服役時(shí)間對(duì)110 kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣性能和超分子結(jié)構(gòu)的影響

張 成，李洪飛，趙 明，高智益，李 光，趙 洋，任成燕，黃興溢，江平開(kāi)

（1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，北京 100022；2.上海交通大學(xué) 上海市電氣絕緣與熱老化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）兼具極佳的電氣絕緣性能和物理力學(xué)性能，已經(jīng)成功取代聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）等成為高壓電纜的主要絕緣材料[1-3]。然而，XLPE在長(zhǎng)期服役過(guò)程中難免發(fā)生老化，產(chǎn)生不可逆的缺陷或結(jié)構(gòu)性破壞，使電纜的絕緣性能下降，威脅電力傳輸系統(tǒng)的正常服役。因此，研究服役時(shí)間對(duì)XLPE電纜絕緣性能和超分子結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)揭示XLPE的老化機(jī)理及電纜絕緣的狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義[4-5]。

XLPE電纜絕緣的老化方式主要有熱老化、電樹(shù)老化和水樹(shù)老化等，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)XLPE電纜絕緣的老化方式和老化機(jī)理做了大量研究，并初步建立了電纜絕緣老化的理論和模型[6-8]。文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)對(duì)商用110 kV XLPE電纜絕緣分別在100℃和160℃進(jìn)行加速熱老化實(shí)驗(yàn)，研究溫度對(duì)XLPE電纜絕緣晶體結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫?zé)崂匣^(guò)程中氧化反應(yīng)速率更快，這可能是由于低溫?zé)崂匣瘲l件下，致密的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)不利于氧氣的侵入，阻礙了熱老化的發(fā)生；而高溫?zé)崂匣瘲l件下，XLPE試樣中的晶體處于熔融狀態(tài)，結(jié)晶區(qū)的破壞加速了熱老化的發(fā)生。而電纜絕緣在高壓電場(chǎng)的作用下，會(huì)在絕緣缺陷處發(fā)生空間電荷的積累，造成電場(chǎng)局部集中，引發(fā)電場(chǎng)畸變，加速絕緣材料的結(jié)構(gòu)破壞，誘發(fā)電樹(shù)老化。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)160 kV直流電纜進(jìn)行電老化試驗(yàn)，結(jié)果表明，電老化后直流電纜絕緣的同極性空間電荷注入現(xiàn)象增強(qiáng)，空間電荷分布變寬，逐漸向絕緣內(nèi)部遷移。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，空間電荷和陷阱的總量同時(shí)增加，空間電荷的脫陷過(guò)程變得更加困難，電荷的積累增多。除此之外，水和機(jī)械振動(dòng)作用也是影響XLPE絕緣老化的重要因素[7,14-18]。

上述研究大多是在加速電纜絕緣老化的條件下完成的，與實(shí)際情況難免存在偏差，研究服役時(shí)間對(duì)XLPE電纜絕緣性能和超分子結(jié)構(gòu)的影響更具價(jià)值[19]。電纜的使用年限一般為30年左右，而我國(guó)正處于電纜更新?lián)Q代的關(guān)鍵時(shí)期，為絕緣老化研究提供了大量樣本。羅潘等[19]研究了服役前后電纜絕緣熱性能的變化，分析了電纜絕緣的老化狀態(tài)，結(jié)果表明，服役10年以上的電纜絕緣熔程變寬，熔點(diǎn)降低，說(shuō)明XLPE晶體結(jié)構(gòu)的完整性下降。張運(yùn)周等[20]從耐擊穿性能和力學(xué)性能等方面研究了退役110 kV XLPE電纜絕緣的老化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)退役電纜與新電纜性能相差不大。XU Y等[21]分別對(duì)20種退役110 kV和220 kV XLPE電纜絕緣進(jìn)行了綜合性能測(cè)試，結(jié)果表明，退役后電纜絕緣的結(jié)晶度、損耗峰、儲(chǔ)能模量都有輕微的增加，服役17年后，電纜絕緣的電樹(shù)引發(fā)時(shí)間比新電纜略有縮短，而電氣性能變化不大，表明退役電纜絕緣具有再利用的可能。XIE Y等[22]研究了熱退火處理對(duì)退役電纜絕緣性能的影響，結(jié)果表明，熱退火處理促進(jìn)了XLPE結(jié)晶的形成，降低了熔程，電氣強(qiáng)度有所恢復(fù)，進(jìn)一步說(shuō)明退役XLPE絕緣經(jīng)熱處理后具有反復(fù)應(yīng)用的可能。

