電熱聯(lián)合老化對高壓XLPE電纜絕緣介電頻譜特性的影響

陳健濤, 趙一楓, 范星輝，劉剛

(廣東省綠色能源技術重點實驗室(華南理工大學 電力學院)，廣東 廣州510641)

XLPE電力電纜因具有電氣性能優(yōu)越、耐熱性能優(yōu)良和傳輸容量大等優(yōu)點，得到廣泛應用[1]。在實際運行過程中，電纜絕緣長期受到電、熱以及機械等應力的作用會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，最終可能造成嚴重的電力事故[2-3]。因此，XLPE電纜在長期運行過程中的絕緣性能變化情況一直是電網部門關注的重點。

電纜絕緣的介電頻譜特性直接決定電纜的使用壽命，對此，國內外學者構建了電纜絕緣老化狀態(tài)與介電頻譜特性的關聯(lián)性。Yuka Hasegawa等[4]發(fā)現(xiàn)頻率為1 Hz時，低密度聚乙烯的介電常數(shù)在120～200 ℃范圍內隨溫度增大而減小，這與絕緣的熱膨脹有關；因此，絕緣的老化狀態(tài)可用其介電特性的變化來表征。朱曉輝等[5]分析高壓交聯(lián)電纜絕緣的介質損耗因數(shù)頻譜圖發(fā)現(xiàn)，當頻率低于0.1 Hz時，介質損耗的正切值tanδ隨老化程度的加深而增大，可作為評估在運XLPE電纜老化狀態(tài)的有效手段。耿蒲龍等[6]在研究溫度與頻率對XLPE電纜泄漏電流的影響時，發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣松弛極化的增強會造成復介電常數(shù)增大，泄漏電流也會隨之增大。然而，很少研究考慮電纜結構特性引起絕緣各層老化程度的差異性，以及電纜整體絕緣的介電特性對絕緣老化的進一步影響。

相關研究[7-9]發(fā)現(xiàn)電纜在實際投入運行一段時間后，分子鏈和晶體結構均會出現(xiàn)改善，進而改善絕緣的介電特性。這種現(xiàn)象的原因主要可概括為溫度效應和電場效應的作用[10-11]。溫度效應主要體現(xiàn)在交聯(lián)劑的二次反應[12]和晶體結構的再生長[13]，電場效應主要體現(xiàn)在介電泳力對極性低分子的遷移作用。因此，研究電熱聯(lián)合因素對XLPE電纜絕緣劣化的影響對于延長電纜壽命和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

在電力電纜絕緣狀態(tài)評估研究中，考慮到結構特性引起的電場和溫度場分布變化，主要采用電熱聯(lián)合整體電纜老化試驗。然而，由于人力、物力成本高，運行周期長，試樣消耗量大，相關研究仍較少。Y.Xie等[14]對退役XLPE電力電纜進行了不同運行模式下整體電纜熱老化試驗，發(fā)現(xiàn)在短期高溫熱處理下，由于淬火效應，電纜絕緣各層的熱力學和電學性能均有不同程度改善。Tzimas A等[15]對XLPE絕緣交流電纜施加不同的電熱條件和不同的持續(xù)時間進行加速老化試驗，發(fā)現(xiàn)擊穿電場強度的大小與絕緣老化時間、老化溫度和電壓密切相關。趙一楓等[16]對2條退役110 kV XLPE電纜進行了180 d的預鑒定試驗，發(fā)現(xiàn)XLPE空間電荷的遷移、積累和耗散與其在不同老化狀態(tài)下的結構形態(tài)密切相關。盡管如此，現(xiàn)階段仍缺乏考慮高壓電纜實際運行不同負荷條件下電熱因素對整體電纜絕緣老化狀態(tài)的評估。

針對現(xiàn)階段研究的不足，本文對2回30 m長的110 kV交聯(lián)電纜進行為期180 d的電熱聯(lián)合老化試驗，其中一回電纜采用恒溫老化方式，另外一回采用周期性熱循環(huán)老化方式。這2種方式分別模擬恒定負荷和波動負荷情況下電纜線路的絕緣老化狀況。選取老化試驗前后電纜內、中和外層的絕緣作為研究對象，并通過介電頻譜分析不同老化方式下絕緣的介電頻譜特性，建立整體絕緣的電場分布。最后，結合傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)實驗和差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)實驗，建立絕緣各層形態(tài)學結構變化與整體絕緣電場分布的聯(lián)系，實現(xiàn)對電纜絕緣老化微觀結構及宏觀表現(xiàn)的定量統(tǒng)一分析。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用國內生產的110 kV YJLW03-Z-64/110-1×500高壓交流XLPE電纜作為研究對象。電纜橫截面如圖1所示，其中R1—R8分別為電纜各層對應的外徑尺寸。

