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        變電站低壓電纜絕緣層老化特征及老化模型

        2022-05-20 05:59:52楊愛晟馮霆王中杰陶文彪杜娟
        工程塑料應(yīng)用 2022年5期
        關(guān)鍵詞:絕緣層微孔老化

        楊愛晟,馮霆,王中杰,陶文彪,杜娟

        (1.國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司,山西晉中 030600; 2.國網(wǎng)山西省電力公司,太原 030021;3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,太原 030001)

        變電站的低壓站用電系統(tǒng)關(guān)系著變電站的運行安全,但因低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資規(guī)模小,過去對其重視程度不夠,導(dǎo)致近期問題頻發(fā)[1–3]。變電站低壓站用電系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)通常由直流或交流低壓電纜供電,其對站用電系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要意義。例如,變電站站用電系統(tǒng)直流供電網(wǎng)絡(luò)通常采用電纜鋪設(shè),變電站低壓直流電纜絕緣層故障將可能造成設(shè)備損壞、站用交流系統(tǒng)失電,事故嚴(yán)重會發(fā)生保護(hù)誤動事故,影響極其惡劣[4]。低壓電纜在制造、敷設(shè)及運行過程中,電纜絕緣層將受到機(jī)械應(yīng)力、溫度、水分等老化因素作用[5–6],隨著運行年限增加,電纜絕緣層被破壞、(部分)喪失絕緣性能時,將在絕緣層破損處和大地之間出現(xiàn)某種程度的導(dǎo)電途徑,形成剩余電流,進(jìn)而引發(fā)電弧甚至火災(zāi)等系統(tǒng)事故。研究低壓電纜絕緣層老化特征對于判斷電纜絕緣層老化狀態(tài)、性能特征及預(yù)測剩余壽命具有重要意義。

        有關(guān)電纜老化特征,已有研究更多關(guān)注的是中高壓電纜絕緣層[通常為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)]老化特征,例如,電樹、水樹生長特征等[7–10]。然而,有關(guān)變電站低壓電纜絕緣層理化性能及電氣性能等老化特征,目前尚無文獻(xiàn)報道。低壓電纜絕緣層材料通常為聚氯乙烯(PVC)[11],在制造、敷設(shè)過程中電纜將受到機(jī)械應(yīng)力作用而在絕緣層產(chǎn)生微觀缺陷,在運行過程中絕緣層將受到電場作用。此外,電纜溝道土壤中通常存在K+,Na+,Cl-,SO42-等離子,其可能在電纜破損處隨水分滲透進(jìn)入絕緣層,而電纜銅芯受到腐蝕還將形成Cu2+等。因此,在電纜運行過程中絕緣層將受到電場、缺陷、離子等多種老化因素作用[3]。為了探索多種老化因素作用下低壓電纜絕緣層老化特征,筆者制作低壓短電纜樣本并對樣本進(jìn)行加速老化,研究了不同階段樣本老化特征及其原因,并提出了樣本擊穿電壓隨老化時間變化的關(guān)系模型。

        1 短電纜樣本加速老化及測試

        1.1 短電纜樣本制作及加速老化

        采用的低壓電纜型號為ZR-KVVP2-22 4×4型(220 V/380 V),電纜橫截面如圖1a所示,其中電纜絕緣層為PVC,絕緣層厚度為0.75 mm。截取350 mm長的短電纜樣本,剝除電纜內(nèi)外護(hù)套、鋼鎧、銅屏蔽層及填料并露出絕緣層,之后將a,b,c,u單相電纜樣本彎曲成U形,其中兩側(cè)部分長度為75 mm,中間部分長度為200 mm。將(單相)樣本一端絕緣層剝?nèi)?0 mm并露出纜芯以接電源,短電纜樣本如圖1b所示。

        圖1 短電纜樣本示意圖

        利用上述方法制備4組短電纜樣本,分別編號為A,B,C,D,每組包括a,b,c,u 4根單相樣本。其中A組為對照樣本,不進(jìn)行老化,B,C,D為老化樣本,在此三組樣本中間老化部分用工具刀制作V形刀痕缺陷,缺陷間距為40 mm,缺陷寬度為2 mm,深度約為0.4 mm。將銅帶纏繞在B,C,D三組樣本的中間部分,然后將樣本浸泡在CuSO4溶液中,在樣本上施加1 kV的工頻交流電壓進(jìn)行加速老化,B,C,D三組樣本老化時間分別為7,14,21 d,老化溫度為室溫。短電纜樣本加速老化如圖2所示。

