電熱聯(lián)合老化對(duì)XLPE電纜絕緣特性的影響

王彥峰，閆國(guó)兵，謝榕昌 ，孫強(qiáng)，朱文衛(wèi) ，趙一楓，劉剛

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510062；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510699；3.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)高壓電纜從上世紀(jì)80年代開始在中國(guó)廣泛使用，一般的110 kV高壓交聯(lián)電纜的設(shè)計(jì)壽命為30～40 a，所以，近年來(lái)大量電纜面臨退役[1]。對(duì)于到達(dá)設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命的高壓交聯(lián)電纜，由于缺乏與其相關(guān)的理論論證和大量實(shí)驗(yàn)研究，電網(wǎng)運(yùn)行部門一般選擇進(jìn)行更換。對(duì)大量退役電纜絕緣性能進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)參數(shù)仍然滿足電纜的出廠標(biāo)準(zhǔn)和繼續(xù)運(yùn)行的要求。因此，深入研究達(dá)到設(shè)計(jì)壽命年限30 a的高壓交聯(lián)電纜絕緣狀況以及適當(dāng)延長(zhǎng)電纜設(shè)計(jì)壽命，將為電力部門帶來(lái)極高收益。

大量的案例和研究表明，由于高壓交聯(lián)電纜在制備過(guò)程中無(wú)法使電纜絕緣中的結(jié)晶形態(tài)從成核過(guò)程和結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程到達(dá)穩(wěn)態(tài)，在實(shí)際投入運(yùn)行一段時(shí)間后，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)改善，其原因主要可概括為2點(diǎn)：溫度效應(yīng)和電場(chǎng)效應(yīng)[2—3]。溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在交聯(lián)劑的二次反應(yīng)[4]和晶體結(jié)構(gòu)的再生長(zhǎng)[5]，電場(chǎng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在雜質(zhì)在電場(chǎng)作用遷移性。因此，溫度和電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)高壓交聯(lián)電纜的老化過(guò)程起到?jīng)Q定性作用。近年來(lái)，文獻(xiàn)[6—7]發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的溫度效應(yīng)可改善絕緣的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，最終提高絕緣性能；文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)電熱聯(lián)合老化后的電纜試樣空間電荷行為也向著積極的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)為絕緣內(nèi)部雜質(zhì)減少和晶態(tài)結(jié)構(gòu)改善。

預(yù)鑒定試驗(yàn)是為了考察交流電纜長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠性問(wèn)題而提出的試驗(yàn)驗(yàn)證體系，已被廣泛應(yīng)用于額定電壓為150～500 kV擠出絕緣及附件當(dāng)中[9—10]。文中將預(yù)鑒定試驗(yàn)的方法應(yīng)用在已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命30 a的110 kV高壓交聯(lián)電纜中，在高強(qiáng)度的條件下進(jìn)行180 d電熱循環(huán)試驗(yàn)，目的在于考察該電纜絕緣各層的變化狀況，為達(dá)到設(shè)計(jì)壽命年限30 a的高壓交聯(lián)電纜繼續(xù)運(yùn)行具有極大的可行性這一理論提供實(shí)驗(yàn)性的支撐。

1 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用XLPE高壓交流電纜作為研究對(duì)象，1985年投入運(yùn)行，2017年初退役，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為32 a。觀察發(fā)現(xiàn)電纜護(hù)套和絕緣層無(wú)破損，未有進(jìn)水現(xiàn)象。電纜的橫截面示意如圖1所示，其中，A、B、C分別為電纜絕緣的內(nèi)、中和外層研究薄片，B為A與C的中間位置；RA，RB，RC分別為A、B、C薄片的半徑。電纜重要規(guī)格參數(shù)分別為：電壓等級(jí)為110 kV/64 kV；導(dǎo)體橫截面積為700 mm2；絕緣厚度為19.8 mm。

圖1 試驗(yàn)電纜截面示意Fig.1 Schematic diagram of testing cable cestion

1.2 電熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)

對(duì)長(zhǎng)13 m的上述試驗(yàn)電纜進(jìn)行為期180 d的電熱循環(huán)預(yù)鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓通過(guò)串聯(lián)諧振高壓發(fā)生器產(chǎn)生，電壓設(shè)置為恒定1.7U0(U0=63.5 kV)，即108 kV；試驗(yàn)溫度由穿心變壓器通流加熱產(chǎn)生，每24 h為一輪熱循環(huán)，其中加熱時(shí)間至少8 h，冷卻時(shí)間16 h，且保證導(dǎo)體溫度在90～95 ℃至少保持2 h。試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)絕緣擊穿狀況。

