聶陽陽，周文青，趙一楓，范星輝，呂茵，王慧泉，劉剛

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州510641；3.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510507)

隨著大范圍能源優(yōu)化配置、大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)等需求的擴大，直流輸電工程正得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-2]。換流閥作為直流輸電的核心部件，在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，因此冷卻系統(tǒng)是其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[3]。目前投運使用的換流站冷卻系統(tǒng)多采用水冷方式，承載去離子水的管道盤旋穿插在換流閥塔中。為鉗制水管內(nèi)去離子水的電位差，防止金屬材質(zhì)的散熱片被腐蝕，水管上會均勻加裝均壓電極以轉(zhuǎn)移腐蝕，各均壓電極與臨近母線板具有電氣連接[4]。南方電網(wǎng)已投運直流工程中的換流閥冷卻水管均壓電極與母線板的電氣連接方式有2種：一種使用的是均壓電極引線，另一種使用的是導(dǎo)電桿。相較于導(dǎo)電桿，均壓電極引線結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，便于安裝施工；然而，由于其易于變形，在冷卻系統(tǒng)的運行過程中存在貼近冷卻水管表面的情況。均壓電極引線連接著母線板，帶有高電位，存在安全隱患?？紤]到水管所處電場環(huán)境的復(fù)雜性，換流閥廠家選擇了絕緣性能優(yōu)越、理化性能穩(wěn)定的聚偏氟乙烯(poly vinylidene fluoride，PVDF)作為水管材料[5]。但隨著輸電電壓等級提高，冷卻水管所處的電場環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，PVDF材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在長期運行的過程中會產(chǎn)生變化，甚至造成宏觀損傷，引發(fā)停電事故。

2015年南方電網(wǎng)某換流站發(fā)生了一起換流閥停運檢修事故[6]，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)事故段有一均壓電極引線接觸附近冷卻水管，水管厚度約為3.5 mm，表面出現(xiàn)30 mm(長)×4 mm(寬)大小的損傷凹痕，已發(fā)生破損而漏水。水滴落在閥片上的閥電壓檢測(thyristor voltage monitoring，TVM)板上導(dǎo)致無信號傳回，在停電十幾小時后更換水管和TVM板，閥組解鎖運行。目前對此類冷卻水管漏水事故開展的研究較少，針對換流閥冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在均壓電極結(jié)垢、金屬散熱器腐蝕、水管接頭處漏水等問題上[7]，造成此類水管漏水事故原因仍然缺乏論證。根據(jù)檢修記錄，此類事故發(fā)生頻率雖低，但是發(fā)生后發(fā)展迅速，影響附近設(shè)備的正常運行，水管內(nèi)部水壓降低處理不及時甚至導(dǎo)致內(nèi)冷卻系統(tǒng)癱瘓，嚴重威脅換流站的穩(wěn)定運行。