        圖2 短電纜樣本加速老化示意圖

        1.2 主要儀器及設(shè)備

        掃描電子顯微鏡(SEM):JSM-7500F型,美國賽默飛世爾公司;

        傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀:Nicolet 6700型,德國布魯克公司;

        鹵素水分儀:HD-100A型,廈門萊斯德科學(xué)儀器有限公司;

        極化-去極化電流(PDC)測試儀:PCD-003型,瀘州聚源電力設(shè)備有限公司;

        試驗變壓器:YD-5/50型,揚州攀峰電氣有限公司。

        1.3 老化電纜樣本測試

        (1)微觀形貌觀測。

        將單相樣本中間V形老化部分絕緣層置入-200℃液氮中浸泡20 min,將樣本沿V形部分脆斷后進(jìn)行SEM觀測[12]。

        (2)化學(xué)結(jié)構(gòu)檢測。

        在單相樣本中間V形老化部分絕緣層上切取10 mm長的樣本條,之后通過FTIR對樣本條進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)檢測[13],檢測部位為樣條內(nèi)側(cè)。

        (3)含水量測試。

        在單相樣本中間V形老化部分切取3~6 g絕緣層并將其放置在鹵素水分儀中進(jìn)行含水量測試。測試溫度為105℃,測試模式為自動模式,即當(dāng)樣本質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定(質(zhì)量波動小于0.5%)后自動停止測試,記錄樣本含水量并統(tǒng)計平均含水量。

        (4) PDC測試。

        樣本老化結(jié)束后,分別對每組單相樣本進(jìn)行PDC測試[14],測試原理如圖3所示,圖中ip為極化電流,idep為去極化電流。將銅帶繞包在樣本中間老化部分,另外在樣本兩側(cè)纏繞銅屏蔽帶,將樣本一端露出纜芯接PDC測試儀高壓端,樣本中間銅帶及兩側(cè)銅屏蔽帶接地,之后進(jìn)行PDC測試。測試電壓為100 V,極化過程中開關(guān)S切換至a,去極化過程中切換至b,極化時間及去極化時間均為90 s[13]。

        圖3 短電纜樣本PDC測試示意圖

        (5)擊穿電壓測試。

        將樣本老化部分絕緣層切為7.03 mm×10 mm的矩形薄片試樣,將試樣放置于擊穿測試油杯電極之間,之后測試試樣的工頻擊穿電壓,每個試樣測試點數(shù)為6。測試結(jié)束后用二參數(shù)Weibull分布函數(shù)對擊穿概率進(jìn)行統(tǒng)計,得到63.2%擊穿概率時擊穿電壓,其可有效反映樣本擊穿強(qiáng)度[15]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 微觀形貌分析及電機(jī)械老化特征

        不同老化時間樣本的SEM觀測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,未老化樣本中即已存在較多的大微孔(約3 mm),老化7 d后樣本中較大微孔數(shù)量增加不明顯,而小微孔(約0.5 mm)數(shù)量明顯增加。隨著老化時間繼續(xù)增加,樣本中小微孔逐漸發(fā)展為大微孔,導(dǎo)致大微孔數(shù)量增加。老化21 d后樣本中已有較多大微孔。

        圖4 不同老化時間樣本的微觀形貌

        上述研究結(jié)果表明,在加速老化中樣本存在電機(jī)械老化。PVC為非結(jié)晶高聚物,其結(jié)構(gòu)單元為(CH2—CHCl),分子主鏈由C—C鍵連接而成。聚合物非晶區(qū)存在較多自由體積空穴及微孔,其中微孔尺寸可達(dá)數(shù)微米。在電場作用下溶液滲透進(jìn)入材料非晶區(qū)自由體積空穴并對周圍材料造成交變的Maxwell應(yīng)力(電機(jī)械應(yīng)力)[16](疲勞應(yīng)力)。在此應(yīng)力作用下,材料中分子鏈段將發(fā)生斷裂,水分進(jìn)入絕緣層,進(jìn)而導(dǎo)致微孔尺寸擴(kuò)大及數(shù)量增多[17]。

