型式試驗(yàn)對(duì)XLPE直流電纜絕緣性能的影響

趙維佳，李文鵬，2，閆轟達(dá)，史曉寧，張 翀，陳 新

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；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）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的電氣和力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于直流輸電電纜線路中[1-3]。為適應(yīng)工業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)狀、滿足電力供應(yīng)日益增長(zhǎng)的需求，電力電纜的輸電電壓和輸電容量面臨更大挑戰(zhàn)，對(duì)電纜絕緣材料的性能要求更加嚴(yán)格。

電纜絕緣材料的開發(fā)試驗(yàn)主要分為實(shí)驗(yàn)室材料改性、批量化生產(chǎn)、成纜以及型式試驗(yàn)。材料改性方面，普遍采用的方法是摻雜添加劑[4-6]和納米金屬氧化物[7-9]、共混、接枝等。成纜試驗(yàn)方面，沈耀軍等[10-11]通過對(duì)比預(yù)鑒定試驗(yàn)前后200 kV等級(jí)的直流XLPE電纜絕緣中層切片的性能變化，發(fā)現(xiàn)預(yù)鑒定試驗(yàn)后絕緣中層切片未發(fā)現(xiàn)明顯老化，但溫度達(dá)到30℃時(shí)預(yù)鑒定試驗(yàn)后試樣短路過程中的平均體電荷密度明顯大于預(yù)鑒定試驗(yàn)前試樣。

直流電力電纜型式試驗(yàn)是通過感應(yīng)電流將導(dǎo)體升溫至70℃，在耐壓為1.85U0（U0為電纜額定電壓），檢驗(yàn)直流電力電纜是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，以保證電纜能夠滿足預(yù)期使用條件以及長(zhǎng)期性能[10]。目前，大量研究集中在絕緣材料的改性方面，成纜試驗(yàn)方面也有所涉及，但是型式試驗(yàn)對(duì)電纜主絕緣徑向各處性能影響的研究較少。

本研究選取型式試驗(yàn)后電纜主絕緣在內(nèi)、中、外層3處切片，通過紅外光譜（FTIR）、空間電荷、直流電氣強(qiáng)度試驗(yàn)分析型式試驗(yàn)后電纜絕緣徑向各處化學(xué)性能、電氣性能的變化，通過差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試結(jié)果對(duì)試樣進(jìn)行等效熱歷史建模，分析絕緣徑向不同層性能差別產(chǎn)生的原因。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

取型式試驗(yàn)后的高壓直流電纜，對(duì)主絕緣進(jìn)行車床環(huán)切，切片厚度為（200±5）μm。沿徑向選取主絕緣內(nèi)、中、外層的試樣，分別對(duì)應(yīng)圖1中A、B、C 3處。

圖1 電纜絕緣取樣位置Fig.1 Sampling location of cable insulation

1.2 直流電氣強(qiáng)度測(cè)試

擊穿裝置采用直徑為25 mm，倒角為3 mm的柱柱電極。將試樣和電極浸入硅油中以防止空氣擊穿以及擊穿過程中試樣表面發(fā)生閃絡(luò)。試樣采用連續(xù)升壓的方式，記錄擊穿電壓。通過擊穿電壓與試樣厚度的比值計(jì)算得到直流電氣強(qiáng)度。每種試樣測(cè)試20次，并應(yīng)用Weibull分布統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

1.3 空間電荷測(cè)試

采用電聲脈沖法（PEA）測(cè)量型式試驗(yàn)后電纜絕緣徑向內(nèi)、中、外層試樣的空間電荷。在室溫下，針對(duì)3種試樣依次分別施加20、30、50 kV/mm的電場(chǎng)強(qiáng)度，在每個(gè)場(chǎng)強(qiáng)下加壓30 min，短路30 min，記錄材料內(nèi)部空間電荷的分布情況。

1.4 FTIR測(cè)試

采用Nicolet FT-IR 6700型傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）對(duì)型式試驗(yàn)后主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，所有試樣各測(cè)量10次，結(jié)果取平均值。

1.5 DSC測(cè)試

為研究型式試驗(yàn)的高溫高電場(chǎng)對(duì)絕緣試樣熱性能的影響，采用Q2000型DSC測(cè)試儀分析型式試驗(yàn)后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的熱歷史。試驗(yàn)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，流速為20 mL/min。先利用RCS系統(tǒng)降溫至-50℃，待熱平衡后，以5℃/min的升溫速率升溫至180℃，記錄熱流-溫度曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 直流電氣強(qiáng)度

運(yùn)用Weibull分析軟件處理不同試樣的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)（即特征電氣強(qiáng)度）如圖2所示。各層試樣的電氣強(qiáng)度均高于200 kV/mm。樣品擊穿測(cè)試數(shù)據(jù)的形狀參數(shù)均大于10，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果可重復(fù)性高，電氣強(qiáng)度值集中。絕緣外層的電氣強(qiáng)度略高于中層和內(nèi)層。

圖2 電纜絕緣試樣直流擊穿測(cè)試結(jié)果Fig.2 DC electric strength test results of cable insulation samples

