高壓電纜附件絕緣理化性能與電氣特性研究

謝 坤，張 偉，張 杰，李鴻澤，柏 倉(cāng)，張傳升，任成燕，邵 濤

(1.太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.等離子體科學(xué)和能源轉(zhuǎn)化北京市國(guó)際科技合作基地，中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；4.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024；5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

電纜中間接頭和終端等附件在電纜線路中起著承接和過(guò)渡的作用，是電纜系統(tǒng)的重要組成部分。電纜附件和本體的設(shè)計(jì)壽命相同，但附件容易因施工不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，造成氣隙和劃痕等缺陷，發(fā)生局部放電現(xiàn)象。此外由于電纜系統(tǒng)連接處使用環(huán)境惡劣[1]，電纜附件易在電、熱和氧氣等因素作用下相互促進(jìn)老化，導(dǎo)致附件絕緣性能劣化直至失效。在對(duì)231起故障案例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不計(jì)外力破壞時(shí)，電纜附件故障率高達(dá)85.5%[2]。研究退運(yùn)電纜附件絕緣的電氣特性和理化性能變化，對(duì)保障電纜系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要工程實(shí)踐意義。

電纜附件常用材料為硅橡膠(SIlicone Rubber, SIR)和三元乙丙橡膠(Ethylene Propylene-Diene Monome, EPDM)[3]，由于熱阻較大，長(zhǎng)期局部放電造成的熱氧老化會(huì)破壞絕緣材料的晶體結(jié)構(gòu)。周遠(yuǎn)翔等人[4]研究了高溫對(duì)電纜附件絕緣SIR性能的影響，發(fā)現(xiàn)在90 ℃以下時(shí)，熱老化會(huì)導(dǎo)致SIR交聯(lián)度下降，結(jié)晶度明顯降低；詹威鵬等人[5]對(duì)交聯(lián)聚乙烯進(jìn)行了加速熱氧老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在重結(jié)晶期由于抗氧化劑的抑制作用，絕緣晶體結(jié)構(gòu)破壞少，重結(jié)晶反應(yīng)導(dǎo)致絕緣結(jié)晶度小幅上升，電荷輸運(yùn)變難；李歡等人[6]也指出交聯(lián)聚乙烯的熱老化在物理老化階段重結(jié)晶使晶體變完善，而化學(xué)老化階段溫升至160 ℃時(shí)才會(huì)對(duì)結(jié)晶區(qū)造成嚴(yán)重破壞；白龍雷等人[7]研究了低溫條件下乙丙橡膠(Ethylene Propylene Rubber，EPR)局部放電特性及材料性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)EPR玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃，在-40～20 ℃區(qū)間內(nèi)試樣分子鏈段結(jié)晶較少，材料表現(xiàn)為高彈態(tài)。

電纜附件絕緣受電應(yīng)力和熱應(yīng)力影響，其電氣性能會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸下降。周凱等人[8]指出退運(yùn)電纜絕緣內(nèi)部存在“界面效應(yīng)”，絕緣內(nèi)側(cè)由于承受電場(chǎng)強(qiáng)度更高，分子斷裂氧化情況更嚴(yán)重，電導(dǎo)率和介電常數(shù)更大，老化程度比絕緣外側(cè)更深；陳杰等人[9]研究了退役電纜附件的理化性能，認(rèn)為EPDM中出現(xiàn)C-O-C和SIR分子鏈上有機(jī)基團(tuán)減少是附件絕緣老化的標(biāo)志，且老化嚴(yán)重的附件介電性能明顯劣化；邵光磊等人[10]發(fā)現(xiàn)電熱聯(lián)合作用導(dǎo)致SiO2填料與SIR分子鏈間作用力減弱，造成電荷積聚和絕緣擊穿強(qiáng)度下降。

