高壓電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣長(zhǎng)期服役后的性能變化研究

任廣振，吳健兒，李翔翔，鄧顯波，李富平，王詩(shī)航

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310016；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074；4.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜以其優(yōu)異的電氣、力學(xué)、熱學(xué)、理化性能等，得到了日益廣泛的應(yīng)用。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和入地工程的開展，越來(lái)越多的XLPE電力電纜投入運(yùn)行。同時(shí)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和電壓等級(jí)的不斷提高，電力電纜的穩(wěn)定性、可靠性、安全性問(wèn)題日益突出。

XLPE電力電纜的設(shè)計(jì)壽命一般為30年[1]。實(shí)踐證明，電力電纜的運(yùn)行失效率是時(shí)間的函數(shù)，其規(guī)律符合浴盆曲線[2]。電力電纜的安全運(yùn)行具有明顯的階段性，在投運(yùn)后的1～5年為早期故障，在投運(yùn)后的5～25年進(jìn)入偶然故障，運(yùn)行年限大于25年后電纜進(jìn)入嚴(yán)重故障期[3]。為了預(yù)防早期失效的發(fā)生，減少宏觀缺陷引起的電纜運(yùn)行故障，XLPE電纜在投入運(yùn)行前需要進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)[4-7]。為了預(yù)防嚴(yán)重故障期電纜本體老化擊穿[8-11]，需要分析評(píng)估電纜的老化狀態(tài)，及時(shí)更換線路，以防電力電纜運(yùn)行故障率大幅上升進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)已有大量運(yùn)行電纜即將達(dá)到30年的服役壽命，故障風(fēng)險(xiǎn)正逐步增大。全部更換新電纜需付出高額的成本，因此亟需研究服役電纜絕緣狀態(tài)的表征與分析方法。

電纜長(zhǎng)期運(yùn)行于電、熱、機(jī)械應(yīng)力條件下，會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，嚴(yán)重制約電力電纜的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，電纜長(zhǎng)期運(yùn)行后的老化狀態(tài)評(píng)估對(duì)于判斷電纜的安全可靠性至關(guān)重要。T J LEWIS等[12-13]多年致力于界面（包括電極與介質(zhì)、填料與介質(zhì)以及材料中兩相之間的界面）對(duì)老化過(guò)程影響的研究。文獻(xiàn)[14-15]從缺陷、機(jī)械、環(huán)境、熱及電應(yīng)力等方面對(duì)絕緣老化進(jìn)行了詳細(xì)研究和綜述。S SERRA等[16]研究認(rèn)為服役電纜的劣化可能是起始于XLPE絕緣中的納孔等微觀缺陷。交變電場(chǎng)使XLPE分子鏈發(fā)生電機(jī)械形變，進(jìn)而使得納孔逐漸擴(kuò)大，形成尺寸更大的微孔。目前實(shí)驗(yàn)室加速老化的試驗(yàn)結(jié)果已有較多報(bào)道[17-19]。然而，XLPE絕緣在實(shí)驗(yàn)室老化研究中的性能演變與XLPE絕緣在服役過(guò)程的性能演變之間的對(duì)應(yīng)性關(guān)系仍不清晰。

本研究選取110 kV新電纜的XLPE絕緣和服役運(yùn)行22年后退役的110 kV電纜的XLPE絕緣為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比分析兩者在陷阱特性、空間電荷特性與擊穿特性的差別，進(jìn)而獲得高壓電纜XLPE絕緣在服役過(guò)程中的性能變化。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

對(duì)110 kV新電纜XLPE絕緣和退役電纜XLPE絕緣進(jìn)行取樣，兩根電纜所用XLPE絕緣的原材料均來(lái)自美國(guó)陶氏公司。分別在絕緣的內(nèi)層、中層、外層3個(gè)部位取樣，制備厚度為500 μm的片狀試樣，試驗(yàn)前將所有片狀試樣放置于80℃真空烘箱內(nèi)抽真空干燥8 h。

1.2 工頻擊穿試驗(yàn)

選用華洋儀器的HJC-100kV型擊穿測(cè)試儀進(jìn)行工頻擊穿試驗(yàn)。采用直徑為25 mm的球-球電極，將片狀試樣完全浸沒(méi)在變壓器油內(nèi)按照GB/T 1408.1—2016進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境濕度為10%，溫度為20℃，升壓速度為0.5 kV/s。每組試樣至少進(jìn)行10次擊穿試驗(yàn)。

1.3 熱刺激電流測(cè)量

測(cè)試前在厚度為0.5 mm的薄片試樣兩面真空濺射直徑為20 mm的金電極以確保電極接觸良好。首先以2℃/min的升溫速率將試樣從室溫加熱至100℃，此時(shí)在試樣兩端施加1 kV的直流偏壓電壓，并在100℃下保溫加壓5 min；接著采用液氮將試樣快速降溫至-100℃，去掉極化電壓，并在-100℃下保溫5 min；最后以2℃/min的升溫速率將試樣加熱至120℃。在-100～120℃的升溫過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 空間電荷測(cè)量

