基于抗老化劑含量分布的交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層老化特性

尹游，李詩雨，胡佳，周凱

(1.國網(wǎng)四川省電力公司樂山供電公司，四川樂山 614000；2.四川大學電氣工程學院，成都 610065)

交聯(lián)聚乙烯電力電纜因其優(yōu)異的力學和絕緣性能，已廣泛應用于城市配電網(wǎng)中[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，截至2020 年初，國家電網(wǎng)公司在運配電電纜總長度已達到76.7 萬km[4]。電纜在整個運行周期內(nèi)持續(xù)受到多種老化因子(如電場、溫度、水分等)作用，絕緣層逐漸劣化，各項性能下降，產(chǎn)生危及電纜安全運行的絕緣缺陷，并可能進一步引發(fā)故障，導致停電事故，目前老化缺陷已成為電纜發(fā)生故障的一個重要原因[5]。因此，分析現(xiàn)場運行電纜絕緣層老化特性及其成因，對于認識電纜在實際復雜環(huán)境運行過程中的老化規(guī)律及對老化狀況的診斷具有重要意義。

針對運行中的老化電纜，Hvidsten 等[6]、Steinfeld 等[7]和周凱等[8]研究發(fā)現(xiàn)，電纜的半導電層會在運行過程中發(fā)生電化學降解并產(chǎn)生微孔，半導電層炭黑材料會逐漸擴散進入交聯(lián)聚乙烯內(nèi)部，加速電纜劣化。任廣振等[9]、羅潘等[10]研究發(fā)現(xiàn)，退運高壓交聯(lián)聚乙烯電纜不同位置的絕緣層理化性能和空間電荷分布存在差異。劉剛等[11]對退運電纜絕緣層理化和介電性能進行了分析，并評估了電纜的剩余使用壽命。目前的研究主要關注運行電纜絕緣層的理化和介電性能，而電纜在服役期間的絕緣層老化特性變化過程與內(nèi)部抗老化劑的關聯(lián)尚未引起充分關注。

實際上，電纜絕緣層中的抗老化劑含量與其劣化情況緊密相關[12-13]。電纜運行過程中，絕緣層內(nèi)部的抗老化劑被消耗或流失，含量逐漸減少，并進一步加劇電纜老化。而抗老化劑含量的減少與實際運行電纜老化特性之間存在何種關聯(lián)，目前還未見相關研究報道。分析尋找運行老化電纜絕緣層不同位置老化狀態(tài)和內(nèi)部抗老化劑存留情況之間的關聯(lián)，對分析運行電纜老化機理，以及為絕緣診斷與修復技術在運行老化電纜中的應用提供幫助，都具有重要意義。

筆者分析了不同運行年限退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層徑向不同區(qū)域的熱氧老化和電氣強度差異，并建立了不同時期電纜絕緣層中抗老化劑含量的分布模型，為探究現(xiàn)場運行電纜絕緣層的老化行為特性提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

城市10 kV 配電網(wǎng)退運交聯(lián)聚乙烯電纜：YJLV22 8.7/10 kV，絕緣層厚度為4.5 mm，某公司；

城市10 kV 配電網(wǎng)新交聯(lián)聚乙烯電纜：YJLV22 8.7/10 kV，絕緣層厚度為4.5 mm，尚緯股份有限公司。

1.2 主要儀器與設備

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Nicolet 6700型，美國熱電公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：Q200 型，美國TA 公司；

電壓擊穿試驗儀：DDJ-50kV 型，北京冠測精電儀器設備有限公司。

1.3 樣品制備

采用切片機對交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層的不同位置(內(nèi)、中、外層)進行取樣，取樣位置如圖1所示。以新交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層作為對照樣品，對退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層進行測試分析。不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層的樣品編號見表1。

圖1 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層不同位置取樣示意圖

表1 不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜的樣品編號

1.4 性能測試

FTIR 測試：測試波數(shù)為400～4 000 cm-1，分辨率為0.09 cm-1。測試樣品厚度選取(120±20) μm，盡可能保持一致，以減少測試誤差，測試前用酒精擦拭樣品表面，并在25℃下放置2 h。