電纜附件由于材料介電特性差異，電場(chǎng)分布不均勻[11]，界面處易積聚空間電荷，誘發(fā)局部放電。何東欣等人[12]研究了電熱老化對(duì)附件應(yīng)力錐處電荷積聚的影響，發(fā)現(xiàn)電荷密度隨老化時(shí)間變長(zhǎng)而增加，并認(rèn)為空間電荷從外側(cè)遷移至應(yīng)力錐處是電荷積聚的來(lái)源，交聯(lián)產(chǎn)物是正電荷遷移率較高的主要原因；李盛濤等人[13]研究發(fā)現(xiàn)聚合物內(nèi)適量的納米顆?？稍黾悠渖钕葳迕芏群湍芗?jí)，抑制空間電荷積累，進(jìn)而增強(qiáng)其介電性能；閆群民等人[14]研究了不同溫度熱老化下絕緣表面陷阱參數(shù)，認(rèn)為淺陷阱密度增加來(lái)源于羰基(C=O)等老化產(chǎn)物，深陷阱的下降源于熱老化對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，附件絕緣的老化形式和人工加速老化有較大區(qū)別。本文以退役110 kV電纜附件為研究對(duì)象，對(duì)SIR和EPDM試樣的材料特性、熱學(xué)及介電性能和陷阱特性進(jìn)行測(cè)試，綜合分析運(yùn)行過(guò)程中其熱學(xué)性能和電氣特性的變化，有助于現(xiàn)役電纜的老化狀態(tài)評(píng)估和故障診斷。

2 樣本及實(shí)驗(yàn)

2.1 附件樣品信息

實(shí)驗(yàn)選用了6種不同線路的電纜附件，電纜電壓等級(jí)均為110 kV。所有附件絕緣經(jīng)切片機(jī)裁成厚度約1 mm的樣品，長(zhǎng)寬尺寸為：40 mm×40 mm，用無(wú)水乙醇擦洗表面后，在干燥箱中靜置24 h。將6種試樣分別編號(hào)為S1～S4和E1～E2，其中S1～S4為SIR，E1～E2為EPDM，S4試樣來(lái)自中間接頭，其余樣品均取自電纜終端。樣品基本信息見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

材料特性測(cè)試：傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)測(cè)試采用Nicolet iS50型號(hào)紅外光譜儀，分辨率2 cm-1，掃描波數(shù)段400～4 000 cm-1；X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)測(cè)試所用設(shè)備型號(hào)為D8 ADVANCE，衍射角10°～90°，掃描速率為0.2°/s。

熱學(xué)性能測(cè)試：差示掃描量熱測(cè)試(Differential Scanning Calorimetry，DSC)采用METTLER TOLEDO公司的DSC 3分析儀，測(cè)試溫度范圍為-80～20 ℃，升溫速率為10 ℃/min，N2流速20 mL/min。

介電性能測(cè)試：相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗測(cè)試使用Agilent 4935A阻抗分析儀，頻率范圍為100 kHz～500 MHz；擊穿性能測(cè)試采用全自動(dòng)油介電強(qiáng)度測(cè)試儀，電壓范圍為0～80 kV，升壓速率為2 kV/s，放電時(shí)間間隔1 min，實(shí)驗(yàn)在油杯中進(jìn)行；體積電阻率測(cè)試采用三電極法，測(cè)試電壓500 V，記錄儀器為Keithley 6517B型高阻計(jì)。

表面電位衰減測(cè)試：測(cè)試設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室自建的表面電位測(cè)試系統(tǒng)[15]，溫度為(25±2)℃，相對(duì)濕度(40±5)%。試樣在-3 kV直流電壓下電暈充電1 min，之后迅速移至Kelvin探頭(Trek-6000B)下，探頭距試樣上表面2 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 FTIR及XRD測(cè)試

紅外光譜可以獲取分子所含化學(xué)鍵和官能團(tuán)的信息，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的主要手段[16]。附件絕緣材料在運(yùn)行后的分子變化可通過(guò)FTIR譜圖特征峰值反映。SIR主要成分是聚二甲基硅氧烷(PolyDiMethylSiloxane，PDMS)，其主鏈為Si-O-Si結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈為Si-CH3結(jié)構(gòu)[17]。圖1所示SIR樣品的FTIR譜圖上，795 cm-1處的單峰對(duì)應(yīng)Si-O-Si對(duì)稱伸縮振動(dòng)，是無(wú)定形SiO2的特征峰；PDMS分子中Si-O-Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)的譜帶分別對(duì)應(yīng)1 008 cm-1和1 076 cm-1處的吸收峰；側(cè)鏈Si-CH3基團(tuán)的吸收峰位于1 260 cm-1，而2 960 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)CH3中C-H鍵的伸縮振動(dòng)。觀察試樣有機(jī)硅特征峰的吸光度可知，經(jīng)歷了擊穿事故的S1試樣主鏈Si-O-Si和側(cè)鏈Si-CH3的吸收峰下降明顯，可知放電事故導(dǎo)致其分子主鏈和側(cè)鏈斷裂情況比較嚴(yán)重。在1 413 cm-1和2 900 cm-1處出現(xiàn)了較弱的吸收峰，這是亞甲基(CH2)的特征峰，是SIR分子側(cè)鏈?zhǔn)艿狡茐臄嗔研纬傻?，運(yùn)行年限較長(zhǎng)的S3和S4試樣CH2峰形更明顯。