采用電聲脈沖法（PEA）空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)恒溫油浴控溫，測(cè)試不同溫度下試樣在施加30 kV/mm直流電場(chǎng)20 min過(guò)程中的空間電荷分布特性。其中，PEA空間電荷測(cè)量系統(tǒng)上電極采用半導(dǎo)體電極，下電極為鋁電極，聲耦合劑為硅油，電極直徑為20 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

按照威布爾概率統(tǒng)計(jì)理論，絕緣材料在電壓U下發(fā)生擊穿的概率按式（1）計(jì)算。

式（1）中：U為擊穿電壓，kV；α為威布爾分布的尺度參數(shù)，表示擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，單位為kV/mm；β為威布爾分布的形狀參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，威布爾分布失效概率的取值對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響，為了能夠得到科學(xué)的威布爾分布點(diǎn)，引入與概率相關(guān)的Ross分布函數(shù)，如式（2）所示。

式（2）中：i為試樣序號(hào)；n為試樣的總數(shù)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)由小到大排列，并編以序號(hào)，則式（2）表示對(duì)應(yīng)序號(hào)下該數(shù)據(jù)的失效概率。計(jì)算Weibull分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，新電纜XLPE試樣的β值整體上比退役電纜XLPE試樣的大，表明新電纜試樣擊穿電壓的分散性明顯小于退役電纜試樣。新電纜XLPE試樣的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)為73～77 kV/mm，而退役電纜XLPE試樣的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為73 kV/mm，略小于新電纜XLPE試樣。新電纜XLPE試樣的β值沿徑向分布差異大于退役電纜試樣。對(duì)于擊穿試驗(yàn)而言，其結(jié)果存在一定的誤差，這與試樣的厚度和擊穿試驗(yàn)條件等因素密切相關(guān)，僅依靠工頻擊穿強(qiáng)度無(wú)法準(zhǔn)確表征XLPE絕緣層的老化程度。

表1 工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)Weibull參數(shù)Tab.1 Weibull parameters of breakdown field strength at power frequency

2.2 電荷陷阱特性對(duì)比

圖1是新電纜和退役電纜XLPE試樣的熱刺激電流（TSC）測(cè)試曲線。從圖1可以看出，在測(cè)試溫度由175 K上升到390 K過(guò)程中，XLPE試樣的TSC曲線主要呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的電流峰，低溫峰位于200～275 K，高溫峰位于310～390 K。與新電纜XLPE試樣相比，退役電纜XLPE試樣的低溫峰沒(méi)有明顯區(qū)別，而高溫峰差異較大。新電纜XLPE試樣的高溫峰峰值溫度約為375 K，而退役電纜XLPE試樣的高溫峰峰值約為365 K。

根據(jù)式（3）可以估算陷阱能級(jí)[20]。

式（3）中，E是陷阱能級(jí)；Tm是峰值溫度；ΔT是電流峰的半峰寬，k是玻爾茲曼常數(shù)。

圖1 熱刺激電流曲線Fig.1 Thermally stimulated current curves

計(jì)算可得新電纜XLPE試樣和退役電纜XLPE試樣的陷阱能級(jí)如表2所示。

表2 陷阱能級(jí)Tab.2 Trap level

從表2可以看出，XLPE電纜絕緣層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后，其電荷深陷阱能級(jí)明顯減小，由約1 eV減小至0.49～0.62 eV，可以作為表征絕緣層老化的特征量。雖然熱刺激電流曲線的峰值與電荷陷阱密度相關(guān)，不同位置處的陷阱密度有所差別，但是不同試樣內(nèi)層、中層和外層的陷阱能級(jí)測(cè)試數(shù)值接近，表明通過(guò)陷阱能級(jí)參數(shù)表征電纜絕緣層老化程度時(shí)，試樣取樣位置的影響可以忽略。

2.3 空間電荷特性的比較

圖2和圖3分別給出了新電纜XLPE試樣和退役電纜XLPE試樣在30 kV/mm直流電場(chǎng)、60℃下的空間電荷分布曲線。因?yàn)楦邷叵碌耐瑯O性電荷注入與異極性電荷積聚現(xiàn)象將增強(qiáng)，所以在較高溫度下分析空間電荷特性能夠更加顯著地表征出電纜絕緣在服役中的性能演變。從圖2～3可以看出，新電纜XLPE絕緣層主要表現(xiàn)為同極性電荷的注入和傳導(dǎo)，并且電荷注入量少；退役電纜XLPE絕緣層主要表現(xiàn)異極性空間電荷積累，并且該異極性空間電荷主要集中在電極附近，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，異極性空間電荷增多但基本不向試樣內(nèi)部遷移。

