退役高压交联聚乙烯电缆绝缘老化状态分析

罗 潘 任志刚 徐 阳 冯 义 叶 宽 李华春 徐 曼

（1. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2. 北京电力科学研究院 北京 100075）

1 引言

电力电缆是电力输变电系统中的重要部分，交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆由于具有多种优越性，目前已经得到广泛使用。但是由于电缆绝缘材料本身制造、敷设过程中不可避免地存在非均匀性乃至缺陷，以及在实际运行中受电、磁、热、化学、环境等因素的影响，绝缘材料会随时间发生老化，导致绝缘性能下降，并最终达到寿命终了[1-4]。电力电缆投入运行后，如何评定其绝缘状态，并进一步对其寿命做出预估是电缆设备资产管理的难点，但又是管理者进行电缆更换决策所必须有的技术支撑，因此有必要对不同运行年限的电缆的真实老化状态进行分析研究[5]。

以往电老化研究中，有学者采用缩小尺寸的方法对电缆老化进行模拟研究，但其得到的规律需要与实际电缆运行后状态进行结合验证[6,7]。为了更准确的了解实际运行中电缆绝缘老化的影响因素，Dissado等人在欧洲的ARTEMIS计划中对两种高压XLPE电缆绝缘的切片试样进行研究，了解电缆绝缘材料初始特性：包括电性能、微观结构以及物理化学等特性。然后对上述两种高压电缆进行不同时间（最短5 000h）的电、热单独以及联合老化。最后再对老化后电缆绝缘切片试样进行耐压特性研究，得到：单纯电应力作用并不能对绝缘切片试样的耐压特性造成很大影响，只有当电缆承受过热或者电-热应力共同作用时，切片试样耐压特性才会发生明显变化[8,9]。映证了高压电缆运行过程中不仅是单一电应力作用，其老化是一个多重复合应力共同作用的结果[10-12]。说明高压电缆绝缘设计中仅仅依靠反幂定律预估电缆的寿命的不准确性[13]。

目前，国内外对新高压XLPE绝缘材料聚集态及机械性能已有很多研究，其结果表明聚集态结构对材料的击穿特性和机械性能有重大影响[14]，但是对退役高压XLPE电缆的研究还较少，本文采用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter,DSC），以及力学拉伸机研究了110kV和220kV 等级XLPE电缆带电运行后其绝缘材料的微观结构特征和机械性能，其结论可为后期的预测电缆寿命提供理实验依据。

2 试样准备

本次试验的试样分为三类：退役电缆、故障电缆和新电缆，如表1所示。对于库存电缆，其运行时间均没有达到设定的使用寿命，大部分是因为线路改迁退役。GZ—1为电缆本体故障，短路电流为5.3kA；GZ—2为GIS终端故障，短路电流为8.9kA；GZ—3为电缆工程竣工交接验收时，户外终端发生击穿，流过电缆的短路电流较小；GZ—4为电缆工程竣工交接验收时，GIS终端发生击穿，流过电缆的短路电流较小。故 GZ—3和 GZ—4也可视为新电缆，即新电缆为三种：GZ—3、GZ—4和 NEW2。本文研究的试样均取自电缆绝缘中层（到内、外半导电层距离相等处）的薄片试样，厚度为1mm。

3 试验方法

3.1 差示扫描量热法

采用 TA—Q 200型差示扫描量热仪，以 10℃/min的升温速率从 20℃升温至 180℃，在180℃恒温5min，再以-10℃/min的速率从180℃降温至20℃高纯氮气和氦气保护。为保证实验仪器灵敏度，试样质量为5mg。

表1 电缆基本信息Tab.1 The basic information of cables

3.2 力学性能分析

实验中将试样用特制刀具冲压成拉伸段长 20 mm、宽4 mm的哑铃状试样。参照GB 13022—91试验标准[15]，在CMT 4503型拉力机上做拉伸实验，每种试样测试10次，并对实验数据进行统计分析。

4 结果与讨论

4.1 XLPE绝缘材料的聚集态结构特征

4.1.1 熔融过程

实验中，将所有试样按运行年限不同分为四类：未运行、运行1～4年、运行5～9年和运行10年以上进行分析。用DSC研究了其绝缘材料的升温熔融过程和非等温结晶过程，统计了相应的DSC参数。电缆在其制造过程中，由于先交联后结晶，所以晶粒的大小和分布受交联结构的影响，而且在电缆出厂前还会经过热处理，所以熔融曲线上出现了主峰和肩峰，如图1a所示。和未运行电缆相比，带电运行后电缆试样熔程加宽，特别明显的是运行10年以上电缆，如图1b所示。

图1 不同分组试样的熔融曲线Fig.1 The melting curve of different groups

图2为利用表2中各分组试样熔程数据所做的箱形图。从图中可得：XLPE电缆绝缘材料在加热熔融过程中，其熔程平均值随运行年限呈增大的趋势，长期带电运行使其绝缘层材料发生了一定程度的物理老化，且运行5～9年和运行10年以上电缆试样熔程分散性更大。仔细对比表2中参数可得：10年以上运行电缆绝缘材料，其熔融峰左极限温度向低温方向移动10℃以上，即带电运行状态下材料长期处于60℃左右（当发生短路，温度超过其熔点），从而有充足时间进行次级结晶逐步发展形成较小的晶体，使其熔程加宽。结合表 2中熔融峰数据，经统计计算，未运行和运行1～4年电缆，晶体熔程＞40℃的概率为37.5%，而运行10年以上电缆晶体熔程＞40℃的概率为86%。表明运行过程中热对半结晶聚合物有很大的影响，其能改变结晶度、晶体尺寸大小和结晶形态，也能引起交联和氧化降解等化学变化，而这些显著变化会导致材料的宏观性能发生变化。

