電纜中間接頭硅橡膠絕緣的電氣特性研究

邵光磊，秦福寧，趙金輝，李 正，甄志輝，李秀峰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000；2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

電纜中間接頭是電力線路的重要組成部分，但受制作和安裝工藝的影響，其故障發(fā)生概率明顯高于電纜本體[1-2]。對近十年來全國電力電纜故障類型和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析表明，電纜接頭發(fā)生故障的概率約占電纜運(yùn)行總體故障的63%，而中間接頭擊穿故障數(shù)約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的31%[3-4]，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。硅橡膠是一種高分子彈性材料，由于其優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)以及電氣性能，被廣泛用于電纜接頭絕緣[5-6]。長期的電、熱聯(lián)合作用會(huì)使硅橡膠分子鏈逐漸斷裂，影響材料的電氣特性，導(dǎo)致絕緣性能劣化。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對影響硅橡膠絕緣電氣性能的因素以及硅橡膠特性對電纜附件運(yùn)行的影響等方面進(jìn)行了大量研究。惠寶軍等[7]研究了機(jī)械應(yīng)力作用下硅橡膠的擊穿特性，發(fā)現(xiàn)硅橡膠在拉伸情況下的擊穿強(qiáng)度比原始狀態(tài)的高，撤掉應(yīng)力后，擊穿強(qiáng)度比未拉伸試樣的低。劉昌等[8]研究了機(jī)械應(yīng)力對硅橡膠電纜附件運(yùn)行可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)電纜附件承受機(jī)械應(yīng)力過大會(huì)破壞絕緣介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在較低的電場強(qiáng)度下也可誘發(fā)電樹枝，最終導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿；應(yīng)力過小會(huì)導(dǎo)致電纜附件與電纜絕緣界面產(chǎn)生氣隙缺陷，進(jìn)而引發(fā)界面發(fā)生沿面放電。HAN D H等[9]將硅油涂覆在硅橡膠表面，通過測試接觸角、表面電阻和泄漏電流來評估其疏水性恢復(fù)能力，發(fā)現(xiàn)涂覆硅油后硅橡膠的接觸角和表面電阻增大，泄漏電流減小，疏水性恢復(fù)能力增加。

硅橡膠絕緣中的電樹枝生長可影響其電氣性能，電纜接頭硅橡膠與交聯(lián)聚乙烯界面存在氣泡時(shí)會(huì)顯著降低硅橡膠電樹枝的起始電壓[10]。而電壓頻率對硅橡膠電樹枝生長特性有明顯影響，隨著頻率的升高，硅橡膠電樹枝的起始電壓降低，且電樹枝形狀更加復(fù)雜[11]。硅橡膠電樹枝生長形狀也隨環(huán)境溫度的變化而發(fā)生明顯變化，30℃時(shí)，主要為枝狀樹，90℃時(shí)發(fā)展為叢狀樹，相同時(shí)間下的電樹枝引發(fā)概率明顯降低[12]。但實(shí)際電纜中間接頭在運(yùn)行后，由于電、熱、力聯(lián)合作用，硅橡膠絕緣會(huì)逐漸老化，除樹枝化現(xiàn)象外，其電氣性能也將發(fā)生改變。因此，研究服役過程中不同階段的硅橡膠絕緣電氣性能變化規(guī)律，掌握中間接頭的運(yùn)行狀況，對提高電纜中間接頭的運(yùn)維具有重要意義。

本研究以未服役以及服役不同時(shí)間的10 kV預(yù)制式硅橡膠電纜中間接頭絕緣層為研究對象，通過對各試樣進(jìn)行紅外光譜、電導(dǎo)-溫度特性、擊穿強(qiáng)度以及寬頻介電譜測試，研究電纜中間接頭服役過程中硅橡膠絕緣的電氣性能變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

