不同溫度下風電發(fā)電機組聚乙烯電纜老化性能研究

史文義

(國華(河北)新能源有限公司,河北張家口 075000)

風電場配電環(huán)節(jié)中,大量使用不同電壓級別的聚乙烯電纜,且這些電纜多為室外裸露布置,缺少橋架、地溝、套管等保護機構,所以其電樹枝、水樹枝等老化破壞現(xiàn)象較為顯著[1]。一般理論下,認為聚乙烯電纜絕緣層的抗老化性能主要來自其聚乙烯交聯(lián)過程中產(chǎn)生的裂隙和氣泡等瑕疵,而這些瑕疵與聚乙烯電纜絕緣層的交聯(lián)溫度環(huán)境有直接關系,與現(xiàn)場應用環(huán)境中的氣溫環(huán)境也有直接關系[2]。所以,溫度對聚乙烯電纜老化性能有直接影響,對風電場的特殊應用環(huán)境中的聚乙烯電纜,此種影響更加顯著[3]。

相關研究中,針對聚乙烯電纜絕緣層的交聯(lián)反應溫度對其老化性能的影響研究,以及電纜現(xiàn)場應用環(huán)境溫度對其老化性能的影響研究,均已較深入,但其二者對風電場聚乙烯電纜老化性能的影響模式研究,屬于本文的創(chuàng)新點[4]。采用復合熵值模型,對交聯(lián)溫度和現(xiàn)場溫度進行聯(lián)合建模,對聚乙烯電纜的水樹枝和電樹枝生長過程進行量化關聯(lián)分析[5]。

1 交聯(lián)聚乙烯電纜的老化機理

1.1 交聯(lián)聚乙烯的反應生成機理

交聯(lián)聚乙烯材料由聚乙烯材料打開部分C-Н 鍵后形成C-C 鍵,使聚乙烯材料的單鏈結構形成復合網(wǎng)狀結構,該過程為典型的有機化學吸熱反應。其反應機理如圖1所示。

圖1 中,形成聚乙烯的聚合鍵與形成交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)鍵均為C-C 鍵,鍵能348kJ/mol,但聚乙烯的聚合鍵生成過程,是催化劑作用下打開2 個C=C 鍵并形成3個C-C 鍵,此時C=C 鍵的鍵能是615kJ/mol,所以反應過程吸收能量為1044kJ/mol,釋放能量為1230kJ/mol,該化學過程每mol 放熱186kJ。而交聯(lián)鍵的生成過程為打開2 個C-Н 鍵形成1 個C-C 鍵和1 個Н-Н 鍵,前者鍵能為413kJ/mol,后者鍵能436kJ/mol,故其每mol 反應過程釋放能量826kJ,吸收能量為每mol 反應過程吸收能量1220kJ,該反應過程為吸熱過程,每mol 吸熱394kJ。且因為兩種反應所需的催化劑等反應環(huán)境不同,所以兩步反應需要分步進行。而交聯(lián)反應的吸熱過程中,環(huán)境溫度的控制更為重要[6]。

圖1 交聯(lián)聚乙烯與聚乙烯的化學分子結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical molecular structure of XLPE and PE

1.2 水樹枝老化過程

有機電化學視角下,交聯(lián)聚乙烯材料在長期的電場及水分作用下,形成的各種樹枝狀的通道結構,被稱作水樹枝。因為水樹枝導致的老化過程,被稱作水樹枝老化過程。水樹枝的演變過程為單向不可逆過程,因為其具有較強的電導率且反應過程具有較強的電場依賴性,導致其在初始較低的電場強度下即可開始反應,當水樹枝開始生長后,隨著介質電導率增加,其反應過程逐漸加快,迅速進入到快速演變的失穩(wěn)反應過程。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關事故報告,逾6 成交聯(lián)聚乙烯電纜老化擊穿事故,與水樹枝老化過程相關。分析其故障樹,如圖2 所示。

圖2 水樹枝產(chǎn)生的故障樹示意圖Fig.2 Fault tree generated by water tree

圖2 中,故障樹顯示,電場強度、電壓頻率、環(huán)境含水量、運行溫度、經(jīng)差值計算后的溫度變化率等參數(shù)的量值提升,均可能單方面造成水樹枝的產(chǎn)生,而交聯(lián)聚乙烯材料的質量下降,也是水樹枝產(chǎn)生過程的逆態(tài)誘因。此時分析材料質量問題,提升聚乙烯顆粒純度、反應釜純凈度、加強反應溫度的控制精度等,均可以提升交聯(lián)聚乙烯材料質量[7]。該故障樹顯示,控制交聯(lián)過程溫度和電纜運行溫度,均可以對水樹枝老化過程帶來影響[8]。