目前為止，盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了電纜絕緣性能隨服役時(shí)間變化的研究，然而服役時(shí)間對(duì)電纜絕緣超分子結(jié)構(gòu)的影響鮮有報(bào)道。本文研究服役時(shí)間（0、10、20、30年）對(duì)110 kV高壓XLPE電纜絕緣性能和超分子結(jié)構(gòu)的影響，并以此分析電纜絕緣超分子結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，揭示實(shí)際情況下電纜絕緣老化的一般規(guī)律，并與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。另外，通過(guò)比較服役前后絕緣性能上的變化，討論電纜絕緣再利用的可能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料和儀器設(shè)備

110 kV XLPE高壓電纜：1#，服役時(shí)間為0年，型號(hào)為ZC-YJLW02-Z-64/110 kV-1×800 mm2；2#，服役時(shí)間為10年，型號(hào)為ZR-YJLW02-64/110 kV-1×800 mm2；3#，服役時(shí)間為20年，型號(hào)為ZR-YJLW02-64/110 kV-1×630 mm2；4#，服役時(shí)間為30年，型號(hào)為ZR-YJLW02-64/110 kV-1×700 mm2；高錳酸鉀、濃硫酸(98%)，市售。

萬(wàn)能拉伸機(jī)，型號(hào)為HY-0580，上海恒一測(cè)試儀器有限公司；差示掃描量熱儀，型號(hào)為DSC200 F3，德國(guó)NETZSCH公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號(hào)為Nova NanoSEM 450，美國(guó)FEI公司；自動(dòng)高壓擊穿裝置，型號(hào)為AHDZ-10/100，上海藍(lán)波高電壓技術(shù)設(shè)備有限公司。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

采用上海恒一測(cè)試儀器有限公司的HY-0580型萬(wàn)能拉伸機(jī)，按照GB/T 1040—2006測(cè)試不同服役時(shí)間XLPE試樣的拉伸性能，拉伸速率為100 mm/min。

1.2.2 熔點(diǎn)和結(jié)晶度測(cè)試

室溫下，將質(zhì)量約為10 mg的XLPE試樣在氮?dú)鈿夥罩屑訜嶂?00℃，升溫速率為10℃/min；保溫3 min，然后以10℃/min的速率降溫至30℃，保溫3 min；最后，再以10℃/min的速率升溫至200℃。

1.2.3 微觀形貌測(cè)試

采用SEM觀察XLPE試樣中球晶的大小及形態(tài)。首先將樣條在液氮中進(jìn)行脆斷處理，然后用濃硫酸和高錳酸鉀（質(zhì)量比為20∶1）的混合溶液對(duì)樣條的斷面進(jìn)行刻蝕處理2 h，刻蝕后的樣條在去離子水中超聲處理洗凈斷面；測(cè)試前使用離子濺射儀對(duì)斷面進(jìn)行噴銅處理，增強(qiáng)試樣的導(dǎo)電性。

1.2.4 電氣強(qiáng)度測(cè)試

按照GB/T 5130—1997規(guī)定測(cè)試試樣的電氣強(qiáng)度。室溫下，將尺寸為10 cm×10 cm×0.02 cm的XLPE薄膜浸沒(méi)在絕緣硅油中，逐步提高電壓，直至試樣被擊穿。測(cè)試電極為球形電極，直徑為10 mm，電壓頻率為50 Hz?？偣矞y(cè)試15個(gè)點(diǎn)，并利用Weibull分布研究電氣強(qiáng)度與服役時(shí)間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

圖1是不同服役時(shí)間XLPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，力學(xué)性能數(shù)據(jù)列于表1。從圖1及表1可以看出，新電纜的力學(xué)性能最好，拉伸強(qiáng)度為23.7 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為929%。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，電纜絕緣的力學(xué)性能下降，服役30年的XLPE電纜絕緣拉伸強(qiáng)度為19.0 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為832%，與新電纜絕緣相比，性能下降10%左右。這主要是因?yàn)樵诜圻^(guò)程中，電纜絕緣受電、熱等因素的影響發(fā)生老化，導(dǎo)致絕緣的力學(xué)性能下降。根據(jù)GB/T 11017—2014和GB/T 20028—2005規(guī)定，XLPE絕緣老化前斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)≥500%，斷裂伸長(zhǎng)率下降到初始值50%左右，電纜絕緣即可退役，由此可見(jiàn)服役30年的XLPE絕緣力學(xué)性能仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 不同服役時(shí)間XLPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.1 Stress-strain curves of XLPE with different service time

