退役高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化狀態(tài)分析

羅 潘 任志剛 徐 陽(yáng) 馮 義 葉 寬 李華春 徐 曼

（1. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049 2. 北京電力科學(xué)研究院 北京 100075）

1 引言

電力電纜是電力輸變電系統(tǒng)中的重要部分，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜由于具有多種優(yōu)越性，目前已經(jīng)得到廣泛使用。但是由于電纜絕緣材料本身制造、敷設(shè)過(guò)程中不可避免地存在非均勻性乃至缺陷，以及在實(shí)際運(yùn)行中受電、磁、熱、化學(xué)、環(huán)境等因素的影響，絕緣材料會(huì)隨時(shí)間發(fā)生老化，導(dǎo)致絕緣性能下降，并最終達(dá)到壽命終了[1-4]。電力電纜投入運(yùn)行后，如何評(píng)定其絕緣狀態(tài)，并進(jìn)一步對(duì)其壽命做出預(yù)估是電纜設(shè)備資產(chǎn)管理的難點(diǎn)，但又是管理者進(jìn)行電纜更換決策所必須有的技術(shù)支撐，因此有必要對(duì)不同運(yùn)行年限的電纜的真實(shí)老化狀態(tài)進(jìn)行分析研究[5]。

以往電老化研究中，有學(xué)者采用縮小尺寸的方法對(duì)電纜老化進(jìn)行模擬研究，但其得到的規(guī)律需要與實(shí)際電纜運(yùn)行后狀態(tài)進(jìn)行結(jié)合驗(yàn)證[6,7]。為了更準(zhǔn)確的了解實(shí)際運(yùn)行中電纜絕緣老化的影響因素，Dissado等人在歐洲的ARTEMIS計(jì)劃中對(duì)兩種高壓XLPE電纜絕緣的切片試樣進(jìn)行研究，了解電纜絕緣材料初始特性：包括電性能、微觀結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)等特性。然后對(duì)上述兩種高壓電纜進(jìn)行不同時(shí)間（最短5 000h）的電、熱單獨(dú)以及聯(lián)合老化。最后再對(duì)老化后電纜絕緣切片試樣進(jìn)行耐壓特性研究，得到：?jiǎn)渭冸姂?yīng)力作用并不能對(duì)絕緣切片試樣的耐壓特性造成很大影響，只有當(dāng)電纜承受過(guò)熱或者電-熱應(yīng)力共同作用時(shí)，切片試樣耐壓特性才會(huì)發(fā)生明顯變化[8,9]。映證了高壓電纜運(yùn)行過(guò)程中不僅是單一電應(yīng)力作用，其老化是一個(gè)多重復(fù)合應(yīng)力共同作用的結(jié)果[10-12]。說(shuō)明高壓電纜絕緣設(shè)計(jì)中僅僅依靠反冪定律預(yù)估電纜的壽命的不準(zhǔn)確性[13]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新高壓XLPE絕緣材料聚集態(tài)及機(jī)械性能已有很多研究，其結(jié)果表明聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)材料的擊穿特性和機(jī)械性能有重大影響[14]，但是對(duì)退役高壓XLPE電纜的研究還較少，本文采用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter,DSC），以及力學(xué)拉伸機(jī)研究了110kV和220kV 等級(jí)XLPE電纜帶電運(yùn)行后其絕緣材料的微觀結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能，其結(jié)論可為后期的預(yù)測(cè)電纜壽命提供理實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 試樣準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)的試樣分為三類(lèi)：退役電纜、故障電纜和新電纜，如表1所示。對(duì)于庫(kù)存電纜，其運(yùn)行時(shí)間均沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的使用壽命，大部分是因?yàn)榫€路改遷退役。GZ—1為電纜本體故障，短路電流為5.3kA；GZ—2為GIS終端故障，短路電流為8.9kA；GZ—3為電纜工程竣工交接驗(yàn)收時(shí)，戶(hù)外終端發(fā)生擊穿，流過(guò)電纜的短路電流較??；GZ—4為電纜工程竣工交接驗(yàn)收時(shí)，GIS終端發(fā)生擊穿，流過(guò)電纜的短路電流較小。故 GZ—3和 GZ—4也可視為新電纜，即新電纜為三種：GZ—3、GZ—4和 NEW2。本文研究的試樣均取自電纜絕緣中層（到內(nèi)、外半導(dǎo)電層距離相等處）的薄片試樣，厚度為1mm。

3 試驗(yàn)方法

3.1 差示掃描量熱法

采用 TA—Q 200型差示掃描量熱儀，以 10℃/min的升溫速率從 20℃升溫至 180℃，在180℃恒溫5min，再以-10℃/min的速率從180℃降溫至20℃高純氮?dú)夂秃獗Ｗo(hù)。為保證實(shí)驗(yàn)儀器靈敏度，試樣質(zhì)量為5mg。

