電纜附件用硅橡膠力-熱老化特性及電-熱-力多物理場耦合仿真研究*

李國倡 郭孔英 張家豪 孫維鑫 朱遠(yuǎn)惟 李盛濤 魏艷慧?

1) (青島科技大學(xué)先進(jìn)電工材料研究院,高壓絕緣系統(tǒng)與先進(jìn)電工材料山東省工程研究中心,青島 266042)

2) (西安交通大學(xué),電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

長期運(yùn)行過程中,高溫及界面壓力作用會(huì)導(dǎo)致電纜附件硅橡膠(silicon rubber,SIR)絕緣發(fā)生老化,影響附件材料的電-熱-力綜合性能,易引發(fā)放電故障.該文采用實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法,研究力-熱聯(lián)合老化作用下硅橡膠材料的電-熱-力綜合性能變化規(guī)律;進(jìn)一步仿真研究了SIR 材料參數(shù)變化引起的電纜附件電場、熱場和力場變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著老化程度的不斷加深,SIR 的交聯(lián)程度和分子運(yùn)動(dòng)體系會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致材料的電-熱-力性能發(fā)生不同程度的改變.相對介電常數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,體積電阻率、擊穿場強(qiáng)和閃絡(luò)電壓等均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;此外,隨著老化時(shí)間的延長,材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸下降.仿真結(jié)果表明,力-熱聯(lián)合老化引起的電纜附件應(yīng)力錐根部電場強(qiáng)度變化較小,維持在2.2 kV/mm 左右;不同老化程度下絕緣層內(nèi)外側(cè)溫差較為明顯,最大溫度梯度為9.15 ℃;應(yīng)力錐根部界面壓力從0.263 MPa 下降到0.230 MPa,下降約12.5%.該工作對于配電電纜附件絕緣性能評價(jià)和故障分析具有指導(dǎo)意義.

1 引言

電纜中間接頭和終端等附件在電纜線路中起著承接和過渡的重要作用,是電力系統(tǒng)的重要組成部分[1-5].電纜附件的運(yùn)行狀態(tài)直接影響配電網(wǎng)整體安全,根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[6],電纜附件破壞引起的故障約占配電網(wǎng)故障的70%,其中絕緣故障率高達(dá)97%.電纜附件運(yùn)行過程中,絕緣材料長期受到電場、溫度和應(yīng)力的作用,容易發(fā)生老化或劣化,導(dǎo)致其絕緣性能下降[7-10];此外,為了滿足電氣強(qiáng)度和安裝要求,電纜附件與主絕緣之間需保持一定的界面壓力[11],而絕緣材料長期承受界面壓力會(huì)進(jìn)一步加劇絕緣材料的老化[12-16].因此,研究電纜附件在熱老化和力-熱聯(lián)合老化過程中的電-熱-力綜合性能的變化規(guī)律,對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義.

熱老化是引起高壓電纜絕緣材料性能下降的主要原因之一.目前,部分學(xué)者針對電纜附件硅橡膠熱老化特性和機(jī)理展開了一系列研究.周遠(yuǎn)翔等[17]研究發(fā)現(xiàn)電纜附件硅橡膠長期處于高溫下,起樹電壓隨老化時(shí)間的增加先增大后減小,分析表明硅橡膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)破壞是起樹電壓及電樹枝形態(tài)的變化的重要因素.Kashi 等[18]通過對硅橡膠加速熱老化,發(fā)現(xiàn)拉伸性能逐漸劣化,撕裂強(qiáng)度和硬度先增加后降低,而官能團(tuán)沒有發(fā)生明顯變化.Ito 等[19]研究發(fā)現(xiàn)硅橡膠的硅氧烷鍵在老化后形成交叉連接結(jié)構(gòu),提升了介電性能,但導(dǎo)致其力學(xué)性能下降.

電纜附件硅橡膠材料在實(shí)際運(yùn)行過程中還會(huì)承擔(dān)一定的壓力作用并加劇絕緣材料的老化,因此部分學(xué)者也開展了界面壓力對電纜附件硅橡膠性能影響的研究.杜伯學(xué)等[20]研究發(fā)現(xiàn)材料拉伸會(huì)提高電樹枝的起始概率,促進(jìn)電樹枝的生長,材料壓縮會(huì)降低電樹枝的起始概率,延緩電樹枝的生長.劉昌等[21]研究發(fā)現(xiàn)材料承受界面壓力過大會(huì)提高電樹枝發(fā)生的概率,過小會(huì)導(dǎo)致界面發(fā)生放電.Liu 與Wang[4]搭建多應(yīng)力實(shí)驗(yàn)裝置對絕緣界面進(jìn)行模擬,研究發(fā)現(xiàn)對硅橡膠施加多重應(yīng)力會(huì)使其電學(xué)和力學(xué)性能受到破壞.

