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研究院，太原 030001)

變電站的低壓站用電系統(tǒng)關系著變電站的運行安全，但因低壓系統(tǒng)結構簡單、投資規(guī)模小，過去對其重視程度不夠，導致近期問題頻發(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)絡通常采用電纜鋪設，變電站低壓直流電纜絕緣層故障將可能造成設備損壞、站用交流系統(tǒng)失電，事故嚴重會發(fā)生保護誤動事故，影響極其惡劣[4]。低壓電纜在制造、敷設及運行過程中，電纜絕緣層將受到機械應力、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)某種程度的導電途徑，形成剩余電流，進而引發(fā)電弧甚至火災等系統(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)、性能特征及預測剩余壽命具有重要意義。

有關電纜老化特征，已有研究更多關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、敷設過程中電纜將受到機械應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形部分脆斷后進行SEM觀測[12]。

(2)化學結構檢測。

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對樣本條進行化學結構檢測[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行含水量測試。測試溫度為105℃，測試模式為自動模式，即當樣本質(zhì)量達到穩(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。

樣本老化結束后，分別對每組單相樣本進行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，之后進行PDC測試。測試電壓為100 V，極化過程中開關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。測試結束后用二參數(shù)Weibull分布函數(shù)對擊穿概率進行統(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度[15]。

2 結果與討論

2．1 微觀形貌分析及電機械老化特征

不同老化時間樣本的SEM觀測結果如圖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

上述研究結果表明，在加速老化中樣本存在電機械老化。PVC為非結晶高聚物，其結構單元為(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，其中微孔尺寸可達數(shù)微米。在電場作用下溶液滲透進入材料非晶區(qū)自由體積空穴并對周圍材料造成交變的Maxwell應力(電機械應力)[16](疲勞應力)。在此應力作用下，材料中分子鏈段將發(fā)生斷裂，水分進入絕緣層，進而導致微孔尺寸擴大及數(shù)量增多[17]。

2．2 化學結構分析及電化學老化特征

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。—OH振動峰能夠表征水分含量，其變化趨勢和含水量結果一致?！狢H3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

上述研究結果表明，在加速老化過程中樣本存在電化學老化。電機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)，進而—COOH發(fā)生部分電離形成COO-及H+，其中COO-和Cu2+結合形成羧酸鹽，H+和SO42-結合形成H2SO4，其將導致更多—CH3氧化生成COO-[17]。由于—COOH及COO-具有親水性，其將促進水分進入絕緣層，并且隨著老化時間增長，老化溶液中COO-及H+含量不斷增加，導致溶液氧化性增強、電化學老化速率加快。

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)計結果如圖7所示。由圖7統(tǒng)計結果可知，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，導致材料分子鏈段斷裂速率及電機械老化速率較高，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、缺陷尖端電場降低，導致分子鏈段斷裂速率及電機械老化速率降低；另一方面，雖然此時絕緣層電化學老化速率加快，含水量增速也隨之提高，但總體上電機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率及0.1 Hz介質(zhì)損耗，計算結果如圖9所示。由圖9統(tǒng)計結果可知，老化7 d前樣本直流電導率和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)，導致未老化樣本直流電導率及0.1 Hz介質(zhì)損耗較高。

老化初期，由于電機械老化速率較高，大量水分進入絕緣層，同時絕緣層存在電化學老化，導致材料電氣性能下降速率較高。而隨著老化時間增長，電機械老化速率降低，而電化學老化速率增高，但由于電機械老化速率下降所導致的含水量增速下降超過了電化學老化所導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+濃度增加所導致的電化學老化速率上升，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系

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

式中：Vb——擊穿電壓；t—老化時間。

由式(1)結果可知，在加速老化條件下樣本擊穿電壓隨時間變化符合指數(shù)冪關系。假設電纜樣本最小剩余絕緣強度為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，遠高于樣本最小剩余絕緣強度，判斷樣本電氣性能合格。

3 結論

對低壓電纜樣本進行加速老化，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械老化及電化學老化，且樣本老化特征在很大程度上取決于絕緣層微觀結構及化學結構特征。通過分析樣本微觀結構及化學結構可揭示樣本老化特征、提出相應老化條件下的老化模型并應用于實際運行電纜電氣性能判斷及剩余壽命預測。

(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)冪關系，根據(jù)此關系可初步判斷樣本剩余壽命。