表1 電纜基本信息Tab.1 The basic information of cables

3.2 力學(xué)性能分析

實(shí)驗(yàn)中將試樣用特制刀具沖壓成拉伸段長(zhǎng) 20 mm、寬4 mm的啞鈴狀試樣。參照GB 13022—91試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[15]，在CMT 4503型拉力機(jī)上做拉伸實(shí)驗(yàn)，每種試樣測(cè)試10次，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 XLPE絕緣材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特征

4.1.1 熔融過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中，將所有試樣按運(yùn)行年限不同分為四類(lèi)：未運(yùn)行、運(yùn)行1～4年、運(yùn)行5～9年和運(yùn)行10年以上進(jìn)行分析。用DSC研究了其絕緣材料的升溫熔融過(guò)程和非等溫結(jié)晶過(guò)程，統(tǒng)計(jì)了相應(yīng)的DSC參數(shù)。電纜在其制造過(guò)程中，由于先交聯(lián)后結(jié)晶，所以晶粒的大小和分布受交聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，而且在電纜出廠前還會(huì)經(jīng)過(guò)熱處理，所以熔融曲線上出現(xiàn)了主峰和肩峰，如圖1a所示。和未運(yùn)行電纜相比，帶電運(yùn)行后電纜試樣熔程加寬，特別明顯的是運(yùn)行10年以上電纜，如圖1b所示。

圖1 不同分組試樣的熔融曲線Fig.1 The melting curve of different groups

圖2為利用表2中各分組試樣熔程數(shù)據(jù)所做的箱形圖。從圖中可得：XLPE電纜絕緣材料在加熱熔融過(guò)程中，其熔程平均值隨運(yùn)行年限呈增大的趨勢(shì)，長(zhǎng)期帶電運(yùn)行使其絕緣層材料發(fā)生了一定程度的物理老化，且運(yùn)行5～9年和運(yùn)行10年以上電纜試樣熔程分散性更大。仔細(xì)對(duì)比表2中參數(shù)可得：10年以上運(yùn)行電纜絕緣材料，其熔融峰左極限溫度向低溫方向移動(dòng)10℃以上，即帶電運(yùn)行狀態(tài)下材料長(zhǎng)期處于60℃左右（當(dāng)發(fā)生短路，溫度超過(guò)其熔點(diǎn)），從而有充足時(shí)間進(jìn)行次級(jí)結(jié)晶逐步發(fā)展形成較小的晶體，使其熔程加寬。結(jié)合表 2中熔融峰數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，未運(yùn)行和運(yùn)行1～4年電纜，晶體熔程＞40℃的概率為37.5%，而運(yùn)行10年以上電纜晶體熔程＞40℃的概率為86%。表明運(yùn)行過(guò)程中熱對(duì)半結(jié)晶聚合物有很大的影響，其能改變結(jié)晶度、晶體尺寸大小和結(jié)晶形態(tài)，也能引起交聯(lián)和氧化降解等化學(xué)變化，而這些顯著變化會(huì)導(dǎo)致材料的宏觀性能發(fā)生變化。

結(jié)晶度作為XLPE一個(gè)重要參數(shù)，與其擊穿特性和樹(shù)枝耐受特性密切相關(guān)，根據(jù)結(jié)晶度的定義，由式（1）可算出XLPE電纜絕緣材料的結(jié)晶度X。

式中，ΔHm為材料熔融熱焓；ΔH0表示完全結(jié)晶時(shí)XLPE的熔融熱焓，一般取ΔH0=287.3J/g[16]。

表2 各試樣DSC統(tǒng)計(jì)參數(shù)Tab.2 The DSC statistical parameters of samples

圖2 分組試樣熔程統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 The Box-plot of melting range of different groups

圖3為各分組試樣結(jié)晶度數(shù)據(jù)的箱形圖，得到：對(duì)于未運(yùn)行試樣，由于其熔融曲線除主峰外還存在明顯的小肩峰，從而使其材料結(jié)晶度相對(duì)較高；對(duì)于運(yùn)行后電纜試樣，由于長(zhǎng)期帶電運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致其熔程不斷增大，而從試樣結(jié)晶度計(jì)算原理可知，其熔程增大必然伴隨結(jié)晶度的增大。且運(yùn)行5～9年和運(yùn)行10年以上試樣結(jié)晶度分散性相對(duì)較大。

