電纜接頭復(fù)合界面處材料老化對(duì)其閃絡(luò)特性的影響

劉倩, 曹雯, 申巍, 陳長(zhǎng)江，楊昊, 張敏

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048 ；2. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

電力電纜是電能傳輸中的重要組成部分，交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene，XLPE)絕緣電纜的較多優(yōu)點(diǎn)使其成為電能傳輸?shù)氖走x電纜。根據(jù)XLPE絕緣電纜運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明：故障通常發(fā)生在電纜絕緣及接頭絕緣的交界面處，電纜的運(yùn)行故障是由其制造或安裝原因引起的，并且占總體故障的27%[1-2]。預(yù)制式電纜接頭或終端在運(yùn)行過(guò)程中以一定的過(guò)盈量(為保持一定的面壓)緊緊包裹著電纜絕緣，形成雙層介質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)及工程應(yīng)用均表明：2種介質(zhì)的分界面或者電極與介質(zhì)的分界面處往往是雙層介質(zhì)絕緣的薄弱點(diǎn)。

以往研究界面閃絡(luò)影響因素大多集中在界面宏觀缺陷對(duì)閃絡(luò)特性和電痕破壞的影響，如界面處的壓力、顆粒、劃痕、微孔、水分等缺陷對(duì)復(fù)合界面的閃絡(luò)造成一些影響[3-7]，體現(xiàn)在絕緣材料的表面特性，或者對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響上面[8-9]，經(jīng)過(guò)處理材料表面來(lái)提升閃絡(luò)電壓。XLPE絕緣電纜在正常運(yùn)行中的溫度最高可達(dá)90 ℃，在電纜發(fā)生故障時(shí)絕緣最高溫度可能會(huì)達(dá)到250 ℃。電纜溫度過(guò)高引起的熱老化現(xiàn)象使得XLPE絕緣發(fā)生嚴(yán)重的損害，造成電纜絕緣性能下降并且加速降低電纜的使用壽命。根據(jù)XLPE電纜絕緣熱老化特性研究結(jié)果可知，電纜的熱學(xué)、力學(xué)及介電性能變差都是由于熱老化導(dǎo)致的[10-16]。

目前，還沒(méi)有一套完整描述硅橡膠(silicone rubber，SIR)與XLPE組成的電纜復(fù)合界面(交處閃絡(luò)機(jī)理的理論，對(duì)于界面材料老化引起的各種宏、微觀缺陷對(duì)閃絡(luò)特性的影響的研究較少。為了更加有利地進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，本文根據(jù)電纜接頭實(shí)際結(jié)構(gòu)，制作XLPE-SIR復(fù)合界面裝置來(lái)模擬電纜接頭復(fù)合界面沿面放電，在試驗(yàn)室條件下對(duì)復(fù)合界面試樣進(jìn)行熱老化試驗(yàn)和沿面放電試驗(yàn)，深入探討熱老化過(guò)程中XLPE-SIR復(fù)合界面絕緣材料的表面特性和本體特性的變化規(guī)律，以及產(chǎn)生的宏、微觀缺陷對(duì)復(fù)合界面閃絡(luò)特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 復(fù)合界面沿面放電模型設(shè)計(jì)

根據(jù)電纜接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了電纜接頭復(fù)合界面沿面放電平臺(tái)，該平臺(tái)既能體現(xiàn)多層固體復(fù)合介質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)，又便于進(jìn)行加壓試驗(yàn)[7]。設(shè)計(jì)的電纜接頭模型包括：有機(jī)玻璃下蓋板、SIR絕緣體、電極組件、XLPE絕緣體、有機(jī)玻璃上蓋板、螺母，如圖1所示。

圖1 復(fù)合界面沿面放電模型設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of surface discharge model of composite interface

1.2 試驗(yàn)裝置

復(fù)合界面放電試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和電路如圖2所示。主要設(shè)備包括：試驗(yàn)變壓器(100 kVA/50 kVA)、保護(hù)阻抗(100 kΩ)、交直流分壓器(1 000:1)、耦合電容(4 000 pF)、采樣電阻(5 Ω)、數(shù)據(jù)采集卡(Pico3205B)、數(shù)字萬(wàn)用表及電壓表。