選用同一生產(chǎn)批次、服役不同時(shí)間的10 kV預(yù)制式硅橡膠電纜中間接頭絕緣層，將其剖成厚度為1 mm的試片，使用無水乙醇擦洗表面后，放置于干燥器皿中干燥24 h，用于性能測試，服役時(shí)間分別為0、2、3、5年的試樣分別編號為1#、2#、3#、4#。

1.2 性能測試

紅外光譜：采用Thermo Electron Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀對硅橡膠試樣進(jìn)行衰減全反射掃描，掃描波數(shù)為600～4 000 cm-1，分辨率為0.09 cm-1。

電導(dǎo)-溫度特性：使用ZC36型高阻計(jì)，采用三電極系統(tǒng)測試硅橡膠試樣的體積電阻率(ρv)，試樣厚度為1 mm，測試溫度分別為20、40、50、60、70 ℃，施加電壓為1 kV。

擊穿強(qiáng)度：將邊長為150 mm、厚度為1 mm的方形試片浸泡在變壓器油中，使用BJDC-50kV型電擊穿試驗(yàn)儀逐級升高試樣兩端電壓，直至試樣發(fā)生擊穿，升壓速率為2 kV/s。每組試樣選取3個(gè)試片，每個(gè)試片取5個(gè)擊穿測試點(diǎn)，得到15個(gè)有效擊穿場強(qiáng)值，進(jìn)行Weibull分布分析。

寬頻介電譜：使用Novocontrol Concept 80型測試系統(tǒng)對硅橡膠試樣進(jìn)行寬頻介電譜的頻譜和溫譜測試，試樣為直徑為30 mm、厚度為1 mm的圓形薄片，測試頻率為10-1～106Hz，溫度為40～90℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅橡膠絕緣的紅外光譜

在紅外光照射下，材料中的官能團(tuán)具有相應(yīng)的吸收波數(shù)，通過紅外光譜的峰位和峰面積可以判斷電介質(zhì)中各官能團(tuán)的種類以及相對含量[13]。圖1為各硅橡膠絕緣試樣的紅外光譜圖，各官能團(tuán)的特征吸收峰面積計(jì)算值如表1所示。

圖1 不同試樣的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of different samples

表1 不同官能團(tuán)的吸收峰面積Tab.1 Absorption peak areas of different functional groups

從圖1可以看出，在波數(shù)為802、1 020～1 095、1 261、2 964 cm-1附近出現(xiàn)明顯的特征吸收峰，根據(jù)吸收峰出現(xiàn)的波數(shù)位置可以判斷，依次為Si-(CH3)2、Si-O-Si、Si-CH3和C-H的吸收峰[14]。此甲基乙烯基硅橡膠[15-16]的主鏈由硅、氧原子交替組成(-Si-O-Si-)，側(cè)鏈?zhǔn)桥c硅原子相連接的甲基、乙烯基等官能團(tuán)。由表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著服役時(shí)間的增加，主鏈Si-O-Si和側(cè)鏈Si-(CH3)2、Si-CH3的吸收峰面積都有不同程度減小，分子鏈上甲基的氧化也使得C-H的吸收峰面積明顯減小[14]。表明電纜中間接頭在運(yùn)行過程中，由于電熱聯(lián)合作用和故障引起的短時(shí)熱沖擊，導(dǎo)致分子鏈斷裂，破壞了硅橡膠的分子結(jié)構(gòu)，使其主、側(cè)鏈均出現(xiàn)老化乃至劣化，其中分子主鏈的Si-O鍵的峰面積減小最多，表明硅橡膠已經(jīng)出現(xiàn)了劣化跡象。

2.2 硅橡膠絕緣的電導(dǎo)特性

體積電阻率(ρv)是表征材料導(dǎo)電性能的宏觀參數(shù)，與體積電導(dǎo)率(γv)互為倒數(shù)關(guān)系(γv=1/ρv)。分別測試不同服役時(shí)間的硅橡膠絕緣在不同溫度下的體積電阻率，將所得數(shù)據(jù)取對數(shù)后進(jìn)行線性擬合，得到硅橡膠絕緣的電阻率-溫度特性曲線，如圖2所示。