圖1 電纜附件絕緣試樣的FTIR譜圖

在EPDM樣品的FTIR譜圖上，1 463 cm-1和1 377 cm-1對(duì)應(yīng)CH3的不對(duì)稱變角振動(dòng)和對(duì)稱變角振動(dòng)，這是EPDM最具代表性的特征峰；2 916 cm-1和2 848 cm-1處吸收峰和CH2的伸縮振動(dòng)有關(guān)。觀察可知，E1試樣在1 000～1 500 cm-1范圍內(nèi)的代表峰值都低于E2，這和E1試樣11年運(yùn)行中發(fā)生的整體老化有關(guān)。E2試樣的附件只運(yùn)行了2年，但在1 700 cm-1處出現(xiàn)了反應(yīng)熱氧老化的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，這和E2應(yīng)力錐燒蝕嚴(yán)重，末端半導(dǎo)電部位大面積炭化的現(xiàn)象相符合。3 600～3 700 cm-1范圍里出現(xiàn)了尖銳的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰，和有機(jī)物分子中或分子間氫鍵的空間位阻有關(guān)。特別地，E2試樣在1 000～1 100 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)了Si-O特征峰，結(jié)合E2附件的燒蝕事故，猜測(cè)和其運(yùn)行中填充的硅油及經(jīng)歷的放電事故有關(guān)，長(zhǎng)期電熱老化將硅油中Si-C結(jié)構(gòu)打開并進(jìn)一步將含Si基團(tuán)引入了EPDM分子鏈中。文獻(xiàn)[18]在退役EPDM電纜附件研究中也觀察到相似結(jié)果。

電纜附件絕緣的XRD譜圖如圖2所示，SIR試樣在12°處出現(xiàn)硅氧烷的特征峰，其余測(cè)量范圍內(nèi)均沒(méi)有特征峰出現(xiàn)，表明SIR樣品以無(wú)定型態(tài)為主。SIR作為非晶態(tài)高分子聚合物，12°處衍射峰強(qiáng)度基本反映了樣品中硅氧烷的含量。S2試樣幾乎看不到硅氧烷衍射峰，說(shuō)明運(yùn)行過(guò)程中試樣表面有機(jī)成分減少，無(wú)機(jī)成分相應(yīng)增多[19]。EPDM試樣的XRD譜圖上出現(xiàn)了一系列特征峰，說(shuō)明EPDM試樣晶型良好。通過(guò)MDI Jade6軟件對(duì)其譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)20°附近出現(xiàn)EPDM分子的特征峰，26°、35°附近的衍射峰分別和結(jié)晶SiO2及填料Al2O3有關(guān)，50°～70°之間的系列衍射峰主要是EPDM熱氧老化產(chǎn)物、填料中的硅酸鹽以及老化產(chǎn)生的碳基物質(zhì)引起的。對(duì)比EPDM的XRD譜圖可知，經(jīng)歷了放電擊穿事故的E2試樣在20°附近出現(xiàn)新衍射峰，且部分衍射峰也發(fā)生了一定角度的偏移，推測(cè)是放電事故引起的電熱作用導(dǎo)致E2分子鏈斷裂，生成了小分子物質(zhì)，移動(dòng)性變強(qiáng)，小分子之間發(fā)生重結(jié)晶反應(yīng)，導(dǎo)致材料晶型改變，衍射峰位置偏移。

圖2 電纜附件絕緣的XRD譜圖

3.2 熱學(xué)性能測(cè)試

SIR和EPDM為橡膠材料，一般工作在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，對(duì)應(yīng)材料的高彈態(tài)。DSC測(cè)試可以分析運(yùn)行老化對(duì)附件絕緣材料結(jié)晶特性的影響，通過(guò)熔點(diǎn)、融程及計(jì)算所得結(jié)晶度等熱學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步判斷運(yùn)行中附件絕緣的材料結(jié)構(gòu)變化。

