變電站低壓電纜絕緣層老化特征及老化模型

楊愛晟，馮霆，王中杰，陶文彪，杜娟

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司，山西晉中 030600； 2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，太原 030021；3.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030001)

變電站的低壓站用電系統(tǒng)關(guān)系著變電站的運(yùn)行安全，但因低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資規(guī)模小，過(guò)去對(duì)其重視程度不夠，導(dǎo)致近期問(wèn)題頻發(fā)[1–3]。變電站低壓站用電系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)通常由直流或交流低壓電纜供電，其對(duì)站用電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。例如，變電站站用電系統(tǒng)直流供電網(wǎng)絡(luò)通常采用電纜鋪設(shè)，變電站低壓直流電纜絕緣層故障將可能造成設(shè)備損壞、站用交流系統(tǒng)失電，事故嚴(yán)重會(huì)發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)事故，影響極其惡劣[4]。低壓電纜在制造、敷設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中，電纜絕緣層將受到機(jī)械應(yīng)力、溫度、水分等老化因素作用[5–6]，隨著運(yùn)行年限增加，電纜絕緣層被破壞、(部分)喪失絕緣性能時(shí)，將在絕緣層破損處和大地之間出現(xiàn)某種程度的導(dǎo)電途徑，形成剩余電流，進(jìn)而引發(fā)電弧甚至火災(zāi)等系統(tǒng)事故。研究低壓電纜絕緣層老化特征對(duì)于判斷電纜絕緣層老化狀態(tài)、性能特征及預(yù)測(cè)剩余壽命具有重要意義。

有關(guān)電纜老化特征，已有研究更多關(guān)注的是中高壓電纜絕緣層[通常為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)]老化特征，例如，電樹、水樹生長(zhǎng)特征等[7–10]。然而，有關(guān)變電站低壓電纜絕緣層理化性能及電氣性能等老化特征，目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。低壓電纜絕緣層材料通常為聚氯乙烯(PVC)[11]，在制造、敷設(shè)過(guò)程中電纜將受到機(jī)械應(yīng)力作用而在絕緣層產(chǎn)生微觀缺陷，在運(yùn)行過(guò)程中絕緣層將受到電場(chǎng)作用。此外，電纜溝道土壤中通常存在K+，Na+，Cl-，SO42-等離子，其可能在電纜破損處隨水分滲透進(jìn)入絕緣層，而電纜銅芯受到腐蝕還將形成Cu2+等。因此，在電纜運(yùn)行過(guò)程中絕緣層將受到電場(chǎng)、缺陷、離子等多種老化因素作用[3]。為了探索多種老化因素作用下低壓電纜絕緣層老化特征，筆者制作低壓短電纜樣本并對(duì)樣本進(jìn)行加速老化，研究了不同階段樣本老化特征及其原因，并提出了樣本擊穿電壓隨老化時(shí)間變化的關(guān)系模型。

1 短電纜樣本加速老化及測(cè)試

1．1 短電纜樣本制作及加速老化

采用的低壓電纜型號(hào)為ZR-KVVP2-22 4×4型(220 V/380 V)，電纜橫截面如圖1a所示，其中電纜絕緣層為PVC，絕緣層厚度為0.75 mm。截取350 mm長(zhǎng)的短電纜樣本，剝除電纜內(nèi)外護(hù)套、鋼鎧、銅屏蔽層及填料并露出絕緣層，之后將a，b，c，u單相電纜樣本彎曲成U形，其中兩側(cè)部分長(zhǎng)度為75 mm，中間部分長(zhǎng)度為200 mm。將(單相)樣本一端絕緣層剝?nèi)?0 mm并露出纜芯以接電源，短電纜樣本如圖1b所示。

圖1 短電纜樣本示意圖

利用上述方法制備4組短電纜樣本，分別編號(hào)為A，B，C，D，每組包括a，b，c，u 4根單相樣本。其中A組為對(duì)照樣本，不進(jìn)行老化，B，C，D為老化樣本，在此三組樣本中間老化部分用工具刀制作V形刀痕缺陷，缺陷間距為40 mm，缺陷寬度為2 mm，深度約為0.4 mm。將銅帶纏繞在B，C，D三組樣本的中間部分，然后將樣本浸泡在CuSO4溶液中，在樣本上施加1 kV的工頻交流電壓進(jìn)行加速老化，B，C，D三組樣本老化時(shí)間分別為7，14，21 d，老化溫度為室溫。短電纜樣本加速老化如圖2所示。