1.3 電樹枝老化過程

有機電化學視角下,絕緣材料中因為空腔放電現(xiàn)象,在絕緣材料的雜質顆粒、原始氣泡裂隙等位置,因為頻繁發(fā)生局部擊穿放電而產(chǎn)生的樹枝狀結構,被稱作電樹枝。因為電樹枝結構帶來的交聯(lián)聚乙烯材料老化過程,被稱作電樹枝老化過程。因為更大的絕緣孔隙可以產(chǎn)生更強烈的電樹枝放電過程,所以,與水樹枝老化過程一樣,電樹枝老化過程也是逐步加速和逐步失穩(wěn)的不可逆老化過程。其故障樹如圖3 所示。

圖3 電樹枝產(chǎn)生的故障樹示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault tree generated by electric tree

圖3 中,電樹枝故障樹與水樹枝故障樹結構基本一致,除電樹枝生長過程無需水分參與外,其他故障因子完全一致。即在電樹枝產(chǎn)生過程中,如有水分參與到有機電化學反應中來,則可能同步發(fā)生水樹枝反應,而在水樹枝反應中,如果存在材料質量問題中的孔隙和雜質,則也能同步產(chǎn)生電樹枝老化過程。電樹枝產(chǎn)生過程中,電纜運行溫度和交聯(lián)反應過程溫度,同樣起到較顯著的促進作用。

2 交聯(lián)聚乙烯老化過程的溫度控制因子設定

聚乙烯交聯(lián)反應中,常用的反應溫度為100、120、150 ℃,在與反應溫度相對應的交聯(lián)反應釜控制策略支持下,三種反應溫度均可以產(chǎn)生良好的交聯(lián)反應,而影響交聯(lián)反應質量的核心溫度因素在于反應過程中的溫度變化率。前文分析中,聚乙烯交聯(lián)反應是一個吸熱反應,產(chǎn)生每mol 交聯(lián)鍵的吸熱量為394kJ,而因為交聯(lián)聚乙烯的反應材料聚乙烯為長鏈大分子,其mol 重量無法有效確定,所以,對特定分子量區(qū)間的聚乙烯材料,其吸熱量越高,則其交聯(lián)鍵在碳鏈上的間距越小,交聯(lián)程度越高,此時交聯(lián)聚乙烯的硬度越大。但交聯(lián)程度過低的情況下,交聯(lián)聚乙烯產(chǎn)物中更容易產(chǎn)生先天孔隙,而交聯(lián)程度過高的情況下,交聯(lián)聚乙烯材料硬度和脆性增加,容易產(chǎn)生后天孔隙。為了控制反應時間和吸熱量,也應該充分控制反應溫度的變化區(qū)間在合理范圍內。故設置ΔT′變量作為反應過程中的溫度變化幅度。ΔT′dt作為溫度變化率。該過程與后續(xù)分析中水樹枝和電樹枝產(chǎn)生率存在雙逆態(tài)即等效正態(tài)關系[9]。

上述兩個故障樹分析中,在電纜運行溫度實際值T、變化幅度ΔT、變化率ΔTdt,與水樹枝和電樹枝生長過程為直接正態(tài)關系。故假定以水樹枝和電樹枝生長過程為主要老化機理的交聯(lián)聚乙烯老化過程中,存在公式(1):

式(1) 中:Δd為水樹枝及電樹枝生長過程影響的絕緣層厚度；

分別為上述5 個影響因子的影響權重系數(shù)。此時,考察Δd的時間積分,則為電纜老化的累積量,即公式(2):

當該累積量超出電纜絕緣層耐受限度時,電纜絕緣層會被電壓擊穿,即滿足D/L≤N% 時,電纜才可以保障安全運行,此時,上述溫度參數(shù)直接決定了D的發(fā)展,而L為固定值,所以,在電壓、頻率等條件保持不變的前提下,控制上述溫度參數(shù),可以有效延緩電纜老化,延長電纜安全運行時間。

而對公式(1)來說,設定一個溫度聯(lián)合參數(shù)TB,使其與Δd有直接關聯(lián),則存在公式(3):