圖2 不同試樣的電阻率-溫度特性曲線Fig.2 Resistivity-temperature characteristics of different samples

影響電介質(zhì)體積電導(dǎo)率的主要因素是載流子濃度和遷移率，載流子的濃度或遷移率越大，電介質(zhì)的體積電導(dǎo)率越大，體積電阻率越小[17]。載流子遷移率的大小則取決于束縛勢壘μ（0即活化能），其值越大，載流子的遷移率越小，材料的體積電阻率越大。體積電阻率隨溫度的變化規(guī)律為式（1），對式（1）兩邊取對數(shù)得式（2）。

式（1）～（2）中，A、B為常數(shù)，其中B為lnρv～(1/T)直線的斜率，反映了束縛勢壘μ0的大小，μ0表征載流子參與導(dǎo)電克服勢壘所需要的能量如式（3）所示。

式（3）中，k為玻爾茲曼常數(shù)。

由式（3）[18-19]計(jì)算得到試樣1#、2#、3#、4#的活化能分別為0.55、0.52、0.36、0.40 eV。

從圖2可以看出，不同試樣的體積電阻率都隨著溫度的升高單調(diào)遞減。表明在低溫時(shí)被束縛的載流子受熱激發(fā)參與導(dǎo)電，使得硅橡膠內(nèi)部載流子濃度升高，遷移率增大，因此硅橡膠絕緣的體積電阻率降低。

結(jié)合活化能數(shù)據(jù)可以看出，與未服役的1#試樣相比，隨服役時(shí)間的增加，試樣的體積電阻率和活化能減小。這是因?yàn)楣柘鹉z的導(dǎo)電性與其微觀組成結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[17]，其導(dǎo)電載流子主要來源于硅橡膠絕緣在交聯(lián)過程中殘存的微量副產(chǎn)物、硅橡膠絕緣中加入的白炭黑（SiO2）和運(yùn)行過程中分子鏈斷裂產(chǎn)生的游離基和小分子。它們在電場作用下易發(fā)生電離[19-20]，形成離子電導(dǎo)，充當(dāng)導(dǎo)電載流子，使得載流子濃度增大，體積電阻率降低。且硅橡膠絕緣在長期運(yùn)行過程中，電、熱聯(lián)合作用以及“熱脹冷縮”的呼吸效應(yīng)使分子間作用力減小，對載流子的束縛力減弱，部分分子鏈斷裂，勢壘能級降低，載流子更易成功躍遷參與導(dǎo)電，導(dǎo)致體積電阻率降低。

2.3 硅橡膠絕緣的擊穿特性

擊穿強(qiáng)度的大小決定了電介質(zhì)在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，電纜中間接頭處的電場較為集中，更易造成絕緣擊穿。為了研究硅橡膠絕緣的擊穿特性，對各組試樣進(jìn)行擊穿強(qiáng)度測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull分布分析[21]。圖3為各組試樣擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的Weibull分布圖，其特征參數(shù)如表2所示。其中，尺寸參數(shù)E0為擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度，可用來反映材料的本征絕緣性能優(yōu)劣；形狀參數(shù)β可用來反映擊穿數(shù)據(jù)的分散程度，β的數(shù)值越大，擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性越小[17]。

圖3 不同試樣擊穿強(qiáng)度的Weibull分布圖Fig.3 Weibull distribution of breakdown strength of different samples

表2 不同試樣擊穿強(qiáng)度的Weibull分布參數(shù)Tab.2 Weibull distribution parameters of breakdown strength of different samples