圖2 試驗(yàn)裝置及電路圖Fig.2 Experimental facility and circuit

1.3 試樣制備

XLPE材料采用廣東某電纜接頭廠提供的北歐化工產(chǎn)XLPE顆粒，操作過(guò)程如下：首先，對(duì)XLPE顆粒進(jìn)行預(yù)熱，在175 ℃溫度下放置2 min，使其熔融；其次，用175 ℃平板硫化機(jī)熱壓硫化15 min制成尺寸為200 mm×300 mm×0.3 mm的XLPE片狀試樣；最后，自然冷卻30 min。

SIR材料采用廣東某電纜接頭廠提供的大小為200 mm×300 mm×0.8 mm的透明SIR板。為了滿(mǎn)足一定的面壓和耐壓要求，SIR試樣的厚度一般是XLPE試樣的2～3倍左右[17]，本文設(shè)計(jì)的厚度為2.67倍。為消除交聯(lián)副產(chǎn)物對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行之前，將XLPE試樣和SIR試樣分別在80 ℃的真空烘箱內(nèi)下進(jìn)行熱處理24 h。

2 熱老化試驗(yàn)測(cè)量及分析

2.1 熱老化試驗(yàn)方案

本文采用DHG-9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，將XLPE樣片和SIR樣片合成的復(fù)合試樣放進(jìn)老化烘箱實(shí)現(xiàn)加速熱氧老化，復(fù)合試樣在溫度130 ℃時(shí)老化12 h，在溫度20 ℃時(shí)老化12 h，重復(fù)循環(huán)進(jìn)行老化。XLPE和SIR界面試樣分別在130 ℃時(shí)的老化時(shí)長(zhǎng)為0 h、50 h、100 h、200 h、300 h。

2.2 老化前后材料物理特性的變化

2.2.1 硬度測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)使用型號(hào)為L(zhǎng)X-A的SIR硬度計(jì)對(duì)老化后的材料進(jìn)行測(cè)量。由于復(fù)合試樣比較薄，為確保測(cè)量的精準(zhǔn)性，需要適當(dāng)增加其厚度，將試樣制品相互疊加(4片XLPE試樣疊加測(cè)量，2片SIR試樣疊加測(cè)量)；其次，取5次測(cè)量結(jié)果的平均值作為其硬度值。2種絕緣試樣的硬度隨著老化時(shí)長(zhǎng)的增加均增大，具體變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同老化時(shí)長(zhǎng)下材料硬度變化Fig.3 Changes of material hardness under different aging time

從圖3看出：XLPE和SIR材料的硬度隨著老化時(shí)長(zhǎng)的增加都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而且當(dāng)老化程度加深時(shí)，材料逐漸變脆，柔韌性逐漸變?nèi)酢?種材料的區(qū)別在于XLPE和SIR絕緣材料具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，XLPE為晶體類(lèi)聚合物，SIR為非晶態(tài)物質(zhì)。在未老化時(shí)，SIR較XLPE硬度??；在老化過(guò)程中，SIR的硬度增漲幅度略小于XLPE材料，在老化300 h之后，SIR硬度增加約4.58%，XLPE硬度增加約7.54%。

2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)采用型號(hào)為Verios G4的掃描電鏡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前需要用離子濺射儀對(duì)被測(cè)試樣的表面進(jìn)行噴金處理，同時(shí)采用編號(hào)的形式對(duì)老化后的XLPE和SIR試樣進(jìn)行區(qū)分，然后進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試。XLPE試樣編號(hào)分別為：未老化(A1)、老化50 h(A2)、老化100 h(A3)、老化200 h(A4)、老化300 h(A5)。SIR試樣編號(hào)分別為：未老化(B1)、老化50 h(B2)、老化100 h(B3)、老化200 h(B4)、老化300 h(B5)。通過(guò)掃描電鏡測(cè)試，得到XLPE和SIR材料表面微觀形貌在不同階段下的變化情況，具體變化如圖4、圖5所示。

