110 kV電纜終端缺陷導(dǎo)致XLPE絕緣變色的性能分析

于是乎, 余欣, 聶章翔，王朋，王銳，楊賢

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

電纜附件是整條電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，90%的電纜故障事件都是由附件或終端原因造成[1]。電力電纜終端作為連接電纜本體和其他電力設(shè)備用途而被安裝在電纜線路末端，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可能因為施工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行故障等因素出現(xiàn)異常發(fā)熱的情況[2]，在此運行工況下造成高壓電纜終端故障率逐年增加[3]；因此，對高壓電纜終端故障原因進行分析有利于提高電纜線路可靠性、改進施工方案、降低故障率。

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)是目前中、高壓電力電纜主要使用的一種絕緣材料，具有交聯(lián)的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為主絕緣體可以使電纜的長期使用溫度提高至90 ℃，在極端情況下可以短時間承受130 ℃的溫度[4]。實際生產(chǎn)運行過程中，電力電纜不可避免地經(jīng)受大負荷、故障電流沖擊以及外部環(huán)境高低溫等作用，使得電力電纜絕緣逐漸劣化[5-6]。電纜終端長時間處于高溫下會加速電纜絕緣老化，導(dǎo)致絕緣變色或碳化，從而降低絕緣性能和使用壽命[7-8]。目前國內(nèi)外主要針對實驗室制備的絕緣材料在溫度、電場等因素作用下的破壞機理和絕緣性能進行研究[3, 7, 9-11]，而對現(xiàn)場實際運行高壓電纜因施工缺陷而導(dǎo)致的熱力學(xué)性能變化和運行故障分析較少。本文以在運110 kV電纜終端的異常高溫受損XLPE為實驗對象，分內(nèi)層和外層與正常電纜絕緣材料進行比對。首先通過變色比對法確定老化情況，然后采用差示掃描量熱(diffeiential scanning calorimeter，DSC)分析和紅外光譜分析進一步探求絕緣變色的原因和故障機理，結(jié)合實際確定缺陷部位和產(chǎn)生原因，最后通過拉伸、熱延伸等力學(xué)性能分析研究和表征了老化導(dǎo)致的電纜絕緣材料性能劣化。

1 樣品信息與制備

2018年8月，某供電局停電更換一段110 kV線路的兩邊戶外電纜終端頭，該段電纜從支線塔戶外終端至某110 kV牽引站戶外終端，長1.05 km，于2012年12月10日竣工投運，運行6 a。在拆解原電纜終端頭B相時發(fā)現(xiàn)原半導(dǎo)電斷口下方主絕緣有部分變色甚至發(fā)黃的異常現(xiàn)象，如圖1所示，而在另外兩相終端未發(fā)現(xiàn)相同異?，F(xiàn)象。對變色局部取樣進行解體分析，獲得電纜樣品徑向截面，并與同段正常電纜樣品進行對比，如圖2所示。故障電纜型號為FY-YJLW03-Z-64/110-1×630 mm2，電纜終端型號為YJZWC4-64/110 kV-1×630 mm2。其中電纜主絕緣材料為XLPE，可以觀察到相較于正常電纜，異常電纜主絕緣整體變色，顏色明顯發(fā)黃，且變色明顯處電纜絕緣屏蔽層略微發(fā)粘、厚度減小。

分別取白色正常電纜和黃色異常電纜距外側(cè)屏蔽層3 mm和距內(nèi)側(cè)屏蔽層3 mm處XLPE絕緣材料，采用XY-300刨片機切片沿電纜軸向分為外層和內(nèi)層進行切片，獲得厚度約1 mm樣品用于后續(xù)測試，切片樣品如圖3所示?？梢杂^察到軸向切面不同位置處電纜絕緣顏色不均，紅色圈出位置顏色相對較深，并且都位于靠近外側(cè)絕緣屏蔽位置。從XLPE主絕緣變色的顏色分布來看，局部靠近電纜絕緣屏蔽區(qū)域老化更為嚴重，其余位置變色較均勻。通過理化性能測試來表征電纜XLPE絕緣的性能的變化情況，并分析其絕緣變色原因。