綜上所述,目前的研究更多針對單應(yīng)力老化對硅橡膠電學(xué)性能的影響,高溫與壓力共同作用對硅橡膠電-熱-力綜合性能影響規(guī)律研究較少,并且材料老化引起的電纜附件內(nèi)部電-熱-力場分布規(guī)律尚不明確.

本文設(shè)計(jì)開展了熱老化與力-熱聯(lián)合老化對電纜附件硅橡膠電-熱-力綜合性能影響規(guī)律研究,測試并對比分析了兩種老化形式下及老化前后硅橡膠理化性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能、力學(xué)性能的變化規(guī)律與機(jī)理.通過建立多物理場仿真模型,分析了不同老化時(shí)間及老化形式對電纜附件內(nèi)部電-熱-力場分布的影響.該工作為電纜附件綜合性能評價(jià)與故障分析提供了理論依據(jù).

2 試樣制備與表征

2.1 試樣制備方法

采用商用10 kV 配電電纜附件材料,通過熔融共混法制備SIR 試樣,試樣制備流程如圖1 所示.采用無水乙醇清潔試樣表面,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3512,將用于熱老化的試樣放入真空干燥箱.力-熱聯(lián)合老化試樣采用自制壓力夾具,使用的壓力傳感器型號(hào)為FlexiForce HT201.將壓力傳感器置于SIR 試樣和夾具之間,使試樣和夾具完全覆蓋壓力傳感器,調(diào)整夾具使壓力傳感器輸出壓力為0.25 MPa[11,22,23],以模擬附件內(nèi)部壓力工作環(huán)境,并將夾具以及壓力傳感器整體置于烘箱中,同步進(jìn)行熱和力-熱加速老化試驗(yàn).

圖1 試樣制備與老化試驗(yàn)流程圖Fig.1.Flow chart of specimen preparation and aging test.

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2941-2006,選取150 ℃作為SIR 加速熱老化與加速力-熱老化溫度點(diǎn);取樣時(shí)間分別為: 168,720,1440 和2160 h.取樣后進(jìn)行理化、電學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)性能測試,并將試驗(yàn)結(jié)果與未老化試樣性能進(jìn)行對比.

2.2 表征方法及性能測試

1)掃描電子顯微鏡(SEM)測試

測試前,采用無水乙醇對試樣表面進(jìn)行清潔,干燥處理后將試樣放置于液氮中冷卻脆斷,使用離子濺射儀對試樣斷面進(jìn)行噴金處理后,采用臺(tái)式電子顯微鏡觀測不同老化方式及不同老化階段SIR試樣的微觀形貌變化.

2)傅里葉紅外光譜(FTIR)測試

采用傅里葉紅外光譜儀對不同老化方式及不同老化階段的SIR 試樣進(jìn)行測試,分析試樣在不同老化時(shí)間下官能團(tuán)的變化.測試掃描波數(shù)范圍為400—4000 cm-1.

3)介電性能測試

采用寬頻介電譜系統(tǒng)測量不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的介電性能,分析試樣相對介電常數(shù)隨溫度的變化.溫度范圍設(shè)置為-100 ℃—100 ℃,測試頻率采用工頻50 Hz.

4)電阻率性能測試

采用三電極系統(tǒng),分別測試不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣在室溫下的體積電阻率.測試環(huán)境濕度保持在30% Rh 以下,測試電壓為1 kV/mm.

5)交流擊穿性能測試

采用擊穿測試儀在室溫條件下對不同老化方式及不同老化階段的SIR 試樣進(jìn)行擊穿測試試驗(yàn).測試時(shí)將電極與試樣完全浸沒于硅油中,以防發(fā)生沿面放電.

6)沿面閃絡(luò)性能測試

采用沿面閃絡(luò)測試裝置在常溫常壓下對不同老化方式及不同老化階段的SIR 試樣進(jìn)行沿面閃絡(luò)測試試驗(yàn).閃絡(luò)測試主要由高壓源以及指型電極組成,閃絡(luò)電極為直徑20 mm 的指型電極,電極間距為5 mm,試樣直徑為40 mm,將上表面緊貼電極的樣品置于絕緣托盤上.勻速加壓至試樣發(fā)生閃絡(luò),記錄發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的電壓值,每個(gè)數(shù)據(jù)取10 次閃絡(luò)電壓平均值.

7)導(dǎo)熱性能測試

采用激光閃射儀測量不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的導(dǎo)熱系數(shù).測試閃射電壓為240 V,脈沖寬度為400 ms,選擇25—100 ℃的9 個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測試,測試前對試樣兩面進(jìn)行噴涂石墨處理.