圖1 試驗電纜截面

1.2 電熱聯(lián)合老化試驗

電熱聯(lián)合老化試驗平臺設置如下：對2回并聯(lián)的30 m長的試驗電纜分別采用電熱恒溫老化和電熱周期性熱循環(huán)老化方式，進行為期180 d電熱聯(lián)合老化試驗，模擬恒定負荷和波動負荷下電纜線路的絕緣老化狀況。電熱聯(lián)合老化試驗平臺原理圖如圖2所示。

圖2 電熱聯(lián)合老化試驗平臺原理圖

升壓單元中的試驗電壓由串聯(lián)諧振高壓發(fā)生器產生，設置為恒定1.5 倍額定電壓U0(95 kV，U0= 63.5 kV)。試驗溫度控制由穿心變壓器施加大電流產生的焦耳熱實現(xiàn)，其中恒溫老化方式下導體溫度一直保持在90～95 ℃；周期性熱循環(huán)老化方式下每48 h為1輪熱循環(huán)，其中加熱時間為24 h，冷卻時間24 h，并且保證導體溫度在90～95 ℃至少16 h。試驗過程中2回試驗電纜均未出現(xiàn)絕緣擊穿狀況。

1.3 取樣與試樣編號

采用電纜環(huán)切機沿電纜圓周方向對截取的電纜短樣XLPE絕緣層進行切割取樣，制取表面平整、厚度為0.4 mm 的片狀試樣。分別選取電纜絕緣內、中和外層處的試樣作為研究對象，根據(jù)各試樣電熱聯(lián)合老化方式的不同進行編號，見表1。其中，S0為未經電熱聯(lián)合老化試驗的試樣，S0-1和S0-2為經不同電熱聯(lián)合老化方式試驗后的試樣。

表1 試驗編號

1.4 診斷分析實驗

介電頻譜實驗：采用德國Novocontrol公司生產的ALPHa-ANB寬頻介電阻抗譜儀測試試樣。實驗前先在試樣兩側噴涂直徑為20 mm的對稱鍍金電極，鍍膜厚度為25 nm。測試頻率f為10-2～107Hz，測量電壓范圍為10-6～3 V，溫度設置為30 ℃。

FTIR實驗：采用德國Bruker公司生產的VERTEX 70紅外光譜儀，實驗在衰減全反射(attenuated total refraction，ATR)模式下以分辨率為0.16 cm-1、信噪比為55 000∶1的方式在波長范圍600～3 600 cm-1內對等厚度的各個試樣進行掃描，然后通過OPUS軟件分析獲得的光譜。

DSC實驗：采用德國NETZSCH 公司生產的DSC 214測試儀，測量試樣升溫及降溫過程中的熱流。稱取大約5 mg試樣，用酒精充分擦拭后開始實驗。實驗過程中，設定升溫速率10 ℃/min，從30 ℃升至150 ℃后恒溫5 min，之后以降溫速率10 ℃/min降至30 ℃，該設定重復2次，本文選取第2次升溫階段的熱流曲線進行分析。

2 實驗結果與分析

2.1 介電頻譜實驗結果與分析

電熱聯(lián)合老化試驗前后試樣各層的相對介電常數(shù)εr和介質損耗的正切值tanδ的結果如圖3和圖4所示。由圖3可知各試樣的εr從低頻到高頻呈現(xiàn)出先劇烈下降后趨于平緩的趨勢。圖4中的tanδ也呈現(xiàn)整體遞減的趨勢，且部分試樣在中頻段出現(xiàn)松弛峰的現(xiàn)象。圖3、4中的現(xiàn)象歸因于介質的弛豫極化，主要包括電子弛豫極化、離子弛豫極化、偶極子轉向極化[17]。對于XLPE，由于絕緣內部存在大量添加劑及其副產物[18-19]，其極化過程主要是偶極子的轉向極化，這個過程具有高頻下介電常數(shù)下降和伴隨能量損耗(松弛峰的出現(xiàn))的特性。

圖3 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層相對介電常數(shù)

