全預制式電纜戶外終端硅橡膠絕緣的老化分析

王永強，黃泓貿(mào)，張偉，胡麗斌，萬子劍，任成燕

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，南京 210000；2.等離子體科學和能源轉(zhuǎn)化北京市國際科技合作基地，中國科學院電工研究所，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049；4.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103)

電力電纜作為輸電線路中重要的組成部分，具有安全性高、節(jié)約空間、輸電可靠、不易污染環(huán)境等優(yōu)點，其使用比例在電力線路中逐年增加。電纜附件作為電纜線路過渡和連接的重要裝置，是電纜線路中的薄弱環(huán)節(jié)。因其結(jié)構(gòu)復雜且在安裝過程中易存在操作不當?shù)葐栴}，電纜附件的故障率占110 kV電纜事故的85.5%[1]。因此評估電纜附件的老化狀態(tài)對電力系統(tǒng)的安全運行有重大意義。

電纜戶外終端長期運行并暴露在戶外環(huán)境中，受到內(nèi)部電、熱應力及外部氣溫驟變、降雨、污染等自然環(huán)境的影響，更容易因缺陷引起故障。硅橡膠(Silicone Rubber,SIR)具有優(yōu)良的電氣性能、表面憎水性和抗污閃性等優(yōu)點，是電纜戶外終端的主要絕緣材料之一[2]。周鳳爭[3]等提出電纜戶外終端擊穿故障的原因是終端內(nèi)部雜質(zhì)引起電場畸變，進而引發(fā)電樹枝并導致?lián)舸Ｄ襕4]分析電纜充油終端中絕緣油受潮導致絕緣性能下降并最終引起終端擊穿。胡麗斌[5]等測試了SIR電纜附件的化學組成、陷阱參數(shù)和空間電荷等，指出Si-O-Si比例的下降是SIR老化的重要標志，SIR的淺陷阱能級和較高的淺陷阱密度可以加速電荷消散從而避免空間電荷的積累。陳杰[6]等研究了電纜附件硅橡膠和乙丙橡膠絕緣的力學和電氣性能，指出氧化基團的產(chǎn)生將導致絕緣材料彈性模量和扯裂伸長率降低，經(jīng)歷故障的電纜附件體積電阻率下降。劉剛[7]等測試了退役電纜絕緣的空間電荷分布，指出絕緣層中間部位老化更嚴重，并且電荷消散階段起始電荷密度越大絕緣層老化越嚴重。梁正波[8]等借助紅外熱成像方式分析終端表面的熱場分布，提出可通過分析電纜戶外終端的表面最大溫差來評估其老化狀態(tài)。

目前針對電纜戶外終端的研究主要集中在運行故障的分析和處理，以及戶外終端的設(shè)計分析，而對電纜戶外終端的老化狀態(tài)評估研究較少。本文以110 kV全預制式電纜戶外終端為研究對象，通過對絕緣試樣進行傅里葉紅外光譜、X射線衍射、表面電位衰減、介電參數(shù)、熱性能等測試，綜合分析其材料特性、電氣性能和熱學性能的變化，進而評估其老化狀態(tài)。研究結(jié)果有助于電纜戶外終端的老化狀態(tài)監(jiān)測及壽命評估。

1 實驗及測試方法

1.1 樣品信息

實驗中采用的樣品均取自110 kV電纜的退役戶外終端，終端絕緣、傘裙和應力錐一體化成型，其中絕緣層材料為SIR，分別編號為S1～S4，試樣的基本信息如表1所示。

表1 試樣基本信息Tab.1 Basic information of the samples

為保證試樣的均勻性，采用橡膠類絕緣專用切片機分別對4種戶外終端進行切片制樣，試樣厚度約為1 mm，并裁成40×40 mm2的正方形薄片，測試前用無水乙醇清洗表面。

1.2 材料特性測試

通過傅立葉變換紅外光譜法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)和X射線衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)研究戶外終端試樣的表面化學成分和結(jié)構(gòu)。FTIR測試采用設(shè)備為Nicolet iS50，分辨率為2 cm-1，掃描波數(shù)范圍為450～4000 cm-1；實驗所用XRD型號為D8 ADVANCE，掃描速率為0.2°/s，掃描衍射角范圍為10°～90°。