圖3 分組試樣熔程箱形圖Fig.3 The Box-plot of crystallinity range of different groups

從圖2和圖3中可得：無(wú)論是電纜試樣的結(jié)晶度還是熔程均存在某些試樣：運(yùn)行年限長(zhǎng)結(jié)晶度較小，如5#和6#，運(yùn)行年限分別為11年和7年，結(jié)晶度卻僅為22%和21%；運(yùn)行年限長(zhǎng)融程較小，如7#和8#，運(yùn)行年限分別為10年和9年，融程卻僅為35.40℃和36.99℃。這可能與表2中試樣信息，即這些退役電纜來(lái)自于不同生產(chǎn)廠家、電纜型號(hào)、運(yùn)行年限和運(yùn)行環(huán)境有關(guān)系。

4.1.2 結(jié)晶過(guò)程

限于篇幅，圖4中僅給出了運(yùn)行10年以上試樣非等溫結(jié)晶曲線圖，從該曲線得到結(jié)晶峰峰溫Tc、結(jié)晶峰熱焓△Hc和表征結(jié)晶速率的Tr-Tc，其統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2所示。結(jié)晶聚合物的結(jié)晶速率是晶核生成速率和晶粒生長(zhǎng)速率的總效應(yīng)。從試樣結(jié)晶過(guò)程的DSC曲線中，可以獲得結(jié)晶速率信息，而試樣的結(jié)晶速率取決于試樣的組成和結(jié)晶溫度。在實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，可以反映分子量及其分布、交聯(lián)程度、各種添加劑對(duì)結(jié)晶行為的影響。

圖4 運(yùn)行10年以上電纜試樣結(jié)晶曲線Fig.4 The crystallization curve of samples operated for 10 years

在此實(shí)驗(yàn)中，采用半結(jié)晶溫度來(lái)表示結(jié)晶速率，即結(jié)晶完成一半時(shí)的時(shí)間。由th=(Tr-Tc)/β，在降溫速度β一定時(shí)，Tr-Tc值越小，試樣結(jié)晶速率越快[17]。從表 2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及圖 5可得：未運(yùn)行電纜試樣(Tr-Tc)平均值為 6.41℃；電纜試樣投入運(yùn)行后，隨其運(yùn)行年限增大，其非等溫結(jié)晶曲線中(Tr-Tc)值呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，運(yùn)行 1～4年、5～ 9年和 10年以上試樣(Tr-Tc)平均值分別為 6.49℃、6.35℃和6.27℃，總體呈下降趨勢(shì)，表明隨運(yùn)行年限增大，結(jié)晶速率增大，且運(yùn)行10年以上試樣(Tr-Tc)值分散性明顯較大。XLPE電纜絕緣材料在帶電運(yùn)行中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的電、熱和氧的聯(lián)合作用下，在交聯(lián)點(diǎn)處發(fā)生了鍵的斷裂，使交聯(lián)度有所降低，增加了鏈段的活動(dòng)性，導(dǎo)致其絕緣材料結(jié)晶速率增大。

圖5 分組試樣結(jié)晶峰半峰寬(Tr-Tc)箱形圖Fig.5 The box-plot of (Tr-Tc) of different groups

4.2 XLPE絕緣材料機(jī)械性能分析

在力學(xué)性能分析中，由于某些電纜試樣段太短，沒(méi)有足夠的長(zhǎng)度做成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣，故沒(méi)有對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。對(duì)于剩下的16種XLPE電纜試樣，采用與DSC實(shí)驗(yàn)相同的分組方式，統(tǒng)計(jì)了斷裂伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、斷裂能、斷裂強(qiáng)度等，如表 3所示。

通過(guò)力學(xué)拉伸機(jī)測(cè)試高壓XLPE電纜絕緣材料切片試樣的斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度、斷裂能等參數(shù)，分析運(yùn)行后電纜絕緣材料彈性模量等力學(xué)參數(shù)的變化，研究帶電運(yùn)行對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性的影響。結(jié)合表3中數(shù)據(jù)，對(duì)各分組試樣力學(xué)性能參數(shù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。從表4中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得：相對(duì)于未運(yùn)行電纜，運(yùn)行10年以上電纜絕緣材料其斷裂能、彈性模量降低。當(dāng)XLPE電纜在實(shí)際運(yùn)行中受到電、熱以及氧的聯(lián)合作用后，會(huì)導(dǎo)致其絕緣材料發(fā)生一定程度降解，交聯(lián)度降低，增加分子鏈段的活動(dòng)性。聚合物的這些聚集態(tài)的變化會(huì)影響材料的宏觀力學(xué)性能，使材料彈性模量和斷裂能下降[17]。以上分析說(shuō)明，相對(duì)于未運(yùn)行試樣，運(yùn)行10年以上電纜絕緣材料發(fā)生了一定程度的物理老化。

表3 各試樣機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)Tab.3 The mechanical property statistical parameters of samples

表4 分組試樣力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)平均值Tab.4 The average value of mechanical property statistical parameters of different groups

