電纜接頭硅橡膠材料熱老化超聲聲速特性研究

宋 軍，王若丞，紀(jì) 航，王 昭，張圣甫，賀云逸，康洪瑋，金海云

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電纜公司，上海 200072；2.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，陜西 西安 710049；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

0 引言

電力電纜附件（如接頭、終端）的材料要求柔軟且具有彈性，因此通常使用硅橡膠等彈性材料[1-2]。材料的熱性能對(duì)設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行可靠性有很大的影響，正常運(yùn)行工況下，電纜導(dǎo)體的最高溫度為90℃，但是一旦發(fā)生過(guò)載或短路，短時(shí)間內(nèi)溫度可達(dá)250℃[3]。長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)破壞電纜接頭的硅橡膠絕緣層，造成不可恢復(fù)的老化損傷，影響其絕緣性能。因此，準(zhǔn)確評(píng)估電纜接頭硅橡膠絕緣層的熱老化狀態(tài)，對(duì)高壓電纜接頭的運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。目前絕緣材料的熱老化狀態(tài)評(píng)估以電氣性能測(cè)試為主，如介電測(cè)試、局放檢測(cè)和沖擊電壓試驗(yàn)等。然而，這些測(cè)試方法通常需要施加一定時(shí)間的高壓或是沖擊電壓，會(huì)對(duì)試樣造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，無(wú)損的檢測(cè)方法在分析判斷絕緣性能劣化程度與類型方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

已有研究證實(shí)了超聲測(cè)試參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣狀態(tài)評(píng)估的有效性[4]。但在過(guò)去的研究中，超聲檢測(cè)多局限于金屬材料或是環(huán)氧樹脂等硬性材料，對(duì)于硅橡膠等高阻尼的軟彈性材料的關(guān)注較少。因此，本研究試圖研究超聲無(wú)損檢測(cè)對(duì)電纜接頭硅橡膠絕緣層熱老化評(píng)估的可行性。

本研究搭建一套用于電纜接頭硅橡膠絕緣層的超聲檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)不同熱老化時(shí)間的試樣進(jìn)行電氣性能和超聲性能測(cè)試，詳細(xì)分析各試樣的超聲參數(shù)與電氣參數(shù)的關(guān)系，為利用超聲無(wú)損檢測(cè)評(píng)估電力電纜運(yùn)行狀態(tài)提供一定的參考。

1 理論背景

目前，評(píng)估絕緣老化狀態(tài)和預(yù)測(cè)壽命的常用手段多集中于拉伸試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)等破壞性方法。而超聲檢測(cè)作為一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，其發(fā)射的超聲波與受驗(yàn)材料相互作用而表現(xiàn)出不同的超聲參數(shù)，可用于表征材料的結(jié)構(gòu)和性能。因此，超聲檢測(cè)可作為評(píng)估材料和設(shè)備老化狀態(tài)的一種無(wú)損檢測(cè)手段。

超聲波在某些方面與光波相似，他們都可以反射、折射、擴(kuò)散，并能夠被遮擋。這些性能可以用于材料測(cè)試，如利用超聲檢測(cè)材料內(nèi)部的微小缺陷[5-6]。本研究所采用的檢測(cè)方法為脈沖回波法。材料的聲阻抗，即材料密度與聲速的乘積，是重要的聲學(xué)特性，只要介質(zhì)的聲阻抗沒(méi)有發(fā)生變化，超聲波的傳播就不會(huì)受到干擾。聲阻抗的變化將導(dǎo)致部分超聲信號(hào)發(fā)生反射，因此超聲探頭可以接收到不同缺陷（如氣泡、裂縫和分層）界面反射的超聲回波。

圖1為超聲檢測(cè)的超聲通路。從圖1可知，超聲探頭先產(chǎn)生一定頻率的超聲脈沖，一旦脈沖得到觸發(fā)，探頭便會(huì)發(fā)射1.5～20 MHz的超聲波（頻率由超聲探頭決定）。這些超聲波通過(guò)耦合劑接觸到耦合劑與試樣的接觸面，便會(huì)反射部分超聲信號(hào)，形成一個(gè)明顯的表面脈沖波（波T）；透過(guò)表面的超聲波繼續(xù)傳播，到達(dá)試樣與支撐平臺(tái)的接觸面時(shí)，同樣會(huì)發(fā)生反射，形成底面脈沖波（波B）。由于超聲信號(hào)在介質(zhì)中傳播的吸收衰減，波B的幅值與波T相比明顯減小。

