長(zhǎng)期電熱應(yīng)力對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣耐久性的影響

陳嘉

（江蘇省常州技師學(xué)院）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（Cross-linked Polyethylene，XLPE）因其具有優(yōu)越的絕緣性能，且安裝容易、運(yùn)行簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，是城市電網(wǎng)的主要電纜絕緣類型。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于受到電、熱、輻照及應(yīng)力的影響，電纜會(huì)產(chǎn)生老化[1]。電纜絕緣的熱老化是電纜失效的重要原因之一，在電應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，XLPE分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，其絕緣性能逐漸下降[2-3]。

因此，深入研究長(zhǎng)期電熱應(yīng)力作用下的XLPE電纜絕緣的耐久性，對(duì)實(shí)際工程具有重要意義。本文采用同一批次制造的90kV的XLPE電纜絕緣，將其分別置于不同時(shí)長(zhǎng)的電、熱和電熱應(yīng)力下，一段時(shí)間后將絕緣層剝離，然后對(duì)剝皮進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，并將其與無(wú)應(yīng)力歷史（即未老化）電纜樣品的狀態(tài)相比較。評(píng)估了不同電熱應(yīng)力下的 XLPE 電纜絕緣的耐久性能的變化，為國(guó)產(chǎn)電纜絕緣材料的研發(fā)以及電纜絕緣老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 材料

所有用于耐久性試驗(yàn)的材料除應(yīng)力歷史不同外，均為厚度150μm的XLPE絕緣剝皮，具體見圖1。XLPE是由兩家不同的公司生產(chǎn)的，可以通過(guò)表1名稱欄中的小寫字母“a”和“b”來(lái)區(qū)分；材料名稱是根據(jù)它們所屬電纜的應(yīng)力歷史的首字母縮寫來(lái)構(gòu)造的，如US是unstress的縮寫，ETS是electrothermal-stress的縮寫，以及全壽命周期的使用應(yīng)力SA電纜剝皮。由于試驗(yàn)所用材料由同一批交聯(lián)聚乙烯制成，因此絕緣剝皮之間性能的差異，僅來(lái)自電纜的制造過(guò)程以及電纜的電熱應(yīng)力歷史。

圖1 試驗(yàn)樣品圖

在耐久性試驗(yàn)之前，在環(huán)境323K條件下對(duì)剝皮進(jìn)行48h的熱調(diào)節(jié)，目的是去除揮發(fā)性副產(chǎn)物，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。

1.2 試驗(yàn)方法

耐久性試驗(yàn)A和B在兩種不同的條件下進(jìn)行，如表1所示。在條件A下進(jìn)行多次耐久性試驗(yàn)，用下標(biāo)表示相關(guān)樣本集的個(gè)數(shù)，字母順序與實(shí)際試驗(yàn)的順序相對(duì)應(yīng)。在70kV/mm的交流電場(chǎng)和363K的溫度下進(jìn)行第一個(gè)試驗(yàn)A；試驗(yàn)B保持相同的溫度，但電場(chǎng)強(qiáng)度為55kV/mm ，每次測(cè)試中使用的材料以及它們的應(yīng)力歷史如表2所示。

表1 耐久性試驗(yàn)條件

表2 耐久性試驗(yàn)中所用材料及其所屬電纜的應(yīng)力歷史

在線纜產(chǎn)品失效分析中，威布爾失效函數(shù)分布用途最廣，而且線纜產(chǎn)品遵循威布爾失效形式[4]。采用極值威布爾統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，雙參數(shù)威布爾分布的累積密度函數(shù)表達(dá)式為：

式中，t為被測(cè)變量，通常為擊穿時(shí)間或擊穿電壓；F(t)為在電壓或時(shí)間小于或等于t時(shí)發(fā)生失效的概率；α為定義被測(cè)變量t特征值的刻度參數(shù)，值為正；β為形狀參數(shù)，為正數(shù)。