在正常工況的一個換流周期內(nèi)，損傷位置處均壓電極帶有40 kV以上的電勢差，這意味著其連接的均壓電極線帶有高電位[8]。結(jié)合事故中均壓電極線意外挨近冷卻水管的情況，文獻[9]通過實驗研究了均壓電極引線電流熱效應(yīng)對水管表面的作用，發(fā)現(xiàn)引線上的電流大小為毫安級別，排除了電流熱效應(yīng)的影響[9]。文獻[10-12]對損傷水管附近電場環(huán)境進行了仿真分析，并開展了電暈放電的紫外光子成像實驗，提出電暈放電造成水管損傷的可能性[10-12]。根據(jù)劇烈程度的不同，放電對水管表面的損傷可分為短時擊穿(高場強下)和電暈老化(低場強下)。二者對水管造成損傷的主導(dǎo)因素不同，對材料內(nèi)部的作用過程也有差異。短時擊穿放電下材料表面會發(fā)生電痕破壞，放電熱量在該過程中起著重要作用[13-14]。電暈老化對聚合物材料表面的作用過程是相對復(fù)雜的，需要考慮電暈中活性粒子(電子、光量子、活性氧原子等)的綜合作用[15]。目前針對放電導(dǎo)致事故水管損傷的研究均是從放電現(xiàn)象這一角度入手；然而換流閥內(nèi)電場環(huán)境錯綜復(fù)雜，直接從放電的角度研究水管損傷的過程極具挑戰(zhàn)性且缺乏論證。以損傷水管本身為研究對象，從材料微觀性質(zhì)變化的角度對水管損傷原因開展研究更具可行性。因此，本文基于前述研究提出放電導(dǎo)致水管損傷的推斷，以事故水管為研究對象，開展水管表面擊穿放電和加速電暈老化試驗。采用傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)、差示掃描量熱法(differential scanning caborimetry，DSC)技術(shù)，分析事故試樣和試驗前后試樣的內(nèi)部基團和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化，得出事故水管損傷處試樣具有特征性的微觀參數(shù)。最后，通過對照事故試樣與放電模擬試驗中的試樣的特征微觀參數(shù)，推斷出水管損傷的原因及機理。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗采用一段發(fā)生事故損傷的舊水管和一段新水管作為研究對象，2段水管均為德國西門子公司的聚偏二氟乙烯(PVDF)材質(zhì)換流閥冷卻水管。試驗用舊水管截取自事故損傷水管，如圖1所示。取樣水管運行已超過5 a，包含事故損傷部位，其余部分表面完整。

圖1 水管損傷事故發(fā)生位置及損傷情況

1.2 模擬放電試驗

針對短時擊穿放電對PVDF水管表面的損傷，截取舊水管不含損傷處的一段進行放電擊穿試驗，如圖2(a)所示，其中：1為電腦控制端；2為ZJC-100 kV電壓擊穿試驗儀；3為試驗用三角形電極，用作高壓端，尖端與水管表面接觸；4為弦長60 cm的實驗水管試樣；5為接地圓柱銅電極；6為裝置外壁。試驗使用電腦程序向高電壓試驗儀發(fā)送控制信號并且記錄耐壓時間、大小和波形。當電腦端發(fā)送加壓信號后，高電壓試驗儀升壓使導(dǎo)線帶高壓，在尖銳的高壓端產(chǎn)生高場強，當電壓增加到一定值時將在水管表面發(fā)生劇烈放電。設(shè)置電壓幅值45 kV、電壓上升速率1 kV/s、耐壓時間為500 s進行多組試驗，直至水管表面發(fā)生擊穿。試驗過程中，電弧在水管表面持續(xù)作用，水管表面不斷被侵蝕，直至兩極貫穿。試驗結(jié)束后，觀察到高壓電極接觸點附近生成1個碳黑區(qū)域并發(fā)生擊穿，從該區(qū)域延伸出1條細長放電凹痕。凹痕處未觀察到有碳痕，對放電凹痕取樣，進行下一步微觀測試。

針對電暈老化對PVDF水管表面的損傷，對換流站事故舊水管進行加速電暈老化試驗。實驗原理圖如圖2(b)所示，其中：4為試樣，取自舊水管，大小為弦長3 cm、寬3 cm的拱形；6為金屬板，用作接地極；7為實驗裝置外壁。高壓端與接地端之間相距11 cm，支架高度為8.5 cm。設(shè)定耐壓值30 kV、升壓速率1 kV/s進行長期電暈老化試驗，升壓至30 kV時已經(jīng)能聽到明顯的放電噪聲，并聞到濃烈的臭氧氣味。在試驗達到1 000 h時，觀察到水管表面已經(jīng)出現(xiàn)沿著均壓電極線方向的橫向損傷痕跡，損傷呈不規(guī)則長條形。對水管表面取樣，進行下一步分析。