圖4 XLPE掃描電鏡圖Fig.4 XLPE scanning electron micrograph

圖5 SIR掃描電鏡圖Fig.5 SIR scanning electron micrograph

圖4的A1—A5-1分別為不同老化時(shí)長(zhǎng)下的XLPE試樣經(jīng)過(guò)掃描電鏡放大20 000倍的微觀形貌圖。圖4中的A1為未老化的XLPE試樣情況，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)紋路明顯，整體大部分為灌狀，在部分區(qū)域呈無(wú)定型態(tài)。圖4中的A2為老化50 h后的情況，相對(duì)于A1材料內(nèi)部晶體形態(tài)更加完整，XLPE試樣內(nèi)大面積呈現(xiàn)出片晶態(tài)，局部區(qū)域出現(xiàn)老化后的裂紋、孔隙。隨著老化時(shí)間的增加，圖4中A3—A5表面出現(xiàn)較多的凹凸紋路，無(wú)定型區(qū)域擴(kuò)大，絕緣劣化程度加深。圖4中A5-2為老化300 h時(shí)，放大5 000倍的微觀形貌圖，可以明顯地觀察到XLPE材料表面出現(xiàn)老化后的孔隙與凹凸紋路，表現(xiàn)出XLPE試樣的嚴(yán)重劣化；同時(shí)，XLPE試樣已經(jīng)無(wú)法觀察到晶體相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征，長(zhǎng)時(shí)間受熱導(dǎo)致絕緣材料內(nèi)部大部分區(qū)域呈現(xiàn)無(wú)定型區(qū)。

圖5中B1—B5-1為SIR試樣老化前后放大3 000倍下的掃描電鏡圖，隨著老化時(shí)間的加深，SIR試樣逐漸劣化，表面由平整漸漸出現(xiàn)皺狀，最后呈現(xiàn)出局部區(qū)域粉狀。從圖5中B1未老化狀態(tài)時(shí)的SIR試樣掃描電鏡圖中發(fā)現(xiàn)材料表面平整，隨著老化時(shí)間加長(zhǎng)50 h(B2)、100 h(B3)、200 h(B4)，SIR表面逐漸出現(xiàn)變皺；從圖5中B5-1明顯觀察到SIR試樣熱老化300 h后出現(xiàn)凹凸紋路；從圖5中B5-2老化300 h后SIR試樣材料表面放大10 000倍形貌圖中發(fā)現(xiàn)，材料逐漸粉化，局部表層材料出現(xiàn)明顯脫落和凹凸紋路，絕緣性能劣化。

2.3 XLPE試樣的熱刺激電流測(cè)試

2.3.1 熱刺激電流測(cè)試方案

本文使用德國(guó)Novocontrol Technologies公司的熱刺激電流(thermally stimulated discharge current ,TSDC)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量方案如圖6所示。

圖6 TSDC試驗(yàn)程序Fig.6 TSDC experimental procedure

將厚度約為0.3 mm的XLPE試樣制作成半徑為12.5 mm的圓片狀，然后對(duì)試樣進(jìn)行表面噴金；將處理后的XLPE試樣圓片以5 ℃/min的速率迅速升溫到120 ℃，并加電壓250 V，經(jīng)過(guò)45 min的極化時(shí)間使其充分極化，接著用液氮快速降溫至-100 ℃；最后對(duì)以5 ℃/min的速率升溫至170 ℃的試樣進(jìn)行測(cè)量。

2.3.2 TSDC測(cè)試結(jié)果分析

圖7為測(cè)出的經(jīng)過(guò)不同熱老化階段的XLPE 5種試樣的TSDC原始曲線(xiàn)圖。由圖7可知這幾種試樣的曲線(xiàn)基本形狀大致是相同的，都具有Ⅰ、Ⅱ 2個(gè)峰。