圖4 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層介質損耗正切值

由圖3(a)可知：相較于S0，由于老化方式不同，S0-1和S0-2內層絕緣的相對介電常數(shù)εr變化差異較大。其中：S0-1的εr隨頻率變化保持在較低水平且變化不大，極化現(xiàn)象不明顯；S0-2的εr隨頻率增加而驟降，在1～10 Hz頻段的下降速度最為明顯，表明該頻段下XLPE出現(xiàn)明顯極化現(xiàn)象。圖3(b)中，相較于S0，S0-1中層絕緣的εr整個頻段都保持在較高水平，在1～102Hz頻段下降明顯，極化增強；對于S0-2中層絕緣，εr在0.1～1 Hz頻段出現(xiàn)明顯下降，極化程度相較于S0稍微增強。圖3(c)中，S0絕緣外層在中低頻段下的εr很大，可能是由于電纜出廠階段的脫氣過程中大量可揮發(fā)雜質在絕緣外層處聚集導致，經過2種方式老化后，S0-1和S0-2中層絕緣的εr在中低頻處明顯下降，極化程度減弱。

由圖4(a)可知：S0和S0-2的內層絕緣分別在頻段103～104Hz和1～10 Hz處出現(xiàn)損耗松弛峰，這對應于圖3(a)中εr下降最快處的頻段；對于S0-1的絕緣內層，沒有出現(xiàn)損耗松弛峰，表明絕緣中弛豫極化不明顯。此外，低頻處的tanδ主要由漏導損耗決定，由圖4(a)可以觀察到電熱循環(huán)老化方式下S0-2的漏導損耗相對較低，極化松弛峰向低頻段前移，這可能是絕緣的晶態(tài)結構發(fā)生改變導致的。圖4(b)中，S0-1中層絕緣的tanδ在整個頻段保持在較高水平，在10～102Hz頻段處出現(xiàn)松弛峰，這表明在絕緣極化過程加劇的同時絕緣性能下降；對于S0-2中層絕緣，在電熱循環(huán)方式下的漏導損耗雖然稍微增加，但極化特性基本與S0一致。在圖4(c)中，S0外層絕緣的tanδ在1～103Hz頻段處出現(xiàn)大范圍松弛峰，這表明該絕緣中分布較多極性小分子，極化過程明顯。此外，低頻處的高tanδ值也表明電纜絕緣的晶態(tài)結構并不完善；在2種不同老化方式試驗后，可以觀察到S0-1和S0-2松弛峰的消失且tanδ值在整個頻段下降，這表明絕緣中的極化程度減弱，絕緣特性相對得到改善。

2.2 FTIR實驗結果與分析

由圖5可知S0的絕緣內、中、外層在波數(shù)范圍1 596 cm-1、1 650 cm-1和3 370 cm-1處出現(xiàn)極大的吸收峰，這是由電纜出廠階段絕緣內部殘留的大量交聯(lián)副產物導致的。尤其是在3 640 cm-1附近出現(xiàn)尖銳的吸收峰，這是抗氧化劑的特征基團苯酚引起的。從DSC實驗的二次升溫熔融曲線發(fā)現(xiàn)S0-1和S0-2的熔融曲線摒除熱歷史的影響后基本與一次升溫曲線一致，熔融溫度相近，由此可以判斷電熱老化對XLPE的主鏈基本沒有破壞。絕緣中的極性低分子主要由添加劑決定。在2種不同老化方式試驗后，這些吸收峰大部分呈現(xiàn)下降趨勢，這表明180 d的電熱聯(lián)合老化使得絕緣中的極性低分子發(fā)生遷移或揮發(fā)。

圖5 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層FTIR譜圖

為了進一步分析電熱老化前后絕緣中各層極性低分子的遷移狀況對其介電頻譜特性的影響，分別取1 596 cm-1、1 650 cm-1和3 580 cm-1處的吸收峰峰值與1 470 cm-1處吸收峰峰值相比，作為評估絕緣層中極性低分子的含量。具體定義如下：

RARI=I1596/I1471,

(1)

RVI=I165/I1471,

(2)

RHI=I3370/I1471.

(3)

式中：RARI為芳香環(huán)指數(shù)，定義為波長1 596 cm-1下吸收峰數(shù)值I1596與波長1 471 cm-1下吸收峰數(shù)值I1471的比值；RVI為乙烯基指數(shù)，定義為波長1 650 cm-1下吸收峰數(shù)值I1650與I1471的比值；RHI為羥基指數(shù)，定義為波長3 370 cm-1下吸收峰數(shù)值I3370與I1471的比值。