電纜絕緣中的電場(chǎng)分布可通過(guò)無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線均勻帶電的高斯定理公式求得：

U=Erln(R2/R1)

(1)

式中：U為導(dǎo)體電壓，取108 kV；E為距離線芯r處的場(chǎng)強(qiáng)；R1，R2分別為所測(cè)場(chǎng)強(qiáng)的閉合柱面內(nèi)、外邊界半徑，此處分別取R1=RA=16 mm，R2=RC=38 mm。

通過(guò)計(jì)算得到A、B、C層的電場(chǎng)強(qiáng)度，如表1所示，其中，R為各點(diǎn)到導(dǎo)體線芯的距離半徑；E為各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

表1 A、B和C位置的電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果Table 1 The result of electric field strength at position A,B and C

電纜絕緣內(nèi)、中和外層的溫度測(cè)取是通過(guò)模擬回路的電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)孔和熱電偶測(cè)溫完成的。模擬回路的電纜與主試驗(yàn)回路的電纜一致，僅施加電流，用于測(cè)取所需導(dǎo)體溫度下對(duì)應(yīng)的電流值，并將該電流施加于主試驗(yàn)回路中。圖2為試驗(yàn)過(guò)程中某一天的電熱循環(huán)絕緣各層實(shí)測(cè)溫度變化曲線。

圖2 試驗(yàn)電纜各層試驗(yàn)溫度變化曲線(一次循環(huán))Fig.2 Test temperture changing curves of each layer of testing cable (one cycle)

根據(jù)試驗(yàn)電纜絕緣各層的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和溫度變化曲線結(jié)果，可作逆向思維推導(dǎo)，即將試驗(yàn)電纜絕緣層中所有徑向方向上的點(diǎn)等效為導(dǎo)體芯表面上的點(diǎn)，可得同一條電纜在同一次電熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)中不同電壓等級(jí)和熱循環(huán)溫度點(diǎn)的試驗(yàn)試樣。通過(guò)分析試驗(yàn)電纜絕緣性能可得各層絕緣狀態(tài)變化趨勢(shì)，進(jìn)而確定試驗(yàn)電纜絕緣徑向方向下的薄弱點(diǎn)區(qū)間，進(jìn)一步可得知該試驗(yàn)電纜在實(shí)際繼續(xù)投入運(yùn)行過(guò)程中絕緣最佳狀態(tài)下長(zhǎng)期電壓等級(jí)和對(duì)應(yīng)溫度循環(huán)下的負(fù)荷量。

對(duì)于文中試驗(yàn)，將B、C層等效為A層位置的電壓等級(jí)，即當(dāng)r=RB=RC=RA=16 mm時(shí)，代入式(1)中，得到UB=63.94 kV≈1.01U0，UC=45.53 kV≈0.72U0。由圖2可知，A、B、C層可等效為幅值點(diǎn)為90～95 ℃，70～75 ℃和50～55 ℃的熱循環(huán)試驗(yàn)，等效后各點(diǎn)的電熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)條件如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣中層和外層的等效試驗(yàn)條件與電纜的實(shí)際運(yùn)行狀況相近。

表2 絕緣各層等效后的電熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)條件Table 2 Equivalent accelerated aging test condition of each layer of insulation

1.3 理化分析實(shí)驗(yàn)

紅外光譜(fourier transform infrared spectrometer,FTIR)實(shí)驗(yàn)采用紅外光譜儀分析各個(gè)試樣的降解與穩(wěn)定狀況，以分辨率為0.16 cm-1，信噪比為55 000∶1的方式在波數(shù)范圍600～3 600 cm-1內(nèi)對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行掃描，然后通過(guò)OPUS軟件分析獲得的光譜。

差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)實(shí)驗(yàn)采用DSC測(cè)試儀測(cè)量XLPE升溫及降溫過(guò)程中的熱流。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度設(shè)定以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升至150 ℃后恒溫5 min，之后以10 ℃/min的降溫速率降至30 ℃,每次試樣重量均為5 mg。

