔融，形成次級熔融峰，大部分較完善的晶體在更高的溫度下熔融，形成主熔融峰。

圖5 老化試驗前后電纜絕緣試樣第1次升溫熱流曲線Fig.5 The first heating flow curves of cable insulation samples before and after aging test

由圖5可知，在試樣主熔融峰的左側位置均存在次級熔融峰，結合運行記錄可知，次級熔融峰的存在可能與脫氣處理時試樣內(nèi)部次級結晶的生成有關。在老化試驗過程中，試樣B導體經(jīng)受的最高溫度為60 ℃，其內(nèi)部次級結晶生成的片晶厚度較小，使得次級熔融峰向低溫區(qū)移動。試樣的熱處理溫度越高，次級結晶生成的片晶厚度越大，次級熔融峰越接近主熔融峰。

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的第1次降溫熱流曲線如圖6所示。XLPE絕緣所經(jīng)受的熱歷史在第1次升溫過程中被消除，試樣在降溫過程中的熱流曲線呈現(xiàn)明顯的放熱峰，即結晶峰。由圖6可知，老化試驗后各試樣的結晶峰形狀未發(fā)生明顯改變，表明180日的電熱聯(lián)合老化試驗未對電纜絕緣的結晶結構造成嚴重破壞。各試樣結晶峰的位置存在差異，這與其內(nèi)部XLPE大分子鏈結構的完善程度有關。

根據(jù)各試樣的第1次升溫和降溫熱流曲線可提取出熔融溫度Tm、片晶厚度LB、熔程ΔTm及半結晶峰寬ΔT，具體參數(shù)見表4。各參數(shù)計算公式為[16]：

圖6 老化試驗前后電纜絕緣試樣第1次降溫熱流曲線Fig.6 The first cooling flow curves of cable insulation samples before and after aging test

(3)

ΔTm=Tim-Tfm,

(4)

ΔT=Tic-Tc.

(5)

式(3)—(5)中：Tm0為厚度無限大的晶體熔融溫度，Tm0=414.6 K；ΔHm0為單位體積XLPE晶體的熔融熱焓，ΔHm0=2.88×108J/m3；σe為晶體單位面積的表面能，σe=9.3×10-2J/m2；LB為試樣的片晶厚度，m；Tim為試樣的起始熔融溫度，K；Tfm為試樣的終止熔融溫度，K；Tic為試樣的起始結晶溫度，K；Tc為試樣的結晶峰峰值對應的溫度，K。

表4 老化試驗前后各試樣的DSC參數(shù)Tab.4 DSC parameters of samples before and after aging test

由表4可知，與試樣A相比，試樣B的熔融溫度和片晶厚度均減小，這是由于其在老化試驗中熱處理的最高溫度為60 ℃，XLPE分子鏈活動性有限，次級結晶的完善程度低。試樣C的熔融溫度和片晶厚度減小，試樣D與之相反，這表明相較于熱循環(huán)處理方式，XLPE結晶區(qū)的大分子鏈在90 ℃恒溫熱處理方式下有充分的時間進行位置調(diào)整，鏈段進一步規(guī)整堆砌形成片晶，晶粒不斷完善，片晶厚度增加，熔融溫度相應增大。

試樣B的熔程較未老化試樣增大，這是由于在60 ℃電熱循環(huán)試驗過程中，電纜絕緣內(nèi)部次級結晶形成的晶體較小，使其熔程加寬。試樣C的熔程最小，圖5中試樣C的主熔融峰較尖銳。在老化試驗過程中，試樣C導體的最高溫度為90 ℃，一方面使得其內(nèi)部存在的不完善晶體出現(xiàn)熔融，另一方面使得XLPE分子鏈的活動性增強，此時次級結晶形成的片晶厚度較試樣B大，因此，試樣C的熔程變小。試樣D的熔程增大，這是由于在恒溫熱處理方式下，松弛時間較長的次級結晶得以發(fā)展，并形成較小的晶體，從而使其熔程加寬，電纜絕緣的結晶特性趨于穩(wěn)定。