電壓穩(wěn)定劑、抗氧化劑和交聯(lián)副產物中的α-甲基苯乙烯均含有芳香環(huán)，因此RARI可作為絕緣中主要添加劑的含量指標。為了進一步考慮交聯(lián)副產物含量在老化過程中的變化，RVI和RHI可作為絕緣中交聯(lián)副產物的特征指標。圖6為電熱聯(lián)合老化試驗前后試樣各層3個指標展示圖。從RARI數(shù)據(jù)分布可以發(fā)現(xiàn)S0絕緣各層均含有較高含量的添加劑，這是電纜出廠時的初始狀態(tài)，絕緣整體分布著大量的芳香環(huán)類添加劑。對于S0-1，絕緣內層和外層的RARI數(shù)值也明顯下降，但中層卻出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，原因是介電泳力效應[22]作用。具體遷移過程如下：在電熱恒溫老化試驗過程中，絕緣中層出現(xiàn)的局部缺陷處使得局部電場增大，在介電泳力作用下，絕緣內、外層的極性低分子在電場作用下向絕緣中層遷移，在缺陷處積聚，這使得該層的介電常數(shù)和介質損耗增大。而對于S0-2，絕緣各層RARI數(shù)值較S0均有所下降，表明電熱循環(huán)老化方式使得絕緣各層中的部分可揮發(fā)雜質發(fā)生消散。

從RVI和RHI的數(shù)據(jù)分布可知S0-1和S0-2絕緣各層中二者數(shù)值基本都有所下降，這表明電熱刺激會促使絕緣中交聯(lián)副產物的遷移和揮發(fā)。從圖6還可發(fā)現(xiàn)在電熱恒溫條件下，相較于S0，S0-1從內層到外層的RVI和RHI數(shù)值下降幅度逐漸變慢，這也說明高電場和高溫度場會加速交聯(lián)副產物的消散。此外，對于S0-2，RVI和RHI在絕緣各層中比較接近，這表明電熱循環(huán)老化方式可能會使得絕緣中的交聯(lián)副產物分布更加均勻。

圖6 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層的極性低分子指標

2.3 DSC實驗結果與分析

圖7所示為電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層的二次升溫階段熱流曲線；計算得到的具體相關熱參數(shù)見表2，其中Tm為吸熱峰峰值，ΔHf為熔融焓，Rm為熔程。

圖7 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層的二次升溫DSC曲線

結合圖7和表2可以發(fā)現(xiàn)：相較于S0，S0-1的Rm出現(xiàn)不同程度的增大，這表明長時間的電熱恒溫老化試驗使得絕緣中產生了次級結晶。盡管S0-1絕緣內、外層的Rm變寬，但熔融峰稍微向高溫方向移動，表明絕緣中的主結晶在電熱作用下仍得到改善。然而，絕緣中層Rm增大和Tm減小反映出絕緣的晶態(tài)結構出現(xiàn)一定劣化。相較于S0，S0-2絕緣內層的晶態(tài)結構變化與S0-1類似，但是絕緣中、外層的熔融峰稍微向低溫方向移動，絕緣的主結晶出現(xiàn)劣化。為了進一步發(fā)掘電纜絕緣老化的晶態(tài)結構與其介電特性的關系，采用結晶度和主熔融峰晶片厚度作為評估絕緣層晶態(tài)結構狀態(tài)的指標。具體計算方式如下：

(4)

(5)

圖8中，對于絕緣內層，可以觀察到電熱聯(lián)合老化試驗后S0-1和S0-2的d值增大。尤其是S0-2的增長幅度更加明顯，且χ下降，這表明絕緣中的次級結晶在電熱循環(huán)作用下，在先熔融后降溫的過程中發(fā)生重結晶，形成更加致密的晶態(tài)結構。對于絕緣中層，S0-1的d值下降的同時χ卻增大，結合Rm增大的特征可知該絕緣在長期的電熱恒溫下主結晶結構部分轉化為次級結晶，結晶界面的增多引起明顯的界面極化。另外，S0-2的d值小幅下降和χ增大也會加劇極化過程。對于絕緣外層，S0-1的d值和χ上升表明絕緣的主結晶晶態(tài)結構發(fā)生改變，而S0-2則出現(xiàn)輕微劣化。

圖8 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層結晶度和主熔融峰晶片厚度

3 分析與討論

對第2章的實驗結果進行綜合分析與討論，首先獲取介電頻譜中50 Hz頻率下的εr和tanδ(見表3)，用于分析電纜在工頻環(huán)境下的介電頻譜特性。其中，εr決定電纜絕緣中的電場分布，tanδ影響電纜絕緣中的溫度場分布。

表3 電熱聯(lián)合老化試驗前后絕緣各層50 Hz下介電頻譜參數(shù)

對電纜絕緣電場分布的分析可采用夾層極化的方法，將電纜絕緣劃分為內、中、外3層，如圖1所示，各層的電學參數(shù)分別對應表3中的介電頻譜參數(shù)。具體的計算方式如下：

ε1E1=ε2E2=ε3E3,

(6)

(7)

(8)