8)力學(xué)性能測試

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下對不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),并采用邵氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試試驗(yàn).試樣根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T528-2009 制備,拉伸試驗(yàn)試樣為啞鈴狀,并參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法進(jìn)行拉伸性能與斷裂伸長率測試,拉伸速率500 mm/min,數(shù)據(jù)參數(shù)取5 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果平均值.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 理化特性

3.1.1 微觀形貌分析

不同老化階段的硅橡膠試樣斷面微觀形貌如圖2 所示,紅色代表團(tuán)聚物,藍(lán)色代表孔洞.為清晰展示兩種老化方式以及不同老化階段試樣微觀形貌的變化,選取未老化試樣與老化時(shí)間為720 h和2160 h 的試樣進(jìn)行比對分析.從圖2(a)可看出,SIR 在沒有老化的情況下斷面形貌光滑平整,無孔洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn),表明添加劑與填料等在橡膠基料中分散效果較好.隨著老化時(shí)間的增加,熱老化720 h的SIR 斷面形貌如圖2(b)所示,SIR 斷面開始出現(xiàn)凸起,基體逐漸有小尺寸團(tuán)聚物析出.熱老化2160 h 后試樣斷面形貌如圖2(c)所示,SIR 斷面出現(xiàn)大塊團(tuán)聚物凸起并有微小孔洞產(chǎn)生.由此可以看出,在熱老化方式下,隨著老化時(shí)間的延長,SIR填料與橡膠基體的相容性逐漸變差,小分子填料逐漸團(tuán)聚并析出橡膠基體.

圖2 老化后SIR 試樣斷面微觀形貌圖 (a) 0 h 空白對照組;(b) 熱老化720 h;(c) 熱老化2160 h;(d) 力-熱老化720 h;(e) 力-熱老化2160 hFig.2.Microscopic morphology of the section of the aged SIR specimens: (a) Unaged 0 h;(b) thermal aging 720 h;(c) thermal aging 2160 h;(d) force-thermal aging 720 h;(e) force-thermal aging 2160 h.

試樣在經(jīng)過力-熱老化720 h 后的斷面形貌如圖2(d)所示,SIR 在老化的過程中有較大塊團(tuán)聚物析出,并且在受力的情況下基體破裂產(chǎn)生大約4.94 μm 孔洞.力-熱老化2160 h 試樣斷面形貌如圖2(e)所示,隨著老化時(shí)間的增加,截面上的團(tuán)聚物體積逐漸增大,并伴隨大量孔洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn),這是由于SIR 在老化和受力的老化過程中,分子鏈逐漸斷裂并相離,填料呈現(xiàn)出片狀析出的現(xiàn)象.以上現(xiàn)象表明,相較于熱老化方式,SIR 在力-熱老化方式下發(fā)生的破壞更加嚴(yán)重.

3.1.2 官能團(tuán)分析

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的紅外光譜圖如圖3 所示.由圖3 可知,SIR 主要存在4 種官能團(tuán)特征峰,分別為2958 cm-1附近—CH3中的—C—H 伸縮振動(dòng)峰,1260 cm-1附近的Si—CH3伸縮振動(dòng)峰,1003 cm-1附近的Si—O—Si 伸縮振動(dòng)峰,786 cm-1附近的Si—(CH3)2伸縮振動(dòng)峰.由圖3 可看出,兩種老化方式的SIR 試樣官能團(tuán)特征峰僅透過率有所變化,波數(shù)位置并未發(fā)生變化,表明老化后試樣并未產(chǎn)生新的官能團(tuán).

圖3 老化后SIR 試樣FTIR 圖譜 (a) 熱老化SIR 試樣FTIR 圖譜變化規(guī)律;(b) 力-熱老化SIR 試樣FTIR 圖譜變化規(guī)律Fig.3.FTIR spectra of the aged SIR specimens: (a) Changes of FTIR spectra of heat-aged SIR samples;(b) changes of FTIR spectra of force-thermal aging SIR samples.

兩種老化方式下,主鏈基團(tuán)Si—O—Si 鍵的吸光度均隨著老化時(shí)間的增加后趨于穩(wěn)定,表明SIR 試樣內(nèi)部發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng),隨著老化程度的加深,交聯(lián)反應(yīng)逐漸飽和;—CH3中的—C—H,Si—CH3,Si—(CH3)2鍵吸光度均隨老化時(shí)間的增加而減少,表明隨熱老化時(shí)間的增加,SIR 側(cè)鏈各有機(jī)基團(tuán)含量減少,橡膠在老化的過程中有機(jī)成分減少.由圖3(a)與圖3(b)對比可知,力-熱老化方式下,912 cm-1附近的烯烴亞甲基—CH2—特征峰隨著老化的進(jìn)行逐漸消失,而熱老化方式下該特征峰僅透過率有所下降,這是由于在高溫環(huán)境下,高分子鏈段上的薄弱環(huán)節(jié)易被破壞,使得側(cè)鏈上的烯烴亞甲基脫落,進(jìn)而形成新的Si—O—Si 交聯(lián)節(jié)點(diǎn),而力-熱老化方式對SIR 施加載荷抑制了分子鏈運(yùn)動(dòng),使得分子鏈運(yùn)動(dòng)空間受到壓縮阻礙,導(dǎo)致更易發(fā)生分子鏈斷裂脫落.