氧化誘導時間測試：參照GB/T 19466.6-2009，測試升溫前，將試樣在氮氣氣氛下預先吹洗5 min，氮氣流速為(50±5) mL/min，在氮氣氣氛下，將試樣以20℃/min 的速率從室溫加熱到測試溫度200℃，并恒定在該溫度約10 min，此后將氮氣更換成流速為(50±5) mL/min 的干燥氧氣，并把氮氣和氧氣的切換點作為測試記錄的起始點，繼續(xù)加熱直到DSC 曲線出現(xiàn)明顯放熱峰，該段時間即為測試樣品的氧化誘導時間。

電氣強度測試：參照GB/T 1408.1-2016，選取直徑為25 mm 的球-球電極進行試驗。為防止測試升壓過程中電極邊緣空氣產(chǎn)生局部放電，將試樣和電極全部浸入25#變壓器油中。試驗采用勻速升壓方式，升壓速率為1 kV/s，試驗環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為60%，對測試結果進行Weibull 統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 FTIR 測試

對不同運行年限退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層樣品的不同位置取樣，進行FTIR 測試，結果如圖2所示。

圖2 不同運行年限退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層樣品不同位置取樣FTIR 測試結果

由于退運電纜的絕緣層為交聯(lián)聚乙烯，因此在如圖2 所示的FTIR 譜圖中的1 435，2 864，2 922 cm-1處出現(xiàn)亞甲基面外變形振動、對稱和不對稱伸縮振動峰以及1 370 cm-1處的甲基伸縮振動峰。隨著運行年限的增加，這幾處的紅外吸收峰強度逐漸減小，這是因為電纜在運行過程中，絕緣層受到電場、溫度、空氣等因素的作用，交聯(lián)聚乙烯發(fā)生分子鏈的斷裂和一系列氧化等化學反應，導致甲基和亞甲基的紅外吸收峰強度減小[8]。

隨著運行年限的增加，退運電纜絕緣層的FTIR譜圖中開始出現(xiàn)C=O (1 720 cm-1)，C—O (1 276，1 113 cm-1)的特征峰，表明電纜存在較為明顯的熱氧老化，且吸收峰強度隨運行年限增加而增大，絕緣不同位置的吸收峰強不同，其氧化程度存在差異。

羰基吸收峰強度可以直接表征絕緣層的熱氧老化程度。因此，為進一步確定絕緣層不同位置的熱氧老化程度差異，定義絕緣層的內(nèi)層或外層在1 720 cm-1處的羰基吸收峰面積(Rn)與對應中層吸收峰面積(Rm)的差值比(ΔRn)如式(1)所示：

式(1)中，ΔRn＞0，說明該層熱氧老化程度大于中層，ΔRn＜0，說明該層熱氧老化程度小于中層。不同運行年限退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層內(nèi)、外層的ΔRn計算結果見表2。

表2 不同運行年限退運交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層內(nèi)、外層的ΔRn 計算結果

由表2 可以看出，A，B，C 退運電纜絕緣層的內(nèi)層和外層的熱氧老化程度大于中層，D 退運電纜絕緣層的內(nèi)層的熱氧老化程度小于外層和中層，表明電纜在運行過程中其絕緣層的熱氧老化程度存在差異，為非均勻老化。電纜運行初期，絕緣層熱氧老化不明顯，徑向的熱氧老化程度差異不大。而對于運行時間更長的電纜絕緣層，該差異性更加明顯。整體而言，電纜絕緣層徑向熱氧老化的差異性隨著運行年限的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2.2 氧化誘導期測試

氧化誘導時間可以作為衡量交聯(lián)聚乙烯氧化穩(wěn)定性的參數(shù)，其可以反映電纜絕緣層中抗氧劑消耗完全的時間，也可反映材料內(nèi)部抗氧劑含量的多少[14]。不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層的氧化誘導時間測試結果見表3。