圖1 終端電纜主絕緣變色情況(剝除部分絕緣屏蔽層)Fig.1 Discoloration of the main insulation of terminal cable (extracting part of insulation shielding layer)

圖2 電纜樣品徑向截面顏色對比Fig.2 Colors of radial sections of cable samples

圖3 電纜樣品軸向切片顏色對比Fig.3 Colors of axial slices of cable samples

2 測試分析方法

2.1 DSC分析

DSC是在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的熱流差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。測量曲線離開基線的位移，代表樣品吸熱或放熱的速率；曲線中的峰或谷所包圍的面積，代表熱量的變化[12]。

通過DSC可測定多種熱動力學(xué)參數(shù)，可以觀測到試樣熔點溫度、熔解熱、吸熱峰等。本文中使用DSC822e型差式掃描量熱儀，測試時保證每個樣品的質(zhì)量約8 mg，采用鋁制坩堝，以10 ℃/min的加熱速率將試樣從20 ℃加熱到200 ℃，保溫5 min，然后以10 ℃/min的速率將試樣從200 ℃降溫至20 ℃，獲取材料的DSC測量曲線。

2.2 紅外光譜

由于分子能選擇性地吸收某些波長的紅外線，而引起分子中振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，通過檢測紅外線被吸收或反射的情況可得到物質(zhì)的紅外光譜，并從而反映物質(zhì)中分子結(jié)構(gòu)變化規(guī)律[13]。本文中采用傅里葉紅外光譜儀對XLPE分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵變化進行分析和鑒定，測試試樣的紅外特征官能團。對厚度為1 mm的XLPE試樣以衰減全反射掃描方式掃描30次，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

2.3 拉伸實驗

拉伸實驗是一種能有效反映材料的彈性、塑性和斷裂3個變形階段基本特性的方法，通過拉伸實驗，可以得到材料的屈服強度、拉伸強度、斷裂伸長率等力學(xué)性能參數(shù)。拉伸試驗參照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》，使用沖模機對XLPE切片試樣進行裁切，得到中心區(qū)域尺寸為4 mm×20 mm×1.5 mm的標準啞鈴樣品，拉伸速率為100 mm/min，每種試樣取3片進行測試，并多次測量后取平均值獲得拉伸強度和斷裂伸長率等參數(shù)，用于衡量樣品力學(xué)性能變化程度。

2.4 熱延伸實驗

熱延伸實驗可用于測量電纜絕緣在熱和負重使用下的伸長和永久變形量，以確定材料性質(zhì)。實驗參照GB/T 2951.11—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第11部分》，使用沖模機對XLPE切片試樣進行裁切，得到中心區(qū)域尺寸為4 mm×20 mm×1.5 mm的標準啞鈴樣品，每種試樣取3片進行測試。設(shè)置烘箱中環(huán)境溫度為(200±3)℃，并保持30 min，在KTR010拉力機夾具上固定試樣，試樣下端配置機械應(yīng)力為0.20 N/mm2的配重，放置于烘箱中央，保持15 min后讀取標志線間距離。解除配重并使試樣恢復(fù)5 min，之后使試樣在室溫下恢復(fù)、冷卻，并再次測量標記線間距離。根據(jù)變形長度對放入烘箱前標記線距離的百分比計算試樣的熱延伸率η1和永久伸長率η2：

(1)

(2)

式中：l0為原始標記間距；l1為拉伸后標記間距；l2為冷卻恢復(fù)后標記間距。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 熔融特性測試

圖4為不同試樣的DSC熔融曲線，其中最尖銳的峰對應(yīng)XLPE的熔融峰，峰位置的變化可以反映出XLPE中晶體結(jié)構(gòu)的變化。從圖4中可以看到2種電纜樣品不同的熱流速度，整個吸熱熔融過程中，90 ℃之前主要表現(xiàn)為非結(jié)晶區(qū)吸熱，而90 ℃之后則主要是結(jié)晶區(qū)吸熱過程[14]。白色正常試樣在整個加熱過程中只在110 ℃附近表現(xiàn)出一個熔融峰，內(nèi)層和外層熔融峰的位置差異不大。