3.2 電學(xué)特性

3.2.1 介電性能分析

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的相對介電常數(shù)變化規(guī)律如圖4 所示.由圖4 分析可知,兩種老化方式下的SIR 試樣相對介電常數(shù)均隨老化時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,這是由于在高溫環(huán)境下材料分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈,削弱了其在外電場作用下的電子與原子極化.此外,殘余的交聯(lián)劑使得橡膠基體內(nèi)發(fā)生重交聯(lián)反應(yīng),在一定程度上削弱了分子鏈運(yùn)動(dòng),使得相對介電常數(shù)降低;隨著老化時(shí)間的增加,SIR 試樣在高溫作用下側(cè)鏈發(fā)生斷裂,脫落增加,產(chǎn)生多種在電場作用下發(fā)生極化現(xiàn)象的小分子游離基團(tuán),進(jìn)而使得SIR 試樣的相對介電常數(shù)升高.

圖4 老化后SIR 試樣相對介電常數(shù) (a) 熱老化SIR 試樣介電常數(shù)變化;(b)力-熱老化SIR 試樣介電常數(shù)變化Fig.4.Relative permittivity of the aged SIR specimens:(a) Changes in dielectric constant of SIR samples after thermal aging;(b) changes in the dielectric constant of SIR samples during strength-thermal aging.

對比兩種老化方式下SIR 試樣的相對介電常數(shù)可知,力-熱老化方式下介電常數(shù)在老化168 h后開始升高,而熱老化方式下介電常數(shù)在老化720 h后才開始增加,這是由于試樣在承受高溫-力載荷的情況下,橡膠基體內(nèi)的自由體積被壓縮,分子鏈更易發(fā)生斷裂,產(chǎn)生較多的游離基團(tuán),導(dǎo)致電場作用下極化過程加劇.

3.2.2 電阻率分析

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的體積電阻率變化規(guī)律如圖5 所示.由圖5 分析可知,SIR 的體積電阻率隨老化時(shí)間的延長均呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢,且熱老化試樣的體積電阻率要大于力-熱老化試樣.當(dāng)高聚物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),會(huì)伴隨著超分子結(jié)構(gòu)、聚合物鏈以及離子遷移率的變化,在體積電阻率上升階段,由于橡膠內(nèi)部殘余交聯(lián)副產(chǎn)物的揮發(fā),并且兩種老化方式使得SIR 的交聯(lián)密度增大,材料內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更加緊密,降低了介質(zhì)內(nèi)部電荷的擴(kuò)散與遷移,致使體積電阻率增大;隨著老化時(shí)間的延長,SIR 內(nèi)部交聯(lián)密度逐漸趨于穩(wěn)定,氧化反應(yīng)破壞分子鏈結(jié)構(gòu),材料晶區(qū)和非晶區(qū)界面產(chǎn)生較淺能級(jí)陷阱,有利于電場作用下載流子的遷移,使得SIR 體積電阻率逐漸降低.而力-熱老化對于SIR 造成的破壞更為嚴(yán)重,因此體積電阻率更低.

圖5 老化后SIR 試樣體積電阻率變化Fig.5.Volume resistivity variations of the aged SIR specimens.

3.2.3 體擊穿與沿面閃絡(luò)分析

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣(厚度為1 mm)擊穿場強(qiáng)變化規(guī)律如圖6 所示.分析可知,在一定老化時(shí)間內(nèi),兩種老化方式SIR 交流擊穿場強(qiáng)逐漸增大,未老化的試樣擊穿場強(qiáng)為25.49 kV/mm,熱老化1440 h 后擊穿場強(qiáng)增大到26.95 kV/mm,老化2160 h 后減小到25.83 kV/mm;力-熱老化1440 h 后擊穿場強(qiáng)增大到27.51 kV/mm,老化2160 h 后減小到25.45 kV/mm,力-熱老化方式的SIR 擊穿電壓略低于熱老化.老化后SIR 擊穿場強(qiáng)(α 值)和β 值如表1 所列.

表1 老化后SIR 試樣擊穿場強(qiáng)的α 和βTable 1.Breakdown strength α and β of SIR specimens after aging.

圖6 老化后SIR 試樣擊穿場強(qiáng)變化 (a) 熱老化SIR 試樣擊穿場強(qiáng)變化;(b) 力-熱老化SIR 試樣擊穿場強(qiáng)變化Fig.6.Breakdown strength variations of the aged SIR samples: (a) Change of breakdown field strength of thermally-aged SIR samples;(b) changes in breakdown field strength of force-thermal aging SIR samples.

影響高聚物擊穿場強(qiáng)的因素包括游離極性基團(tuán)、分子鏈交聯(lián)程度等,高聚物材料的老化一般包含交聯(lián)反應(yīng)與降解反應(yīng),SIR 老化前期主要是硅氧烷高分子發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng),提高了交聯(lián)密度,SIR內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為致密,但降低了橡膠自由體積.因此SIR 在被擊穿時(shí)需要破壞更多的交聯(lián)鍵,并且電子自由加速行程縮短,電子的破環(huán)能量降低,導(dǎo)致需要更高的電壓及能量才能形成擊穿通道,最終使得擊穿電壓上升.一方面,交聯(lián)反應(yīng)達(dá)到一定程度后,側(cè)鏈上的甲基不再大量脫離,也不再產(chǎn)生新的交聯(lián)點(diǎn);另一方面,氧化分解反應(yīng)破壞分子鏈結(jié)構(gòu),導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)降低.由于力-熱老化施加載荷對分子鏈的破壞更為嚴(yán)重,因此擊穿場強(qiáng)相對較低.