圖2 短電纜樣本加速老化示意圖

1．2 主要儀器及設(shè)備

掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-7500F型，美國(guó)賽默飛世爾公司；

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Nicolet 6700型，德國(guó)布魯克公司；

鹵素水分儀：HD-100A型，廈門萊斯德科學(xué)儀器有限公司；

極化-去極化電流(PDC)測(cè)試儀：PCD-003型，瀘州聚源電力設(shè)備有限公司；

試驗(yàn)變壓器：YD-5/50型，揚(yáng)州攀峰電氣有限公司。

1．3 老化電纜樣本測(cè)試

(1)微觀形貌觀測(cè)。

將單相樣本中間V形老化部分絕緣層置入-200℃液氮中浸泡20 min，將樣本沿V形部分脆斷后進(jìn)行SEM觀測(cè)[12]。

(2)化學(xué)結(jié)構(gòu)檢測(cè)。

在單相樣本中間V形老化部分絕緣層上切取10 mm長(zhǎng)的樣本條，之后通過(guò)FTIR對(duì)樣本條進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)檢測(cè)[13]，檢測(cè)部位為樣條內(nèi)側(cè)。

(3)含水量測(cè)試。

在單相樣本中間V形老化部分切取3～6 g絕緣層并將其放置在鹵素水分儀中進(jìn)行含水量測(cè)試。測(cè)試溫度為105℃，測(cè)試模式為自動(dòng)模式，即當(dāng)樣本質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定(質(zhì)量波動(dòng)小于0.5%)后自動(dòng)停止測(cè)試，記錄樣本含水量并統(tǒng)計(jì)平均含水量。

(4) PDC測(cè)試。

樣本老化結(jié)束后，分別對(duì)每組單相樣本進(jìn)行PDC測(cè)試[14]，測(cè)試原理如圖3所示，圖中ip為極化電流，idep為去極化電流。將銅帶繞包在樣本中間老化部分，另外在樣本兩側(cè)纏繞銅屏蔽帶，將樣本一端露出纜芯接PDC測(cè)試儀高壓端，樣本中間銅帶及兩側(cè)銅屏蔽帶接地，之后進(jìn)行PDC測(cè)試。測(cè)試電壓為100 V，極化過(guò)程中開關(guān)S切換至a，去極化過(guò)程中切換至b，極化時(shí)間及去極化時(shí)間均為90 s[13]。

圖3 短電纜樣本PDC測(cè)試示意圖

(5)擊穿電壓測(cè)試。

將樣本老化部分絕緣層切為7.03 mm×10 mm的矩形薄片試樣，將試樣放置于擊穿測(cè)試油杯電極之間，之后測(cè)試試樣的工頻擊穿電壓，每個(gè)試樣測(cè)試點(diǎn)數(shù)為6。測(cè)試結(jié)束后用二參數(shù)Weibull分布函數(shù)對(duì)擊穿概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到63.2%擊穿概率時(shí)擊穿電壓，其可有效反映樣本擊穿強(qiáng)度[15]。

2 結(jié)果與討論

2．1 微觀形貌分析及電機(jī)械老化特征

不同老化時(shí)間樣本的SEM觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，未老化樣本中即已存在較多的大微孔(約3 mm)，老化7 d后樣本中較大微孔數(shù)量增加不明顯，而小微孔(約0.5 mm)數(shù)量明顯增加。隨著老化時(shí)間繼續(xù)增加，樣本中小微孔逐漸發(fā)展為大微孔，導(dǎo)致大微孔數(shù)量增加。老化21 d后樣本中已有較多大微孔。

圖4 不同老化時(shí)間樣本的微觀形貌

上述研究結(jié)果表明，在加速老化中樣本存在電機(jī)械老化。PVC為非結(jié)晶高聚物，其結(jié)構(gòu)單元為(CH2—CHCl)，分子主鏈由C—C鍵連接而成。聚合物非晶區(qū)存在較多自由體積空穴及微孔，其中微孔尺寸可達(dá)數(shù)微米。在電場(chǎng)作用下溶液滲透進(jìn)入材料非晶區(qū)自由體積空穴并對(duì)周圍材料造成交變的Maxwell應(yīng)力(電機(jī)械應(yīng)力)[16](疲勞應(yīng)力)。在此應(yīng)力作用下，材料中分子鏈段將發(fā)生斷裂，水分進(jìn)入絕緣層，進(jìn)而導(dǎo)致微孔尺寸擴(kuò)大及數(shù)量增多[17]。