2.2 空間電荷

空間電荷的主要來(lái)源包括：高電場(chǎng)下通過電極注入；絕緣材料中的雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生電離。電極注入電荷與電極同極性，故稱為同極性電荷。雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電荷與電極極性相反（負(fù)電荷逆著電場(chǎng)向陽(yáng)極移動(dòng)；正電荷順著電場(chǎng)向陰極移動(dòng)），故稱為異極性電荷。同極性電荷將減弱電極/絕緣界面的電場(chǎng)，增強(qiáng)絕緣中的電場(chǎng)；異性電荷將增強(qiáng)電極/絕緣界面的電場(chǎng)，減弱絕緣中的電場(chǎng)。兩種電荷均可使絕緣擊穿電壓下降，但由于電極/絕緣界面很薄，異極性電荷對(duì)絕緣擊穿電壓的影響相對(duì)更大[12]。

對(duì)型式試驗(yàn)后電纜主絕緣徑向內(nèi)、中、外層試樣在室溫下施加20、30、50 kV/mm的場(chǎng)強(qiáng)，測(cè)得試樣加壓30 min的空間電荷積聚特性、短路30 min空間電荷消散特性分別如圖3(a)～(c)、圖3(d)～(f)所示。虛線分別代表2個(gè)電極的位置，其中左側(cè)為鋁電極（負(fù)電極），右側(cè)為半導(dǎo)電極（正電極）。對(duì)比圖3(a)～(c)可以看出，試樣加壓30 min后，在20 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，僅在絕緣中層試樣靠近負(fù)電極位置處出現(xiàn)少量的異極性電荷聚集，絕緣內(nèi)層、外層試樣中幾乎沒有正電荷聚集。在30 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，各層試樣在負(fù)電極位置處均出現(xiàn)聚集的異極性電荷，導(dǎo)致其在負(fù)電極上感應(yīng)的負(fù)電荷增多，負(fù)電極電荷量峰值增大。其中，絕緣中層試樣異極性電荷的峰值分別約為內(nèi)層試樣和外層試樣的3倍和2倍，正電極處未見異極性電荷聚集。在50 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，試樣在負(fù)電極處聚集的正電荷和負(fù)電極上感應(yīng)的負(fù)電荷達(dá)到最大值，且正極附近出現(xiàn)異極性電荷。中層試樣的異極性空間電荷峰值和寬度均大于內(nèi)層和外層試樣，中層試樣的電場(chǎng)畸變率大于內(nèi)層和外層試樣。

圖3 電纜絕緣試樣的空間電荷測(cè)試結(jié)果Fig.3 Space charge test results of cable insulation samples

為研究空間電荷聚集對(duì)電場(chǎng)分布的影響，對(duì)試樣內(nèi)部的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，采用畸變場(chǎng)強(qiáng)因子（field enhanced factor，F(xiàn)EF）表征電場(chǎng)的畸變程度，其定義如式（1）所示[13]。電場(chǎng)畸變率如表1所示，可以看出中層試樣的電場(chǎng)畸變率在各場(chǎng)強(qiáng)下均高于內(nèi)層試樣和外層試樣。

表1 電纜絕緣試樣的電場(chǎng)畸變率（單位：%）Tab.1 Electric field distortion rate of cable insulation samples

2.3 FTIR測(cè)試

型式試驗(yàn)后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的FT‐IR圖譜如圖4所示。從圖4可以看出，XLPE絕緣內(nèi)、中、外層在3 640、1 720、1 640 cm-1處均有特征吸收峰，分別由羥基（OH）、羰基（C=O）、苯乙烯基的伸縮振動(dòng)引起，表明試樣中殘留有苯乙酮、α-甲基苯乙烯、枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物[14]。定義1 720 cm-1處峰值與2 010 cm-1處峰值的比值為聚乙烯羰基指數(shù)（CI），3 640 cm-1處峰值與2 010 cm-1處峰值的比值為聚乙烯羥基指數(shù)（HI）[15]。

圖4 電纜絕緣試樣的FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectra of cable insulation samples

型式試驗(yàn)后電纜主絕緣各層的CI、HI指數(shù)如圖5所示。從圖5可以看出，主絕緣各層位置的羥基指數(shù)變化較小，而羰基指數(shù)變化稍大，從小到大依次為外層試樣、內(nèi)層試樣、中層試樣。

圖5 羥基指數(shù)、羰基指數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of hydroxyl index and carbonyl index

2.4 DSC測(cè)試

圖6為型式試驗(yàn)前后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣DSC測(cè)試的結(jié)晶過程曲線，表2為結(jié)晶過程提取的參數(shù)，其中，型式試驗(yàn)前XLPE試樣只有1個(gè)熔融峰（Tm=103.1℃）；型式試驗(yàn)后，電纜主絕緣內(nèi)、中、外層在低于Tm處均出現(xiàn)新的熔融峰。

圖6 電纜絕緣試樣的DSC測(cè)試結(jié)果Fig.6 DSC test results of cable insulation samples

表2 型式試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣熔融峰對(duì)比Tab.2 Comparison of the melting peaks of cable insulation samples before and after type test