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的閃絡(luò)電壓變化規(guī)律在表2 列出.由表2 分析可知,兩種老化方式下SIR 閃絡(luò)電壓均呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢,在0—720 h 的老化階段,閃絡(luò)電壓逐漸增大,這可能是由于老化初期材料發(fā)生重交聯(lián)反應(yīng),介質(zhì)表面結(jié)構(gòu)更加規(guī)整有序,表面缺陷數(shù)量減少,削弱了表面電荷運(yùn)動(dòng),從而抑制了閃絡(luò)過程的發(fā)展,提高了閃絡(luò)電壓.

表2 老化后SIR 試樣閃絡(luò)電壓變化Table 2.Flashover voltage variations of aged SIR specimens.

在720—2160 h 的老化階段,老化試樣閃絡(luò)電壓逐漸降低并低于未老化的試樣,這可能是由于老化過程中SIR 分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,表面缺陷不斷增加,被陷阱捕獲電荷逐漸增多,在一定電場作用下表面積聚電荷大量脫陷,促進(jìn)了沿面閃絡(luò)過程的發(fā)展,導(dǎo)致閃絡(luò)電壓降低.老化SIR 樣品的孔洞和分解顆粒物越多、橡膠主鏈和側(cè)鏈斷裂程度越大,則陷阱能級(jí)越大、數(shù)量越多,導(dǎo)致閃絡(luò)電壓也越低,因此力-熱老化試樣閃絡(luò)電壓更低.

3.3 熱學(xué)性能

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律如圖7 所示.由圖7 分析可知,SIR的導(dǎo)熱系數(shù)在25—100 ℃的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢;兩種老化方式下SIR 導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)出隨老化時(shí)間的增加先上升后下降的趨勢,這是由于導(dǎo)熱系數(shù)上升階段殘留在SIR 中的交聯(lián)助劑、抗氧化劑等小分子在高溫環(huán)境下逐漸揮發(fā),并且橡膠的交聯(lián)密度逐漸增加引起的;隨著老化時(shí)間的增加,SIR 交聯(lián)反應(yīng)達(dá)到飽和,氧化斷鍵反應(yīng)導(dǎo)致橡膠交聯(lián)密度減小,SIR 導(dǎo)熱系數(shù)降低.力-熱老化方式對施加的載荷導(dǎo)致橡膠基體內(nèi)的填料接觸更加緊密,易形成導(dǎo)熱回路通道,使得導(dǎo)熱系數(shù)更高.

圖7 老化后SIR 試樣導(dǎo)熱系數(shù) (a) 熱老化SIR 試樣導(dǎo)熱系數(shù)變化;(b) 力-熱老化SIR 試樣導(dǎo)熱系數(shù)變化Fig.7.Thermal conductivity of the aged SIR specimens:(a) Changes of thermal conductivity of SIR samples during thermal aging;(b) changes in thermal conductivity of SIR samples during force-thermal aging.

3.4 力學(xué)特性

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律如圖8 所示.由圖8 分析可知,兩種老化方式下SIR 拉伸強(qiáng)度均隨老化時(shí)間的增加而降低,老化后期拉伸強(qiáng)度下降幅度較老化初期明顯.這是在老化的過程中交聯(lián)反應(yīng)與氧化反應(yīng)共同作用的結(jié)果,老化初期在交聯(lián)反應(yīng)的作用下,橡膠交聯(lián)密度繼續(xù)增大,SIR 分子鏈之間的相對滑移難度也不斷提高,提高了SIR 抗拉能力,相對減弱了分子鏈斷裂造成的破壞;隨著老化時(shí)間的增加,高溫有氧環(huán)境持續(xù)破壞SIR 側(cè)鏈,造成側(cè)鏈的斷裂游離,因此老化的SIR 拉伸強(qiáng)度持續(xù)降低.整體上力-熱老化試樣拉伸強(qiáng)度低于熱老化,表明其破壞程度高于熱老化,這是由于施加的載荷會(huì)改變SIR分子鏈取向,約束分子鏈的松弛行為,降低了拉伸強(qiáng)度.另一方面,施加的載荷壓縮了SIR 的自由體積,使得分解脫落的自由基團(tuán)更容易破壞橡膠主鏈,加速斷鏈反應(yīng),使得力-熱老化試樣拉伸強(qiáng)度更低.

圖8 老化后SIR 試樣拉伸強(qiáng)度變化Fig.8.Tensile strength variations of the aged SIR specimens.