结晶度作为XLPE一个重要参数，与其击穿特性和树枝耐受特性密切相关，根据结晶度的定义，由式（1）可算出XLPE电缆绝缘材料的结晶度X。

式中，ΔHm为材料熔融热焓；ΔH0表示完全结晶时XLPE的熔融热焓，一般取ΔH0=287.3J/g[16]。

表2 各试样DSC统计参数Tab.2 The DSC statistical parameters of samples

图2 分组试样熔程统计图Fig.2 The Box-plot of melting range of different groups

图3为各分组试样结晶度数据的箱形图，得到：对于未运行试样，由于其熔融曲线除主峰外还存在明显的小肩峰，从而使其材料结晶度相对较高；对于运行后电缆试样，由于长期带电运行会导致其熔程不断增大，而从试样结晶度计算原理可知，其熔程增大必然伴随结晶度的增大。且运行5～9年和运行10年以上试样结晶度分散性相对较大。

图3 分组试样熔程箱形图Fig.3 The Box-plot of crystallinity range of different groups

从图2和图3中可得：无论是电缆试样的结晶度还是熔程均存在某些试样：运行年限长结晶度较小，如5#和6#，运行年限分别为11年和7年，结晶度却仅为22%和21%；运行年限长融程较小，如7#和8#，运行年限分别为10年和9年，融程却仅为35.40℃和36.99℃。这可能与表2中试样信息，即这些退役电缆来自于不同生产厂家、电缆型号、运行年限和运行环境有关系。

4.1.2 结晶过程

限于篇幅，图4中仅给出了运行10年以上试样非等温结晶曲线图，从该曲线得到结晶峰峰温Tc、结晶峰热焓△Hc和表征结晶速率的Tr-Tc，其统计参数如表2所示。结晶聚合物的结晶速率是晶核生成速率和晶粒生长速率的总效应。从试样结晶过程的DSC曲线中，可以获得结晶速率信息，而试样的结晶速率取决于试样的组成和结晶温度。在实验条件一定时，可以反映分子量及其分布、交联程度、各种添加剂对结晶行为的影响。

图4 运行10年以上电缆试样结晶曲线Fig.4 The crystallization curve of samples operated for 10 years

在此实验中，采用半结晶温度来表示结晶速率，即结晶完成一半时的时间。由th=(Tr-Tc)/β，在降温速度β一定时，Tr-Tc值越小，试样结晶速率越快[17]。从表 2的统计数据及图 5可得：未运行电缆试样(Tr-Tc)平均值为 6.41℃；电缆试样投入运行后，随其运行年限增大，其非等温结晶曲线中(Tr-Tc)值呈现先增后降的趋势，运行 1～4年、5～ 9年和 10年以上试样(Tr-Tc)平均值分别为 6.49℃、6.35℃和6.27℃，总体呈下降趋势，表明随运行年限增大，结晶速率增大，且运行10年以上试样(Tr-Tc)值分散性明显较大。XLPE电缆绝缘材料在带电运行中经过长期的电、热和氧的联合作用下，在交联点处发生了键的断裂，使交联度有所降低，增加了链段的活动性，导致其绝缘材料结晶速率增大。

图5 分组试样结晶峰半峰宽(Tr-Tc)箱形图Fig.5 The box-plot of (Tr-Tc) of different groups

4.2 XLPE绝缘材料机械性能分析

在力学性能分析中，由于某些电缆试样段太短，没有足够的长度做成标准哑铃型试样，故没有对其力学性能进行分析。对于剩下的16种XLPE电缆试样，采用与DSC实验相同的分组方式，统计了断裂伸长率、屈服强度、断裂能、断裂强度等，如表 3所示。

通过力学拉伸机测试高压XLPE电缆绝缘材料切片试样的断裂伸长率、冲击强度、断裂能等参数，分析运行后电缆绝缘材料弹性模量等力学参数的变化，研究带电运行对材料内部结构完整性的影响。结合表3中数据，对各分组试样力学性能参数的平均值进行统计，如表4所示。从表4中统计数据可得：相对于未运行电缆，运行10年以上电缆绝缘材料其断裂能、弹性模量降低。当XLPE电缆在实际运行中受到电、热以及氧的联合作用后，会导致其绝缘材料发生一定程度降解，交联度降低，增加分子链段的活动性。聚合物的这些聚集态的变化会影响材料的宏观力学性能，使材料弹性模量和断裂能下降[17]。以上分析说明，相对于未运行试样，运行10年以上电缆绝缘材料发生了一定程度的物理老化。

表3 各试样机械性能统计参数Tab.3 The mechanical property statistical parameters of samples

表4 分组试样力学性能统计参数平均值Tab.4 The average value of mechanical property statistical parameters of different groups

5 结论

用DSC研究退役高压XLPE电缆绝缘材料的熔融行为发现相对于未运行或运行时间较短的电缆绝缘材料，经过多年运行的电缆绝缘材料其熔程加宽，即晶体尺寸按分子质量分布加宽，熔点降低，表明晶体结构的完整性下降。

非等温结晶行为的研究反映运行 10年以上电缆其绝缘材料结晶速率加快，可认为经过长期的电、热和氧的联合作用，在交联点处某些键发生了断裂，交联度降低，增加了链的活动性。而这些聚集态结构的变化反映在宏观力学性能上，导致断裂强度略有增加、弹性模量和断裂能下降。这些变化仅仅是电缆长期寿命过程的一个部分，它对介电性能和电性能有何影响，有待进一步的研究。

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