圖4 DSC測試熔融曲線Fig.4 Fusion curves by DSC test

異常電纜外層測試結(jié)果顯示，在高于熔融峰附近119 ℃處還出現(xiàn)一個峰。由于2種電纜樣品具有相同的電纜制造工藝，該峰能夠表明異常電纜經(jīng)歷過在溫度下運行的熱歷史[15]，說明異常電纜靠近絕緣表面位置處在較高溫度下遭受較大的熱應(yīng)力沖擊，由于高溫的作用會使XLPE高分子鏈的取向變得規(guī)整，這就使得在重結(jié)晶過程中，XLPE的晶體尺寸得到一定程度的增加，表現(xiàn)在DSC熔融曲線上為熔融峰位置向高溫方向移動[5]。

圖4中60 ℃附近的肩峰是XLPE在初期結(jié)晶過程中沒有完善的晶體在熱過程作用下繼續(xù)完善以及非晶區(qū)的結(jié)晶造成的。XLPE作為一種半結(jié)晶態(tài)的聚合物，本身由各種尺寸不同的晶粒組成，晶粒尺寸的大小對應(yīng)了不同的熔融溫度，這些熔融溫度峰值基本都在XLPE的熔點以下[16]。

在升溫過程中，在110 ℃附近出現(xiàn)明顯的吸熱熔融峰。以DSC熔融峰左外推起始點為初熔溫度，取右外推起始點為終熔溫度，用初熔溫度和終熔溫度的差值作為熔程，熔程的大小可以反映聚合物中晶體尺寸的分布。利用熔融熱焓可求得DSC升溫過程中XLPE的結(jié)晶度[5]

(3)

式中：ΔHfs為通過DSC熔融曲線算出的單位質(zhì)量試樣的熔融熱焓；ΔH100為單位質(zhì)量XLPE在低溫下100%結(jié)晶時所需要的熔融熱焓，其值為287.3 kJ/mol。

為了準確說明電纜XLPE老化狀況，根據(jù)DSC測試曲線獲得的2種電纜試樣的熔融特征參數(shù)和計算得到的結(jié)晶度見表1。

表1 電纜樣品DSC曲線特征值Tab.1 Characteristic values of DSC curves of two cable samples

由表1可知，對于同一段電纜試樣，內(nèi)層結(jié)晶度大于外層部分。這是由于在運行過程中，XLPE絕緣材料的內(nèi)層靠近導(dǎo)體，降溫較為緩慢，而外層靠近表面，降溫較快，熱的作用能夠使XLPE中交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，從而對結(jié)晶過程產(chǎn)生影響。與白色正常電纜試樣相比，黃色異常電纜試樣結(jié)晶度有所下降，低溫過程中生成的小尺寸晶體較多，這可能與其受熱更嚴重，熱電子的碰撞使分子鏈斷裂，并加速分子鏈端基和側(cè)基的化學(xué)反應(yīng)速率[14]，晶體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)被破壞、不利于較大晶核的行成有關(guān)[16]。因此可以判斷，異常電纜的外層XLPE受熱更加嚴重。

3.2 紅外光譜測試

為了進一步確定異常電纜絕緣變色的原因，嘗試從電纜絕緣聚合物微觀化學(xué)基團的變化著手進行分析。對白色正常電纜和黃色異常電纜的內(nèi)層和外層取樣進行紅外光譜觀測，得到不同試樣的紅外圖譜，如圖5所示，其中XLPE的主要吸收峰均在圖5中標出。首先從圖5中可以看出，所有試樣中均能夠明顯觀測到XLPE主鏈特征基團，在紅外圖譜中分別對應(yīng)著吸光度較高的幾處特征峰[13]，其中2 900 cm-1與2 847 cm-1處吸收峰由—CH3、—CH2—中的C—H鍵伸縮振動引起，1 400 cm-1與725 cm-1處吸收峰由亞甲基—CH2—中C—H鍵面內(nèi)彎曲振動和聚乙烯C—C骨架振動產(chǎn)生。

圖5 紅外光譜測試結(jié)果Fig.5 Infrared radiation spectrum test results

紅外光譜中對應(yīng)XLPE主鏈的幾個特征峰的吸光度見表2。黃色異常電纜樣品中2 900 cm-1與2 847 cm-1處特征鋒吸光度整體小于白色正常樣品，其中外層特征峰吸光度降低最多，表明異常電纜試樣XLPE絕緣主分子鏈結(jié)構(gòu)的裂解程度大于正常試樣，并且異常電纜的外層XLPE裂解程度更高。