不同老化方式及不同老化階段SIR 試樣的斷裂伸長率變化規(guī)律如圖9 所示.由圖9 分析可知,兩種老化方式下SIR 斷裂伸長率均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,且老化前期下降較為顯著,這是由于老化前期交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的交聯(lián)點(diǎn)較多,導(dǎo)致斷裂伸長率下降較快;而隨著老化時(shí)間的延長,橡膠氧化斷鍵反應(yīng)逐漸占主導(dǎo),斷裂伸長率下降明顯.力-熱老化方式斷裂伸長率整體上低于熱老化,這與拉伸強(qiáng)度的作用效果相同,這是由于力-熱老化方式施加的載荷使橡膠分子鏈取向發(fā)生改變,約束分子鏈的松弛行為,導(dǎo)致其斷裂伸長率更低.

圖9 老化后SIR 試樣斷裂伸長率變化Fig.9.Elongation at break variations of the aged SIR specimens.

4 電-熱-力耦合仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型建立

電纜主絕緣XLPE 與附件絕緣SIR 復(fù)合界面是絕緣的薄弱環(huán)節(jié).電纜附件運(yùn)行過程涉及電場、熱場、力場等多個(gè)物理場.為了研究電纜附件界面運(yùn)行過程的絕緣水平,研究中按照配電電纜附件實(shí)際尺寸建立二維仿真模型,采用多物理場耦合方法研究電纜附件的運(yùn)行狀態(tài).

根據(jù)配電電纜附件實(shí)際運(yùn)行條件,設(shè)置應(yīng)力錐與接地部位為零電位,線芯導(dǎo)體的額定電流設(shè)置為300 A,電位為10 kV 電壓.電場控制方程如下:

式中,E為電場強(qiáng)度矢量;V為電勢;ρ0為源電荷密度;εr為相對介電常數(shù).

電纜附件熱源主要包括導(dǎo)體損耗與介質(zhì)損耗,在配電網(wǎng)電壓下,介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量可近似忽略.因此本文電纜附件的熱源主要計(jì)算為線芯導(dǎo)體發(fā)熱,一段時(shí)間內(nèi)單位長度電纜線芯的產(chǎn)熱量由下式計(jì)算:

式中,Q為電纜線芯產(chǎn)熱量,I為電纜線芯載流量,R為線芯導(dǎo)體電阻值,t為電纜接頭運(yùn)行時(shí)間.

設(shè)置電纜附件外部溫度為室溫25 ℃,與空氣接觸的絕緣層傳熱系數(shù)取7.5 W/(m2·K).電纜附件內(nèi)部溫度分布計(jì)算方程如下:

式中,ρ 為電纜材料的密度;Cp為常壓熱容;u為位移;q為熱流密度;k為導(dǎo)熱系數(shù).

電纜主絕緣與附件復(fù)合界面初始面壓取0.18 MPa,附件表面設(shè)置為自由域.力場控制方程如下:

式中,σ 為應(yīng)力,f為體積力,κ 為應(yīng)變.

4.2 SIR 材料本構(gòu)模型參數(shù)

橡膠是具有非線性應(yīng)變特征的超彈性材料,在仿真模擬計(jì)算中材料參數(shù)的設(shè)置對于計(jì)算的效率與收斂有著很大的影響.為了更好地描述超彈性材料本構(gòu)關(guān)系,提高計(jì)算的效率,在具備單軸拉伸試驗(yàn)的條件下,選擇使用Yeoh 模型對不同老化方式及老化階段的SIR 拉伸曲線進(jìn)行擬合計(jì)算.

Yeoh 模型的變能密度函數(shù)如下所示:

選取典型的三項(xiàng)參數(shù)模型形式如下所示:

式中,C10,C20,C30為Yeoh 模型參數(shù);I1為第一階應(yīng)變不變量,其表達(dá)式為:I1=λ12+λ22+λ32,λ1,λ2,λ3為主伸長比;結(jié)合應(yīng)力、應(yīng)變與變能密度函數(shù)之間的關(guān)系推導(dǎo)得如下關(guān)系式:

根據(jù)(10)式對圖10 中SIR 的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合,得到Y(jié)eoh 模型中未老化擬合參數(shù)C10,C20,C30,在表3 列出.表4 給出了兩種老化方式及不同老化階段下,SIR 的Yeoh 模型中擬合參數(shù)C10,C20,C30的變化.此結(jié)果作為后續(xù)仿真模擬所用的力學(xué)參數(shù).

表3 Yeoh 模型擬合參數(shù)Table 3.Fitting parameters of Yeoh model.

表4 老化后SIR 試樣Yeoh 模型參數(shù)Table 4.Yeoh model parameters of the aged SIR specimens.

圖10 橡膠材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及 Yeoh 擬合曲線Fig.10.Tensile stress-strain curve and Yeoh fitting curve of rubber materials.