5 結(jié)論

用DSC研究退役高壓XLPE電纜絕緣材料的熔融行為發(fā)現(xiàn)相對(duì)于未運(yùn)行或運(yùn)行時(shí)間較短的電纜絕緣材料，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行的電纜絕緣材料其熔程加寬，即晶體尺寸按分子質(zhì)量分布加寬，熔點(diǎn)降低，表明晶體結(jié)構(gòu)的完整性下降。

非等溫結(jié)晶行為的研究反映運(yùn)行 10年以上電纜其絕緣材料結(jié)晶速率加快，可認(rèn)為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的電、熱和氧的聯(lián)合作用，在交聯(lián)點(diǎn)處某些鍵發(fā)生了斷裂，交聯(lián)度降低，增加了鏈的活動(dòng)性。而這些聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化反映在宏觀力學(xué)性能上，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度略有增加、彈性模量和斷裂能下降。這些變化僅僅是電纜長(zhǎng)期壽命過(guò)程的一個(gè)部分，它對(duì)介電性能和電性能有何影響，有待進(jìn)一步的研究。

[1] Aras Faruk, Alekperov Vilayed. Aging of 154kV underground power cable insulation under combined thermal and electrical stresses[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2007, 23(5)： 25-33.

[2] Chinh D, Parpal J L. Electrical aging of extruded dielectric cables： review of existing theories and data[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1996, 3(2)： 237-247.

[3] Crine J P, Lanteigne J. Influence of some chemical and mechanical effects on XLPE degradation[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1984, EI-19(3)：220-222.

[4] Fothergill J C, Montanari G C. Electrical, microstructural, physical and chemical characterization of HV XLPE cable peelings for an electrical aging diagnostic data base[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3)： 514-527.

[5] Liu R, Boggs S. Cable life and the cost of risk[J].IEEE Electrical Insulation Magazine, 2009, 25(2)：13-19.

[6] Motori Antonio, Sandrolini Franco, Montanari G C. A contribution to the study of aging of XLPE insulated cables[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1991, 6(1)： 34-42.

[7] Andjelkovic D, Rajakovic N. A new accelerated aging procedure for cable life tests[J]. Electric Power System Research,1996, 36： 13-19.

[8] Dissado L A, Fothergill J C, See A, et al. Characterizing HV XLPE cables by electrical, chemical and microstructural measurements on cable peeling：effects of surface roughness, thermal treament and peeling location[C]. IEEE Conference Electrical Insulation Dielectrics Phenomena(CEIDP), Voctoria,BC, Canada, 2000： 136-140,

[9] Tzimas Antonios, Rowland Simon, Dissado L A, et al.Effect of long-time electrical and thermal stresses upon the endurance capability of cable insulation material[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(5)： 1436-1443.

[10] 溫定筠, 呂景順, 范迪銘, 等. 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜交流耐壓試驗(yàn)時(shí)間參數(shù)探討[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2010, 4(5)： 7-14.

Wen Dingjun, Lii Jingshun, Fan Diming, et al.Discussions on time parameters for alternating voltage tests on XLPE cables[J]. Advances of Power System & Hydroelectric Engineering, 2010, 4(5)：7-14.

[11] 趙健康, 歐陽(yáng)本紅. 水樹(shù)對(duì) XLPE電纜絕緣材料性能和微觀結(jié)構(gòu)影響的研究進(jìn)展[J]. 絕緣材料, 2010,43(5)： 50-56.

Zhao Jiankang, Ouyang Benhong. Review of influence of water-tree on micrestructure and properties of XLPE cable insulation material[J].Insulating Materials, 2010, 43(5)： 50-56.

[12] Hozumi N, Ishida M, Okamoto T, et al. The influence of morphology on electrical tree initiation in the polyethylene under AC and impulse voltages[C].Proceedings of the Second International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,1988： 481-485.

[13] IEC 61251 TS Ed 2.0 Electrical insulating materials-A.C. voltage endurance evaluation[S]. 2007.

[14] Andjelkovic D, Rajakovic N. Influence of accelerated aging on mechanical and structural properties of cross-linked polyethylene (XLPE) insulation[J].Electrical Engineering, 2001, 83： 83-87.

[15] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 13022—91塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法[S]. 1991.

[16] 解云川, 張乾, 范曉東, 等. 差示掃描量熱法測(cè)定聚乙烯結(jié)晶度的不確定度評(píng)定[J]. 化學(xué)分析計(jì)量,2003, 12(4)： 7-9.

Xie Yunchuan, Zhang Qian, Fan Xiaodong, et al.Evaluation of the uncertainty of measurement of crystallinity of polyethylene by differential scanning calorimetry[J]. Chemical Analysis and Meterage,2003, 12(4)： 7-9.

[17] 巫松幀, 謝大榮. 電氣絕緣材料科學(xué)與技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.