電纜接頭硅橡膠材料熱老化超聲聲速特性研究

宋 軍，王若丞，紀 航，王 昭，張圣甫，賀云逸，康洪瑋，金海云

（1.國網上海市電纜公司，上海 200072；2.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.國網上海市電力公司，上海 200122）

0 引言

電力電纜附件（如接頭、終端）的材料要求柔軟且具有彈性，因此通常使用硅橡膠等彈性材料[1-2]。材料的熱性能對設備的使用壽命和運行可靠性有很大的影響，正常運行工況下，電纜導體的最高溫度為90℃，但是一旦發生過載或短路，短時間內溫度可達250℃[3]。長時間的高溫會破壞電纜接頭的硅橡膠絕緣層，造成不可恢復的老化損傷，影響其絕緣性能。因此，準確評估電纜接頭硅橡膠絕緣層的熱老化狀態，對高壓電纜接頭的運行維護具有重要意義。目前絕緣材料的熱老化狀態評估以電氣性能測試為主，如介電測試、局放檢測和沖擊電壓試驗等。然而，這些測試方法通常需要施加一定時間的高壓或是沖擊電壓，會對試樣造成不可逆轉的損壞。因此，無損的檢測方法在分析判斷絕緣性能劣化程度與類型方面具有相當的優勢。

已有研究證實了超聲測試參數對發電機定子線棒絕緣狀態評估的有效性[4]。但在過去的研究中，超聲檢測多局限于金屬材料或是環氧樹脂等硬性材料，對于硅橡膠等高阻尼的軟彈性材料的關注較少。因此，本研究試圖研究超聲無損檢測對電纜接頭硅橡膠絕緣層熱老化評估的可行性。

本研究搭建一套用于電纜接頭硅橡膠絕緣層的超聲檢測平臺，對不同熱老化時間的試樣進行電氣性能和超聲性能測試，詳細分析各試樣的超聲參數與電氣參數的關系，為利用超聲無損檢測評估電力電纜運行狀態提供一定的參考。

1 理論背景

目前，評估絕緣老化狀態和預測壽命的常用手段多集中于拉伸試驗、電氣試驗等破壞性方法。而超聲檢測作為一種常用的無損檢測方法，其發射的超聲波與受驗材料相互作用而表現出不同的超聲參數，可用于表征材料的結構和性能。因此，超聲檢測可作為評估材料和設備老化狀態的一種無損檢測手段。

超聲波在某些方面與光波相似，他們都可以反射、折射、擴散，并能夠被遮擋。這些性能可以用于材料測試，如利用超聲檢測材料內部的微小缺陷[5-6]。本研究所采用的檢測方法為脈沖回波法。材料的聲阻抗，即材料密度與聲速的乘積，是重要的聲學特性，只要介質的聲阻抗沒有發生變化，超聲波的傳播就不會受到干擾。聲阻抗的變化將導致部分超聲信號發生反射，因此超聲探頭可以接收到不同缺陷（如氣泡、裂縫和分層）界面反射的超聲回波。

圖1為超聲檢測的超聲通路。從圖1可知，超聲探頭先產生一定頻率的超聲脈沖，一旦脈沖得到觸發，探頭便會發射1.5～20 MHz的超聲波（頻率由超聲探頭決定）。這些超聲波通過耦合劑接觸到耦合劑與試樣的接觸面，便會反射部分超聲信號，形成一個明顯的表面脈沖波（波T）；透過表面的超聲波繼續傳播，到達試樣與支撐平臺的接觸面時，同樣會發生反射，形成底面脈沖波（波B）。由于超聲信號在介質中傳播的吸收衰減，波B的幅值與波T相比明顯減小。

圖1 超聲檢測示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic detection

超聲檢測是應用廣泛的無損檢測方法之一。超聲波傳播的本質是與介質分子的相互作用，因此，超聲速度、超聲衰減等聲學參數很大程度上取決于介質內部的微觀變化。例如，介質密度的變化會引起傳播特性的變化，如超聲速度的降低和超聲衰減的增加，這些特性可用于檢測介質特性的變化。在電纜接頭硅橡膠絕緣層熱老化過程中，材料結構發生變化時，會引起材料性能的變化。通過研究熱老化后不同結構的硅橡膠絕緣層，可以探究超聲聲速與老化后的材料性能（如相對介電常數與電氣強度）之間的聯系，因此，利用超聲特性可以無損檢測和評價電纜接頭絕緣層的老化狀態。