圖7 不同老化時(shí)長(zhǎng)下TSDC曲線(xiàn)圖Fig.7 TSDC curves under different aging time

圖7中不同老化時(shí)長(zhǎng)下的TSDC表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，隨著老化時(shí)長(zhǎng)的增加，XLPE的TSDC Ⅰ峰和Ⅱ峰都有向高溫區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，峰面積整體呈現(xiàn)增大的變化，表明陷阱積累的電荷量越來(lái)越多，陷阱能級(jí)也在進(jìn)一步增大。

Ⅰ峰的劈裂發(fā)生在老化時(shí)間為200 h、300 h時(shí)，說(shuō)明有新的陷阱出現(xiàn)，特別在老化時(shí)長(zhǎng)為300 h時(shí)，陷阱電荷量的增長(zhǎng)更加迅速。本文采用文獻(xiàn)[18]所提的方法，即利用單一TSDC曲線(xiàn)估計(jì)載流子的陷阱參數(shù)的方法，最終實(shí)現(xiàn)分解復(fù)合TSDC曲線(xiàn)的過(guò)程。圖8和圖9反映出XLPE試樣主峰活化能(陷阱能級(jí))、陷阱電荷量以及峰值電流隨老化時(shí)長(zhǎng)變化的關(guān)系。根據(jù)以往的研究[19-20]可以判斷出：位于140 ℃左右的Ⅰ峰為陷阱中的載流子遷移引起的峰，160 ℃左右的Ⅱ峰稱(chēng)為離子遷移峰，是高溫時(shí)材料內(nèi)部的可動(dòng)離子遷移引起的峰。圖8中顯示了隨著熱氧老化時(shí)間增加，Ⅰ峰的陷阱活化能出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，Ⅱ峰的陷阱活化能先出現(xiàn)一定的上升而后下降的趨勢(shì)；在200 h和300 h時(shí)，Ⅰ峰屬于深陷阱能級(jí)，其劈裂峰陷阱能級(jí)都較大，而SIR材料屬于無(wú)定形聚合物，SIR內(nèi)存在較多的深陷阱是由于非晶的無(wú)規(guī)則排列引起的[21]。

圖8 陷阱活化能隨老化時(shí)長(zhǎng)變化的關(guān)系Fig.8 Relationship between trap level and aging time

圖9 試樣Ⅱ峰中電荷量及峰值電流隨老化時(shí)長(zhǎng)關(guān)系Fig.9 Relationship between charge amount and peak current for Ⅱ peak with aging time

參考以往文獻(xiàn)對(duì)真空中的沿面閃絡(luò)的研究，不考慮TSDC 試驗(yàn)中由載流子遷移引起的Ⅰ峰，只考慮Ⅱ峰的影響。圖9反映了Ⅱ峰中陷阱電荷量及峰值電流隨老化時(shí)長(zhǎng)關(guān)系都呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，其中Ⅱ峰的活化能隨老化時(shí)間增加有下降的趨勢(shì)，其陷阱電荷量在100 h時(shí)相比未老化時(shí)變化不大，但是到200 h和300 h時(shí)陷阱電荷的積累量已經(jīng)出現(xiàn)成倍的變化，老化300 h后，陷阱電荷量已經(jīng)達(dá)到了未老化時(shí)的20多倍，老化300 h的TSDC峰值是未老化約19倍。這說(shuō)明Ⅱ峰伴隨著陷阱電荷量的升高，被俘獲的載流子也越來(lái)越多，陷阱俘獲大量的載流子并使其束縛在陷阱內(nèi)部，導(dǎo)致越來(lái)越多的電荷積累起來(lái)，當(dāng)這種束縛經(jīng)過(guò)外界的破壞，逃逸出來(lái)的電荷所釋放的能量會(huì)更大。