由th=ΔT/b(th為結晶時間，b為降溫速率)可知，當降溫速率b一定時，半結晶峰寬ΔT的數(shù)值越小，試樣的結晶速率越快[17-18]。結晶速率可用來表征XLPE在晶核生成以及晶粒生長階段的總速率，其與試樣的組成以及XLPE大分子結構的完整性有關。由表4可知，老化試驗后電纜絕緣各試樣的半結晶峰寬減小，即結晶速率增大。結合FTIR試驗結果可知，在180日的電熱聯(lián)合老化試驗后，試樣內(nèi)部的雜質(zhì)減少，同時其XLPE大分子結構未出現(xiàn)明顯降解，仍具有較好的完整性，使得試驗后電纜絕緣各試樣的結晶速率增大。

2.3 XRD試驗結果與分析

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的XRD曲線如圖7所示。由圖7可知，試樣的XRD曲線在衍射角為21.22°和23.63°處均存在較明顯的衍射峰，分別對應XLPE中正交晶型(110)晶面和(200)晶面的衍射峰[19]。老化試驗前后，各試樣衍射峰的衍射強度和形狀存在差異，衍射峰的位置未發(fā)生偏移，同時XRD曲線中未出現(xiàn)新的衍射峰，表明在180日高強度的電熱應力影響下，電纜絕緣試樣的聚集態(tài)結構發(fā)生變化，但未有新的結晶相生成。

圖7 老化試驗前后電纜絕緣試樣XRD曲線Fig.7 XRD curves of cable insulation samples before and after aging test

為了定量分析老化試驗前后電纜絕緣各試樣聚集態(tài)結構的變化情況，從圖7中提取出試樣的結晶度和晶粒尺寸。試樣的結晶度可以通過Hinrichsen方法計算得到[20]，即對各個試樣的XRD曲線進行高斯分峰擬合，如圖8所示。

圖8 基于Hinrichsen法的結晶峰與無定形峰高斯擬合Fig.8 Gaussian fitting of crystal peaks and amorphous peaks based on Hinrichsen method

試樣在不同衍射峰下的晶粒尺寸可以通過Scherrer方程計算得到[21]。具體計算過程如下：

(6)

(7)

式中：χ為試樣的結晶度；S1為試樣無定型峰的面積；S2為試樣主結晶峰的面積；S3為試樣次級結晶峰的面積；D(h,k,l)為垂直于(h,k,l)晶面方向的晶粒尺寸；λ為試驗時X射線的波長，取λ=0.154 nm；β為由于晶粒細化引起的衍射峰(h,k,l)的寬化，此處取衍射峰峰值高度一半處的寬度，即半峰寬(單位rad)；K為常數(shù)，當β取衍射峰的半峰寬時，取K=0.89。

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的XRD參數(shù)見表5。

表5 老化試驗前后各試樣的XRD參數(shù)Tab.5 XRD parameters of samples before and after aging test

由表5可知，相比試樣A，老化試驗后電纜絕緣各試樣的結晶度出現(xiàn)不同程度的減小。結合圖5可知，未老化電纜絕緣試樣在生產(chǎn)和運行中經(jīng)受的復雜熱歷史，導致其內(nèi)部出現(xiàn)次級結晶，結晶度較高，與主結晶相比，XLPE次級結晶形成的晶體結構較不完善。在老化試驗過程中：完善程度低的晶體結構在長期高強度的電熱應力下出現(xiàn)降解，試樣的結晶度減?。恍碌拇渭壗Y晶在相應的熱處理溫度下形成并繼續(xù)生長，試樣的結晶度增大。因此，在電、熱應力的聯(lián)合作用下各試樣間的結晶度出現(xiàn)明顯差異。相比試樣A，試樣C、D的晶粒尺寸增大。結合結晶度的變化可知，熱循環(huán)處理方式下電纜絕緣試樣的結晶度較小，晶粒尺寸較大，說明其內(nèi)部晶粒較松散，晶體結構間距較大；恒溫熱處理方式下電纜絕緣試樣的結晶度和晶粒尺寸增大，表明其內(nèi)部晶粒較緊密，結晶排列的分散程度較小，晶體結構較好。試樣B主結晶的晶粒尺寸沒有明顯變化，次級結晶的晶粒尺寸增大，這與其在老化試驗過程中承受的最高溫度較低有關。