在圖3所示的附件絕緣試樣的熱流曲線中，SIR試樣在升溫過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的熔融峰，S1、S3和S4試樣的熔點(diǎn)較低，均在-43 ℃附近，故其結(jié)晶所需溫度更低，結(jié)晶難度更大。其中S3和S4試樣的運(yùn)行年限較長(zhǎng)，整體劣化程度較深，而S1試樣雖然運(yùn)行年限較短，但嚴(yán)重的放電事故導(dǎo)致其硅氧烷分子結(jié)構(gòu)被破壞，影響了PDMS分子的規(guī)整度，對(duì)其低溫結(jié)晶過(guò)程有一定的抑制作用[20]。S2試樣的熔點(diǎn)溫度略高，由XRD結(jié)果知S2絕緣材料內(nèi)SiO2含量比例較高，SiO2填料增加了S2試樣內(nèi)的物理交聯(lián)點(diǎn)，導(dǎo)致分子鏈柔性比其余SIR試樣更低，故結(jié)晶性能更好。E1和E2試樣的熱流曲線相似，在升溫過(guò)程中都沒(méi)有出現(xiàn)熔融峰，但分別在-50.8 ℃和-49.8 ℃出現(xiàn)了輕微的玻璃化轉(zhuǎn)變，降溫過(guò)程中沒(méi)有結(jié)晶峰出現(xiàn)，表明EPDM材料在較大溫度范圍內(nèi)彈性良好。

圖3 電纜附件絕緣試樣的DSC曲線

根據(jù)圖3(a)所示的DSC測(cè)試結(jié)果，采用式(1)計(jì)算SIR絕緣試樣的結(jié)晶度和熔融熱：

(1)

式中，Dcr為結(jié)晶度；ΔHfs為試樣的熔融熱；ΔH100為SIR試樣結(jié)晶度100%時(shí)的熔融熱，其值為37.4 J/g[4]。S1～S4試樣的結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，S1、S3和S4試樣的熔點(diǎn)溫度Tc變化不大，結(jié)晶度也都低于運(yùn)行年限最短的S2試樣。在SIR試樣中，S1試樣經(jīng)歷過(guò)擊穿事故，S3和S4試樣則運(yùn)行年限最長(zhǎng)，三種絕緣試樣內(nèi)部熱氧老化程度更深，聚合物的大分子鏈斷裂情況也更嚴(yán)重，而破壞后生成的小分子鏈以及小晶體在熔融過(guò)程所需能量更小，因此表現(xiàn)為絕緣的熔點(diǎn)溫度下降。

表2 硅橡膠絕緣試樣的結(jié)晶度

3.3 介電性能測(cè)試

介電常數(shù)和介質(zhì)損耗是絕緣材料的基本介電參數(shù)，直接影響絕緣運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)分布[21]。附件絕緣的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗頻譜如圖4所示，當(dāng)頻率升高時(shí)，偶極子極化和夾層極化過(guò)程來(lái)不及完成[22]，所有樣品的介電常數(shù)都隨著頻率增加而變小。絕緣試樣的介損隨頻率的增加整體上升，且6個(gè)試樣之間的介損差值不顯著。

圖4 電纜附件絕緣的介電頻譜

E2試樣的介電常數(shù)最大，這和E2試樣的附件經(jīng)歷的擊穿事故有關(guān)，放電事故引入了C=O和-OH等強(qiáng)極性基團(tuán)，分子極性增強(qiáng)，導(dǎo)致其在電場(chǎng)作用下極化能力變強(qiáng)，介電常數(shù)增幅較大，這和FTIR及XRD結(jié)果相對(duì)應(yīng)。投運(yùn)1年的S2試樣介電常數(shù)和投運(yùn)11年的E1試樣接近，猜測(cè)這和試樣內(nèi)填充較多的SiO2顆粒有關(guān)，XRD譜圖中可知S2內(nèi)無(wú)機(jī)成分變多，納米填充物比例上升引入了更多偶極基團(tuán)[23]，使得偶極極化增強(qiáng)，故其介電常數(shù)略高。特別地，S3和S4運(yùn)行年限都是7年，但S4試樣取自中間接頭，介電常數(shù)遠(yuǎn)大于其余電纜終端樣品，這與中間接頭在銜接、過(guò)渡作用中長(zhǎng)期受到徑向機(jī)械應(yīng)力有關(guān)[24]。由于運(yùn)行中長(zhǎng)期過(guò)盈配合的要求，中間接頭要比電纜終端承受更大的機(jī)械應(yīng)力[9]，電熱力聯(lián)合作用下材料內(nèi)部產(chǎn)生新的缺陷，極化能力增強(qiáng)。