2 試驗

2.1 試樣制備和熱老化方案

電纜接頭內絕緣層為硅橡膠材料，暴露在空氣中的部分較少。實際運行中，電纜接頭的氧透過率較低。因此，老化過程中幾乎無氧氣參與，以持續的熱量作用引起的熱老化為主導，熱氧老化相對較弱。本研究測試的電纜接頭是沈陽古河電纜公司生產的YJJJI2型220 kV硅橡膠整體預制電纜接頭。考慮到電纜接頭和試驗箱的尺寸，將整個接頭平均剖切成3個塊狀試樣，長度約為300 mm。由于保溫層較厚（約為130 mm），在老化過程中，氧氣很難侵入絕緣層內部，因此選取塊狀試樣中部的硅橡膠作為試驗對象，模擬電纜接頭在實際運行中由電纜導體高溫作用引起的熱老化。考慮到高壓電纜接頭實際運行中的高溫和ISO 11346:2004規定，選擇200℃作為加速熱老化溫度，并選取6個老化時間點（144、288、432、576、720、864 h）進行連續熱老化試驗。為了便于后續的試驗，依據GB 2941—2006，使用江都軒宇試驗機械廠的橡膠切片機對試樣的中心部分裁取尺寸為100 mm×100 mm×10 mm與100 mm×100 mm×1 mm的兩種切片。取10 mm的厚板試樣進行超聲檢測，取1 mm的片狀試樣進行電氣性能測試。

2.2 電氣性能測試

使用瑞士Tettex公司的2821型西林電橋在2 kV的工頻交流電壓下進行相對介電常數測試。使用揚州鑫源電器有限公司的YD-5750型擊穿實驗平臺進行工頻電氣強度測試，試驗采用直徑為25 mm的球電極，測試時試樣浸于25#絕緣油中，連續升壓速度為1 kV/s，每組試樣均取10組有效的電氣強度數據，并采用威布爾統計方法進行處理分析。

2.3 超聲聲速測試

以脈沖回波法為基礎，搭建了超聲檢測平臺，如圖2所示，利用透射法對不同熱老化試樣進行超聲聲速測量。超聲在空氣中的衰減十分嚴重，因此通常超聲測試都需要使用耦合劑，常用的超聲耦合劑有水、凡士林、環氧樹脂、真空硅脂、黃油等。凡士林、環氧樹脂等耦合劑多用于接觸法檢測，檢測時需要將探頭緊緊地壓在試樣表面。而硅橡膠作為柔性材料，接觸壓力難以控制，從而影響到探頭與試樣表面的夾角與耦合劑厚度，導致檢測重復性差。水浸法作為一種非接觸法，不需要將探頭緊壓在試樣表面，具有低衰減、經濟性好、檢測重復性高等優點，因此本研究采用水浸法進行超聲聲速測試。選用蒸餾水作為超聲耦合劑，超聲探頭與試樣浸于水槽中。超聲窄脈沖由汕頭超聲儀器研究所的CTS-9006型超聲探傷儀產生，1Z10SJ型超聲探頭接收到窄脈沖后，發射1 MHz的超聲信號。探頭接收的回波信號由英國Pico Technology公司的2207B型采集卡進行數字化采集，采樣率為1 GHz，并將采集到的數據儲存于計算機中以便后續處理。采集卡記錄探頭收到T波與B波的傳播時間和振幅。由于T波與B波的傳播路程為檢測試樣厚度的兩倍，因此可由式（1）計算出各老化試樣的超聲聲速v。

式（1）中：d為試樣檢測點的厚度；tB為底波B的返回時間；tT為表面波T的返回時間。

圖2 超聲檢測平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing platform

3 結果與分析

3.1 電氣性能測試結果與分析

不同熱老化硅橡膠試樣的相對介電常數隨老化時間的變化如圖3所示。從圖3可以看出，在工頻電壓下，硅橡膠試樣的相對介電常數隨老化時間的增加而逐漸增大，老化狀態逐漸嚴重。根據GB/Z 18890.3—2002規定要求，硅橡膠的相對介電常數應該在2.5～3.5。熱老化144 h后，試樣的相對介電常數超過了相關標準的上限，說明隨著熱老化的進行，硅橡膠試樣的劣化程度逐漸加深，這主要與老化過程中分子鏈的斷裂和強極性基團的生成有關[7-8]。

圖3 不同熱老化時間下硅橡膠試樣的相對介電常數Fig.3 Relative permittivity of silicone rubber under different thermal ageing time