1.3 表面電位衰減測試

測試設(shè)備為自制的表面電位測試系統(tǒng)[9]。采用-3 kV的電壓對試樣充電180 s，針尖距試樣上表面5 mm，充電結(jié)束后將試樣迅速移動至Kelvin探頭(Trek-6000B)下測試，探頭距試樣上表面2 mm。實驗在有機玻璃腔中進行，控制環(huán)境溫度在25±2 ℃，相對濕度在40%以內(nèi)。采用等溫表面電位衰減理論可進一步獲得絕緣切片的陷阱參數(shù)分布[10]。

1.4 介電性能測試

介電常數(shù)和介質(zhì)損耗測試采用安捷倫4395A阻抗分析儀，測試頻率范圍為100 kHz～500 MHz，并采用等效RLC并聯(lián)模型，利用測得的電容和電阻計算得到試樣的相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗角正切值tanδ。電阻率測試采用三電極法，設(shè)備為Hioki SME-8311，測試電壓為500 V，每組試樣分別測試8次求平均值，作為該試樣的電阻率。

1.5 熱學性能測試

差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)是一種常用的熱分析方法。測試采用METTLER TOLEDO公司的DSC 3分析儀，測試氣氛為N2，流速為20 mL/min，溫度范圍為(-80～40) ℃，升溫速率10 ℃/min。

熱失重分析(Thermogravimetric Analysis,TG)是一種利用熱重法檢測物質(zhì)溫度與質(zhì)量變化關(guān)系的方法。測試時試樣量取5～10 mg，測試氣氛為N2，升溫速率10 ℃/min，掃描溫度為(35～800) ℃。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 FTIR、XRD測試

戶外終端經(jīng)過長時間的運行，在電場、溫度、周圍環(huán)境等多方面的作用下發(fā)生老化，其化學成分可能發(fā)生變化。紅外光譜是一種分析有機高分子材料的重要手段，可以通過分子包含的化學鍵及官能團的變化來評估材料老化狀態(tài)[11]。

硅橡膠的主要成分是二甲基硅氧烷(PDMS)，由主鏈Si-O-Si結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈Si-CH3組成。圖1為戶外終端試樣的FTIR測試結(jié)果，其中785 cm-1處的彎曲振動峰對應Si-O-Si對稱伸縮振動；1008 cm-1和1076 cm-1兩處較強的吸收峰反映PDMS分子主鏈Si-O-Si結(jié)構(gòu)的反對稱伸縮振動；1256 cm-1處的吸收峰對應側(cè)鏈Si-CH3基團，而2962 cm-1處的吸收峰對應CH3中C-H鍵的伸縮振動。在1411和2904 cm-1處出現(xiàn)的較弱吸收峰為亞甲基(CH2)的特征峰，是硅橡膠分子側(cè)鏈受到破壞斷裂形成的。S1試樣相較于其他試樣，在1722 cm-1處出現(xiàn)一微弱峰，對應C=O鍵伸縮振動。含有C=O的聚合物易吸收波長為300～400 nm的紫外光，引起材料大分子鏈斷裂及化學結(jié)構(gòu)改變，進而使材料性能變差，發(fā)生劣化[12]。

λ/cm-1圖1 硅橡膠試樣的FTIR光譜Fig.1 FTIR spectra of SIR samples

X射線衍射主要對材料的晶體結(jié)構(gòu)進行分析，并可獲得材料的成分和結(jié)構(gòu)等信息[13]。戶外終端試樣的XRD結(jié)果如圖2所示，4個試樣均在12°處出現(xiàn)較為尖銳的衍射峰，對應硅橡膠試樣中包含的硅氧烷特征峰，22°處出現(xiàn)的較為平緩的衍射峰，對應硅橡膠絕緣的無定型態(tài)[6]。由XRD結(jié)果可知，同一線路同樣運行年限終端的XRD結(jié)果較為相似，不同運行年限的電纜戶外終端硅橡膠絕緣均以無定型態(tài)為主，而12°處出現(xiàn)的衍射峰是由于硅橡膠分子結(jié)構(gòu)中存在的甲基形成的結(jié)晶微區(qū)[14]。隨著運行年限的增加，硅橡膠絕緣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著的變化。

2θ/(°)圖2 硅橡膠試樣的XRD光譜Fig.2 XRD spectra of SIR samples

2.2 表面陷阱參數(shù)測試

硅橡膠材料以無定型態(tài)為主，但其內(nèi)部也存在如SiO2等少量晶體，故其材料本身便存在不同類型的缺陷和陷阱[5]。電纜終端經(jīng)過長時間的運行，在電、熱、力等多種因素作用下發(fā)生老化，這一過程也會產(chǎn)生各種缺陷，并在絕緣內(nèi)部引入新的陷阱。聚合物陷阱能級和陷阱密度的變化直接影響電荷的輸運過程[15]。通過等溫表面電位衰減測試可分析試樣表面電荷積聚及消散特性，同時可獲得其表面陷阱參數(shù)分布。