圖1 超聲檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic detection

超聲檢測(cè)是應(yīng)用廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一。超聲波傳播的本質(zhì)是與介質(zhì)分子的相互作用，因此，超聲速度、超聲衰減等聲學(xué)參數(shù)很大程度上取決于介質(zhì)內(nèi)部的微觀變化。例如，介質(zhì)密度的變化會(huì)引起傳播特性的變化，如超聲速度的降低和超聲衰減的增加，這些特性可用于檢測(cè)介質(zhì)特性的變化。在電纜接頭硅橡膠絕緣層熱老化過(guò)程中，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起材料性能的變化。通過(guò)研究熱老化后不同結(jié)構(gòu)的硅橡膠絕緣層，可以探究超聲聲速與老化后的材料性能（如相對(duì)介電常數(shù)與電氣強(qiáng)度）之間的聯(lián)系，因此，利用超聲特性可以無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)電纜接頭絕緣層的老化狀態(tài)。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣制備和熱老化方案

電纜接頭內(nèi)絕緣層為硅橡膠材料，暴露在空氣中的部分較少。實(shí)際運(yùn)行中，電纜接頭的氧透過(guò)率較低。因此，老化過(guò)程中幾乎無(wú)氧氣參與，以持續(xù)的熱量作用引起的熱老化為主導(dǎo)，熱氧老化相對(duì)較弱。本研究測(cè)試的電纜接頭是沈陽(yáng)古河電纜公司生產(chǎn)的YJJJI2型220 kV硅橡膠整體預(yù)制電纜接頭。考慮到電纜接頭和試驗(yàn)箱的尺寸，將整個(gè)接頭平均剖切成3個(gè)塊狀試樣，長(zhǎng)度約為300 mm。由于保溫層較厚（約為130 mm），在老化過(guò)程中，氧氣很難侵入絕緣層內(nèi)部，因此選取塊狀試樣中部的硅橡膠作為試驗(yàn)對(duì)象，模擬電纜接頭在實(shí)際運(yùn)行中由電纜導(dǎo)體高溫作用引起的熱老化?？紤]到高壓電纜接頭實(shí)際運(yùn)行中的高溫和ISO 11346:2004規(guī)定，選擇200℃作為加速熱老化溫度，并選取6個(gè)老化時(shí)間點(diǎn)（144、288、432、576、720、864 h）進(jìn)行連續(xù)熱老化試驗(yàn)。為了便于后續(xù)的試驗(yàn)，依據(jù)GB 2941—2006，使用江都軒宇試驗(yàn)機(jī)械廠的橡膠切片機(jī)對(duì)試樣的中心部分裁取尺寸為100 mm×100 mm×10 mm與100 mm×100 mm×1 mm的兩種切片。取10 mm的厚板試樣進(jìn)行超聲檢測(cè)，取1 mm的片狀試樣進(jìn)行電氣性能測(cè)試。

2.2 電氣性能測(cè)試

使用瑞士Tettex公司的2821型西林電橋在2 kV的工頻交流電壓下進(jìn)行相對(duì)介電常數(shù)測(cè)試。使用揚(yáng)州鑫源電器有限公司的YD-5750型擊穿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行工頻電氣強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)采用直徑為25 mm的球電極，測(cè)試時(shí)試樣浸于25#絕緣油中，連續(xù)升壓速度為1 kV/s，每組試樣均取10組有效的電氣強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并采用威布爾統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理分析。