式中：ε1、ε2、ε3分別為電纜絕緣內、中、外層的相對介電常數(shù)；E1、E2、E3分別為電纜絕緣內、中、外層對應的電場強度，kV/mm；U為導體電壓，此處取1.0U0=63.5 kV；L1、L2、L3分別為絕緣內、中、外層的外徑大小，此處分別取L1=20.5 mm、L2=26 mm、L3=31.5 mm。通過計算得到如圖9所示的電纜整體電場分布。需要特別說明的是圖9中絕緣電場分布僅表示整體分布趨勢，不代表真實電纜絕緣的電場分布。

圖9 電熱聯(lián)合老化試驗前后電纜絕緣的電場分布

由圖9可知S0-1絕緣中的電場分布發(fā)生翻轉，絕緣中層的電場強度大幅減小，而絕緣內、外層電場強度增大。針對S0-1的絕緣中層，結合FTIR和DSC實驗進行分析，可知在電熱恒溫老化作用下，S0-1絕緣內、外層的極性低分子在介電泳效應下發(fā)生遷移向絕緣中層聚集，這些極性小分子促使了異相成核的發(fā)生，生成較多的次級結晶，使得DSC熱流曲線中熔程增大。此外，主結晶晶片厚度下降也說明絕緣中層的晶態(tài)結構出現(xiàn)了一定劣化。因此，S0-1絕緣中層偶極子和晶界面增多，將會增大此處絕緣的轉向和界面極化，從而引起εr和tanδ增大。然而εr的增大會削弱電場強度，電場強度降低也會使得介質損耗降低，從而緩解該處電熱老化的影響，這是絕緣層抵制進一步老化的過程。對于S0-1的絕緣內層和外層，在電熱恒溫老化作用下，絕緣中極性低分子含量下降和主結晶晶態(tài)結構改變，會降低絕緣中的極化過程，造成εr和tanδ下降。盡管電纜絕緣內、外層處電場強度增大，但由于晶態(tài)結構改變和局部溫度場下降，該處發(fā)生絕緣擊穿的可能性會降低。

在S0-2和S0中，S0-1絕緣中的電場分布趨于均勻化。S0-2的內層絕緣中電場強度基本保持不變，該層絕緣中極性低分子的減少和晶態(tài)結構改變使得絕緣的極化過程減弱，電導損耗降低；S0-2的中層絕緣電場強度下降，這可能是由絕緣的主晶態(tài)結構劣化導致的，而絕緣中極性低分子的減少致使tanδ下降；S0-2的外層絕緣中，盡管電纜絕緣的晶態(tài)結構出現(xiàn)稍微劣化，但極性低分子大幅降低了偶極子的轉向極化，使得εr和tanδ均有所下降。

4 結論

本文對2回110 kV XLPE電纜進行為期180 d不同老化方式下的電熱聯(lián)合老化試驗，通過介電頻譜實驗結合FTIR和DSC實驗綜合分析電纜絕緣各層老化在試驗前后的介電頻譜特性變化。得出如下結論：

a)電熱恒溫老化試驗后的電纜內、外層絕緣極性低分子含量下降和主結晶晶態(tài)結構改變，在削弱了絕緣中偶極子的轉向極化和晶界面處極化的同時，也明顯降低了介質損耗；中層絕緣中大量極性低分子的積聚和次級結晶增多，加劇了絕緣的極化現(xiàn)象，且伴隨著明顯的漏導損耗。

b)電熱循環(huán)老化試驗后電纜內層絕緣晶態(tài)結構的極大改變使得漏導損耗明顯下降，弛豫極化向低頻段前移；中層絕緣極性低分子減少使得漏導損耗降低，極化特性變化不明顯；外層絕緣極性低分子的大幅減少明顯削弱了絕緣中偶極子的轉向極化，且降低了絕緣的介質損耗。

c)電熱恒溫老化方式使電纜絕緣中的電場分布發(fā)生翻轉。內、外層絕緣處由于分子鏈結構和晶態(tài)結構得到改善，電場強度增大對絕緣劣化的影響較??；但中層絕緣處由于分子鏈結構和晶態(tài)結構出現(xiàn)劣化，電場強度降低緩解了該絕緣劣化的過程。電熱循環(huán)老化方式使得電纜絕緣中電場分布趨于均勻，這對電纜絕緣的整體劣化過程起到緩解作用。

電纜XLPE絕緣在經過不同的電熱老化方式處理后，電場分布出現(xiàn)的翻轉化和均勻化均是絕緣層抵制進一步劣化的表現(xiàn)形式。因此，有必要研究不同負荷方式和電熱因素作用下電纜整體絕緣的老化機制，為延長不同負荷情況下輸電電纜的運行壽命提供參考。