戶外終端硅橡膠試樣的表面電位衰減曲線如圖3所示。從測試結(jié)果可以看出，4個試樣的表面電位均在前1000 s迅速衰減，隨后衰減速度變緩并趨于平穩(wěn)。其中S4前期衰減最快，其次為S1試樣，兩試樣最終電位衰減率也較高，約為初始電位的25%；S2、S3的衰減速度相對較慢，其中S2電位衰減最慢，最終衰減率約為40%。

圖4為通過等溫表面電位衰減理論計算的戶外終端試樣的陷阱參數(shù)分布。S1～S4試樣均存在兩個明顯的陷阱中心，且都以淺陷阱為主。S1～S4的淺陷阱中心能級分別為0.93，0.96，0.94和0.92 eV，深陷阱分布在1.03 eV附近。絕緣試樣表面電位衰減與陷阱分布關(guān)系密切。S1～S4前1000 s內(nèi)均衰減迅速，是因為試樣前期表面電位衰減主要受淺陷阱影響，S2試樣的淺陷阱能級為4個試樣中最深，其表面電位前期衰減最慢；S4試樣初始衰減速度高于S1，而后衰減速度和衰減量卻低于S1，是因為S4試樣淺陷阱能級最低，同時其深陷阱能級最高，故其表面電位后期衰減緩慢。深陷阱影響電荷脫陷的過程主要體現(xiàn)在電位衰減后期，S2、S3試樣的深陷阱能級略淺，陷阱密度略高，兩試樣后期的電位衰減速度略高于其他試樣。

t/s圖3 硅橡膠試樣電位衰減曲線Fig.3 Surface potential decay curve of SIR samples

E4/eV圖4 硅橡膠試樣陷阱能級分布Fig.4 Trap distribution of SIR samples

2.3 介電性能測試

介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率是評價絕緣材料電氣性能的重要參數(shù)。高壓電纜附件是電纜系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)復雜易引起局部電場畸變，故高壓電纜附件是高壓輸電線路中的薄弱部分[16]。

介電常數(shù)對電場分布起著至關(guān)重要的作用。圖5(a)為硅橡膠試樣的介電常數(shù)測試結(jié)果，從圖中可以看出，4個試樣的介電常數(shù)均隨著頻率的升高降低。S1～S4在較低頻率下的介電常數(shù)均在3.0附近，其中S1最小，為2.8，S4最大，為3.1，均滿足國標對電纜附件用橡膠材料介電常數(shù)小于等于3.5的要求。圖5(b)為硅橡膠試樣介質(zhì)損耗測試結(jié)果，由圖可知4個試樣的介質(zhì)損耗相差不大，低頻介損均小于0.01，且均隨頻率的升高而增加。

不同試樣的體積電阻率和表面電阻率測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，4個試樣的體積電阻率均在1016Ω·cm量級，滿足國標GB/T 11017-2014交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及其附件的電阻率規(guī)定。試樣的表面電阻率同樣在1016Ω量級。運行年限較長的S3、S4試樣，其體積電阻率明顯低于S1、S2試樣。針對運行時間相同的電纜戶外終端，體積電阻率和表面電阻率有相似的變化規(guī)律。S1與S2相比，體積電阻率更大的試樣表面電阻率也更大，同樣的規(guī)律也體現(xiàn)在S3和S4上。

f/Hz(a) 相對介電常數(shù)

f/Hz(b) 介質(zhì)損耗圖5 硅橡膠試樣介電頻譜Fig.5 Dielectric spectrum of SIR samples

樣品編號圖6 硅橡膠試樣的電阻率Fig.6 Resistivity of SIR samples

2.4 熱學性能測試

SIR為彈性橡膠材料，一般工作在高彈態(tài)，即工作溫度在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以在一定程度上反映高聚物分子鏈的運動，可作為衡量高聚物狀態(tài)轉(zhuǎn)變的特征參數(shù)[17]。利用DSC測試可獲得材料的熔點和融程，并可計算材料的結(jié)晶度，進而判斷運行老化后材料的結(jié)構(gòu)變化。戶外終端絕緣的低溫DSC測試結(jié)果如圖7所示。硅橡膠試樣均在升溫過程中出現(xiàn)熔融峰，4個試樣的熔點均在-44 ℃附近。試樣的熔點越低說明結(jié)晶溫度越低，即結(jié)晶越困難。