在計(jì)數(shù)資料中經(jīng)常使用百分?jǐn)?shù)，樣品百分?jǐn)?shù)不可能總是一樣，它們圍繞著總體百分?jǐn)?shù)上下波動(dòng)，因此要對(duì)樣品百分?jǐn)?shù)的可信程度加以估計(jì)，求出置信區(qū)間[5]，第p個(gè)百分位數(shù)的90%置信區(qū)間的界限由下列公式確定：

式中，tl(p)和tu(p)是第p百分位置信區(qū)間的下限和上限。

將計(jì)算的置信區(qū)間表用于本研究中，根據(jù)每次試驗(yàn)中的總樣本數(shù)量和失效的樣本數(shù)量，估計(jì)90%置信極限。本研究中，每種材料使用4個(gè)樣本（n=4），一旦其中3個(gè)樣本不合格（r=3），試驗(yàn)即終止。因子Zl(p)和Zu(p)的值從置信區(qū)間圖中提取，p=0.1%，1.0%，5.0%，10%，30%和95%的百分位數(shù)，α(63.2%)的界限也包括在n=4和r=3中，如表3所示。

表3 n=4和r=3的置信區(qū)間的因子zl(p)和zu(p)取值

針對(duì)壽命分布的置信區(qū)間估計(jì)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有一定的價(jià)值[6]。區(qū)間將真實(shí)數(shù)量的任何特定百分位以90%的概率包圍起來(lái)。試樣的數(shù)量越多，上下曲線越接近。用下面的公式計(jì)算形狀參數(shù)β的置信區(qū)間：

式中，βl和βu分別是區(qū)間的下限和上限；n=4和r=3時(shí)的因子Wl和Wu分別為0.456和4.67。

1.3 樣品處理

用來(lái)自同一家材料供應(yīng)商的交聯(lián)聚乙烯樹來(lái)制作超高壓（EHV）電纜模型。90kV電纜絕緣厚度為14mm，結(jié)構(gòu)如圖1a所示。這些電纜經(jīng)過(guò)電熱應(yīng)力處理后，用特殊設(shè)計(jì)的冷凍刀將絕緣剝皮（剝皮厚度為150μm）削皮，剝皮被削成寬度為8cm的一卷，如圖1b所示，并完全密封在鋁制袋內(nèi)，以供研究；并且將其儲(chǔ)存在278K左右的溫度，以防止其發(fā)生進(jìn)一步的變化；然后選取從內(nèi)部半導(dǎo)體屏中2～4mm（或盡可能接近這些邊緣）處的樣本，用以研究剝皮的特性。

經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)程后，用于耐久性試驗(yàn)的A和B樣品被放置在電極之間，并浸入硅油中，如圖2所示。為了避免氣泡滯留在試樣與電極界面之間，將整個(gè)托盤置于真空狀態(tài)，直至觀察不到氣泡，然后將托盤移至高壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。通過(guò)控制器控制溫度在363K，直到4個(gè)樣本中有3個(gè)失敗，才從高壓裝置中取出樣本。

擊穿時(shí)間由高壓斷路器記錄，其精度為1/100h。一旦一個(gè)樣本失效，所有樣本的電源都被切斷。使用歐姆表對(duì)樣品進(jìn)行識(shí)別，然后將其與高壓鉆機(jī)隔離，這樣就可以通過(guò)將電壓提高到所需值來(lái)重新接通電源，即將失效的試件保留在圖2所示的托盤中，直到所有材料的三個(gè)試件都失效。

1.4 電極設(shè)計(jì)

高壓電極為圓柱形黃銅，半徑為2.5cm，高度為3.0cm，邊緣為圓形，以減少發(fā)生在極不均勻電場(chǎng)中的電暈放電。底部電極是一個(gè)厚度為5mm的鋁板，其中最多可以放置4個(gè)高壓電極。通過(guò)在黃銅電極上方放置厚度為5mm的有機(jī)玻璃板，并將該板擰到電極上，從而將其壓到XLPE樣品上，以確保良好的接觸，如圖2所示。