表2 XLPE主鏈特征峰吸光度Tab.2 Characteristic peak absorbance of main XLPE links

表3 XLPE交聯(lián)副產(chǎn)物特征峰吸光度Tab.3 Characteristic peak absorbance of XLPE cross-linking byproducts

3.3 絕緣變色原因討論

根據(jù)DSC測試分析發(fā)現(xiàn)，異常電纜在運行過程中存在處于異常高溫下的熱歷史，從而影響XLPE絕緣介質(zhì)的結(jié)晶過程，異常溫度約為119 ℃，通過紅外光譜分析也發(fā)現(xiàn)異常電纜中存在因高溫老化導(dǎo)致交聯(lián)副產(chǎn)物增加的情況。根據(jù)試驗檢測分析結(jié)果可知，電纜絕緣變色位置XLPE材料老化程度明顯高于白色正常部分，并且原因應(yīng)為局部溫度偏高導(dǎo)致絕緣老化變色。根據(jù)線路運行歷史數(shù)據(jù)，電纜的三相負荷電流整體處于較低水平，最大值也未超過該型號允許負荷，且并未全部出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，可排除導(dǎo)體發(fā)熱導(dǎo)致絕緣加速老化的可能。

根據(jù)電纜變色較嚴重段的不同截面觀察結(jié)果，主絕緣內(nèi)外層均存在發(fā)黃現(xiàn)象，局部發(fā)黃較為嚴重位置鄰近外側(cè)絕緣屏蔽。根據(jù)圖6所示異常電纜主絕緣老化受損位置判斷，整段電纜從半導(dǎo)電絕緣屏蔽斷口往下70 mm左右開始變色，最嚴重段為距離130 mm至220 mm部分，即應(yīng)力錐下方繞包帶材與密封底盤連接位置。

根據(jù)安裝工藝，本文中電纜終端所采用的接地方式為應(yīng)力錐半導(dǎo)電部分、電纜絕緣屏蔽層通過逐層繞包的半導(dǎo)電帶、銅網(wǎng)與密封底盤上表面相連接，密封底盤經(jīng)等位線與皺紋鋁套相連(同時經(jīng)螺栓與底座、尾管相連)，電纜鋁護套通過焊接地線與尾管相連，外部采用環(huán)氧泥密封包裹，尾管上預(yù)留有接地電纜安裝位置，該終端直接接地，各處金屬部分連接多采用銅絲綁扎和焊錫絲焊接方式。對本文中電纜終端樣品的實際拆解過程中沒有發(fā)現(xiàn)繞包銅網(wǎng)和密封底盤連接處的銅匝絲，而是由一圈白色扎帶(如圖6中圈出)連接，表明該電纜終端的接地未按照固定工藝施工，從而使得電纜工作過程中出現(xiàn)振動位移導(dǎo)致接觸不良[21]。電纜終端中銅網(wǎng)與密封底盤接觸不良時的示意如圖7所示，此時密封底盤、電纜鋁護套、尾管均為地電位，鋁護套斷口采用絕緣帶繞包，即終端內(nèi)泄漏電流只能通過應(yīng)力錐半導(dǎo)電層、繞包半導(dǎo)電帶、電纜絕緣屏蔽、阻水帶等結(jié)構(gòu)入地(如圖7中箭頭示意)，由于半導(dǎo)電材料電阻率遠大于金屬，會在電纜工作過程中產(chǎn)生一定程度的發(fā)熱，導(dǎo)致電纜異常變色；此外，電勢累積還會進一步造成局部場強較高，加速電纜絕緣老化，從而發(fā)展成為絕緣薄弱位置。

圖6 異常電纜主絕緣老化變色對應(yīng)位置Fig.6 Corresponding position of main insulationaging discoloration in abnormal cable

圖7 銅網(wǎng)與密封底盤接觸不良時電纜終端Fig.7 Cable terminal with poor contact of the copper mesh and the sealed chassis