θ/℃圖7 硅橡膠試樣DSC曲線Fig.7 DSC curves of SIR samples

根據(jù)DSC測試結(jié)果可以得到絕緣試樣的熔點，通過計算熔融峰面積得出熔融熱，進而運用公式(1)可以計算得到硅橡膠試樣的結(jié)晶度：

Dcr=(ΔHfs/ΔH100)×100%

(1)

式中Dcr為試樣的結(jié)晶度，ΔHfs為試樣的熔融熱，ΔH100為試樣結(jié)晶度達到100%時的熔融熱，值為37.4 J/g[18]。計算得到試樣結(jié)晶度如表2所示，其中S3熔點和結(jié)晶度最高，S4最低，但整體差別不大。

表2 硅橡膠絕緣試樣結(jié)晶度Tab.2 Crystallinity of SIR insulation samples

硅橡膠試樣熱失重曲線如圖8所示。試樣在350 ℃前均未發(fā)生明顯的失重，S1，S2試樣在400 ℃附近開始分解，S3，S4的初始分解溫度較低，約為360 ℃。S3，S4在450 ℃附近開始第二階段的分解，而S1，S2第二階段的失重曲線變化不明顯，但溫度高于S3，S4試樣。整體看來，隨著電纜戶外終端運行時間的增加，硅橡膠絕緣的初始分解溫度和第二階段分解溫度均降低。TGA測試中4個試樣的殘余質(zhì)量分別為75%，68%，66%，52%，S3，S4試樣在第一和第二階段的分解速度均高于S1，S2試樣，故其殘余質(zhì)量較低。TGA結(jié)果表明，隨著硅橡膠絕緣材料運行時間的增加，SIR的分解溫度和殘余物質(zhì)質(zhì)量均降低，通過熱失重分析對SIR進行表征，可有效評價其老化的程度。

θ/℃圖8 硅橡膠試樣熱失重曲線Fig.8 TGA curves of SIR samples

總結(jié)前文的測試方法和測試結(jié)果，F(xiàn)TIR和XRD測試可以直觀地獲得絕緣材料的成分及分子結(jié)構(gòu)等信息，但老化前期SIR的特征官能團和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)可能不會發(fā)生明顯的改變，同時FTIR和XRD測試主要應用于實驗室小樣品的測試。在介電參數(shù)測試中，體積電阻率可以較為準確地反映SIR的運行和老化狀態(tài)，同時電阻測試有望應用于電纜及附件絕緣狀態(tài)的現(xiàn)場測試和評估。絕緣材料的表面電位衰減和陷阱參數(shù)可一定程度地反映材料的老化狀態(tài)，同時陷阱參數(shù)及電位衰減與材料電阻率變化關(guān)聯(lián)性較強，可作為絕緣老化的輔助分析。從實驗室測量角度看，TGA測試中的分解溫度和殘余質(zhì)量也可間接評價SIR的老化程度。

由前文測量結(jié)果可知，運行2年的S1試樣含有少量氧化基團，其電阻率低于同樣運行年限的S2試樣，同時其陷阱能級較淺，熱分解溫度較低，初始熱分解速度也高于S2，這些指標均表明，雖然同樣運行了2年，但S1的老化程度高于S2。不同運行年限的戶外終端絕緣也有相似的老化規(guī)律。不同測試方法之間的關(guān)聯(lián)性較好，多種測量和表征手段聯(lián)合可更準確地評價電纜終端絕緣的老化狀態(tài)。

3 結(jié)論

對電纜戶外終端SIR絕緣的材料特性、陷阱參數(shù)、介電及熱學性能進行了測試和分析，結(jié)論以下：

(1)隨著電纜戶外終端運行年限的增加，硅橡膠絕緣體積電阻率降低，陷阱能級變淺，材料分解溫度和殘余質(zhì)量降低；老化較為嚴重的樣品，其介電常數(shù)增加，熔點和結(jié)晶度降低。

(2)硅橡膠絕緣的體積電阻率、陷阱參數(shù)分布和熱失重分析可較為有效地評價電纜戶外終端硅橡膠絕緣的老化狀態(tài)，其中電阻測試有望成為電纜絕緣老化評價的現(xiàn)場測試手段。