3 分析與討論

3.1 DSC等效熱歷史模型

為量化型式試驗(yàn)對(duì)絕緣各層的影響，采用K KOBAYASHI等[16]提出的等效熱歷史模型，即材料的老化可以等效為溫度T與時(shí)間t的共同作用。由于XLPE由不同厚度不同熔點(diǎn)的結(jié)晶構(gòu)成，當(dāng)某溫度T（T

圖7 P1與P2的示意圖[16]Fig.7 Schematic illustration of P1 and P2

式（2）～（7）中：t為熱處理時(shí)間；T為熱處理溫度；A1、A2分別為S1(T)、S2(T)的斜率；B1、B2分別為S1(T)、S2(T)的截距；C1、C2分別為TP1(T)、TP2(T)的斜率；D1、D2分別為TP1(T)、TP2(T)的截距。

根據(jù)式（2）～（7），可得到式（8）～（9）。

式（8）～（9）中，α、β、γ、δ、ε、ζ分別如式（10）～（15）所示。

XLPE材料的各參數(shù)取值如表3所示。由式（8）～（9）可推得型式試驗(yàn)電纜絕緣試樣的等效熱歷史參數(shù)如表4所示。從表4可以看出，絕緣內(nèi)、中、外層的等效熱處理溫度約為70℃，與型式試驗(yàn)施加溫度相符，表明此模型對(duì)型式試驗(yàn)等效分析具有合理性。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，絕緣內(nèi)、中、外層的等效熱處理時(shí)間t差距較大，絕緣內(nèi)層試樣的等效熱處理時(shí)間約為絕緣中層的581倍，而絕緣中層與絕緣外層的差距較小?？梢岳斫鉃椋褪皆囼?yàn)相當(dāng)于使絕緣中層和外層只經(jīng)受短時(shí)間的熱處理；當(dāng)絕緣中層和外層熱處理結(jié)束時(shí)，絕緣內(nèi)層依然在隨后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷70℃的高溫。因此絕緣中層和外層的TP1、TP2差距較小，而內(nèi)層TP1最高、TP2最低，兩個(gè)熔融峰間距最大。

表3 XLPE等效熱歷史模型參數(shù)Tab.3 Equivalent thermal history model parameters of XLPE

表4 型式試驗(yàn)后電纜絕緣樣品的等效熱歷史參數(shù)Tab.4 Equivalent thermal history parameters of cable insulation samples after type test

3.2 交聯(lián)副產(chǎn)物對(duì)電纜絕緣的影響

由型式試驗(yàn)后試樣的直流電氣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知，型式試驗(yàn)后主絕緣徑向不同位置試樣的電氣強(qiáng)度差距不大。絕緣不同位置試樣的羰基指數(shù)、羥基指數(shù)變化較小，表明型式試驗(yàn)未對(duì)電纜絕緣造成明顯的劣化。羰基、羥基的形成可能是因?yàn)殡娎|難以做到充分脫氣，使得絕緣越靠近導(dǎo)體部分交聯(lián)副產(chǎn)物殘存較多，交聯(lián)劑過氧化二異丙苯（DCP）會(huì)分解形成苯乙酮、α-甲基苯乙烯、枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物。由于絕緣內(nèi)層的等效熱處理時(shí)間約為絕緣中層的581倍，型式試驗(yàn)造成的溫度梯度加速了載流子由內(nèi)側(cè)向外側(cè)遷移，使得絕緣不同位置載流子遷移速率不同。由于溫度較高，載流子由絕緣內(nèi)層向絕緣中層遷移的速率快于中層向外側(cè)遷移的速率，因此載流子在絕緣中部聚集。在溫度的影響下，絕緣內(nèi)層的交聯(lián)副產(chǎn)物持續(xù)不斷的向中層擴(kuò)散，使內(nèi)層交聯(lián)副產(chǎn)物濃度降低，中層濃度升高，表現(xiàn)為內(nèi)層羰基含量降低，中層羰基含量升高。由于大量極性官能團(tuán)（羰基、羥基等）在中層聚集，使絕緣中層的異極性電荷數(shù)量明顯高于內(nèi)層和外層。

4 結(jié)論

（1）型式試驗(yàn)后，電纜主絕緣徑向各處試樣的直流電氣強(qiáng)度差距較小，表明型式試驗(yàn)未對(duì)電纜主絕緣造成明顯的劣化。

（2）將型式試驗(yàn)對(duì)絕緣的影響進(jìn)行熱歷史等效處理，得出絕緣的等效熱處理溫度差別較小，而等效熱處理時(shí)間沿徑向由內(nèi)到外逐漸縮短。

（3）由于電纜較難徹底脫氣，絕緣內(nèi)有大量交聯(lián)副產(chǎn)物殘留，根據(jù)熱歷史等效模型，絕緣中層、外層的熱處理時(shí)間較短，交聯(lián)副產(chǎn)物擴(kuò)散較少；而絕緣內(nèi)層熱處理時(shí)間約為絕緣中層的581倍，交聯(lián)副產(chǎn)物不斷在中層聚集，從而造成中層的異極性電荷增多，電場(chǎng)畸變率增大。