退役高壓電纜附件絕緣狀態(tài)及理化性能分析

陳 杰 吳世林 胡麗斌 任成燕,3 邵 濤,3

退役高壓電纜附件絕緣狀態(tài)及理化性能分析

陳 杰1吳世林2胡麗斌1任成燕2,3邵 濤2,3

（1. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院 南京 211103 2. 等離子體科學和能源轉化北京市國際科技合作基地 中國科學院電工研究所 北京 100190 3. 中國科學院大學 北京 100049）

為了探究長期服役對高壓電纜附件老化狀態(tài)的影響，研究退役電纜附件的絕緣特性及理化性能。以三元乙丙橡膠（EPDM）和硅橡膠（SIR）兩種退役電纜附件絕緣為研究對象，測試其力學性能、微觀結構及化學成分，測試并分析其介電性能和絕緣狀態(tài)。結果表明，EPDM樣品中C-O-C鍵的出現以及SIR樣品分子鏈上有機基團的減少可作為電纜附件絕緣老化的標志，附件的絕緣老化在宏觀上表現為力學特性的下降；經歷老化或擊穿事故的電纜附件，其分子鏈在電、熱等綜合作用下斷裂成小分子，小分子可能重結晶，導致樣品晶型及聚集狀態(tài)的改變；經歷嚴重老化的電纜附件，其介電性能發(fā)生明顯劣化。樣品理化性能及介電性能的改變可基本反映電纜附件的絕緣及老化狀態(tài)。

電纜附件 絕緣性能 力學特性 微觀結構 老化狀態(tài)

0 引言

隨著我國電網負荷日益增長以及土地資源日趨緊張，電力電纜因具有安全性高、節(jié)省空間等優(yōu)點，逐漸取代架空輸電線路[1-4]。電纜附件在輸電線路的連接和過渡中扮演著重要角色，其主要作用是使用物理或者化學方法對電纜接頭或終端的電場分布進行改變[5]，使其可以承受電纜的長期運行。相較于電纜本體，電纜附件（終端與中間接頭）的絕緣多采用多層復合介質且結構較為復雜，絕緣屏蔽斷口處因電應力集中容易發(fā)生故障，同時附件在現場安裝中存在一定的隨機性與不可控性，因此電纜附件發(fā)生故障的概率遠高于電纜本體。在110kV電纜發(fā)生的故障中，不考慮外力破壞的因素，由電纜附件問題引發(fā)的故障占比高達85.5%[6-7]，因此，研究高壓電纜附件對電網安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

應用于電纜附件的絕緣材料主要有硅橡膠（Silicone Rubber, SIR）和三元乙丙橡膠（Ethylene- Propylene-Diene Monome, EPDM）兩種[8]。SIR具有良好的電絕緣性、表面憎水性、抗污閃特性和抗漏電起痕性，在交流電纜附件中應用廣泛。EPDM具有優(yōu)良的電絕緣性能、力學性能、耐熱耐寒、耐酸堿性能和抗紫外線性能[9]。由于電纜老化受多重因素的作用，目前對電纜老化過程和機理還沒有統(tǒng)一的認識[10]。研究絕緣材料電性能、微觀結構及物理化學等特性，對揭示電纜附件的老化機理及絕緣狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義。

目前高壓電纜附件絕緣性能的表征手段有很多，其中擊穿場強是電纜附件絕緣結構設計中首要的表征參數。以斷裂伸長率作為電纜壽命評估參數，附件內側安裝擴張率一般要求在120%～150%范圍，因此，擊穿和力學試驗被認為是最重要的壽命評定參數。用傅里葉紅外光譜測試（Fourier Transform Infrared spectroscopy, FTIR）和X射線衍射分析（X-Ray Diffraction, XRD）手段研究絕緣材料聚集態(tài)結構有利于從微觀角度分析電纜在實際運行過程中電、溫度、氧氣等綜合因素對其絕緣性能的影響。