2.3 超聲聲速測(cè)試

以脈沖回波法為基礎(chǔ)，搭建了超聲檢測(cè)平臺(tái)，如圖2所示，利用透射法對(duì)不同熱老化試樣進(jìn)行超聲聲速測(cè)量。超聲在空氣中的衰減十分嚴(yán)重，因此通常超聲測(cè)試都需要使用耦合劑，常用的超聲耦合劑有水、凡士林、環(huán)氧樹脂、真空硅脂、黃油等。凡士林、環(huán)氧樹脂等耦合劑多用于接觸法檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)需要將探頭緊緊地壓在試樣表面。而硅橡膠作為柔性材料，接觸壓力難以控制，從而影響到探頭與試樣表面的夾角與耦合劑厚度，導(dǎo)致檢測(cè)重復(fù)性差。水浸法作為一種非接觸法，不需要將探頭緊壓在試樣表面，具有低衰減、經(jīng)濟(jì)性好、檢測(cè)重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究采用水浸法進(jìn)行超聲聲速測(cè)試。選用蒸餾水作為超聲耦合劑，超聲探頭與試樣浸于水槽中。超聲窄脈沖由汕頭超聲儀器研究所的CTS-9006型超聲探傷儀產(chǎn)生，1Z10SJ型超聲探頭接收到窄脈沖后，發(fā)射1 MHz的超聲信號(hào)。探頭接收的回波信號(hào)由英國(guó)Pico Technology公司的2207B型采集卡進(jìn)行數(shù)字化采集，采樣率為1 GHz，并將采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中以便后續(xù)處理。采集卡記錄探頭收到T波與B波的傳播時(shí)間和振幅。由于T波與B波的傳播路程為檢測(cè)試樣厚度的兩倍，因此可由式（1）計(jì)算出各老化試樣的超聲聲速v。

式（1）中：d為試樣檢測(cè)點(diǎn)的厚度；tB為底波B的返回時(shí)間；tT為表面波T的返回時(shí)間。

圖2 超聲檢測(cè)平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing platform

3 結(jié)果與分析

3.1 電氣性能測(cè)試結(jié)果與分析

不同熱老化硅橡膠試樣的相對(duì)介電常數(shù)隨老化時(shí)間的變化如圖3所示。從圖3可以看出，在工頻電壓下，硅橡膠試樣的相對(duì)介電常數(shù)隨老化時(shí)間的增加而逐漸增大，老化狀態(tài)逐漸嚴(yán)重。根據(jù)GB/Z 18890.3—2002規(guī)定要求，硅橡膠的相對(duì)介電常數(shù)應(yīng)該在2.5～3.5。熱老化144 h后，試樣的相對(duì)介電常數(shù)超過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的上限，說(shuō)明隨著熱老化的進(jìn)行，硅橡膠試樣的劣化程度逐漸加深，這主要與老化過(guò)程中分子鏈的斷裂和強(qiáng)極性基團(tuán)的生成有關(guān)[7-8]。

圖3 不同熱老化時(shí)間下硅橡膠試樣的相對(duì)介電常數(shù)Fig.3 Relative permittivity of silicone rubber under different thermal ageing time

試樣的電氣強(qiáng)度采用威布爾分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖 4所示，計(jì)算得到老化 144、288、432、576、720、864 h的硅橡膠試樣電氣強(qiáng)度分別為27.6、23.2、24.6、23.6、25.3、23.5、23.7 kV。可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，硅橡膠試樣的工頻電氣強(qiáng)度出現(xiàn)下降，表明由熱老化引起的材料劣化逐漸加重。根據(jù)GB/Z 18890.3—2002規(guī)定要求，220 kV電纜附件用硅橡膠的工頻電氣強(qiáng)度不小于22 kV/mm。而在熱老化720 h后，試樣的電氣強(qiáng)度已從27.6 kV/mm下降到23.7 kV/mm，接近標(biāo)準(zhǔn)下限，表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的熱老化作用，電纜接頭的硅橡膠絕緣層性能劣化嚴(yán)重，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同熱老化時(shí)間下硅橡膠試樣電氣強(qiáng)度的Weibull分布Fig.4 Weibull distribution of electric strength under silicone rubber at different thermal ageing time