圖2 模擬放電試驗原理圖

1.3 理化測試試樣名稱及說明

在對各樣品進行清潔與干燥處理后，使用FTIR和DSC技術(shù)進行表面微觀參數(shù)測試。各試樣名稱及說明見表1。

表1 各試樣名稱及說明

1.4 理化測試

FTIR采用德國Bruker公司生產(chǎn)的VERTEX 70 紅外光譜儀。實驗以分辨率為4 cm-1、信噪比為55 000∶1的方式在波長范圍500～4 000 cm-1內(nèi)對各個試樣進行掃描，然后通過OPUS軟件分析獲得光譜。

DSC型號為德國NETZSCH公司的DSC 214，測試時設(shè)定為氮氣氣氛，通氣速率為40 ml/min，溫度改變速率設(shè)定為10 ℃/min。根據(jù)查閱資料得到的PVDF材料熔點參數(shù)，設(shè)定溫度變化范圍為30～200 ℃，得到熔融曲線。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 FTIR測試結(jié)果與分析

圖3所示為新水管、舊水管和事故水管損傷處的FTIR圖。

圖3 新、舊和事故損傷水管的FTIR圖

圖4所示為已歸一化的事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的FTIR圖。

圖4 事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的FTIR圖

對于短時劇烈放電產(chǎn)生的凹痕處的試樣，其乙烯基和羥基的振動峰強度沒有明顯上升，這是由于在短時強放電的作用下，水管表面發(fā)生了電痕破壞過程，損傷的主導(dǎo)因素是劇烈放電產(chǎn)生的熱量。大量熱量使分子鏈大量破壞，析出碳元素[14]。當氧氣充足時，生成的碳會反應(yīng)成為碳氧化物逸出材料表面，最終在材料表面形成細長的放電凹痕。因此，在放電凹痕形成過程中雖然也有大量分子鏈斷裂，生成不飽和雙鍵，但進一步的反應(yīng)會將其消耗掉，乙烯基的振動強度不會明顯上升。熱量的作用還會使氫原子生成氣體逸出，因此即使大量氧參與了反應(yīng)，羥基振動強度也未明顯增加。由此可以看出，事故水管表面損傷并非是短時劇烈放電造成的。

對于電暈老化水管試樣，乙烯基和羥基的振動峰強度與事故水管損傷處相似，有明顯上升。對于電暈放電來說，其對聚合物絕緣材料的老化形式有帶電粒子的轟擊和活性產(chǎn)物的作用[22]。從加速電暈老化水管試樣的特征基團振動峰強度可以看出，加速電暈老化使得大量分子鏈在高能粒子的轟擊下發(fā)生斷裂，生成大量不飽和雙鍵，不飽和乙烯基振動強度大幅上升。同時電暈活性物質(zhì)(原子態(tài)的氧)也將大量的極性羥基引入鏈斷中，羥基指數(shù)大幅增加。隨著這些過程不斷進行，水管表面的較長分子鏈逐步變成較短分子鏈，降解達到一定程度后，短分子鏈逸出，在表面形成損傷。

根據(jù)FTIR分析結(jié)果，乙烯基和羥基的振動峰強度明顯上升，是事故水管損傷的微觀特征之一，而加速電暈老化試樣在基團變化上也具有這一特征，表明長時電暈老化是造成事故水管表面損傷的原因。

2.2 DSC測試結(jié)果與分析

對于PVDF這類半結(jié)晶型聚合物，其內(nèi)部是由結(jié)晶相、非結(jié)晶相和中間相組成[23]。結(jié)晶相內(nèi)分子鏈排列緊密有序，不利于氧的擴散，氧化降解反應(yīng)多發(fā)生在分子鏈排列松散的非晶相內(nèi)；因此乙烯基與羥基振動峰的強弱更多反映的是非晶相內(nèi)的氧化降解情況。為了更加全面地研究事故水管損傷處的微觀特征，采用DSC技術(shù)對各水管樣品的結(jié)晶狀況進行分析。圖5、圖6所示為新水管、舊水管、事故水管損傷處、放電凹痕和電暈老化水管的熔融曲線。其中：Tm為吸熱峰峰值對應(yīng)的溫度，代表樣品熔點；ΔHm為吸熱峰面積，代表熔融焓。

圖5 新、舊和事故損傷水管的DSC熔融曲線

圖6 事故損傷、放電凹痕和電暈老化水管的DSC熔融曲線

為進一步分析晶體結(jié)構(gòu)，需要得到各樣品的結(jié)晶度Xc，

Xc=ΔHm/ΔH0.