由于聚合物分子鏈間的交聯或斷裂等過程，會表現出不同的力學性能[11]，通過測試分析這些力學性能的變化可一定程度地反映材料的分子結構及老化狀態(tài)[12-13]。傅明利等發(fā)現電纜附件承受過大的機械應力，可能導致絕緣介質內部結構損傷和破壞[12]；而電纜附件承受較小的機械應力則會產生微小氣隙等結構缺陷，進而引發(fā)沿面放電。王佩龍等研究了電纜附件的非線性變形，結果表明，應力錐和高壓屏蔽管的局部形狀發(fā)生變化，會使界面壓力發(fā)生變化，造成界面絕緣強度降低[14]。張運周等研究了退役電纜絕緣的老化狀態(tài)，發(fā)現退役電纜與新電纜耐擊穿性能和力學性能沒有明顯變化[15]。惠寶軍等研究了機械應力對硅橡膠擊穿特性的影響，發(fā)現隨著拉伸比例從0增大到125%，厚度為1.0mm和2.0mm的硅橡膠擊穿場強分別增大了35.4%和51.0%[16]。

因此，為確保電纜與附件絕緣界面的安全可靠運行，需關注電纜附件在長期運行中的絕緣狀態(tài)及理化性能[17-18]。目前，國內外針對新的高壓電纜附件絕緣材料的聚集態(tài)及力學性能已有很多研究，但是對退役高壓電纜附件的絕緣及理化特性研究還較少。本文通過擊穿試驗、介電常數、力學拉伸試驗、FTIR、XRD分析等研究退役高壓電纜附件的宏觀性能和微觀特性，分析其絕緣狀態(tài)及理化特性，探究電纜附件在運行過程中的老化機理，可為高壓電纜附件的老化狀態(tài)監(jiān)測及壽命評估提供試驗基礎。

1 試驗及測試方法

1.1 主要原料和儀器設備

試驗中采用的絕緣樣品取樣于不同運行線路的退役電纜附件，其中電纜主絕緣材料為交聯聚乙烯，電纜附件的絕緣材料分別為EPDM和SIR各三件，分別編號為EPDM-1、EPDM-2、EPDM-3，SIR-1、SIR-2和SIR-3。試樣的基本信息見表1。

表1 試樣基本信息

Tab.1 Basic information of the samples

試樣運行狀態(tài)如下：EPDM試樣分別取樣于電纜終端和中間接頭，EPDM-1為故障相終端，運行過程中由于尾管鉛封不良及其他安裝問題形成長期局部放電，并最終導致絕緣擊穿，外形損毀嚴重；EPDM-2運行中鋁護套封鉛不良，半導電層未可靠接地，產生沿面爬電現象，外形保持完好；EPDM-3取自中間接頭，運行過程中由于導體均壓套連接問題，產生局部放電并最終導致接頭預制件擊穿，但其外形保持完好。SIR試樣均來自電纜終端，其中，SIR-1運行中存在半導電層搭接不良引起的電纜終端發(fā)熱現象，但其外形保持完好；SIR-2運行中由于終端搪鉛不良引起尾管末端燒蝕以及部分絕緣油碳化，并最終發(fā)生擊穿事故，外形損毀比較明顯；SIR-3由于安裝時應力錐受力不均導致界面出現氣隙，并最終形成沿面放電，整體外形保持良好。

和電纜主絕緣材料相比，電纜附件絕緣較軟，無法采用常規(guī)絕緣切片方法處理。為保證樣品的切割均勻性，采用橡膠類絕緣專用切片機分別對六種退役電纜附件進行規(guī)范化切片制樣，樣品厚度約為1mm，以便進行后續(xù)性能檢測。同時，為了保證測試結果的可靠性，每種測試均采用多個樣品進行測試和分析。

1.2 力學性能測試

參照國標GB/T 528-2009對六種不同型號電纜附件絕緣制作啞鈴型試樣，啞鈴型試樣的結構示意圖如圖1所示，樣品窄平行段寬度為4mm，厚度(1±0.2)mm。采用CMT 2502/10709090型絕緣拉力試驗機進行試驗，試驗在室溫下進行，初始夾頭間距為20mm，拉伸速度為500mm/min。為保證試驗數據的準確性，每種型號電纜附件絕緣取6、7個試樣進行測試，至少得到5個有效數據，并對測試數據求平均值作為最終結果。