綜上所述，利用硅橡膠絕緣層相對(duì)介電常數(shù)和電氣強(qiáng)度的變化，可以有效地評(píng)價(jià)高壓電纜接頭絕緣層的老化狀態(tài)。而通過(guò)分析熱老化試樣的相對(duì)介電常數(shù)和電氣強(qiáng)度的部分?jǐn)?shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，從而對(duì)材料的老化狀態(tài)和可靠性進(jìn)行評(píng)估。

3.2 聲速測(cè)試結(jié)果與分析

試樣的超聲聲速測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，硅橡膠試樣的超聲聲速呈現(xiàn)出明顯且連續(xù)的下降趨勢(shì)，聲速由未老化時(shí)的1030.7 m/s下降至老化864 h后的919.8 m/s。

圖5 不同熱老化時(shí)間的超聲聲速Fig.5 Ultrasonic velocity at different thermal ageing time

材料的超聲聲速與楊氏彈性模量與密度有關(guān)，固體介質(zhì)超聲縱波速度的理論值可由式（2）計(jì)算。

式（2）中：E為楊氏彈性模量；ρ為密度。

由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崂匣?，硅橡膠試樣明顯變軟，彈性模量下降，根據(jù)式（2）可知材料的超聲聲速也隨之減小。綜上可知，依據(jù)超聲聲速的變化，可以有效地對(duì)電纜接頭硅橡膠絕緣層的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

為驗(yàn)證超聲檢測(cè)方法對(duì)評(píng)估硅橡膠老化狀態(tài)的有效性，本研究將超聲聲速與電氣性能參數(shù)（相對(duì)介電常數(shù)、電氣強(qiáng)度）分別作為獨(dú)立的變量，利用MATLAB擬合出不同老化時(shí)間下硅橡膠試樣電氣性能參數(shù)與超聲聲速的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖6 超聲聲速與電學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between ultrasonic sound velocity and electrical parameters

從圖6可以看出，硅橡膠試樣的超聲聲速與相對(duì)介電常數(shù)表現(xiàn)出良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其本質(zhì)原因是熱老化過(guò)程引起硅橡膠材料一系列的微觀結(jié)構(gòu)改變（如化學(xué)鍵斷裂、交聯(lián)破壞、新的官能團(tuán)生成等），最終表現(xiàn)在密度、楊氏模量、介電特性等宏觀參數(shù)的變化上。而超聲聲速和介電常數(shù)均與介質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，因此在老化過(guò)程中表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。而由于電氣強(qiáng)度的測(cè)量往往具有較大的分散性和隨機(jī)性，因此聲速與電氣強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。在后續(xù)的研究中，可根據(jù)獲得的相對(duì)介電常數(shù)-超聲聲速擬合曲線，預(yù)測(cè)硅橡膠試樣的老化狀態(tài)及使用壽命。超聲檢測(cè)有望成為評(píng)估硅橡膠材料老化特性的一種有效的無(wú)損檢測(cè)方法。

4 結(jié)論

（1）由于長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崂匣瘜?dǎo)致分子鏈的斷裂及強(qiáng)極性基團(tuán)的生成，電纜接頭硅橡膠絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)隨老化時(shí)間的增加而增大，老化864 h后的相對(duì)介電常數(shù)由未老化時(shí)的3.31上升至3.97。

（2）電纜接頭硅橡膠絕緣層的電氣強(qiáng)度隨老化時(shí)間的增加而降低，當(dāng)老化864 h時(shí)，其電氣強(qiáng)度下降至23.74 kV/mm，接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下限，表明此時(shí)熱老化已對(duì)電纜接頭絕緣層造成了相當(dāng)大程度的破壞，存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（3）由于高溫?zé)崂匣浕穗娎|接頭硅橡膠絕緣層，其超聲聲速隨老化時(shí)間的增加而降低。超聲聲速與相對(duì)介電常數(shù)表現(xiàn)出良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于電氣強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果的分散性與隨機(jī)性較大，超聲聲速與電氣強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)規(guī)律并不明顯?？赏ㄟ^(guò)將超聲聲速與相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行擬合量化，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅橡膠絕緣材料的剩余壽命預(yù)測(cè)與老化狀態(tài)評(píng)估。