(1)

式中：ΔH0為PVDF材料結(jié)晶度為100%時的熔融峰熱焓，由文獻[24]得ΔH0=104.5 J/g。根據(jù)結(jié)晶度計算公式，熔融曲線中各樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 DSC熔融曲線相關(guān)數(shù)據(jù)

結(jié)晶度的大小反映了結(jié)晶相在聚合物內(nèi)部的占比，結(jié)晶相內(nèi)分子鏈排列緊密，相較于非晶相，不易與外界因素反應(yīng)而降解。因此對于半結(jié)晶聚合物而言，在外界因素作用下其結(jié)晶度的增大或減小能夠有效反映整體的降解程度。由表2可以看出相較于新水管，自然老化的舊水管結(jié)晶度上升了9.76%，表明在環(huán)境因素的作用下，從結(jié)晶度的角度來分析，水管表面并未發(fā)生降解，相反可能出現(xiàn)了二次結(jié)晶現(xiàn)象。而事故中的水管損傷處結(jié)晶度相較于舊水管結(jié)晶度下降了15.49%，這說明事故損傷部位表面發(fā)生了明顯的降解作用，其作用結(jié)果已經(jīng)破壞了內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)。因此可以推斷結(jié)晶度的大幅度下降是事故水管損傷的又一微觀特征。

相較于舊水管試樣，放電凹痕處試樣的結(jié)晶度下降了5.4%，與事故水管損傷處相比，下降幅度較低。這與FTIR的結(jié)果類似，短時擊穿放電產(chǎn)生的熱量作用下水管表面發(fā)生了劇烈降解，這個過程發(fā)展很快，水管材料快速降解為氣體并逸出。雖然在水管表面形成了凹痕，但晶體被破壞的部分并未大量殘留，因此結(jié)晶度下降不明顯。對于電暈老化試樣，其結(jié)晶度較于舊水管下降了21.8%，具有事故水管損傷處結(jié)晶度大幅下降的特征。因此，從結(jié)晶度的角度分析，事故水管損傷是由長期電暈老化造成的。在電暈活性粒子的不斷作用下，分子鏈的降解逐步從非晶區(qū)過渡到晶區(qū)，最終在長時間的作用下，被完全破壞的晶體結(jié)構(gòu)會逸出水管表面，形成表面損傷。電暈作用過程相對緩慢且時間長，在造成損傷的同時，仍殘留大量未被完全破壞的晶體結(jié)構(gòu)，等待進一步降解。因此，長期電暈老化作用后水管的結(jié)晶度會大幅下降。

3 結(jié)論

本文針對一起換流閥PVDF材質(zhì)冷卻水管損傷漏水事故，從損傷的微觀特征對事故原因及機理開展研究，基于提出的放電導(dǎo)致水管損傷的推斷，對水管開展短時擊穿與加速電暈老化試驗，通過FTIR與DSC技術(shù)對新、舊、放電凹痕處、加速電暈老化和事故損傷處的水管表面微觀參數(shù)進行測試，得出以下結(jié)論：

a)事故水管損傷處具有乙烯基和羥基的振動峰強度明顯上升、結(jié)晶度大幅下降的微觀特征；

b)短時擊穿放電產(chǎn)生放電凹痕的降解過程過于劇烈，殘留部分的特征微觀參數(shù)未出現(xiàn)明顯變化，事故水管損傷原因并非短時擊穿放電；

c)加速電暈老化過程相對緩慢且時間長，在造成損傷的同時，會有大量未被完全降解的部分殘留在水管表面，具有與事故水管損傷處一致的微觀特征，因此可以推斷出事故水管的損傷是由長期電暈老化造成的。