圖1 啞鈴型試樣的結構示意圖

1.3 微觀形貌測試

采用Carl Zeiss的Sigma場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）進行試樣微觀形貌觀測，試樣切割面積為10mm×10mm方形薄片，測試前用無水乙醇擦拭表面，并使用離子濺射儀對樣品進行噴金處理，以增強樣品的導電性。

1.4 FTIR及XRD測試

為了研究樣品表面化學成分，通過FTIR和XRD進行材料分析。采用Nicolet iS50的FTIR對樣品進行測試，樣品厚度1mm，面積為10mm×10mm；測量范圍為450～4 000cm-1，分辨率為2cm-1，掃描次數16次取平均值。采用D8 ADVANCE的XRD對相同尺寸的樣品進行試驗，掃描范圍10°～90°，掃描速率0.2°/s。

1.5 電氣性能測試

退役電纜附件的絕緣狀態(tài)采用樣品的擊穿場強、介電頻譜和電導率來表征。試樣的有效面積為20mm×10mm，厚度為1mm。其中，電纜附件絕緣的擊穿場強采用全自動油介電強度測試儀完成，可在0～80kV范圍內進行絕緣介質的耐壓試驗。電極采用球冠-板的形式，升壓速率為2kV/s，放電時間間隔1min左右；每組樣品做10次擊穿試驗，并取多次測試的平均值作為該試樣的擊穿場強。樣品的電阻率采用三電極法測試，并用Keithley 6517B型高阻計記錄測試結果，每組樣品分別取10次測試的平均值作為該試樣的電阻率。介電頻譜和介質損耗測試采用安捷倫4395A阻抗分析儀，測試頻率范圍在100kHz～500MHz，采用等效RLC并聯模型，對每組樣品進行多次測量，取中間值作為測試結果。

2 結果與分析

2.1 力學性能測試

圖2為取樣于不同型號電纜附件的絕緣樣品的應變-應力曲線，表2給出了相關的重要參數。抗拉強度及扯裂伸長率通常用來反映電纜附件絕緣的拉伸變形能力，是橡膠材料普遍要求的性能之一。從圖2可以看出，EPDM絕緣的力學性能總體較SIR要好，抗拉強度和扯裂伸長率性能更好。

圖2 退役電纜附件絕緣的應變-應力曲線

中間接頭EPDM-3抗拉強度為10.372MPa，扯裂伸長率為414.632%，但是彈性模量卻最小，為0.889MPa，這主要是因為在服役過程中，EPDM-3作為中間接頭絕緣承受更大的拉力，發(fā)生非線性形變會嚴重影響其界面電場，導致絕緣力學性能下降[19]。而EPDM-1的抗拉強度卻低于SIR，這和其取樣的電纜終端運行經歷有關，本電纜終端退役前經歷擊穿事故，終端應力錐嚴重受損，長期運行老化及擊穿事故導致其抗拉強度降低，但其扯裂伸長率和彈性模量并沒有受到明顯影響。同時，盡管EPDM-1發(fā)生擊穿事故，但是抗拉強度大于6MPa，仍能滿足國標要求[20]。另外，SIR-1的扯裂伸長率最低，僅為136.59%，低于國標要求的300%，可能與其運行中存在半導電層搭接不良引起的電纜終端發(fā)熱現象有關；但其彈性模量顯著大于SIR-2和SIR-3，抗拉強度也沒有明顯降低。

表2 退役電纜附件絕緣的力學性能測試結果

Tab.2 Mechanical performance test results of retired cable accessory insulation

EPDM-3運行過程中由于導體均壓套連接問題，產生局部放電并最終導致接頭預制件擊穿，但其外形保持完好；SIR-3由于安裝時應力錐受力不均導致界面出現氣隙，并最終形成沿面放電，整體外形保持良好。由于電纜附件局部受力不均及擊穿的發(fā)生，盡管外形良好，仍對其力學性能產生一定影響，這可能也是導致兩者彈性模量較低的原因。結合電纜附件的運行條件可知，附件的受力不均、長期發(fā)熱及擊穿事故可嚴重損傷其部分力學性能。