試樣的電氣強度采用威布爾分布進行統計，結果如圖 4所示，計算得到老化 144、288、432、576、720、864 h的硅橡膠試樣電氣強度分別為27.6、23.2、24.6、23.6、25.3、23.5、23.7 kV。可以看出，隨著老化時間的增加，硅橡膠試樣的工頻電氣強度出現下降，表明由熱老化引起的材料劣化逐漸加重。根據GB/Z 18890.3—2002規定要求，220 kV電纜附件用硅橡膠的工頻電氣強度不小于22 kV/mm。而在熱老化720 h后，試樣的電氣強度已從27.6 kV/mm下降到23.7 kV/mm，接近標準下限，表明經過長時間的熱老化作用，電纜接頭的硅橡膠絕緣層性能劣化嚴重，存在安全風險。

圖4 不同熱老化時間下硅橡膠試樣電氣強度的Weibull分布Fig.4 Weibull distribution of electric strength under silicone rubber at different thermal ageing time

綜上所述，利用硅橡膠絕緣層相對介電常數和電氣強度的變化，可以有效地評價高壓電纜接頭絕緣層的老化狀態。而通過分析熱老化試樣的相對介電常數和電氣強度的部分數據，可以預測其變化趨勢，從而對材料的老化狀態和可靠性進行評估。

3.2 聲速測試結果與分析

試樣的超聲聲速測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著老化時間的增加，硅橡膠試樣的超聲聲速呈現出明顯且連續的下降趨勢，聲速由未老化時的1030.7 m/s下降至老化864 h后的919.8 m/s。

圖5 不同熱老化時間的超聲聲速Fig.5 Ultrasonic velocity at different thermal ageing time

材料的超聲聲速與楊氏彈性模量與密度有關，固體介質超聲縱波速度的理論值可由式（2）計算。

式（2）中：E為楊氏彈性模量；ρ為密度。

由于經過長時間的高溫熱老化后，硅橡膠試樣明顯變軟，彈性模量下降，根據式（2）可知材料的超聲聲速也隨之減小。綜上可知，依據超聲聲速的變化，可以有效地對電纜接頭硅橡膠絕緣層的老化狀態進行評估。

為驗證超聲檢測方法對評估硅橡膠老化狀態的有效性，本研究將超聲聲速與電氣性能參數（相對介電常數、電氣強度）分別作為獨立的變量，利用MATLAB擬合出不同老化時間下硅橡膠試樣電氣性能參數與超聲聲速的關系，結果如圖6所示。

圖6 超聲聲速與電學參數關系Fig.6 Relationship between ultrasonic sound velocity and electrical parameters

從圖6可以看出，硅橡膠試樣的超聲聲速與相對介電常數表現出良好的對應關系，其本質原因是熱老化過程引起硅橡膠材料一系列的微觀結構改變（如化學鍵斷裂、交聯破壞、新的官能團生成等），最終表現在密度、楊氏模量、介電特性等宏觀參數的變化上。而超聲聲速和介電常數均與介質內部的微觀結構變化密切相關，因此在老化過程中表現出良好的相關性。而由于電氣強度的測量往往具有較大的分散性和隨機性，因此聲速與電氣強度的對應關系不明顯。在后續的研究中，可根據獲得的相對介電常數-超聲聲速擬合曲線，預測硅橡膠試樣的老化狀態及使用壽命。超聲檢測有望成為評估硅橡膠材料老化特性的一種有效的無損檢測方法。

4 結論

（1）由于長時間的高溫熱老化導致分子鏈的斷裂及強極性基團的生成，電纜接頭硅橡膠絕緣層的相對介電常數隨老化時間的增加而增大，老化864 h后的相對介電常數由未老化時的3.31上升至3.97。

（2）電纜接頭硅橡膠絕緣層的電氣強度隨老化時間的增加而降低，當老化864 h時，其電氣強度下降至23.74 kV/mm，接近國家標準下限，表明此時熱老化已對電纜接頭絕緣層造成了相當大程度的破壞，存在一定的運行風險。

（3）由于高溫熱老化軟化了電纜接頭硅橡膠絕緣層，其超聲聲速隨老化時間的增加而降低。超聲聲速與相對介電常數表現出良好的對應關系。由于電氣強度測量結果的分散性與隨機性較大，超聲聲速與電氣強度的對應規律并不明顯。可通過將超聲聲速與相對介電常數進行擬合量化，實現對硅橡膠絕緣材料的剩余壽命預測與老化狀態評估。