3 材料老化對(duì)界面放電的影響分析

3.1 不同老化時(shí)長(zhǎng)下界面材料對(duì)放電的影響

復(fù)合絕緣界面處的放電情況隨著老化時(shí)長(zhǎng)的變化不盡相同。本文按照?qǐng)D2搭建好整個(gè)試驗(yàn)電路，對(duì)電纜接頭模型進(jìn)行界面放電試驗(yàn)，并記錄XLPE-SIR試樣未老化以及老化50 h、100 h、200 h、300 h后的起始放電電壓和擊穿電壓，并通過(guò)采集卡采集放電電流信號(hào)分析整個(gè)放電過(guò)程。起始放電電壓是表征復(fù)合界面處剛剛開(kāi)始放電時(shí)所施加的電壓強(qiáng)度，擊穿電壓表征了復(fù)合界面處最大承受工頻電壓的能力，每組試驗(yàn)樣本取3組的平均值。

3.1.1 不同老化時(shí)長(zhǎng)的影響

圖10為XLPE-SIR復(fù)合界面的起始放電電壓與擊穿電壓隨不同老化時(shí)長(zhǎng)的變化圖。圖11為復(fù)合界面試樣的起始放電電流和最大放電電流隨不同老化時(shí)長(zhǎng)的變化圖。

圖10 復(fù)合界面試樣在不同老化時(shí)長(zhǎng)下的放電電壓Fig.10 Discharge voltage of composite interface sample under different aging time

圖11 復(fù)合界面試樣在不同老化時(shí)長(zhǎng)下的放電電流Fig.11 The discharge current of composite interface sample under different aging time

從圖10可知：復(fù)合界面的起始放電電壓和擊穿電壓均隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，XLPE-SIR復(fù)合界面在電壓約為9 kV時(shí)開(kāi)始放電。由圖11可知：隨著老化時(shí)間的增大，復(fù)合界面處的放電情況逐步加劇，放電電流整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。老化初期，材料劣化程度不大，放電電流與XLPE的TSDC曲線(xiàn)Ⅱ峰的峰值電流都較小；老化中后期，材料劣化嚴(yán)重，XLPE材料無(wú)定形區(qū)域增大，SIR材料出現(xiàn)孔隙粉化，放電電流的急劇增大與XLPE的TSDC曲線(xiàn)Ⅱ峰的峰值電流變化趨勢(shì)一致。

圖12為XLPE-SIR復(fù)合界面的起始放電電壓與擊穿電壓隨釋放電荷量的變化圖。由圖12可以看出，老化會(huì)影響XLPE材料的陷阱電荷量，且與復(fù)合界面的放電電壓隨老化時(shí)長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)具有一致的變化趨勢(shì)。

圖12 復(fù)合界面試樣在不同釋放電荷量下的放電電壓Fig.12 Discharge voltage of composite interface sample under different discharge voltages

3.1.2 不同界面復(fù)合材料的耐擊穿變化率

本文將所研究的復(fù)合界面按不同材料組成分為3類(lèi)：XLPE-XLPE復(fù)合界面、XLPE-SIR復(fù)合界面和SIR-SIR復(fù)合界面。

根據(jù)復(fù)合界面搭建電纜接頭放電模型，并記錄復(fù)合界面在不同材料下的放電情況，取3組試驗(yàn)樣本的平均值，見(jiàn)表1。

表1 不同老化時(shí)間下試樣起始放電電壓和擊穿電壓Tab.1 The initial discharge voltage and breakdown voltage of sample with different aging time

本文定義不同老化時(shí)長(zhǎng)下的擊穿電壓與未老化試樣擊穿電壓的變化比率為耐擊穿變化率。復(fù)合界面的耐擊穿變化率越大，說(shuō)明老化對(duì)其影響越大。圖13給出了3種不同試樣的復(fù)合界面在各個(gè)老化時(shí)長(zhǎng)下的耐擊穿變化率。隨著老化時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，3種試樣的復(fù)合界面耐擊穿變化率均呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說(shuō)明材料的劣化速率隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，其中：劣化最為嚴(yán)重的是XLPE-XLPE復(fù)合界面試樣，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，耐擊穿變化率慢慢增大，老化300 h后擊穿電壓從開(kāi)始的12 kV降低至約5 kV，耐擊穿變化率約為59.6%；XLPE-SIR復(fù)合界面耐擊穿變化率隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)速率略小于XLPE-XLPE復(fù)合界面，擊穿電壓由未老化時(shí)的約14 kV下降為老化300 h時(shí)的7.5 kV，耐擊穿變化率達(dá)到45.5%；SIR-SIR復(fù)合界面試樣在老化過(guò)程中由最初的擊穿電壓約15 kV下降到10 kV，耐擊穿變化率僅為29.0%，說(shuō)明其抗老化性能和耐擊穿性能相對(duì)較穩(wěn)定。