2．2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析及電化學(xué)老化特征

不同老化時(shí)間樣本的FTIR譜圖如圖5所示。圖5中2 916 cm–1處為PVC主鏈上C—H振動(dòng)峰，3 300 cm–1處為羥基(—OH)振動(dòng)峰，1 550 cm–1處為羧酸根離子(COO-)振動(dòng)峰[18]，1 375 cm–1處為甲基(—CH3)振動(dòng)峰[12]。根據(jù)紅外吸收光譜，統(tǒng)計(jì)樣本中—OH，COO-及—CH3吸光度平均值，如圖6所示。由圖6可知，—OH和—CH3振動(dòng)峰在老化7 d前增加速率較高，而在老化7 d后增速下降。而COO-變化趨勢(shì)正好相反，在老化7 d前增加速率較低，而在老化7 d后增速上升?！狾H振動(dòng)峰能夠表征水分含量，其變化趨勢(shì)和含水量結(jié)果一致。—CH3能夠表征材料分子鏈段斷裂情況，表明老化1周前分子鏈段斷裂數(shù)量較多，而7 d后斷裂數(shù)量減少。COO-能夠表征斷裂分子鏈段端基(如—CH3等)的氧化情況，表明老化7 d后斷裂分子鏈段氧化程度加劇。

圖5 不同老化時(shí)間樣本的FTIR譜圖

圖6 不同老化時(shí)間樣本的—OH，COO-及—CH3紅外特征峰吸光度

上述研究結(jié)果表明，在加速老化過(guò)程中樣本存在電化學(xué)老化。電機(jī)械老化造成分子鏈斷裂，斷裂分子鏈的末端甲基(—CH3)在CuSO4溶液中氧化生成羧基(—COOH)，進(jìn)而—COOH發(fā)生部分電離形成COO-及H+，其中COO-和Cu2+結(jié)合形成羧酸鹽，H+和SO42-結(jié)合形成H2SO4，其將導(dǎo)致更多—CH3氧化生成COO-[17]。由于—COOH及COO-具有親水性，其將促進(jìn)水分進(jìn)入絕緣層，并且隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)，老化溶液中COO-及H+含量不斷增加，導(dǎo)致溶液氧化性增強(qiáng)、電化學(xué)老化速率加快。

2．3 含水量變化特征及原因分析

不同老化時(shí)間樣本的平均含水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。由圖7統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，隨著老化時(shí)間增加，樣本含水量逐漸增大。此外，老化7 d前樣本含水量增速較高，之后增速逐漸降低。未老化樣本含水量為0.425%，老化7 d后樣本含水量顯著增至0.871%，老化21 d后含水量繼續(xù)增加至1.076%。老化7 d前，樣本中微孔密度較低，此時(shí)缺陷尖端電場(chǎng)較高，導(dǎo)致材料分子鏈段斷裂速率及電機(jī)械老化速率較高，因而含水量增速較高。而隨著老化時(shí)間增加，樣本中微孔尺寸及密度增大，其將形成電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)、缺陷尖端電場(chǎng)降低，導(dǎo)致分子鏈段斷裂速率及電機(jī)械老化速率降低；另一方面，雖然此時(shí)絕緣層電化學(xué)老化速率加快，含水量增速也隨之提高，但總體上電機(jī)械老化速率下降造成的含水量增速下降幅度更高，因而含水量增速逐漸降低。

圖7 不同老化時(shí)間樣本的平均含水量

2．4 電氣性能變化特征及老化模型

(1)直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗。

不同老化時(shí)間樣本的PDC曲線如圖8所示，圖中僅給出b相曲線。由圖8可見，隨著老化時(shí)間增加，樣本極化電流及去極化電流絕對(duì)值總體增大。

圖8 不同老化時(shí)間樣本的PDC曲線

根據(jù)不同相的極化電流及去極化電流，計(jì)算樣本平均直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，老化7 d前樣本直流電導(dǎo)率和0.1 Hz介質(zhì)損耗增加速率較高，之后呈降低趨勢(shì)。此外，樣本0.1 Hz介質(zhì)損耗增加速率在14～21 d時(shí)又略有增大。