熱重分析(thermogravimetric,TG)實(shí)驗(yàn)采用熱重分析儀測(cè)量XLPE絕緣的TG失重曲線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度設(shè)定以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升至800 ℃，觀察各個(gè)試樣隨溫度升高的失重狀況。單次實(shí)驗(yàn)中，試樣重量為5 mg。

X射線(X-ray diffraction,XRD)衍射實(shí)驗(yàn)通過(guò)XRD衍射儀分析各個(gè)試樣的聚集結(jié)構(gòu)變化。實(shí)驗(yàn)間隔的布拉格角范圍為2θ=5°～90°，步長(zhǎng)為0.02°，掃描速率為每步0.1 s，隨后通過(guò)DIFFIAC plus XRD Commander的軟件分析獲得的數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FTIR實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

XLPE主要是由C—H鍵組成的高分子聚合物，亞甲基(—CH2)是XLPE最具特征的基團(tuán)，在紅外吸收光譜中亞甲基(—CH2)的吸收峰出現(xiàn)在波長(zhǎng)720 cm-1上，波長(zhǎng)1 471 cm-1、2 856 cm-1以及2 937 cm-1為對(duì)應(yīng)的亞甲基(—CH2)搖擺震動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰[11—12]；XLPE在交聯(lián)過(guò)程中無(wú)可避免地引入交聯(lián)劑、抗氧化劑等雜質(zhì)，在電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于熱降解的作用，絕緣將會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)的熱氧化副產(chǎn)物，主要為羧基(—COOH)、酮基(R1—CHO)和醛基(—CHO),分別對(duì)應(yīng)紅外吸收光譜中波長(zhǎng)1 701 cm-1、1 718 cm-1和1 741 cm-1的吸收峰；波長(zhǎng)為1 635 cm-1對(duì)應(yīng)不飽和基團(tuán)乙烯基[13]，用于表征羰基的含量及衡量絕緣降解的程度。加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層FTIR譜圖如圖3所示。

圖3 加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectrum of each layer before and after the accelerated aging test

由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前的電纜絕緣外層的存在較多氧化基團(tuán)，這是由于該電纜在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)，在較低的溫度場(chǎng)的作用下，靠近導(dǎo)體絕緣內(nèi)部的交聯(lián)副產(chǎn)物中乙酰苯會(huì)從溫度較高處向絕緣外部遷移，由于絕緣外層不能在熱的作用下充分揮發(fā)，導(dǎo)致大量CO基團(tuán)積聚；電纜絕緣內(nèi)層雖然殘留的交聯(lián)副產(chǎn)物較少，但由于電纜實(shí)際運(yùn)行32 a，絕緣發(fā)生一定的熱氧老化，導(dǎo)致氧化基團(tuán)增多；由于熱的作用使電纜內(nèi)部雜質(zhì)減少，同時(shí)受到的熱氧老化作用不明顯，因此絕緣中層的氧化基團(tuán)較少。

由圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后的電纜絕緣外層的氧化基團(tuán)減少，而絕緣中層和內(nèi)層的氧化基團(tuán)有所上升，且內(nèi)層的變化幅度更大，這是由于絕緣內(nèi)層在試驗(yàn)過(guò)程中受到明顯的電場(chǎng)作用，加之溫度驟變，加快熱氧化降解的過(guò)程；在等效的試驗(yàn)條件下，絕緣中層在電和熱作用下也出現(xiàn)一定的絕緣氧化降解；試驗(yàn)較高的溫度使內(nèi)部雜質(zhì)得以揮發(fā)，絕緣外層氧化基團(tuán)含量隨之下降。

表3為FTIR實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的各個(gè)試樣羰基指數(shù)和不飽和基指數(shù)，其中，羰基指數(shù)I1 741/1 471為波長(zhǎng)1 741 cm-1下吸收峰數(shù)值與波長(zhǎng)1 471 cm-1的比值；不飽和基指數(shù)I1 635/1 471為波長(zhǎng)1 635 cm-1下吸收峰數(shù)值與波長(zhǎng)1 471 cm-1的比值。加速老化試驗(yàn)前的絕緣內(nèi)層和外層存在大量的游離基團(tuán)，前者主要由氧化降解造成，后者主要由大量交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)造成。加速老化試驗(yàn)后，絕緣內(nèi)層在高強(qiáng)度的溫度和電場(chǎng)效應(yīng)下加劇大分子鏈的斷鏈過(guò)程，形成更多的支鏈和自由基，使得羰基指數(shù)和不飽和基指數(shù)上升；絕緣外層在適宜的溫度循環(huán)下可揮發(fā)雜質(zhì)減少，同時(shí)沒(méi)有對(duì)主鏈造成太大破壞，羰基指數(shù)和不飽和基指數(shù)下降；絕緣中層在長(zhǎng)期的試驗(yàn)條件下也出現(xiàn)一定的氧化降解。