擊穿場(chǎng)強(qiáng)是衡量電纜附件絕緣運(yùn)行可靠性的主要標(biāo)準(zhǔn)[25]。各附件絕緣試樣在工頻下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)如圖5所示。SIR絕緣體內(nèi)無(wú)晶相，橡膠分子鏈在非晶相中無(wú)規(guī)則排列，電荷輸運(yùn)相對(duì)容易。S1和S2試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比較接近，均在24 kV/mm左右，運(yùn)行年限較久的S3和S4試樣約為20 kV/mm，S4略高于S3試樣。EPDM試樣的擊穿性能整體優(yōu)于SIR試樣，結(jié)合圖2知EPDM試樣晶型良好，相比于無(wú)晶相的SIR試樣，其絕緣內(nèi)載流子遷移通道形成難度更大。E2試樣經(jīng)歷了擊穿事故，分子結(jié)構(gòu)破壞，但小分子物質(zhì)出現(xiàn)重結(jié)晶現(xiàn)象，絕緣內(nèi)部分無(wú)定型區(qū)向結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化[6]，晶體中分子鏈趨于規(guī)則排列，電荷輸運(yùn)變難，故擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高。

圖5 電纜附件絕緣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)

體積電阻率直接影響絕緣內(nèi)部的電場(chǎng)分布和擊穿性能。在表3所示的體積電阻率結(jié)果中，各試樣均滿足GB/T11017.3—2002對(duì)橡膠料體積電阻率不小于1015Ω·cm的要求。SIR的體積電阻率整體小于EPDM，這和兩種絕緣自身不同的晶相結(jié)構(gòu)等材料性質(zhì)有關(guān)。SIR和EPDM電纜附件的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和體積電阻率有較好的一致性，運(yùn)行年限越長(zhǎng)，絕緣分子結(jié)構(gòu)破壞程度加深，電阻率越低，但重結(jié)晶反應(yīng)對(duì)絕緣試樣的體積電阻率有提升作用。運(yùn)行年限相同時(shí)，取自中間接頭的S4試樣體積電阻率略高于取自電纜終端的S3試樣。

表3 附件絕緣試樣的體積電阻率

3.4 陷阱分布特性測(cè)試

陷阱密度與能級(jí)分別和陷阱數(shù)量與能量勢(shì)壘相關(guān)，是表征絕緣中空間電荷積聚的常用參數(shù)[26]。采用電暈放電方式對(duì)附件絕緣表面充電，然后通過(guò)測(cè)量表面電位隨時(shí)間變化情況分析絕緣表面電荷運(yùn)輸特性和陷阱分布特性。附件絕緣的表面電位衰減曲線如圖6(a)所示。EPDM試樣在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)都處于緩慢下降階段，SIR試樣的表面電位衰減則有快速和緩慢衰減兩個(gè)階段。經(jīng)歷了放電事故E2試樣的衰減最慢，只投運(yùn)了1年的S2試樣在快速衰減階段下降速度最快。從10 000 s內(nèi)的衰減幅度看，EPDM的衰減率遠(yuǎn)低于SIR，E2的衰減率僅為15%，E1在經(jīng)歷了初始的快速下降階段后整體衰減率約為25%，兩種絕緣表面電位衰減的差異和其材料結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖6 電纜附件絕緣的電位衰減與陷阱參數(shù)

基于等溫表面電位衰減(Isothermal Surface Potential Decay，ISPD)模型，結(jié)合雙陷阱假設(shè)對(duì)表面電位衰減曲線擬合計(jì)算[26]，得到如圖6(b)所示的陷阱電荷分布。從陷阱能級(jí)看，SIR試樣只有一個(gè)陷阱電荷中心，運(yùn)行年限較長(zhǎng)的S3和S4試樣陷阱電荷密度較大，投運(yùn)1年的S2試樣陷阱電荷密度最??；E1試樣有兩個(gè)陷阱中心，而E2試樣只有一個(gè)陷阱中心，能級(jí)1.03 eV，為所有試樣中最高。SIR絕緣試樣的陷阱電荷密度整體大于EPDM試樣，這和SIR試樣內(nèi)部的無(wú)定型區(qū)域有關(guān)，無(wú)定型區(qū)域的活性較強(qiáng)[27]，存在較多的交聯(lián)副產(chǎn)物和填充劑等生成的雜質(zhì)基團(tuán)，形成大量載流子陷阱，導(dǎo)致SIR試樣的陷阱密度增加。