2.2 微觀形貌測試

為了更好地觀察退役電纜附件絕緣的微觀結構，對樣品噴金處理，進行SEM測試，結果如圖3所示。由圖中可看出，EPDM和SIR絕緣中都可以明顯觀察到微納米顆粒填充結構，EPDM和SIR盡管經過長期負載服役，電纜絕緣并未發(fā)生深度老化。相關研究表明[21-22]，電介質中微納米顆粒填充結構有利于改善界面電場，可以減緩絕緣老化的發(fā)生。

圖3 退役電纜附件絕緣表面形貌

根據樣品的微觀形貌可以直觀地展現出絕緣的老化狀況，從圖3可以看出，EPDM絕緣樣品形貌較為完整，說明取樣并未發(fā)生明顯的老化，且納米填充顆粒較為密集；圖3c的EPDM-3作為中間接頭，需要更高的機械強度和擊穿場強，因此它的填充顆粒更小，而SIR絕緣樣品填充顆粒尺寸較大，且微觀形貌及結構出現不同程度的損壞；圖3e的SIR-2經歷沿面放電及擊穿事故，其SEM圖像中出現明顯的放電燒灼痕跡；圖3f中出現明顯的納米尺寸裂紋，說明SIR試樣出現不同程度的老化現象。這與力學性能測試結果類似，在退役的電纜附件中，EPDM樣品的老化程度較SIR樣品弱。

2.3 FTIR及XRD測試

電纜附件經過長時間的運行，材料表面化學成分可能發(fā)生變化。FTIR和XRD是分析物質微觀結構和物質組成的有效手段，通過分析EPDM和SIR主鏈斷裂基團吸收峰能夠有效表征電纜附件的老化狀態(tài)[23]。

圖4為試樣FTIR光譜，從圖4a中可以看出，EPDM的主要特征峰出現在波數為1 376cm-1、1 461cm-1、2 850cm-1、2 920cm-1處。其中，在2 920cm-1、2 850cm-1處出現-CH2的伸縮振動吸收峰，在1 376cm-1處出現明顯的-CH3吸收峰，在1 461cm-1處含有CH3-C鍵，也就是CH3的變角振動，而在1 078cm-1處出現明顯的C-O-C鍵，考慮主要是由于材料熱解氧化產生的，另外在802cm-1處出現較弱的Si-C吸收峰，則可能是由外部填充硅油氧化導致。

圖4 試樣的FTIR光譜

硅橡膠主要由主鏈Si-O-Si結構和側鏈Si-CH3組成[24-25]，從圖4b中可以看出，反映主鏈Si-O-Si吸收峰波數為1 008cm-1和反映側鏈的Si-CH3基團吸收峰為1 258cm-1，在786cm-1處也出現峰值較強的O-Si(CH3)2-O吸收峰。其中，SIR-2在787cm-1處的吸收峰最低，表明在長期運行老化及擊穿事故中，硅氧烷分子鏈上的有機基團不斷減少，在宏觀上表現為力學特性的下降，這與力學性能測試結果一致。

圖5為試樣XRD光譜，從圖5a中可以看出，EPDM的主要特征峰出現20°和37°，且與EPDM的XRD光譜基本一致，都具有良好的晶型，而在48°、64°、69°左右出現特征峰與老化產生的碳和其他氧化物有關。其中，EPDM-1的XRD圖譜與EPDM-2和EPDM-3有明顯不同，可能是由于EPDM-1經歷擊穿故障，且外觀破損嚴重，絕緣材料熱氧化一些大分子斷裂成小分子，移動性增強，小分子相互接觸會出現重結晶的現象，使得樣品晶型變化，導致XRD的衍射峰發(fā)生偏移。圖5b為SIR試樣的XRD光譜，可以看出，試樣SIR-1在2為27°左右有很強特征峰，與SiO2特征峰位置較為相似，同時與FTIR中觀察到Si-O-Si鍵相吻合。SIR-2和SIR-3在較大范圍內沒有主要的特征峰，峰形均較為平緩，表明樣本以無定形態(tài)為主。由前文SEM測試結果可知，SIR-2和SIR-3表面形貌破壞較為明顯，表明絕緣老化可影響材料的結晶狀態(tài)，使其向無定形態(tài)轉化。