表3 羰基指數(shù)和不飽和基指數(shù)Table 3 Carbonyl index and unsaturated band index

2.2 DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4(a)和(b)分別為各個(gè)試樣的升溫階段和降溫階段的熱流曲線，用于分析不同等效加速老化試驗(yàn)條件下各試樣的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)和重結(jié)晶能力。計(jì)算得到的具體相關(guān)熱參數(shù)見(jiàn)表4，其中，Tm為吸熱峰峰值；ΔHf為熔融焓；Tc為放熱峰峰值；ΔT=Tm-Tc為過(guò)冷度，與結(jié)晶速率成反比[14]。

圖4 加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層DSC譜圖Fig.4 DSC spectrum of each layer before and after the accelerated aging test

表4 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各層DSC參數(shù)Table 4 DSC parameters of each layer before and after the accelerated aging test

由圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，加速老化試驗(yàn)前絕緣內(nèi)層和外層的熔程相比于絕緣中層較寬，次級(jí)結(jié)晶較為明顯，前者是由長(zhǎng)期的熱氧老化導(dǎo)致大分子鏈斷裂形成小分子鏈造成，后者是由大量交聯(lián)副產(chǎn)物導(dǎo)致大量游離支鏈的存在造成。在加速老化試驗(yàn)后，高溫和高場(chǎng)強(qiáng)的共同作用使得電纜絕緣內(nèi)層的熱流曲線較試驗(yàn)前整體向低溫漂移，同時(shí)熔程變得更寬；絕緣中層熱流曲線較試驗(yàn)前雖然熔程有所變寬，但整體向高溫方向漂移，主結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)完善；而絕緣外層由于試驗(yàn)過(guò)程的熱作用使得內(nèi)部可揮發(fā)雜質(zhì)減少的同時(shí)，在熱刺激下加快結(jié)晶成核的過(guò)程，熱流曲線較試驗(yàn)前整體向高溫漂移，同時(shí)主熔融峰的熔程變得更窄，晶體結(jié)構(gòu)得以改善。

圖4(b)中各個(gè)試樣從完全熔融的無(wú)定型態(tài)重新結(jié)晶，可以發(fā)現(xiàn)加速老化試驗(yàn)后的各個(gè)試樣均向高溫漂移，表明試驗(yàn)后絕緣各層結(jié)晶更加容易。另外，過(guò)冷度ΔT表征結(jié)晶速率，過(guò)冷度越低，結(jié)晶速率越快。對(duì)比參數(shù)可知加速老化試驗(yàn)后的絕緣內(nèi)層和中層的結(jié)晶速率均加快，前者由于絕緣中大分子鏈分解成較多的小分子鏈?zhǔn)沟媒Y(jié)晶過(guò)程更加容易，結(jié)晶速率加快；后者由于熱刺激作用促進(jìn)結(jié)晶過(guò)程。而絕緣外層由于雜質(zhì)減少，使得次級(jí)結(jié)晶體減少，因此結(jié)晶過(guò)程變得緩慢。

結(jié)晶度和主熔融峰晶片厚度可分別根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算得出[15]：

(2)

Tm+273.15=(Tm0+273.15)[1-2σe/(ΔHmL)]

(3)

表5 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各層DSC參數(shù)結(jié)晶度和晶片厚度Table 5 Crystallinity and lamellar thickness

由表5可以發(fā)現(xiàn)，絕緣內(nèi)層在加速老化試驗(yàn)后雖然結(jié)晶度有所上升，但主熔融峰的晶片層厚度變薄，表明試驗(yàn)后絕緣中形成較多不完善的次級(jí)結(jié)晶，這可能是絕緣中的小分子鏈、支鏈等在降低溫度下形成的微晶體，晶體與晶體間的聯(lián)系不強(qiáng)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得相對(duì)渙散。對(duì)于絕緣中層而言，加速試驗(yàn)后絕緣的結(jié)晶度稍微發(fā)生下降，主熔融峰的片晶層厚度變厚現(xiàn)象揭示了主區(qū)域占比的增大，次級(jí)結(jié)晶區(qū)域的減少使晶態(tài)結(jié)構(gòu)較為緊密均一。對(duì)于絕緣外層而言，試驗(yàn)后絕緣結(jié)晶度的大幅上升和主熔融峰晶片層厚度的加厚體現(xiàn)了主結(jié)晶區(qū)域的擴(kuò)大和晶態(tài)結(jié)構(gòu)的改善。