4 討論

電纜附件的絕緣復(fù)合界面及其他生產(chǎn)、安裝造成的物理缺陷處容易發(fā)生電荷積聚，導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，引起局部放電甚至擊穿事故。研究表明[28]，局部放電產(chǎn)生的熱電子能量可高達(dá)963 kJ/mol，能打斷SIR主鏈Si-O-Si(446 kJ/mol)和側(cè)鏈C-H鍵(413 kJ/mol)。電纜終端為增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度會(huì)使其工作在硅油中，E2試樣中引入的含Si基團(tuán)便與填充硅油有關(guān)，硅油中Si-C鍵(347 kJ/mol)和EPDM試樣中的C-C鍵(344 kJ/mol)及C-H鍵被局部放電產(chǎn)生的電子打開并鍵合成新基團(tuán)，填充硅油和附件絕緣相互促進(jìn)老化。硅油的電氣性能會(huì)隨終端運(yùn)行年限增加而降低，甚至引起終端發(fā)熱，張靜等人[29]發(fā)現(xiàn)多年運(yùn)行導(dǎo)致終端填充的硅油老化裂解，介電性能下降，且附件微裂縫滲入的水分會(huì)加速絕緣油老化。放電擊穿對(duì)絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致S1試樣分子鏈上有機(jī)基團(tuán)數(shù)量降低明顯，E2的分子結(jié)構(gòu)破壞也較嚴(yán)重，生成了C-O和C=O等老化標(biāo)志物，同時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)頻率較高的-OH吸收峰，表明其絕緣內(nèi)部氧化反應(yīng)程度較深，分子斷裂生成的小分子物質(zhì)進(jìn)一步被氧化生成醛、酮等。此外C-O(326 kJ/mol)和C=O(728 kJ/mol)在放電作用下也會(huì)提供更多的氧氣[30]，使絕緣內(nèi)部熱氧老化加劇，將老化斷鏈形成的CH2等物質(zhì)進(jìn)一步氧化成極性基團(tuán)，導(dǎo)致絕緣極性增強(qiáng)，介電性能下降。

SIR試樣分子鏈段排列有序，在低溫下很容易發(fā)生結(jié)晶，同時(shí)硅氧烷側(cè)鏈上的Si-CH3有機(jī)基團(tuán)能提供交聯(lián)點(diǎn)，加速結(jié)晶過(guò)程。熱氧老化引起的絕緣材料分子斷鏈和降解過(guò)程會(huì)破壞分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。分子主鏈和有機(jī)側(cè)鏈破壞程度越深，則硅氧烷分子鏈的規(guī)整度越差，對(duì)試樣的結(jié)晶性能抑制越強(qiáng)。發(fā)生擊穿事故的S1試樣和投運(yùn)7年的S4試樣分子鏈斷裂程度較深，其熔點(diǎn)最低，結(jié)晶性能最弱。EPDM電纜附件絕緣在-50 ℃附近有輕微玻璃化轉(zhuǎn)變，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)未發(fā)生相變現(xiàn)象。SIR和EPDM材料均以無(wú)定型態(tài)為主，無(wú)定型區(qū)域內(nèi)存在較多的斷鏈小分子、填充劑及交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)。該區(qū)域活性較強(qiáng)，故分子斷鏈形成的小分子物質(zhì)可能接觸發(fā)生重結(jié)晶反應(yīng)，使絕緣內(nèi)部分無(wú)定型區(qū)域向結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致分子交聯(lián)度變大，分子鏈段遷移能力弱，不利于載流子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)并形成遷移通道[31]，進(jìn)而使材料的體積電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)略有升高，投運(yùn)2年的E2試樣雖然經(jīng)歷擊穿事故，但重結(jié)晶反應(yīng)使其仍具有良好晶型，故電氣強(qiáng)度仍然較高。