圖9 不同老化時(shí)間樣本的電氣參數(shù)

未老化樣本直流電導(dǎo)率為1.86×10-13S/m，0.1 Hz介質(zhì)損耗為3.58%。由于電纜絕緣層非晶區(qū)中存在自由體積空穴及微孔，此外，受成本及生產(chǎn)工藝等因素影響，低壓電纜絕緣層中存在較多雜質(zhì)，導(dǎo)致未老化樣本直流電導(dǎo)率及0.1 Hz介質(zhì)損耗較高。

老化初期，由于電機(jī)械老化速率較高，大量水分進(jìn)入絕緣層，同時(shí)絕緣層存在電化學(xué)老化，導(dǎo)致材料電氣性能下降速率較高。而隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)，電機(jī)械老化速率降低，而電化學(xué)老化速率增高，但由于電機(jī)械老化速率下降所導(dǎo)致的含水量增速下降超過(guò)了電化學(xué)老化所導(dǎo)致的含水量增速上升，因而樣本電氣性能下降速率總體呈下降趨勢(shì)。而在老化14～21 d期間，因COO-及H+濃度增加所導(dǎo)致的電化學(xué)老化速率上升，因而在此期間樣本0.1 Hz介質(zhì)損耗增速又略有增加。由于含水量能夠表征絕緣層老化狀況，含水量越高，樣本電氣性能越差，可見樣本電氣性能與材料含水量變化規(guī)律基本一致。

此外，老化21 d時(shí)樣本直流電導(dǎo)率增至2.43×10-12S/m，0.1 Hz介質(zhì)損耗增至12.30%，仍屬于極性電介質(zhì)(極性電介質(zhì)電導(dǎo)率范圍為10-12～10-8S/m[19])，初步判斷樣本電氣性能合格。

(2)擊穿電壓變化特征及老化模型。

不同老化時(shí)間樣本的不同概率擊穿電壓值如圖10所示，不同樣本63.2%擊穿概率時(shí)擊穿電壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，未老化樣本的擊穿電壓為6.22 kV，老化初期樣本擊穿電壓下降速率較高，之后下降速率減小，老化21 d后樣本擊穿電壓下降為5.26 kV。

圖10 不同老化時(shí)間樣本的擊穿電壓及63.2%擊穿概率統(tǒng)計(jì)

圖11 短電纜樣本擊穿電壓與老化時(shí)間關(guān)系

根據(jù)擊穿電壓測(cè)試結(jié)果擬合擊穿電壓隨老化時(shí)間的關(guān)系，擬合結(jié)果如式(1)所示：

式中：Vb——擊穿電壓；t—老化時(shí)間。

由式(1)結(jié)果可知，在加速老化條件下樣本擊穿電壓隨時(shí)間變化符合指數(shù)冪關(guān)系。假設(shè)電纜樣本最小剩余絕緣強(qiáng)度為660 V (3U0[20])，則由式(1)可知，在加速老化條件下電纜樣本擊穿電壓下降至660 V所需時(shí)間約為220 d，亦即在此加速老化條件下樣本壽命約為220 d[21]。由于老化21 d樣本擊穿電壓為5.26 kV，遠(yuǎn)高于樣本最小剩余絕緣強(qiáng)度，判斷樣本電氣性能合格。

3 結(jié)論

對(duì)低壓電纜樣本進(jìn)行加速老化，研究了電纜樣本理化性能及電氣性能變化特征及原因，主要結(jié)論如下：

(1)在加速老化條件下，電纜樣本絕緣層同時(shí)存在電機(jī)械老化及電化學(xué)老化，且樣本老化特征在很大程度上取決于絕緣層微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)分析樣本微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)結(jié)構(gòu)可揭示樣本老化特征、提出相應(yīng)老化條件下的老化模型并應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行電纜電氣性能判斷及剩余壽命預(yù)測(cè)。

(2)老化初期電纜樣本含水量增加速率較高，之后降低。而老化初期樣本電氣性能下降速率較高，之后降低。樣本電氣性能與材料含水量變化規(guī)律基本一致。根據(jù)材料含水量可輔助分析樣本電氣性能變化特征。

(3)在加速老化條件下樣本擊穿電壓與老化時(shí)間呈指數(shù)冪關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系可初步判斷樣本剩余壽命。