        2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析及電化學(xué)老化特征

        不同老化時間樣本的FTIR譜圖如圖5所示。圖5中2 916 cm–1處為PVC主鏈上C—H振動峰,3 300 cm–1處為羥基(—OH)振動峰,1 550 cm–1處為羧酸根離子(COO-)振動峰[18],1 375 cm–1處為甲基(—CH3)振動峰[12]。根據(jù)紅外吸收光譜,統(tǒng)計樣本中—OH,COO-及—CH3吸光度平均值,如圖6所示。由圖6可知,—OH和—CH3振動峰在老化7 d前增加速率較高,而在老化7 d后增速下降。而COO-變化趨勢正好相反,在老化7 d前增加速率較低,而在老化7 d后增速上升?!狾H振動峰能夠表征水分含量,其變化趨勢和含水量結(jié)果一致。—CH3能夠表征材料分子鏈段斷裂情況,表明老化1周前分子鏈段斷裂數(shù)量較多,而7 d后斷裂數(shù)量減少。COO-能夠表征斷裂分子鏈段端基(如—CH3等)的氧化情況,表明老化7 d后斷裂分子鏈段氧化程度加劇。

        圖5 不同老化時間樣本的FTIR譜圖

        圖6 不同老化時間樣本的—OH,COO-及—CH3紅外特征峰吸光度

        上述研究結(jié)果表明,在加速老化過程中樣本存在電化學(xué)老化。電機(jī)械老化造成分子鏈斷裂,斷裂分子鏈的末端甲基(—CH3)在CuSO4溶液中氧化生成羧基(—COOH),進(jìn)而—COOH發(fā)生部分電離形成COO-及H+,其中COO-和Cu2+結(jié)合形成羧酸鹽,H+和SO42-結(jié)合形成H2SO4,其將導(dǎo)致更多—CH3氧化生成COO-[17]。由于—COOH及COO-具有親水性,其將促進(jìn)水分進(jìn)入絕緣層,并且隨著老化時間增長,老化溶液中COO-及H+含量不斷增加,導(dǎo)致溶液氧化性增強(qiáng)、電化學(xué)老化速率加快。

        2.3 含水量變化特征及原因分析

        不同老化時間樣本的平均含水量統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。由圖7統(tǒng)計結(jié)果可知,隨著老化時間增加,樣本含水量逐漸增大。此外,老化7 d前樣本含水量增速較高,之后增速逐漸降低。未老化樣本含水量為0.425%,老化7 d后樣本含水量顯著增至0.871%,老化21 d后含水量繼續(xù)增加至1.076%。老化7 d前,樣本中微孔密度較低,此時缺陷尖端電場較高,導(dǎo)致材料分子鏈段斷裂速率及電機(jī)械老化速率較高,因而含水量增速較高。而隨著老化時間增加,樣本中微孔尺寸及密度增大,其將形成電場屏蔽效應(yīng)、缺陷尖端電場降低,導(dǎo)致分子鏈段斷裂速率及電機(jī)械老化速率降低;另一方面,雖然此時絕緣層電化學(xué)老化速率加快,含水量增速也隨之提高,但總體上電機(jī)械老化速率下降造成的含水量增速下降幅度更高,因而含水量增速逐漸降低。

        圖7 不同老化時間樣本的平均含水量

        2.4 電氣性能變化特征及老化模型

        (1)直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗。

        不同老化時間樣本的PDC曲線如圖8所示,圖中僅給出b相曲線。由圖8可見,隨著老化時間增加,樣本極化電流及去極化電流絕對值總體增大。

        圖8 不同老化時間樣本的PDC曲線

        根據(jù)不同相的極化電流及去極化電流,計算樣本平均直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗,計算結(jié)果如圖9所示。由圖9統(tǒng)計結(jié)果可知,老化7 d前樣本直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗增加速率較高,之后呈降低趨勢。此外,樣本0.1 Hz介質(zhì)損耗增加速率在14~21 d時又略有增大。