2.4 交聯(lián)度試驗結果與分析

XLPE絕緣的基體材料LDPE在高溫高壓條件下發(fā)生交聯(lián)反應后，大部分聚乙烯分子鏈的線性結構轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g網(wǎng)狀結構[22]。由于電纜絕緣試樣中具有該結構的凝膠無法被二甲苯溶劑所溶解[23]，因此試樣中的凝膠含量可以等效為其交聯(lián)度，即

(8)

式中：m1為進行萃取前試樣的質(zhì)量；m2為萃取干燥后試樣的質(zhì)量。

老化試驗前后電纜絕緣各試樣的交聯(lián)度如圖9所示。在老化試驗過程中，試樣的交聯(lián)度變化情況與其內(nèi)部化學鍵在電熱應力影響下發(fā)生的斷裂和重組行為有關[24]。

圖9 老化試驗前后各試樣的交聯(lián)度Fig.9 Cross-linking degrees of samples before and after aging test

由圖9可知，與未老化試樣相比，老化試驗后電纜絕緣各試樣的交聯(lián)度出現(xiàn)不同程度的增大。由FTIR試驗結果可知，在180日的電熱聯(lián)合老化試驗過程中，XLPE大分子鏈段未出現(xiàn)明顯降解。因此，試樣的交聯(lián)度在老化試驗后增大，這與電纜絕緣內(nèi)部殘留的交聯(lián)劑在高強度電熱應力影響下發(fā)生的二次交聯(lián)反應有關。圖9中試樣B的交聯(lián)度最大，這是由于其承受的溫度較低，且XLPE分子鏈網(wǎng)狀結構具有較強的溫度耐受能力，因此在老化試驗過程中電纜絕緣試樣的交聯(lián)結構受到的破壞較??；與試樣C相比，試樣D的交聯(lián)度較小，表明相對于熱循環(huán)處理方式，90 ℃恒溫熱處理方式對電纜絕緣XLPE分子鏈網(wǎng)狀結構的破壞程度較嚴重。

3 結論

本文主要研究了恒溫、熱循環(huán)處理方式下的電熱聯(lián)合老化試驗對XLPE絕緣理化特性的影響，得出以下結論：

a)電纜絕緣在經(jīng)過180日的電熱聯(lián)合老化試驗后，各試樣的羰基指數(shù)、不飽和基指數(shù)以及半結晶峰寬減小，晶粒尺寸和交聯(lián)度增大，說明在老化試驗過程中，電纜絕緣的理化結構未出現(xiàn)劣化，甚至有所改善。

b)與恒溫熱處理方式相比，熱循環(huán)處理方式下電纜絕緣的溫度變化使得其結晶形態(tài)發(fā)生改變，次級結晶生成的晶體結構完善程度較低，片晶厚度變小，結晶度和熔融溫度減小，晶粒尺寸增大。

c)在熱循環(huán)處理方式下，較高溫度的電熱聯(lián)合老化試驗有利于電纜絕緣內(nèi)部殘留交聯(lián)副產(chǎn)物等揮發(fā)性雜質(zhì)的減少以及結晶區(qū)中片晶的生長變厚，較低溫度的電熱聯(lián)合老化試驗促進電纜絕緣二次交聯(lián)過程。

d)適當提高運行初期電纜絕緣層溫度并保持負荷穩(wěn)定，對于改善電纜絕緣理化特性具有積極效應。