SIR和EPDM都是高聚物絕緣材料，SIR無(wú)晶相，呈高彈性，而由烯烴共聚物組成的EPDM則硬度較大。電纜附件工作在電纜導(dǎo)芯和地電極之間，當(dāng)電壓等級(jí)較高時(shí)，其承受的電場(chǎng)強(qiáng)度較大。本文中的110 kV電纜附件，工作電場(chǎng)強(qiáng)度高，附件受到的電和機(jī)械應(yīng)力大，相比SIR試樣，抗撕裂性更差的EPDM試樣分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力破壞的程度更嚴(yán)重。在如圖7所示的微觀形貌中，EPDM試樣受應(yīng)力擠壓作用都出現(xiàn)了微裂紋和孔洞，且投運(yùn)11年的E1試樣孔洞分布更加密集，微觀缺陷更多。絕緣微觀結(jié)構(gòu)變化會(huì)直接影響絕緣表面陷阱參數(shù)，對(duì)比E1和E2試樣，隨運(yùn)行年限增加，孔洞等物理缺陷的增加使絕緣表面陷阱能級(jí)向淺陷阱移動(dòng)，表面電位衰減變快。S3和S4試樣投運(yùn)年限相同，但S4試樣取自中間接頭，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)、體積電阻率都略大于取自終端的S3試樣。相比于電纜終端，中間接頭由于擴(kuò)徑和過(guò)盈配合需要，其絕緣內(nèi)分子鏈和SiO2等填料復(fù)合界面更易受到應(yīng)力作用被破壞，在設(shè)計(jì)制造時(shí)對(duì)其絕緣性能要求更高。

圖7 EPDM試樣的微觀形貌

由于材料內(nèi)部聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，EPDM和SIR試樣的陷阱分布有較大區(qū)別，EPDM試樣的表面電位衰減更慢。但聚合物的陷阱分布特性除和材料本身性質(zhì)及添加劑等因素有關(guān)外，也和材料老化產(chǎn)生的新缺陷密切相關(guān)。SIR試樣中，投運(yùn)1年的S2陷阱密度最低，整體小于其他經(jīng)歷事故或運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)的SIR試樣。EPDM的陷阱能級(jí)整體較深，結(jié)合XRD和FTIR結(jié)果，這既和試樣本身添加的Al2O3及SiO2等納米填料有關(guān)[18]，也和EPDM試樣運(yùn)行老化中產(chǎn)生C-O和C=O等氧化物有關(guān)。放電事故導(dǎo)致E2試樣分子鏈斷裂，在分子鏈中引入了硅油中的含Si基團(tuán)，并且進(jìn)一步引發(fā)熱氧老化反應(yīng)，生成-OH等強(qiáng)極性基團(tuán)，這是其陷阱密度比E1試樣高的原因之一。

5 結(jié)論

本文對(duì)110 kV SIR和EPDM退役電纜附件的材料特性、熱學(xué)性能、介電特性和陷阱分布特性進(jìn)行了測(cè)試和分析，得出如下結(jié)論：

(1)隨運(yùn)行年限增加，SIR絕緣主鏈Si-O-Si比例下降且側(cè)鏈Si-CH3斷裂形成-CH2程度加深。放電事故導(dǎo)致EPDM絕緣出現(xiàn)C=O、-OH等極性分子且分子鏈中被引入硅油中的含Si基團(tuán)，同時(shí)重結(jié)晶反應(yīng)導(dǎo)致EPDM絕緣晶型發(fā)生變化。

(2)老化和放電故障會(huì)影響附件絕緣的結(jié)晶性能，使SIR熔點(diǎn)降低；EPDM絕緣保持彈性的低溫范圍比SIR大。電纜附件運(yùn)行初期的重結(jié)晶現(xiàn)象有助于改善EPDM的聚集態(tài)，進(jìn)而對(duì)絕緣的擊穿強(qiáng)度和體積電阻率有一定提升作用。

(3)EPDM附件絕緣的擊穿性能和體電阻率整體優(yōu)于SIR試樣。SIR絕緣的陷阱電荷密度大于EPDM，表面電荷消散速度快于EPDM。附件絕緣運(yùn)行老化過(guò)程引入的缺陷將增大材料的陷阱密度，而老化初期的重結(jié)晶可在材料內(nèi)部形成深陷阱，進(jìn)而使材料的電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)略有升高。