表1 不同服役時(shí)間XLPE的力學(xué)性能Tab.1 Mechnical properties of XLPE with different service time

2.2 DSC分析

圖2和表2為不同服役時(shí)間XLPE電纜絕緣的DSC測(cè)試結(jié)果，其中圖2(a)是第二次升溫過(guò)程的DSC吸熱曲線，圖2(b)是第一次降溫過(guò)程的DSC放熱曲線。從圖2(a)中可以看出，4個(gè)試樣都只出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，并且沒(méi)有肩峰出現(xiàn)。從表2可以看出，新電纜絕緣的Tm最高，達(dá)到106.0℃；隨著服役時(shí)間的增加，Tm降低，服役30年的電纜絕緣熔點(diǎn)下降到104.9℃，結(jié)果與文獻(xiàn)[10]報(bào)道相符。而電纜絕緣的熔程隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)而變寬，最大熔程可達(dá)65℃左右。這是因?yàn)樵诜圻^(guò)程中，受熱的影響，XLPE發(fā)生次級(jí)結(jié)晶，形成較小的晶體，使熔程增加[11]。

圖2 不同服役時(shí)間XLPE試樣的DSC曲線Fig.2 DSC curves of XLPE samples with different service time

表2 不同服役時(shí)間XLPE試樣的DSC數(shù)據(jù)Tab.2 DSC data of XLPE samples with different service time

結(jié)晶度是反映XLPE老化程度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。若試樣發(fā)生深度老化，分子鏈被破壞，分子量降低，則XLPE的結(jié)晶度下降。通過(guò)DSC測(cè)試，可以得到不同服役時(shí)間XLPE電纜絕緣的熔融熱焓（ΔHm），進(jìn)而通過(guò)式（1）計(jì)算試樣的結(jié)晶度（X）。

式(1)中：ΔHm為試樣的熔融吸熱焓，由DSC測(cè)試得到；ΔH0表示完全結(jié)晶時(shí)XLPE的熔融吸熱焓，取值288 J/g[23]。

經(jīng)計(jì)算，隨著服役時(shí)間從0年增加到30年過(guò)程中，XLPE試樣的結(jié)晶度分別為26.2%、28.0%、28.0%和26.5%，結(jié)晶度先升高后降低，這是因?yàn)樵诜圻^(guò)程中XLPE形成了次級(jí)結(jié)晶，使結(jié)晶度增加，而服役30年后由于部分材料發(fā)生老化降解，導(dǎo)致XLPE試樣的結(jié)晶度下降。

從圖2(b)中可以看出，結(jié)晶的過(guò)程中，在低溫區(qū)域都出現(xiàn)一個(gè)小肩峰，這可能是由于結(jié)晶的不完善造成的。服役后電纜絕緣的結(jié)晶峰峰值溫度明顯向低溫區(qū)域偏移，新電纜的峰值溫度最高，為91.8℃，這是由服役后試樣的結(jié)晶速率增大造成的[24]。

2.3 SEM分析

不同服役時(shí)間XLPE試樣的SEM測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中4幅圖都可以明顯觀察到XLPE的球晶結(jié)構(gòu)，說(shuō)明盡管經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期負(fù)載服役，電纜絕緣并未發(fā)生深度老化，XLPE仍保持較高的結(jié)構(gòu)完整性。4種XLPE試樣球晶的大小有所不同，利用Weibull分布研究球晶尺寸與服役時(shí)間的關(guān)系。

圖3 不同服役時(shí)間XLPE試樣的SEM圖Fig.3 SEM of XLPE samples with different service time

Weibull分布常被用于研究材料在一定電場(chǎng)強(qiáng)度(E)下被擊穿的概率或在一定時(shí)間(t)失效的概率。HUANG X Y等[25-26]利用Weibull分布模型研究了水樹(shù)老化絕緣中水樹(shù)長(zhǎng)度的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)利用Weibull分布可以較好地描述水樹(shù)長(zhǎng)度的分布情況，表明Weibull分布函數(shù)應(yīng)用的廣泛性。雙參數(shù)的Weibull分布如式（2）所示。