4.3 電纜終端電場分布

按照10 kV 配電電纜附件實(shí)際尺寸,根據(jù)電纜附件實(shí)際運(yùn)行工況與材料性能建立多物理場耦合模型,在電纜附件未受到老化的情況下,內(nèi)部最大電場強(qiáng)度隨運(yùn)行時(shí)間變化如圖11 所示,其中插圖為運(yùn)行穩(wěn)定后附件內(nèi)部電場強(qiáng)度分布.

圖11 電纜附件最大畸變電場隨時(shí)間的變化Fig.11.Variation of the maximum electric field of the cable accessory with time.

如圖11 插圖所示,電纜附件應(yīng)力錐根部和連接管頭部電場線分布較為密集,表面此處承擔(dān)的電場強(qiáng)度較大,是易發(fā)生放電危害的薄弱區(qū)域.由圖可知,分布在應(yīng)力錐根部的最大電場強(qiáng)度隨著運(yùn)行時(shí)間的延長不斷降低,在運(yùn)行12 h 后達(dá)到基本穩(wěn)定,最大電場強(qiáng)度從2.239 kV/mm 下降到2.217 kV/mm.分析原因是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,電纜附件溫度不斷升高,XLPE 與SIR 的相對介電常數(shù)不斷減小,削弱電場的能力降低,從而導(dǎo)致材料所承受的最大畸變電場強(qiáng)度逐漸減小[24].因此應(yīng)力錐根部與電纜主絕緣電場大小需要密切關(guān)注,預(yù)防電纜附件運(yùn)行過程中發(fā)生安全問題.

材料老化后的電纜附件內(nèi)部最大電場強(qiáng)度隨老化時(shí)間變化如圖12 所示.在兩種老化方式下,電纜附件應(yīng)力錐根部最大電場強(qiáng)度均隨時(shí)間的增加呈先增大后減小趨勢.在熱老化方式下,最大電場強(qiáng)度在老化720 h 時(shí)達(dá)到最大值2.225 kV/mm,在老化2160 h 時(shí)下降到2.220 kV/mm;在力-熱老化方式下,最大電場強(qiáng)度在老化168 h 時(shí)達(dá)到最大值2.230 kV/mm,在老化2160 h 時(shí)下降到2.219 kV/mm.這是由于在力-熱老化方式下SIR 試樣的介電常數(shù)下降較快且低于熱老化試樣,使得應(yīng)力錐根部承受電場強(qiáng)度較高.

圖12 最大電場強(qiáng)度隨老化時(shí)間變化Fig.12.Variation of the maximum electric field with aging time.

4.4 電纜終端溫度場分布

電纜附件室溫下運(yùn)12 h 后達(dá)到穩(wěn)定,溫度場仿真結(jié)果如圖13 所示.由圖13 可知,電纜附件內(nèi)部最高溫度分布在附件與電纜的交界面,最高溫約為58.04 ℃;最低溫分布在絕緣SIR 與空氣交界處,溫度約為47.69 ℃,溫差為10.35 ℃左右.材料老化后的電纜附件應(yīng)力錐根部溫度與附件內(nèi)外溫差隨老化時(shí)間變化如圖14 所示.

圖13 電纜附件溫度場分布Fig.13.Temperature field distribution of the cable accessories.

圖14 應(yīng)力錐根部溫度與內(nèi)外側(cè)溫差隨老化時(shí)間變化Fig.14.Variation of the stress cone root temperature and temperature difference with aging time.

由圖14 可知,老化前后應(yīng)力錐根部最高溫度變化不大,熱老化方式下由55.9 ℃下降到55.6 ℃,力-熱老化方式下應(yīng)力錐根部溫度由55.9 ℃下降到54.7 ℃,后升高到55.7 ℃.電纜附件內(nèi)外側(cè)溫差較大,兩種老化方式下溫差均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,在熱老化方式下,溫差由9.15 ℃下降到8.81 ℃,后升高到8.86 ℃;在力-熱老化方式下,溫差由9.15 ℃下降到8.04 ℃,后升高到8.98 ℃.溫度變化會(huì)改變材料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量及熱膨脹系數(shù)等,使得電纜附件內(nèi)部電場、力場分布發(fā)生變化與畸變.

4.5 電纜終端力場分布

通常,電纜附件與電纜主絕緣的復(fù)合界面是較為薄弱的絕緣部位,材料老化會(huì)導(dǎo)致界面應(yīng)力變化,而界面壓力變化會(huì)反作用導(dǎo)致電場分布改變.以附件應(yīng)力錐左端為原點(diǎn),向右為正方向,采集電纜附件與主絕緣結(jié)合界面上的界面壓力,得到初始與運(yùn)行12 h 達(dá)到穩(wěn)定后界面壓力分布如圖15所示.

圖15 電纜附件界面壓力分布Fig.15.Interface stress distribution of the cable accessory.