圖2 耐久性試驗(yàn)設(shè)置的高壓電極

2 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素

2.1 高電和熱應(yīng)力下的耐久性試驗(yàn)A

在70kV/mm的電場(chǎng)和363K的溫度下進(jìn)行的耐久性試驗(yàn)的具體結(jié)果如圖3所示。圖中用實(shí)線及90%置信區(qū)間（虛線）表示具有最長(zhǎng)電熱史的ETS2a樣品的威布爾分布，用填充三角形表示ETS2a的數(shù)據(jù)。填充符號(hào)表示在363K溫度下經(jīng)歷5000h應(yīng)力的電纜材料，未填充的符號(hào)表示沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)熱應(yīng)力的材料?？梢杂^察到所有的填充符號(hào)都在材料的90%置信度區(qū)間內(nèi)；但是也有例外：如3000h電熱應(yīng)力下的材料ETS3a（用“x”符號(hào)表示）的第一次失效是在區(qū)間范圍內(nèi)，而其他兩次失效則不在區(qū)間范圍內(nèi)；除了電應(yīng)力材料E_S2a的第一次失效外，無(wú)應(yīng)力歷史或者僅有電應(yīng)力歷史的電纜材料的耐久壽命都在90%置信區(qū)間之外。因此，熱應(yīng)力歷史似乎是導(dǎo)致電纜剝皮耐久壽命降低的主要原因。在ARTEMIS方案中，XLPE絕緣電纜的電場(chǎng)水平?jīng)]有顯著影響，3000h電熱應(yīng)力下的樣品（ETS3b）的數(shù)據(jù)表明，這一時(shí)間不足以影響材料的性能。一般而言，圖3中的失效可以分為具有相似統(tǒng)計(jì)屬性的兩組類別：一組是填充符號(hào)，另一組是空心符號(hào)。填充符號(hào)組（由連續(xù)線圓指示）包括5000h以上363K熱應(yīng)力的失效樣本，空心符號(hào)組（按虛線圈分組）包括無(wú)應(yīng)力歷史或僅有電應(yīng)力歷史的失效電纜樣品。

圖3 不同電熱歷史下電纜剝皮失效時(shí)間的威布爾圖

圖4比較了有電熱應(yīng)力歷史的電纜和無(wú)應(yīng)力歷史電纜的耐久壽命，結(jié)果表明，電熱電纜的應(yīng)力歷史顯著降低了絕緣材料的抗電應(yīng)力能力，是導(dǎo)致材料壽命減短的主要原因。圖中包含兩個(gè)不同壽命數(shù)據(jù)的電纜剝皮，這些電纜要么有過(guò)電熱應(yīng)力歷史，要么無(wú)應(yīng)力歷史；圖3中的填充三角形表示在電熱應(yīng)力下材料的失效，其與重復(fù)試驗(yàn)下的耐久性數(shù)據(jù)結(jié)合使用，形成電熱應(yīng)力下材料的失效概率集。兩組材料具有非常相似的形狀參數(shù)，在圖中表示為β，但特征值α是明顯不同的。這表明，在ARTEMIS方案期間，相對(duì)于未受應(yīng)力的材料，有電熱應(yīng)力歷史的材料，其耐久能力發(fā)生明顯的變化。

圖4 試驗(yàn)a中有電熱應(yīng)力歷史和無(wú)應(yīng)力歷史材料的失效比較

圖5繪制了在耐久性測(cè)試A下每個(gè)材料集的特征值α與相應(yīng)的90%置信區(qū)間，在黑色豎線的左手邊，無(wú)論是無(wú)應(yīng)力歷史或者單電應(yīng)力歷史的材料，都具有非常相似的特征值；黑線的右側(cè)是具有熱應(yīng)力歷史和電熱應(yīng)力歷史的材料，它們的特征值通常小于左邊。兩組用黑色線圈出的材料特性，它們的特征值與無(wú)應(yīng)力歷史的材料相似，在總體趨勢(shì)之外；一些材料的置信區(qū)間很窄，這說(shuō)明在這些樣本集合中，產(chǎn)生失效的特征只具有很小范圍的樣本變化，這樣的集合（ETS3b）往往具有較短的生命周期，反映出其包含著許多相同類型的嚴(yán)重缺陷。相反，其他集合則不同于一般趨勢(shì)，因此它們幾乎沒(méi)有產(chǎn)生任何的失效特征。