式（2）中：E代表實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣的擊穿強(qiáng)度；P代表累積擊穿概率；E0和β分別代表Weibull函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。E0又稱為特征擊穿強(qiáng)度，代表試樣在累積擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度。β則代表?yè)舸?qiáng)度的的分布情況，通常β值越大，試樣擊穿強(qiáng)度的分布就越窄，材料的可靠性就越高。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 930-2004公布了一種簡(jiǎn)單計(jì)算材料電介質(zhì)擊穿概率的方法，可以方便地計(jì)算試樣的Weibull分布，如式（3）所示[27]。

利用雙參數(shù)Weibull分布對(duì)試樣的球晶尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，則式（3）中i代表將所有測(cè)試得到的球晶尺寸按從小到大的順序排列后其中的第i個(gè)球晶，n代表測(cè)試試樣的總個(gè)數(shù)。

利用Weibull分布研究XLPE球晶尺寸與服役時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示，具體球晶尺寸列于表3中，其中D為球晶尺寸，D0為y軸為0時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸。

圖4 球晶大小的Weibull分布圖Fig.4 Weibull distribution of different sizes of spherocrystal

表3 不同服役時(shí)間XLPE試樣的球晶尺寸和電氣性能Tab.3 Spherocrystal size and electrical properties of XLPE samples with different service time

從圖4及表3中可以看出，隨著服役年限的增加，XLPE球晶尺寸有變大的趨勢(shì)，新電纜XLPE的球晶尺寸為9 μm，與文獻(xiàn)[10]報(bào)道相符，而服役時(shí)間為30年的XLPE球晶尺寸為41 μm；新電纜球晶尺寸的概率分布較寬(β=4.3)，隨著服役年限的增加，分布概率反而變窄(β=7.1)。這可能是因?yàn)閄LPE電纜絕緣在服役過(guò)程中存在一個(gè)結(jié)晶完善的過(guò)程，結(jié)晶度增加，球晶變大，并且隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，球晶的大小逐漸穩(wěn)定。

2.4 交流電氣強(qiáng)度分析

電纜的失效往往是由于絕緣材料發(fā)生故障引起的。為了研究XLPE絕緣服役時(shí)間與電氣性能之間的關(guān)系，對(duì)服役時(shí)間不同的XLPE試樣進(jìn)行交流電氣強(qiáng)度測(cè)試，并利用Weibull分布對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表3和圖5所示。從表3可以看出，未服役XLPE絕緣的電氣強(qiáng)度為142 kV/mm，盡管服役30年，XLPE的電氣強(qiáng)度仍可達(dá)140 kV/mm左右，表明XLPE電纜絕緣盡管發(fā)生了輕微的老化，但是其電氣絕緣性能變化不大，仍具有一定的使用價(jià)值。隨著服役年限的增加，XLPE絕緣電氣強(qiáng)度的分布變寬，表明服役時(shí)間對(duì)電纜絕緣的電氣性能有一定的影響，輕微的老化和結(jié)構(gòu)的變化使材料的可靠性降低。

圖5 不同服役時(shí)間XLPE的電氣強(qiáng)度Weibull分布圖Fig.5 Weibull distribution of breakdown strength for XLPE samples with different service time

3 結(jié)論

（1）隨著服役時(shí)間的增加，XLPE電纜絕緣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有所下降，服役30年的電纜絕緣與新電纜相比力學(xué)性能下降10%左右，表明電纜絕緣發(fā)生了一定程度的老化；隨著服役時(shí)間的增加，XLPE的熔程變寬，熔點(diǎn)降低，結(jié)晶度先升后降；服役后XLPE的球晶尺寸變大，新電纜絕緣的球晶大小為9 μm，服役30年后球晶增大到41 μm，球晶的形貌保持完整；服役后的電纜絕緣電氣性能仍然優(yōu)異，室溫交流電氣強(qiáng)度約為140 kV/mm，但其Weibull分布變寬，表明材料可靠性降低。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用中電纜絕緣的老化規(guī)律基本一致。

（2）盡管退役后XLPE電纜絕緣的力學(xué)性能有所下降，但其電氣絕緣性能、熱性能仍符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，退役后的電纜絕緣材料仍具有一定的使用價(jià)值。