電纜附件兩端為應(yīng)力錐結(jié)構(gòu),應(yīng)力錐界面壓力由半導(dǎo)電橡膠壓縮形變產(chǎn)生.由圖15 可知,附件外端口初始界面壓力為0.151 MPa,在運(yùn)行12 h后升高到0.219 MPa;在應(yīng)力錐根部,界面壓力從0.184 MPa 上升到0.262 MPa;附件屏蔽管端口界面壓力從0.182 MPa 上升到0.266 MPa.電纜附件為軸對稱結(jié)構(gòu),因此兩端界面壓力變化趨勢一樣.由于應(yīng)力錐和屏蔽管為半導(dǎo)電橡膠材料彈性模量大于絕緣SIR,并且其結(jié)構(gòu)的特殊性,使得該處界面壓力產(chǎn)生畸變.

圖16 為應(yīng)力錐根部界面壓力與過盈量的關(guān)系圖,可以看出,界面壓力隨過盈量線性增加,過盈量每增加0.2 mm,應(yīng)力錐根部界面壓力增加0.038 MPa.橡膠材料形變量越大,其力學(xué)性能下降越快,即應(yīng)力松弛更快.因此,在滿足電纜附件長期穩(wěn)定運(yùn)行的界面壓力范圍內(nèi),可以適當(dāng)減小過盈量,即能使得電纜附件安裝更為方便,又能保證附件內(nèi)部界面結(jié)合緊密,減少放電擊穿事故的發(fā)生.材料老化后的電纜附件應(yīng)力錐根部界面壓力隨老化時(shí)間的變化,如圖17 所示.

圖16 電纜附件界面壓力隨過盈量變化Fig.16.Interface stress variation with the interference.

圖17 應(yīng)力錐根部界面壓力隨老化時(shí)間變化Fig.17.Stress cone root interface stress variation with the aging time.

從圖17 可以看出,隨著老化時(shí)間的增加,兩種老化方式下電纜附件應(yīng)力錐根部界面壓力逐漸減小,且隨著老化的進(jìn)行呈現(xiàn)出先快后慢的變化規(guī)律,應(yīng)力錐根部界面壓力從0.263 MPa 下降到0.236 MPa,下降了10.3%;在相同老化時(shí)間內(nèi),力-熱老化方式下,應(yīng)力錐根部界面壓力從0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降了12.5%.由圖17 可知,壓力是影響老化速率的重要因素,存在界面壓力時(shí),應(yīng)力錐根部界面壓力受到的影響明顯.

由于SIR 試樣在熱老化初期發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng),使得SIR 內(nèi)部形成了更加緊密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),而交聯(lián)度的增加會(huì)抑制聚合物鏈間的滑動(dòng),降低聚合物的柔順性,破壞了SIR 原有的高彈性,從而導(dǎo)致絕緣SIR 的根部界面壓力降低.SIR 分子鏈長時(shí)間高溫的作用受到后運(yùn)動(dòng)加劇,超過分子鍵的離解能時(shí)后則會(huì)引起熱降解;另外在老化后期,熱降解反應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,造成SIR 分子鏈大量斷裂,導(dǎo)致其力學(xué)性能下降,導(dǎo)致硅橡膠彈性不斷減小,甚至失去彈性.而力-熱老化方式對于SIR 材料的破壞更為嚴(yán)重,因此其應(yīng)力錐根部界面壓力更小.

5 結(jié)論

本文對比研究了電纜附件用SIR 材料加速熱老化和力-熱老化性能,分析了老化過程中理化、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能變化規(guī)律.通過開展多物理場耦合仿真研究了不同老化方式對電纜附件內(nèi)部電場、熱場和力場分布的影響,得到以下結(jié)論.

1)對比研究了SIR 加速熱老化和力-熱老化理化性能.隨著老化程度的加深,SIR 內(nèi)部出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚物和微小孔洞,但并未產(chǎn)生新的官能團(tuán),對比發(fā)現(xiàn)力-熱老化造成的破壞更為嚴(yán)重,且造成的電學(xué)性能和力學(xué)性能變化相對較大.

2)由于SIR 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和游離基團(tuán)等因素影響下,老化后SIR 體積電阻率、擊穿場強(qiáng)和沿面閃絡(luò)電壓均隨著老化時(shí)間的延長先增大后減小.綜合各項(xiàng)電學(xué)性能,力-熱老化對于SIR 的破壞更為嚴(yán)重,這是由于施加的載荷對SIR 分子鏈破壞程度更深,且力載荷的存在會(huì)導(dǎo)致自由體積減小,導(dǎo)致電荷運(yùn)動(dòng)的自由行程減小.

3) SIR 老化會(huì)對電纜附件內(nèi)部電場、熱場、力場的分布產(chǎn)生了不同程度的影響.兩種老化方式下電纜附件應(yīng)力錐根部電場強(qiáng)度變化較小;老化前后電纜附件內(nèi)部最高溫度相差不大,但內(nèi)外側(cè)溫差變化較大,呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,力-熱老化方式下溫差變化較為明顯;兩種老化方式下電纜附件應(yīng)力錐根部界面壓力逐漸減小,力-熱老化引起的界面壓力下降程度更為明顯.