        圖9 不同老化時間樣本的電氣參數(shù)

        未老化樣本直流電導(dǎo)率為1.86×10-13S/m,0.1 Hz介質(zhì)損耗為3.58%。由于電纜絕緣層非晶區(qū)中存在自由體積空穴及微孔,此外,受成本及生產(chǎn)工藝等因素影響,低壓電纜絕緣層中存在較多雜質(zhì),導(dǎo)致未老化樣本直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗較高。

        老化初期,由于電機(jī)械老化速率較高,大量水分進(jìn)入絕緣層,同時絕緣層存在電化學(xué)老化,導(dǎo)致材料電氣性能下降速率較高。而隨著老化時間增長,電機(jī)械老化速率降低,而電化學(xué)老化速率增高,但由于電機(jī)械老化速率下降所導(dǎo)致的含水量增速下降超過了電化學(xué)老化所導(dǎo)致的含水量增速上升,因而樣本電氣性能下降速率總體呈下降趨勢。而在老化14~21 d期間,因COO-及H+濃度增加所導(dǎo)致的電化學(xué)老化速率上升,因而在此期間樣本0.1 Hz介質(zhì)損耗增速又略有增加。由于含水量能夠表征絕緣層老化狀況,含水量越高,樣本電氣性能越差,可見樣本電氣性能與材料含水量變化規(guī)律基本一致。

        此外,老化21 d時樣本直流電導(dǎo)率增至2.43×10-12S/m,0.1 Hz介質(zhì)損耗增至12.30%,仍屬于極性電介質(zhì)(極性電介質(zhì)電導(dǎo)率范圍為10-12~10-8S/m[19]),初步判斷樣本電氣性能合格。

        (2)擊穿電壓變化特征及老化模型。

        不同老化時間樣本的不同概率擊穿電壓值如圖10所示,不同樣本63.2%擊穿概率時擊穿電壓統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,未老化樣本的擊穿電壓為6.22 kV,老化初期樣本擊穿電壓下降速率較高,之后下降速率減小,老化21 d后樣本擊穿電壓下降為5.26 kV。

        圖10 不同老化時間樣本的擊穿電壓及63.2%擊穿概率統(tǒng)計

        圖11 短電纜樣本擊穿電壓與老化時間關(guān)系

        根據(jù)擊穿電壓測試結(jié)果擬合擊穿電壓隨老化時間的關(guān)系,擬合結(jié)果如式(1)所示:

        式中:Vb——擊穿電壓;t—老化時間。

        由式(1)結(jié)果可知,在加速老化條件下樣本擊穿電壓隨時間變化符合指數(shù)冪關(guān)系。假設(shè)電纜樣本最小剩余絕緣強(qiáng)度為660 V (3U0[20]),則由式(1)可知,在加速老化條件下電纜樣本擊穿電壓下降至660 V所需時間約為220 d,亦即在此加速老化條件下樣本壽命約為220 d[21]。由于老化21 d樣本擊穿電壓為5.26 kV,遠(yuǎn)高于樣本最小剩余絕緣強(qiáng)度,判斷樣本電氣性能合格。

        3 結(jié)論

        對低壓電纜樣本進(jìn)行加速老化,研究了電纜樣本理化性能及電氣性能變化特征及原因,主要結(jié)論如下:

        (1)在加速老化條件下,電纜樣本絕緣層同時存在電機(jī)械老化及電化學(xué)老化,且樣本老化特征在很大程度上取決于絕緣層微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)結(jié)構(gòu)特征。通過分析樣本微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)結(jié)構(gòu)可揭示樣本老化特征、提出相應(yīng)老化條件下的老化模型并應(yīng)用于實際運行電纜電氣性能判斷及剩余壽命預(yù)測。

        (2)老化初期電纜樣本含水量增加速率較高,之后降低。而老化初期樣本電氣性能下降速率較高,之后降低。樣本電氣性能與材料含水量變化規(guī)律基本一致。根據(jù)材料含水量可輔助分析樣本電氣性能變化特征。

        (3)在加速老化條件下樣本擊穿電壓與老化時間呈指數(shù)冪關(guān)系,根據(jù)此關(guān)系可初步判斷樣本剩余壽命。

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