圖13 不同復(fù)合界面試樣的耐擊穿變化率Fig.13 Withstand breakdown voltage rates of different composite interface samples

耐擊穿變化率的變化與材料老化程度的相關(guān)性較大。一方面老化影響復(fù)合界面的材料表面物理特性，另一方面老化影響材料本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性，從而決定了它的抗老化性能。SIR-SIR復(fù)合界面試樣的起始放電電壓和擊穿電壓相對(duì)于其他2類(lèi)試樣要高。一方面是由于SIR硬度較低，其硬度隨老化時(shí)間的變化較小；另一方面是由于XLPE材料為晶體類(lèi)聚合物，耐溫性能較SIR材料差，一般在100 ℃時(shí)材料就出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，隨著老化時(shí)間的增加，材料晶體性變?nèi)酰療o(wú)定型態(tài)變化。SIR是一種無(wú)定型聚合物材料，物理形態(tài)是不規(guī)則的，具有較強(qiáng)的耐高溫性能，在高溫180 ℃時(shí)也可以正常工作，因而為提高復(fù)合界面擊穿特性，可以考慮如何提高XLPE材料的抗老化性。

3.2 不同老化時(shí)長(zhǎng)下界面處所受壓強(qiáng)對(duì)放電的影響

3.2.1 界面壓強(qiáng)設(shè)計(jì)

為了研究XLPE-SIR復(fù)合界面在不同壓力下的放電情況，將復(fù)合界面處所受壓力的大小通過(guò)鋼制彈簧的形變量來(lái)體現(xiàn),試樣模型如圖14所示。

圖14 增加彈簧后試樣模型Fig.14 Sample model after adding spring

本文使用鋼制彈簧6枚，其彈性模量為8 000 Pa，彈簧線(xiàn)徑為1.0 mm，中徑為6.0 mm，有效圈數(shù)為10，彈簧系數(shù)為0.463 N/mm，作用面積為0.018 m2。根據(jù)式(1)可計(jì)算出彈簧的彈簧系數(shù)：

(1)

式中：K為彈簧系數(shù)；G為線(xiàn)材的彈性模量；d為彈簧線(xiàn)徑；D為中徑；Nc為有效圈數(shù)；X為形變長(zhǎng)度；S為作用面積;F為彈簧形變壓力；P為彈簧的作用壓強(qiáng)。

具體試樣壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 具體計(jì)算參數(shù)表Tab.2 Specific calculation parameters

3.2.2 不同界面壓強(qiáng)對(duì)沿面放電的影響

根據(jù)第3.2.1小節(jié)計(jì)算及設(shè)計(jì)，初步衡量了XLPE-SIR試樣所在界面的壓強(qiáng)變化。本文針對(duì)不同界面壓力(壓強(qiáng))下的XLPE-SIR復(fù)合試樣進(jìn)行界面放電試驗(yàn)。圖15為不同老化時(shí)長(zhǎng)的試樣界面擊穿電壓與壓強(qiáng)關(guān)系。

圖15 不同老化時(shí)長(zhǎng)下試樣界面擊穿電壓與壓強(qiáng)關(guān)系Fig.15 Relationship between breakdown voltage and pressure of sample interface under different aging time