2.4 電氣性能測試

電氣絕緣是電纜絕緣材料中最重要的性能，電纜的失效往往是由絕緣材料發(fā)生故障引起的[26-27]。擊穿場強是材料絕緣性能的直接體現，介電常數、介質損耗和電阻率也是其電氣性能的重要表征參數。圖6為試樣擊穿場強測試結果，從圖中可看出，樣品的擊穿場強均在25kV/mm以上，結合力學性能及微觀結構的結果分析，電纜附件絕緣盡管發(fā)生了一定程度的老化，但是其電氣絕緣性能仍然較高，仍具有一定的使用價值。

通過對比可以發(fā)現，EPDM絕緣的擊穿場強明顯比SIR絕緣要高，這可能與它們的微觀結構有關。根據FTIR和XRD測試結果可知，EPDM主鏈主要是-CH3鍵和-CH2鍵，并且具有良好的晶型結構，而SIR主要以無定形態(tài)為主。在電場中，載流子主要在無定形區(qū)或潔凈區(qū)表面遷移[28-29]，EPDM相對無定形的SIR來說電荷輸送較難，載流子不易在內部形成擊穿通道，因此EPDM的擊穿場強比SIR要高。另外從SEM的微觀形貌中可以看出，EPDM-3納米填料的尺寸較小，在100～200nm之間，這些納米顆粒形成的深陷阱對電荷的捕獲能力更強，因此EPDM-3的擊穿場強最高。

圖6 試樣的擊穿場強

另外，由力學測試結果可知，SIR-1扯裂伸長率降低則會造成硅橡膠與交聯聚乙烯界面壓力不足導致電纜老化，對其擊穿場強也會有明顯影響，因此，SIR-1的擊穿場強最低。根據微觀結構測試結果，相對于SIR-2，SIR-3表面出現nm級紋路，但是仍具備較好的力學特性；另一方面，這些nm級紋路引入的雜質和缺陷有可能成為捕獲電荷的陷阱中心，阻礙放電的進一步發(fā)展，因此SIR-3在SIR樣品中仍然保持著較高的絕緣強度。

高壓電纜附件的增強絕緣與電纜主絕緣的交界面是電纜附件的薄弱部位，此界面上很容易積累空間電荷，進而影響絕緣層中的電場分布[30]。相對介電常數對電位分布和電場分布起著決定性作用。圖7為試樣的介電頻譜，EPDM和SIR相對介電常數在全頻率范圍內隨著頻率的增加而降低；EPDM絕緣的相對介電常數較大，其中經歷故障的EPDM-1的相對介電常數最大，中間接頭EPDM-3的相對介電常數最小，約為2.7；三個SIR絕緣的相對介電常數相差不大，約為2.8。介質損耗在全頻率范圍內隨著頻率的增加而升高，EPDM-1的介質損耗角正切最大，約為0.06，而其他試樣的介質損耗角正切相差不大，約為0.01。

電纜附件絕緣相對介電常數和介質損耗角正切的差異和附件結構、材料工藝及運行經歷有關。EPDM-1取自故障相終端，由于尾管鉛封不良等形成長期局部放電，引入了較多的Si-C與C-O結構，一些大分子斷裂成小分子，小分子出現重結晶的現象，材料的聚集狀態(tài)發(fā)生改變；另外EPDM-1經歷的擊穿事故在介質內引入了其他雜質，導致EPDM-1極化能力增強，介質損耗增加。

圖7 試樣的介電頻譜

采用三電極法，測試了不同電纜附件絕緣的電阻率，測試結果如圖8所示。表面電阻率對界面電場和表面電位分布有重要作用，適當減小絕緣表面電阻率，能有效抑制絕緣的沿面放電發(fā)生[31]；體積電阻率對絕緣內部電場分布及擊穿特性有重要影響。由圖8a可發(fā)現，EPDM-1和EPDM-2的表面電阻率均比SIR大，而中間接頭EPDM-3的表面電阻率和SIR相當。由XRD測試結果可知，SIR以無定形態(tài)為主，電荷主要在無定形區(qū)或潔凈區(qū)表面遷移，SIR表面電荷的消散速率就會更快，這對于電纜附件絕緣是有益的，可以減少沿面放電的發(fā)生。