2.3 TG實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5和表6分別為加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層TG和微商熱重(DTG)譜圖以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。表6中，初始失重溫度T0表征材料中的次級(jí)或不完善的晶體結(jié)構(gòu)最先發(fā)生熔融失重的部分；T50%為失重50%時(shí)的溫度，表征材料在失重50%時(shí)對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)的分解溫度；DTG峰值TP表征試樣的最大反應(yīng)速率溫度，即試樣失重程度最大、反應(yīng)最劇烈的溫度。

圖5 加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層TG和DTG譜圖Fig.5 TG and DTG spectra of each layer before and after the accelerated aging test

表6 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各層TG和DTG參數(shù)Table 6 TG and DTG parameters of each layer before and after the accelerated aging test ℃

加速老化試驗(yàn)前，電纜絕緣從內(nèi)層至外層的初始失重溫度T0呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，表明絕緣內(nèi)層和中層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)完善，絕緣外層由于交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)的存在，次級(jí)結(jié)晶較多，最先發(fā)生熔融；從T50%和TP的比較中發(fā)現(xiàn)絕緣中層的主結(jié)晶結(jié)構(gòu)最好，外層最差。加速老化試驗(yàn)后，由表6可知，在等效的試驗(yàn)條件下，絕緣中層和外層參數(shù)T0和TP都出現(xiàn)了明顯上升，表明該試樣在適宜的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)下，熱刺激作用可改善結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)絕緣的熱穩(wěn)定性；但在高強(qiáng)度電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的等效試驗(yàn)條件下，絕緣內(nèi)層厚實(shí)結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為薄結(jié)晶片。

2.4 XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6為加速老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各層的XRD光譜圖。可以看出，每個(gè)試樣的結(jié)晶吸收峰主要出現(xiàn)在2θ=21.22°和2θ=23.63°，分別對(duì)應(yīng)(110)和(200)晶格面。XRD光譜圖中，吸收峰的位置和整體曲線的分散度在試驗(yàn)前后并未出現(xiàn)明顯偏移，但吸收峰的強(qiáng)度和形狀存在一定差異。這表明加速老化試驗(yàn)的過(guò)程中各試樣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何新的結(jié)晶相，但各個(gè)試樣的結(jié)晶度和晶粒尺寸會(huì)發(fā)生變化。

圖6 加速老化試驗(yàn)前后的電纜絕緣各層X(jué)RD譜圖Fig.6 XRD spectrum of each layer before and after the accelerated aging test

結(jié)晶度可以通過(guò)Hinrichsen方法[17]計(jì)算得到，即對(duì)各個(gè)試樣的XRD光譜通過(guò)高斯函數(shù)進(jìn)行分峰擬合。圖7為使用軟件Origin 9.1獲得的相應(yīng)的3個(gè)高斯擬合峰。

圖7 Hinrichsen方法結(jié)晶峰和無(wú)定形峰的高斯擬合Fig.7 Gaussian fitting of the crystalline peaks and the amorphous halo by Hinrichsen method

結(jié)晶度的具體計(jì)算過(guò)程如下：

χ=(S2+S3)/(S1+S2+S3)×100%

(4)

式中：S1為無(wú)定型區(qū)域的面積；S2為在2θ=21.22°處的主結(jié)晶峰的面積；S3為在2θ=23.63°處的次級(jí)結(jié)晶峰的面積。

另外，對(duì)應(yīng)于不同晶體層的不同衍射峰的晶粒尺寸可以通過(guò)Scherrer方程[17]計(jì)算，計(jì)算方法如式(5)所示。

Dhkl=Kλ/(βcosθ)

(5)

式中：Dhkl為垂直于(hkl)晶面方向的粒尺寸；λ為X射線波長(zhǎng)，此處實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)為0.154 nm；β為由于晶粒細(xì)化引起的衍射峰(hkl)的寬化，又稱本征增寬度，此處采用強(qiáng)度分布曲線最大峰值高度一半處的寬度；K為一常數(shù)，若β為衍射峰的半高寬，K取0.89。