由圖15可知，隨著壓強(qiáng)的增大，不同老化時(shí)長(zhǎng)下的XLPE-SIR試樣界面處的工頻擊穿電壓也在增大。壓強(qiáng)對(duì)復(fù)合界面試樣工頻擊穿特性的影響在于：一方面在復(fù)合界面試樣制作過(guò)程以及老化過(guò)程中，復(fù)合界材料存在不平整性，在不平整處會(huì)存在小的氣孔，工頻交流電壓作用下使得氣孔處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，從而導(dǎo)致?lián)舸╇妷狠^低；另一方面材料的硬度也會(huì)影響擊穿特性，材料硬度越大，在相同壓強(qiáng)下組成界面的氣隙就越大，也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╇妷狠^低。當(dāng)界面所受壓力較小時(shí)，不平整性表現(xiàn)的越突出，氣體的間隙越大，電場(chǎng)的分布越不均勻，容易在氣孔處發(fā)生局部放電，進(jìn)一步導(dǎo)致材料的劣化，加速界面處的擊穿；當(dāng)界面處所受壓力越大時(shí)，不平整性表現(xiàn)越不明顯，氣體間隙越少，界面處場(chǎng)強(qiáng)均勻分布，因此不會(huì)輕易發(fā)生放電，相對(duì)而言，界面處的擊穿電壓就會(huì)上升。

當(dāng)界面材料老化程度越高，其硬度越高且界面不平整度越高，若增加界面壓力，可以一定程度減少界面處氣隙，保持場(chǎng)強(qiáng)均勻。但從圖15可以看出，老化時(shí)間越長(zhǎng)工頻擊穿電壓隨壓強(qiáng)增長(zhǎng)的變化率反而有所下降。

綜上，界面擊穿特性能夠通過(guò)界面所受的壓力(壓強(qiáng))而改善，工頻擊穿電壓隨著界面處所受壓力的增大而增大。老化過(guò)程是不能逆轉(zhuǎn)的，導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生根本的劣化，極大減弱了材料的絕緣性能。提高復(fù)合界面處的壓強(qiáng)能夠在一定程度上增加擊穿電壓，但是不能從根本上彌補(bǔ)材料劣化對(duì)界面擊穿特性的影響。

4 結(jié)論

本文首先分析了老化對(duì)于界面放電的3個(gè)方面影響：①老化會(huì)改變材料的表面物理結(jié)構(gòu)，如老化會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)缺陷進(jìn)一步影響其沿面電場(chǎng)分布；②長(zhǎng)期運(yùn)行的電纜其發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致附件絕緣老化，不僅導(dǎo)致電纜附件絕緣應(yīng)力變得松弛，還會(huì)導(dǎo)致受潮環(huán)境下雙層介質(zhì)的沿面擊穿；③老化使得材料的微觀陷阱結(jié)構(gòu)和表面電荷量發(fā)生變化，且作用于界面放電的過(guò)程中，影響界面放電特性。

為了研究了熱氧老化對(duì)XLPE-SIR復(fù)合材料沿面放電現(xiàn)象的影響，本文根據(jù)電纜接頭結(jié)構(gòu)，制作了電纜接頭復(fù)合介質(zhì)沿面放電模擬裝置，進(jìn)行試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

a)熱氧老化會(huì)使得XLPE和SIR材料逐漸變脆，柔韌性逐漸變?nèi)?，硬度增大，表面形貌變得粗糙，并使得界面處局部電?chǎng)發(fā)生畸變。

b)隨著熱氧老化時(shí)間的增加，XLPE-SIR試樣界面的起始放電電壓及擊穿電壓降低；而由SIR-SIR組成的復(fù)合界面試樣，起始放電電壓和擊穿電壓相對(duì)于其他2種復(fù)合試樣要高大約2 kV。

c)界面處所受的壓力(強(qiáng))大小能夠一定程度上改善界面擊穿特性，工頻擊穿電壓隨著界面處所受壓力的增大而增大，減小而減小。老化過(guò)程是不能逆轉(zhuǎn)的，導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生根本的劣化，極大減弱了材料的絕緣性能；提高復(fù)合界面處的壓強(qiáng)能夠在一定程度上增加擊穿電壓，但是不能從根本上彌補(bǔ)材料劣化對(duì)界面擊穿特性的影響。