表3 不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層的氧化誘導時間測試結果 min

電纜在運行期間，絕緣層受到多種老化因子作用產(chǎn)生自由基，內(nèi)部的抗氧劑與自由基反應逐漸消耗，表現(xiàn)為隨著運行年限的增加，內(nèi)部抗氧劑含量逐漸降低，氧化誘導時間逐漸減小，材料的抗熱氧老化能力下降，此時絕緣在受到各老化因子作用時，其熱氧老化速率會加快。

對比表3 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相比新電纜絕緣層，不同運行年限電纜絕緣層不同位置抗氧劑減少的情況有所差異，其外層和內(nèi)層抗氧劑減少的速率更快，表明電纜在運行過程中其內(nèi)部的抗氧劑的消耗和流失沿徑向是非均勻的。這是因為電纜在運行過程中，其外層和內(nèi)層受到老化因子的作用更強，絕緣層中的抗氧劑消耗和流失更快。運行19 a 及以上時，退運電纜C 和D 絕緣層的氧化誘導時間基本為0，說明其內(nèi)部抗氧劑的含量基本為0。

2.3 電氣強度測試

電氣強度是衡量交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層質量水平最直接有效的參數(shù)。對不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層位置取樣后進行電氣強度測試，測試結果的Weibull 分布如圖3 所示。

取失效概率為63.2%對應的數(shù)值作為樣品的電氣強度。由圖3 可以看出，隨著電纜運行年限的增加，絕緣層不同位置的電氣強度均呈現(xiàn)下降趨勢，表明電纜在運行過程中的絕緣性能逐漸劣化。

圖3 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層的電氣強度Weibull 分布圖

對于同一電纜，其絕緣層不同位置的電氣強度大小也并不相同。為進一步表征絕緣層不同位置電氣強度的差異，定義絕緣層內(nèi)、外層的電氣強度(Yn)與對應中層(Ym)的電氣強度的差值比(ΔYn)如式(2)所示：

不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層的ΔYn計算結果見表4。

由圖3 和表4 可以看出，新電纜絕緣層徑向不同位置的電氣強度也有所不同，這可能是電纜在制造過程中內(nèi)、外側受熱不均勻、電氣強度數(shù)據(jù)的分散性等原因造成的，但其差異性??；對于退運電纜，絕緣層內(nèi)、外層的電氣強度小于中層，絕緣層徑向不同位置的電氣強度大小具有明顯的差異性，這種差異性隨電纜運行年限的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。運行19 a 的C 退運電纜絕緣層內(nèi)層的電氣強度與中層差異最大，其ΔYn達到13.9%。

表4 不同運行年限交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層各層的ΔYn 計算結果

交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層的電氣強度與材料內(nèi)部的電壓穩(wěn)定劑具有緊密的聯(lián)系。電壓穩(wěn)定劑具有較高的電子親和能，能夠捕獲高能電子[13]，在進行電氣強度測試時，它們會削弱高能電子對交聯(lián)聚乙烯分子鏈的破壞作用，導致電纜絕緣層的電氣強度升高。由于電纜絕緣層中電壓穩(wěn)定劑的準確含量很難直接測量，因此，對于電纜絕緣層本身而言，電氣強度的大小可以側面反映電纜絕緣層中電壓穩(wěn)定劑的存留情況。

由于試驗電纜絕緣層中的電壓穩(wěn)定劑種類未知，因此只討論同一電纜絕緣層的差異性情況。電纜絕緣層因受到工作電壓、過電壓等的影響，絕緣層內(nèi)部的電壓穩(wěn)定劑會逐漸消耗，其耐電性能下降。由圖3 和表4 可知，絕緣層不同位置的耐電性能不同，絕緣層中層的耐電性能較內(nèi)層高，這是因為絕緣層內(nèi)層在運行中受到的電場強度更高，電壓穩(wěn)定劑更易被消耗。而絕緣層外層的耐電性能比中層低，這可能是因為電纜運行環(huán)境潮濕，絕緣層外層中的電壓穩(wěn)定劑流失情況比較嚴重導致的。