3.4 力學(xué)性能測試

表4為2種試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表4可以看出，2種電纜試樣的抗張強度和斷裂伸長率均高于標準要求值，即2種電纜的機械性能合格。在2種電纜均未處理時，白色正常電纜的抗張強度和斷裂伸長率均最高。而黃色異常電纜的機械性能有不同程度的下降。內(nèi)層XLPE試樣的抗張強度比白色電纜試樣降低13.3%，斷裂伸長率下降4.4%；變色更加嚴重的外層試樣的機械性能下降更多，2個性能參數(shù)分別比白色下降27.5%和21.3%?？箯垙姸扰c斷裂伸長率的變化趨勢基本相同。正常部位電纜的XLPE絕緣材料更加不容易被拉斷，材料交聯(lián)程度良好，具有較復(fù)雜的分子鏈結(jié)構(gòu)和較好的抗張性能[22]；而變色更加嚴重的電纜部位絕緣材料韌性下降，剛性較強，在相對較低的拉力下斷裂，這些異常部位XLPE可能發(fā)生交聯(lián)度下降，從而斷裂伸長率下降。

表4 電纜樣品老化前力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.4 Mechanics performance test results of cable samples before aging

3.5 熱延伸測試

用于進行熱延伸的試樣原標記間長度均為20 mm，表5為不同試樣的熱延伸測量結(jié)果。拉伸率能夠反映絕緣材料交聯(lián)程度[23]，即拉伸率越低，XLPE的交聯(lián)程度越好。通過熱延伸率測試結(jié)果可以看出，2種電纜試樣均符合標準值要求[24]，但是相較于白色正常電纜試樣在負荷下的伸長率60%，黃色異常電纜試樣在熱老化后的拉伸率η1明顯增加；而異常電纜不同部位的熱延伸結(jié)果也有所不同，變色更為嚴重的外層增長至84%，比內(nèi)層(75%)高出12%；同時，異常試樣卸去負荷完全冷卻后的永久伸長率η2也相應(yīng)增加。

由表5還可以看出：隨著電纜顏色加深，其絕緣材料的熱延伸率增加，XLPE的交聯(lián)程度有所下降，異常電纜材料內(nèi)的大分子間相互作用力發(fā)生改變，分子結(jié)構(gòu)變形，聚合物基體分子鏈在熱力綜合作用下容易轉(zhuǎn)動。熱延伸測試結(jié)果與未老化力學(xué)拉伸測試結(jié)果反映的性能變化規(guī)律一致。

表5 電纜樣品熱延伸測試結(jié)果Tab.5 Thermal elongation test results of cable samples

4 結(jié)論

本文對一段出現(xiàn)異常絕緣變色的電纜主絕緣XLPE材料進行測試分析，通過與相同規(guī)格正常電纜絕緣材料進行比較，并對內(nèi)、外層分別展開討論，找到了電纜變色的原因和產(chǎn)生的影響。得到的結(jié)論如下：

a)電纜變色較嚴重段的主絕緣XLPE內(nèi)外層均存在不同程度的不均勻發(fā)黃變色，其中變色較嚴重位置鄰近外側(cè)絕緣屏蔽。根據(jù)熱力學(xué)試驗分析，該電纜絕緣材料發(fā)黃的原因是施工時接地部分應(yīng)力錐下方繞包帶材與密封底盤位置處未良好密封，在電纜運行過程中出現(xiàn)振動位移導(dǎo)致接觸不良，在該處產(chǎn)生一定程度的局部發(fā)熱。

b)對于同一段電纜試樣，內(nèi)層絕緣材料的結(jié)晶度大于外層部分。異常電纜樣品歷史運行溫度偏高，靠近絕緣表面位置處約達119 ℃，晶體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)被破壞，結(jié)晶度下降，XLPE分子主鏈發(fā)生降解，外層降解程度更高，交聯(lián)副產(chǎn)物含量高于正常樣品。

c)異常變色的樣品各項力學(xué)性能指標低于正常樣品，XLPE絕緣材料交聯(lián)程度變差、拉伸性能下降、均勻性下降，表明異常電纜主絕緣已經(jīng)出現(xiàn)材料劣化。