圖2 新電纜XLPE絕緣層空間電荷曲線Fig.2 Space charge curves of XLPE insulation of new cable

圖3 退役電纜XLPE絕緣層空間電荷曲線Fig.3 Space charge curves of XLPE insulation layer of the retired cable

在不同加壓時(shí)刻沿試樣厚度對(duì)試樣內(nèi)凈電荷密度進(jìn)行積分，可求得不同時(shí)刻的平均積累電荷量，得到空間電荷積累量與加壓時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 空間電荷積累量與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 The relationship between space charge accumulation and time

從圖4可以看出，新電纜XLPE試樣與退役電纜XLPE試樣的電荷積聚速度有明顯差異，兩者均表現(xiàn)為外層試樣的電荷積聚速度最快，中層試樣次之，內(nèi)層試樣最慢。直流場(chǎng)下新電纜XLPE試樣的空間電荷量達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間較短，在加壓200 s后基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。退役電纜XLPE試樣的空間電荷量在加壓400 s內(nèi)增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)速度放慢。

3 分析與討論

由表1可以看出，電纜絕緣在服役運(yùn)行22年后其擊穿強(qiáng)度變化并不顯著。影響XLPE擊穿場(chǎng)強(qiáng)的因素很多，主要有分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、添加劑與小分子雜質(zhì)等。但是就測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，服役過(guò)程中所造成的分子鏈損傷、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)改變和小分子產(chǎn)物的生成并未能對(duì)XLPE絕緣的短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)造成明顯變化。因此可以認(rèn)為線性升壓方法下的短時(shí)交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)并不能顯著地表征和區(qū)分服役高壓電纜XLPE絕緣的老化狀態(tài)。

電荷輸運(yùn)特性能夠反映微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分的變化等，所以本研究通過(guò)電荷輸運(yùn)特性來(lái)研究電纜的老化服役過(guò)程。陷阱能級(jí)計(jì)算結(jié)果表明，XLPE絕緣經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后，其電荷深陷阱能級(jí)明顯減小。電荷陷阱可以由分子鏈的局部無(wú)序性導(dǎo)致，也可以是由老化過(guò)程中產(chǎn)生的雙鍵、羰基和自由基等導(dǎo)致。

新電纜XLPE試樣的同極性空間電荷主要來(lái)自電極注入，而長(zhǎng)期服役XLPE試樣內(nèi)的異極性空間電荷則來(lái)自老化后的氧化產(chǎn)物、小分子產(chǎn)物等的電離。服役老化對(duì)XLPE電纜絕緣試樣內(nèi)空間電荷的積累速率有影響。新電纜XLPE試樣空間電荷積累速率快，在加壓很短的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到平衡，但是電荷積聚量非常少；退役電纜XLPE試樣空間電荷積累速度慢，但是電荷積聚量很大，以異極性電荷積聚為主。

電纜在降溫過(guò)程中，絕緣層中不同位置的降溫速率不同，導(dǎo)致其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有差異?？拷^緣層內(nèi)層降溫速率變慢，因此可能存在更高的結(jié)晶度與更完善的晶體結(jié)構(gòu)，從而影響電荷輸運(yùn)特性，導(dǎo)致無(wú)論是新電纜還是退役電纜均表現(xiàn)為XLPE絕緣層內(nèi)側(cè)積聚電荷量較少。

在高壓電纜XLPE絕緣狀態(tài)的評(píng)估與老化特征研究中，一般采用新電纜與服役電纜對(duì)比研究和實(shí)驗(yàn)室加速老化研究?jī)煞N方式。前者的研究方法中并不能嚴(yán)格比較同一批次電纜未服役的絕緣狀態(tài)和長(zhǎng)期服役后的絕緣狀態(tài)。通過(guò)大量的新電纜和服役電纜絕緣層樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確地獲得絕緣層的老化狀態(tài)和規(guī)律。

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析了110 kV新電纜XLPE絕緣和服役運(yùn)行22年的110 kV電纜XLPE絕緣的性能差異，主要得到以下結(jié)論：

（1）110 kV電纜在服役22年后，XLPE絕緣試樣的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)變化較小，且絕緣層不同位置處擊穿場(chǎng)強(qiáng)的差異性減弱。

（2）110 kV電纜在服役22年后，XLPE絕緣試樣的陷阱能級(jí)由約1 eV減小至0.49～0.62 eV，陷阱能級(jí)可以作為表征電纜絕緣在服役中性能演變的關(guān)鍵特征量。

（3）長(zhǎng)期服役后的XLPE絕緣層試樣在直流場(chǎng)下表現(xiàn)為明顯的異極性電荷積聚，而新電纜XLPE絕緣層試樣則表現(xiàn)為少量同極性電荷注入。通過(guò)空間電荷積聚與加壓時(shí)間的關(guān)系也能反映絕緣層的老化程度。