從圖3和表2可以看出，未服役的1#試樣具有較高的擊穿強(qiáng)度和較小的數(shù)據(jù)分散性，隨著服役時(shí)間延長，擊穿強(qiáng)度逐漸下降且數(shù)據(jù)分散性增大，表明運(yùn)行過程中的電、熱老化作用顯著降低了硅橡膠絕緣的擊穿強(qiáng)度。主要原因有3個(gè)方面：①分子鏈的斷裂導(dǎo)致硅橡膠絕緣內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分被破壞，分子結(jié)構(gòu)變得松散無序，鏈段活動(dòng)能力增強(qiáng)[20]，同時(shí)電荷更易遷移，使得擊穿路徑變短；②斷鏈產(chǎn)生的游離基和小分子等易發(fā)生電離，產(chǎn)生更多自由電子；③電熱聯(lián)合作用使SiO2填料與硅橡膠分子鏈間的作用力逐漸減弱，界面缺陷增多，造成電荷積聚量增大，更易形成電場畸變，從而導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度下降。

2.4 硅橡膠絕緣的介電譜

2.4.1 硅橡膠絕緣的介電頻譜

對不同服役時(shí)間的硅橡膠絕緣進(jìn)行寬頻介電譜掃描，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出各試樣在40℃下的相對介電常數(shù)(εr)和介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）隨頻率的變化曲線，如圖4所示。

圖4 40℃下不同試樣相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.4 Variation of the relative dielectric constant and dielectric loss factor of different samples with frequency at 40℃

從圖4(a)可以看出，在10-1～106Hz的頻率范圍內(nèi)硅橡膠試樣的相對介電常數(shù)較平穩(wěn)，但隨著服役時(shí)間的增加，試樣的相對介電常數(shù)逐漸增大。一般情況下，電介質(zhì)介電常數(shù)的變化由內(nèi)部的各種極化現(xiàn)象引起。硅橡膠屬于弱極性電介質(zhì)，其極化方式主要為電子位移極化，建立或消失的時(shí)間極短，約為10-15～10-16s，因此在測試頻率范圍內(nèi)硅橡膠絕緣的相對介電常數(shù)基本不變。

硅橡膠分子間存在SiO2晶體，與分子鏈形成復(fù)合界面，由于在運(yùn)行過程中長期處于擴(kuò)張狀態(tài)，其內(nèi)應(yīng)力將隨時(shí)間延長出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象[22]，且隨運(yùn)行溫度的升高，松弛造成分子鏈間作用力減弱。在電、熱聯(lián)合作用下，分子鏈會(huì)發(fā)生解聚反應(yīng)（主鏈斷裂、氧化）[23]，原有的交聯(lián)結(jié)構(gòu)部分被破壞，導(dǎo)致主鏈的不對稱性增加，偶極距增大；同時(shí)，多個(gè)短支鏈響應(yīng)電場運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為偶極基團(tuán)松弛特征；此外，在運(yùn)行過程中，SiO2粒子與硅橡膠基體界面的作用力逐漸減小[13]，在外電場作用下轉(zhuǎn)向極化更易發(fā)生，導(dǎo)致分子極化率增高，介電常數(shù)變大。因此硅橡膠絕緣的相對介電常數(shù)隨著服役時(shí)間的延長而增大。

從圖4(b)可以看出，在101～106Hz頻率范圍內(nèi)介質(zhì)損耗因數(shù)相對平穩(wěn)，而在10-1～101Hz低頻率范圍內(nèi)，各試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)隨著頻率的減小逐漸升高，隨著服役時(shí)間的延長，試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大。

電介質(zhì)在外電場作用下的介質(zhì)損耗主要有電導(dǎo)損耗和偶極基團(tuán)響應(yīng)電場運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的松弛損耗。在低頻段，各種極化均來得及建立，單位體積的介質(zhì)損耗與恒定電場下相近，全由電導(dǎo)損耗貢獻(xiàn)。由前文分析可知，硅橡膠絕緣在運(yùn)行過程中，由于分子鏈斷裂形成的游離基和小分子，在電場作用下易發(fā)生電離，形成離子電導(dǎo)，導(dǎo)致極低頻率下?lián)p耗大幅增加，而在高頻段，松弛極化來不及建立，損耗值基本不變。