2.4 電纜絕緣層抗老化劑含量分布模型

上述測試結果表明，電纜絕緣層徑向不同位置的老化存在差異。這是因為電纜在投入運行后，絕緣層受到電場、溫度、水分、外部環(huán)境等的影響程度是不同的。以將絕緣層分為外層、中層和內(nèi)層為例，外層絕緣更易受到外部環(huán)境的影響，如空氣、水分、機械應力等，內(nèi)層受到運行溫度、電場、金屬離子腐蝕[8，15]等的作用更加明顯，而中層通常介于兩者之間。絕緣層不同位置受到老化因子作用程度不同會導致絕緣層的運行老化出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象在整個電纜運行周期內(nèi)會逐漸顯現(xiàn)。

為了減緩老化速率，提高運行壽命，電纜在生產(chǎn)制造過程中會向絕緣料中加入一系列的添加劑，其中電壓穩(wěn)定劑和抗氧劑與電纜絕緣層的老化進程密切相關。電壓穩(wěn)定劑可以增強材料的耐電性能和抗樹枝化性能，抗氧劑可以延緩材料的熱氧降解[16]。在電纜運行過程中，絕緣層中的電壓穩(wěn)定劑和抗氧劑含量會逐漸減少。

根據(jù)不同運行年限退運電纜老化特性分析結果，建立的電纜絕緣層抗老化劑含量分布模型如圖4 所示。

圖4 電纜絕緣層抗老化劑含量分布模型

由圖4 可知，對于新電纜，制造過程中因受熱不均等原因，絕緣層不同位置的抗老化劑含量也會不同，但差異很小。對于現(xiàn)場運行老化電纜，抗老化劑在絕緣層不同位置的存留情況與該位置絕緣層的老化狀況存在一定的對應關系。電纜在運行初期，由于絕緣層內(nèi)部存在較高含量的抗老化劑，能夠減緩老化速率，此階段主要為材料內(nèi)部抗老化劑的逐漸消耗，體現(xiàn)為絕緣層的FTIR 譜圖中氧化基團無明顯增加，但電氣強度和氧化誘導時間有所下降。因運行過程中電纜絕緣層內(nèi)層受到較大的電場和溫度作用，外層受到外部環(huán)境(如水分)的影響較大[17]，內(nèi)、外層抗老化劑減少速率高于中層，因而內(nèi)、外層的電氣強度和氧化誘導時間低于中層。此階段抗老化劑能有效抑制絕緣層的老化，絕緣層的老化程度較輕，不同位置的老化程度差異不明顯。

隨著運行時間的增加，老化中期，絕緣層內(nèi)部的抗老化劑含量繼續(xù)減少，其抑制絕緣層老化速率的能力降低。因絕緣層內(nèi)層和外層抗老化劑的消耗速度更快，其老化速率會加快，相對中層而言，內(nèi)、外層的老化程度更嚴重，絕緣層開始出現(xiàn)比較明顯的非均勻老化，此時在抗老化劑濃度差、電場[1]等因素的作用下，中層的抗老化劑會逐漸向內(nèi)、外層擴散，中層抗老化劑含量在老化因子和擴散運動兩者的作用下逐漸減少。當抗老化劑含量較低甚至被完全消耗時，此時電纜絕緣層進入加速老化階段，絕緣層各層之間的老化速率增加，劣化程度增大，但相互間老化程度的差異性逐漸減小，非均勻老化程度降低。建立的運行電纜在不同時期的抗老化劑含量分布模型，可以為應用電纜絕緣層修復技術提升運行電纜的絕緣性能提供幫助。

4 結論

(1)電纜運行年限較短時，因電纜絕緣層內(nèi)部抗老化劑的作用，絕緣層的熱氧老化程度輕，電氣強度和氧化誘導時間有所下降，但絕緣層徑向不同位置的數(shù)值差異性小。隨著運行年限增加，絕緣層徑向不同位置受到老化因子的影響程度不同，絕緣層徑向不同位置抗老化劑含量開始顯著不同，熱氧老化程度、電氣強度和氧化誘導時間差異性增大，絕緣層出現(xiàn)非均勻老化情況，且非均勻老化程度先增大后減小。

(2)建立的運行電纜在不同時期的抗老化劑含量分布模型，可以為應用電纜絕緣層修復技術提升運行電纜的絕緣性能提供幫助。