圖5 參數(shù)α的90%置信極限

2.2 低電高熱應(yīng)力耐久性試驗(yàn)b

在場(chǎng)強(qiáng)為55kV/mm的電場(chǎng)和363K的溫度下，五組不同應(yīng)力歷史的剝皮分別是：無(wú)應(yīng)力歷史US b，電應(yīng)力歷史E_S2a，電熱應(yīng)力歷史ETS2a和使用應(yīng)力SA，這些材料的失效情況如圖6b所示。一方面，它們?cè)?.8x107s的時(shí)間內(nèi)共發(fā)生了8次失效，但由于是在接通電壓后立即發(fā)生的，圖6b中只顯示了7個(gè)；非應(yīng)力材料是唯一沒(méi)有在1.8x107s內(nèi)失效的材料；另一方面，熱應(yīng)力歷史材料、電熱應(yīng)力歷史和使用應(yīng)力材料的4個(gè)試件中有2個(gè)失效，無(wú)論這三種材料經(jīng)歷怎樣不同的電應(yīng)力，但它們都經(jīng)歷過(guò)363K溫度下的熱應(yīng)力。因此，材料的應(yīng)力歷史對(duì)其耐久壽命的影響與高溫下耐久性試驗(yàn)A的結(jié)果一致。

圖6 方框及其形狀表明已發(fā)生的所有樣本失效

如圖6所示，具有熱和電熱應(yīng)力歷史的材料比其他材料更早失效。盒子是由第25和第75百分位決定的；形狀由第5百分位和第95百分位決定。在70kV/mm、55kV/mm的電場(chǎng)下和363K的高溫下的耐久性試驗(yàn)A和B表明，電纜剝皮的應(yīng)力歷史確實(shí)會(huì)降低材料的耐久性，特別是在熱應(yīng)力歷史或電熱應(yīng)力歷史情況時(shí)，這些結(jié)果也與之前的耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。在耐久性試驗(yàn)中，只有電應(yīng)力歷史的剝皮耐久性沒(méi)有顯著下降。由圖6可知，應(yīng)力歷史對(duì)耐久性的影響由輕到重依次為無(wú)應(yīng)力；電應(yīng)力；熱應(yīng)力；電熱/使用應(yīng)力。該排名表明，電和熱應(yīng)力本身對(duì)XLPE絕緣的降解比兩者結(jié)合時(shí)要小，由于制造電纜的基樹脂以及整個(gè)過(guò)程都是相同的，因此，耐久性測(cè)試數(shù)據(jù)的差異只能歸因于電纜受力過(guò)程中材料的內(nèi)在變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了長(zhǎng)期電、熱應(yīng)力對(duì)XLPE耐久性能的影響。在55kV/mm和70kV/mm的交流電場(chǎng)下，以及熱力學(xué)溫度均為363K的條件下對(duì)不同應(yīng)力歷史的電纜剝皮進(jìn)行研究，通過(guò)威布爾分析獲得耐久數(shù)據(jù)，結(jié)果表明電纜應(yīng)力確實(shí)降低了剝皮的耐久能力，不同的應(yīng)力歷史則表現(xiàn)出不同的破壞時(shí)間。結(jié)論如下：

1）在電和電熱應(yīng)力的前5000h，只有經(jīng)歷了熱成分（363K）的電纜顯示出在70kV/mm和363K下壽命的顯著下降；

2）在相同的電纜應(yīng)力周期內(nèi)，分別在293K和363 K熱應(yīng)力環(huán)境下，不同電場(chǎng)的試驗(yàn)樣品在從0到最大28 kV /mm范圍內(nèi)的耐久性沒(méi)有顯著差異。