針對TB指標因子對電纜老化過程進行關聯(lián)分析,尋求其統(tǒng)計學規(guī)律。

3 復合溫度因子對電纜老化過程的仿真實證分析

研究風電場中的所有工頻交聯(lián)聚乙烯電纜形式,在CAE Simulink 環(huán)境中構建仿真模型,研究400V、10kV、35kV 條件下的50Нz 工頻電纜的Δd發(fā)展狀態(tài)與TB指標因子的關系,所有結果采用算數(shù)平均法求取平均值?？梢缘玫綀D4。

圖4 溫度綜合因子條件下裂隙生長速度變化趨勢圖Fig.4 Variation trend of fracture growth rate under the condition of comprehensive temperature factor

圖4 中,針對400V、10kV、35kV的工頻工作模式,隨著溫度綜合因子TB的線性增長,其水樹枝并發(fā)電樹枝裂隙生長速度均按照指數(shù)級別增長,如果要將裂隙生長速度控制在0.1mm/w 下,當工作電壓為400V 時,TB指標因子應控制在4.0 以內,而工作電壓10kV 模式下,TB指標因子應控制在1.6 以內,工作電壓35kV 模式下TB指標因子應控制在0.7 以內。較高的電壓等級對TB指標因子的影響更為苛刻[10]。

分析不同電壓等級和不同TB指標因子下一年運行期內的電纜鼓包故障概率,每種工況仿真模擬10 次,得到表1。

表1 電纜鼓包故障發(fā)生概率分布表Table 1 Probability distribution of cable bulge fault

表1 中,當TB指標因子達到3 以上時,10kV 電纜已經(jīng)存在較高的鼓包風險,而35kV 電纜鼓包概率已經(jīng)超過70%,而當TB指標因子達到5 時,所有電壓等級電纜均有可能在1 年內發(fā)生鼓包故障。故在實際電纜運行中,400V 和10kV 電壓級別下,TB指標因子應控制在2以內,而35kV 電纜的TB指標因子應控制在1 以內。

分析不同電壓等級和不同TB指標因子下一年運行期內的電纜擊穿接地事故概率,每種工況模擬10 次,得到表2。

表2 電纜擊穿接地事故發(fā)生概率分布表Table 2 Probability distribution of cable grounding fault

表2 中,當TB指標因子達到1 以上時,35kV 電壓等級下即有1 年內發(fā)生電纜擊穿接地的概率,而TB指標因子達到3 以上時,10kV 和35kV 電壓等級下,其電纜擊穿接地事故的發(fā)生概率已經(jīng)嚴重影響到系統(tǒng)運行安全。當TB指標因子達到5 時,400V 運行環(huán)境下電纜也可能發(fā)生較高概率的電纜擊穿接地事故。

之前相關研究中,因為在電纜運行環(huán)境的相關溫度控制抗老化研究中沒有考慮到電纜交聯(lián)反應溫度控制對電纜老化的影響,所以其數(shù)據(jù)存在一定的不穩(wěn)定性。所以,本文研究將電纜交聯(lián)反應溫度控制效果與電纜運行環(huán)境溫度控制效果生成復合因子即TB指標因子,在此因子下,發(fā)現(xiàn)電纜老化過程以及其1 年使用壽命的控制效果,與該TB指標因子存在顯著的統(tǒng)計學關聯(lián)性。所以,針對特定批次的電纜,其交聯(lián)反應過程基本一致,則應充分控制電纜運行環(huán)境的溫度凈值、溫度變化幅度、溫度變化速率等綜合溫度控制目標,可以充分延緩電纜老化,充分延長電纜壽命。而電纜抗老化性能的提升,對電纜運行安全也有積極意義。

4 總結

本文核心創(chuàng)新點在于將電纜用交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)反應溫度控制策略與電纜運行溫度控制策略構建成復合因子,即TB指標因子。通過仿真分析,發(fā)現(xiàn)該TB指標因子與電纜老化速率呈對數(shù)相關,與電纜運行一年內的鼓包故障和擊穿接地事故發(fā)生概率呈統(tǒng)計相關。該研究解決了以往單純研究電纜用交聯(lián)聚乙烯材料交聯(lián)反應溫度和單純研究電纜運行環(huán)境溫度產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性,在實驗統(tǒng)計層面存在較強的穩(wěn)定統(tǒng)計學關系。