2.4.2 硅橡膠絕緣的介電溫譜

圖5和6分別為硅橡膠絕緣在40～90℃內(nèi)相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的變化曲線。

圖5 試樣在不同溫度下相對介電常數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.5 Variation of the relative dielectric constant of the samples with frequency at different temperatures

從圖5可以看出，各試樣的相對介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律基本相同，隨著溫度的升高，相對介電常數(shù)逐漸減小。這是由于溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)的無序作用越強(qiáng)[15]，妨礙了鏈端單元、分子鏈段沿電場方向的定向排列，極化率降低，介電常數(shù)下降。服役5年的4#試樣在相同溫度條件下的相對介電常數(shù)明顯大于未運(yùn)行的1#試樣。這是因?yàn)殚L期運(yùn)行過程中，電、熱場作用力破壞了分子鏈段的對稱性而產(chǎn)生宏觀偶極距，同時(shí)使體系內(nèi)出現(xiàn)了不同層次結(jié)構(gòu)的鏈段運(yùn)動(dòng)單元和端基，且部分側(cè)鏈和交聯(lián)鍵斷裂，破壞了分子鏈結(jié)構(gòu)，使介質(zhì)極性增強(qiáng)[13]，這些因素都會(huì)導(dǎo)致分子極化率增加，介電常數(shù)增大。

圖6 試樣在不同溫度下介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的變化曲線Fig.6 Variation of the dielectric loss factor of the samples with frequency at different temperatures

從圖6可以看出，各試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)相對平穩(wěn)，在101～106Hz沒有損耗峰出現(xiàn)，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，試樣在低頻段的損耗值迅速上升。這是因?yàn)槿鯓O性的硅橡膠內(nèi)部不存在極性基團(tuán)，因此不會(huì)出現(xiàn)高頻率的松弛損耗。而隨溫度的升高，材料內(nèi)雜質(zhì)離子等載流子運(yùn)動(dòng)引起的電導(dǎo)大幅增加[24]，產(chǎn)生的電導(dǎo)損耗隨之增大，其主要貢獻(xiàn)在低頻段，導(dǎo)致低頻段的介質(zhì)損耗隨溫度的升高而增大。4#試樣比1#試樣的介質(zhì)損耗高，主要與運(yùn)行過程中材料老化產(chǎn)生的雜質(zhì)離子、短支鏈和分子結(jié)構(gòu)中少量的極性基團(tuán)密切相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）紅外光譜測試表明，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，硅橡膠絕緣內(nèi)各分子基團(tuán)的特征吸收峰面積減小，分子鏈發(fā)生斷裂，表明硅橡膠已經(jīng)出現(xiàn)了劣化跡象。

（2）硅橡膠絕緣材料的導(dǎo)電性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，長期的電、熱老化作用使其內(nèi)部載流子濃度增大，活化能減小，勢壘能級降低，對載流子的束縛力減弱，載流子更易成功躍遷參與導(dǎo)電，使硅橡膠絕緣的體積電阻率下降。

（3）隨著服役時(shí)間的增加，硅橡膠絕緣內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分被破壞，分子鏈斷裂產(chǎn)生的游離基、小分子以及SiO2填料與分子鏈間作用力的減弱，共同劣化了硅橡膠絕緣的擊穿強(qiáng)度，且數(shù)據(jù)分散性增大。

（4）介電頻譜和溫譜的測試結(jié)果表明，隨服役時(shí)間的增加，熱氧化降解生成的鏈段的不對稱性和多層次結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)單元增加，雜質(zhì)離子和分子間作用力的減弱導(dǎo)致介電常數(shù)增大，低頻的介質(zhì)損耗增大，高溫下分子熱運(yùn)動(dòng)的無序作用使介電常數(shù)減小，介質(zhì)損耗增大。