通過(guò)式(4)和式(5)可得XRD實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，如表7所示。

表7 XRD實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 7 Parameters obtained from each XRD spectrum

可以發(fā)現(xiàn)，加速老化試驗(yàn)前電纜絕緣內(nèi)層具有較高的結(jié)晶度且主結(jié)晶和次級(jí)結(jié)晶的晶粒尺寸較小，表明絕緣中的晶體結(jié)構(gòu)之間較為緊密且分布較為均勻；在加速老化試驗(yàn)后，結(jié)晶度下降的同時(shí)主結(jié)晶和次級(jí)結(jié)晶的晶粒尺寸變大，使得絕緣中的晶態(tài)結(jié)構(gòu)分散性擴(kuò)大，結(jié)晶間距增大，結(jié)晶形態(tài)出現(xiàn)稍微的劣化。對(duì)于絕緣中層和外層而言，在等效的試驗(yàn)條件作用后，雖然結(jié)晶度有所下降，但主結(jié)晶峰的晶粒尺寸基本沒(méi)有變化且次級(jí)結(jié)晶的晶粒尺寸發(fā)生下降，這表明加速老化試驗(yàn)后形成的次級(jí)結(jié)晶得到改善，結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密均勻，從一定程度上降低了電樹枝發(fā)生的可能性[19]。

3 分析與討論

XLPE介質(zhì)是晶相與無(wú)定型相共存的高分子聚合物，由于介質(zhì)內(nèi)分子鏈段間的相互作用，表現(xiàn)出塑性。在不同溫度下，鏈段之間在外力作用下的相互作用會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而體現(xiàn)出可逆形變的塑性彈性體以及不可逆形變的塑性粘流態(tài)。另外，由于絕緣介質(zhì)中存在大量的局域態(tài)，在交變電場(chǎng)下，載流子在傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)被“陷阱”捕獲，形成的空間電荷在積累過(guò)程中使局部電場(chǎng)畸變，加速聚合物基團(tuán)斷裂。因此，研究不同電場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)于實(shí)際運(yùn)行超過(guò)30 a的電纜絕緣各層微觀和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。

3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

XLPE絕緣主要由C—H鍵長(zhǎng)鏈組成，但由于絕緣本身不可避免存在交聯(lián)副產(chǎn)物和抗氧化劑等雜質(zhì)，從而引入大量游離自由基團(tuán)。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，熱會(huì)使得XLPE中大分子鏈斷裂而引起氧化降解，同時(shí)還會(huì)使絕緣內(nèi)可揮發(fā)雜質(zhì)減少，所以溫度效應(yīng)具有兩面性[8]。加速老化試驗(yàn)前的絕緣內(nèi)層和外層存在大量的游離基團(tuán)，前者主要由氧化降解造成，后者主要由大量交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)造成。加速老化試驗(yàn)后，絕緣內(nèi)層由于在高強(qiáng)度的溫度(90～95 ℃)和電場(chǎng)效應(yīng)(1.7U0)下大分子鏈的斷鏈過(guò)程占主導(dǎo)作用，使得小分子鏈和自由基的數(shù)量增多，絕緣的微觀結(jié)構(gòu)劣化明顯；絕緣外層由于在適宜的電熱循環(huán)下(0.72U0和50～55 ℃)，XLPE主鏈沒(méi)有遭到造成太大的破壞。此外，在溫度效應(yīng)和電場(chǎng)效應(yīng)作用下，絕緣中可揮發(fā)雜質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生減少，絕緣的微觀結(jié)構(gòu)得到一定的改善；絕緣中層在長(zhǎng)期的試驗(yàn)條件下(1.01U0和70～75 ℃)，微觀結(jié)構(gòu)下的XLPE分子鏈出現(xiàn)了輕微的破壞，出現(xiàn)少量的氧化基團(tuán)和游離基團(tuán)。

3.2 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析

XLPE絕緣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)由晶態(tài)結(jié)構(gòu)和無(wú)定型態(tài)結(jié)構(gòu)組成。晶區(qū)與無(wú)定型區(qū)的電阻率和介電常數(shù)存在較大差異，使得XLPE網(wǎng)狀無(wú)定型區(qū)域成為電樹枝優(yōu)先發(fā)展的通道[18]。因此，絕緣中晶體結(jié)構(gòu)的好壞直接決定絕緣的外特性，而溫度變化對(duì)絕緣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化起決定性作用。