對比圖8b可以看出，體積電阻率和表面電阻率并未表現出相似的規(guī)律，EPDM和SIR-2的體積電阻率已經降至1.0×1015Ω·cm以下，不能滿足國標要求，表明樣品經歷了不同程度的老化現象，體積電阻率降低；SIR-2的體積電阻率最低，和其經歷的擊穿事故及SEM圖像中發(fā)現的放電燒灼痕跡有關。

圖8 試樣的表面電阻率和體積電阻率

3 結論

本文研究了EPDM和SIR兩種退役高壓電纜附件絕緣的微觀結構及理化性能，并對材料的力學性能和電氣性能進行了分析，得到如下結論：

1）電纜附件絕緣的力學性能受其微觀結構及理化性能的影響，EPDM中C-O-C等氧化基團的產生及SIR主分子鏈上有機基團的減少可在宏觀上表現為力學特性的下降，其抗拉強度保持在6MPa以上，彈性模量和扯裂伸長率都有明顯降低。

2）老化嚴重的電纜附件，其絕緣的結晶狀態(tài)發(fā)生改變，材料向無定形態(tài)轉變，小分子可能重結晶，導致XRD的衍射峰發(fā)生偏移；EPDM相對無定形的SIR來說電荷輸送較難，載流子不易在內部形成擊穿通道，因此，EPDM的擊穿場強比SIR要高。

3）電纜附件的運行狀態(tài)和絕緣的電氣性能關聯性較強，經歷嚴重故障的電纜附件，其絕緣相對介電常數及介質損耗角正切有明顯提升，而體積電阻率下降。

電纜附件的老化狀態(tài)評估需結合材料種類、附件結構以及運行經歷，綜合考慮其理化特性、力學性能和電氣性能進行評價。研究結果可為電纜附件的老化狀態(tài)監(jiān)測及壽命評估提供依據和參考。

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Analysis of Insulation State and Physicochemical Property of Retired High-Voltage Cable Accessories

1212,32,3

（1. State Grid Jiangsu Electric Power Co. Ltd Research Institute Nanjing 211103 China 2. Beijing International S&T Cooperation Base for Plasma Science and Energy Conversion Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

In order to investigate the effect of long-term service on the aging state of high-voltage cable accessories, this paper studied the insulation characteristics and physicochemical properties of retired cable accessories. Taking two types of retired cable accessories of ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) and silicone rubber (SIR) as research objects, the mechanical properties, micro- structure, and chemical composition were tested, and the dielectric properties and insulation status were tested and analyzed. The results show that the obvious appearance of the C-O-C bond and the continuous reduction of organic groups on the molecular chain indicate a decline in mechanical properties on a macro level. For cable accessories that have undergone aging or breakdown accidents, the molecular chain are broken into small molecules under the combined effects of electricity and heat. These small molecules may recrystallize, resulting in changes in the crystal form and aggregation state. Meanwhile, the dielectric properties are obviously deteriorated for severely aged cable accessories. The changes in physicochemical properties and dielectric properties of the samples can reflect the insulation and aging state of the cable accessories.

Cable accessory, insulating property, mechanical property, microstructure, aging state

TM247

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200367

國家電網公司總部科技項目（5200-201917070A-0-0-00）、中國科學院科研儀器設備研制項目（YJKYYQ20170004）和國家自然科學基金項目（51977202）資助。

2020-04-17

2020-06-29

陳 杰 男，1984年生，博士，高級工程師，研究方向為電力電纜線路狀態(tài)檢測及評估技術。E-mail: 15105161377@163.com

任成燕 女，1979年生，碩士，副研究員，研究方向為高電壓與絕緣技術、氣體放電與等離子體應用。E-mail: rcy@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）