電纜絕緣內(nèi)層在長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生一定的熱氧老化，部分大分子鏈轉(zhuǎn)化為小分子鏈，由于實(shí)際運(yùn)行電纜過(guò)程中導(dǎo)體溫度較低，絕緣內(nèi)層受到熱刺激更加明顯，晶片厚度較厚。在加速老化試驗(yàn)后，高強(qiáng)度90～95 ℃的溫度場(chǎng)作用加速大分子鏈的斷裂，絕緣中出現(xiàn)更多薄弱環(huán)節(jié)，在交聯(lián)度下降的同時(shí)，在冷卻過(guò)程中斷裂的分子鏈和自由基更加傾向形成次級(jí)結(jié)晶，結(jié)晶度上升，但由于所形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)不完善，晶片厚度降低且晶粒尺寸變大。

電纜絕緣中層在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中在電和熱相對(duì)適宜條件下，大分子鏈相對(duì)完整和規(guī)整，并且內(nèi)部殘存的雜質(zhì)較少，所以晶體結(jié)構(gòu)完善。在加速老化試驗(yàn)后，雖然在熱的作用發(fā)生一定的熱氧老化，極性基團(tuán)有所增加，但溫度效應(yīng)起到的積極作用更大，在70～75 ℃的熱循環(huán)作用下促進(jìn)絕緣結(jié)晶的成核和生長(zhǎng)過(guò)程，所形成晶體的晶片厚度較試驗(yàn)前更厚，由DSC熱流曲線和TG曲線也可以發(fā)現(xiàn)絕緣中層的主結(jié)晶和次級(jí)結(jié)晶得以改善。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電纜絕緣外層在熱擴(kuò)散和交變電場(chǎng)遷移的作用下積聚大量的雜質(zhì)，由于長(zhǎng)期處于低溫狀態(tài)無(wú)法完全消除，所以存在大量氧化極性基團(tuán)，長(zhǎng)期的低溫狀況使分子鏈無(wú)法充分運(yùn)動(dòng)從而排入晶格，同時(shí)過(guò)多的雜質(zhì)使絕緣內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)處于渙散的狀態(tài)。在加速老化試驗(yàn)后，長(zhǎng)期的50～55 ℃熱循環(huán)作用使絕緣中的可揮發(fā)雜質(zhì)減少，從FTIR譜圖中可以發(fā)現(xiàn)含氧基團(tuán)和不飽和基團(tuán)極大減少，在熱刺激的作用下使絕緣中的晶體結(jié)構(gòu)得到改善，體現(xiàn)為結(jié)晶度的提高和晶片厚度的增大。

4 結(jié)論

文中對(duì)運(yùn)行超過(guò)30 a電纜的進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)180 d預(yù)鑒定試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)的條件逆向推導(dǎo)出電纜絕緣內(nèi)層、中層和外層等效的電壓等級(jí)和熱循環(huán)溫度幅值，通過(guò)相關(guān)的理化實(shí)驗(yàn)分析比較加速老化試驗(yàn)前后各絕緣層微觀結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，從而有效綜合評(píng)價(jià)該電纜絕緣狀況，得出以下結(jié)論。

(1)電纜絕緣內(nèi)層在1.70U0和90～95 ℃加速老化條件下，熱氧老化加劇，大分子鏈遭到一定破壞后，絕緣內(nèi)部產(chǎn)生更多次級(jí)結(jié)晶；

(2)電纜絕緣中層在1.01U0和70～75 ℃加速老化運(yùn)行條件下，絕緣雖然發(fā)生一定的氧化降解，但絕緣中晶體結(jié)構(gòu)仍有所改善；

(3)電纜絕緣外層在0.72U0和50～55 ℃加速老化試驗(yàn)后，由于溫度效應(yīng)起到的積極作用大于電熱老化的作用，絕緣中可揮發(fā)雜質(zhì)減少的同時(shí)促進(jìn)了結(jié)晶的過(guò)程，晶體結(jié)構(gòu)完善。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測(cè)，對(duì)于現(xiàn)有大量達(dá)到設(shè)計(jì)壽命年限高壓交聯(lián)電纜，在長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的劣化程度并不明顯，仍具有較高耐熱和耐電的能力，可以長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行。

本文得到廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJXM20172797)資助，謹(jǐn)此致謝！