長期電熱應力對交聯聚乙烯電纜絕緣耐久性的影響

陳嘉

（江蘇省常州技師學院）

0 引言

交聯聚乙烯（Cross-linked Polyethylene，XLPE）因其具有優越的絕緣性能，且安裝容易、運行簡單，被廣泛應用于電力系統中，是城市電網的主要電纜絕緣類型。然而，在實際運行過程中，由于受到電、熱、輻照及應力的影響，電纜會產生老化[1]。電纜絕緣的熱老化是電纜失效的重要原因之一，在電應力長期作用下，XLPE分子結構遭到破壞，其絕緣性能逐漸下降[2-3]。

因此，深入研究長期電熱應力作用下的XLPE電纜絕緣的耐久性，對實際工程具有重要意義。本文采用同一批次制造的90kV的XLPE電纜絕緣，將其分別置于不同時長的電、熱和電熱應力下，一段時間后將絕緣層剝離，然后對剝皮進行耐久性試驗，并將其與無應力歷史（即未老化）電纜樣品的狀態相比較。評估了不同電熱應力下的 XLPE 電纜絕緣的耐久性能的變化，為國產電纜絕緣材料的研發以及電纜絕緣老化狀態監測提供理論基礎和試驗依據。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

所有用于耐久性試驗的材料除應力歷史不同外，均為厚度150μm的XLPE絕緣剝皮，具體見圖1。XLPE是由兩家不同的公司生產的，可以通過表1名稱欄中的小寫字母“a”和“b”來區分；材料名稱是根據它們所屬電纜的應力歷史的首字母縮寫來構造的，如US是unstress的縮寫，ETS是electrothermal-stress的縮寫，以及全壽命周期的使用應力SA電纜剝皮。由于試驗所用材料由同一批交聯聚乙烯制成，因此絕緣剝皮之間性能的差異，僅來自電纜的制造過程以及電纜的電熱應力歷史。

圖1 試驗樣品圖

在耐久性試驗之前，在環境323K條件下對剝皮進行48h的熱調節，目的是去除揮發性副產物，以確保結果的可重復性。

1.2 試驗方法

耐久性試驗A和B在兩種不同的條件下進行，如表1所示。在條件A下進行多次耐久性試驗，用下標表示相關樣本集的個數，字母順序與實際試驗的順序相對應。在70kV/mm的交流電場和363K的溫度下進行第一個試驗A；試驗B保持相同的溫度，但電場強度為55kV/mm ，每次測試中使用的材料以及它們的應力歷史如表2所示。

表1 耐久性試驗條件

表2 耐久性試驗中所用材料及其所屬電纜的應力歷史

在線纜產品失效分析中，威布爾失效函數分布用途最廣，而且線纜產品遵循威布爾失效形式[4]。采用極值威布爾統計量進行統計分析，雙參數威布爾分布的累積密度函數表達式為：

式中，t為被測變量，通常為擊穿時間或擊穿電壓；F(t)為在電壓或時間小于或等于t時發生失效的概率；α為定義被測變量t特征值的刻度參數，值為正；β為形狀參數，為正數。

在計數資料中經常使用百分數，樣品百分數不可能總是一樣，它們圍繞著總體百分數上下波動，因此要對樣品百分數的可信程度加以估計，求出置信區間[5]，第p個百分位數的90%置信區間的界限由下列公式確定：

式中，tl(p)和tu(p)是第p百分位置信區間的下限和上限。

將計算的置信區間表用于本研究中，根據每次試驗中的總樣本數量和失效的樣本數量，估計90%置信極限。本研究中，每種材料使用4個樣本（n=4），一旦其中3個樣本不合格（r=3），試驗即終止。因子Zl(p)和Zu(p)的值從置信區間圖中提取，p=0.1%，1.0%，5.0%，10%，30%和95%的百分位數，α(63.2%)的界限也包括在n=4和r=3中，如表3所示。

表3 n=4和r=3的置信區間的因子zl(p)和zu(p)取值

針對壽命分布的置信區間估計，對工業生產有一定的價值[6]。區間將真實數量的任何特定百分位以90%的概率包圍起來。試樣的數量越多，上下曲線越接近。用下面的公式計算形狀參數β的置信區間：

式中，βl和βu分別是區間的下限和上限；n=4和r=3時的因子Wl和Wu分別為0.456和4.67。

1.3 樣品處理

用來自同一家材料供應商的交聯聚乙烯樹來制作超高壓（EHV）電纜模型。90kV電纜絕緣厚度為14mm，結構如圖1a所示。這些電纜經過電熱應力處理后，用特殊設計的冷凍刀將絕緣剝皮（剝皮厚度為150μm）削皮，剝皮被削成寬度為8cm的一卷，如圖1b所示，并完全密封在鋁制袋內，以供研究；并且將其儲存在278K左右的溫度，以防止其發生進一步的變化；然后選取從內部半導體屏中2～4mm（或盡可能接近這些邊緣）處的樣本，用以研究剝皮的特性。

經過調節過程后，用于耐久性試驗的A和B樣品被放置在電極之間，并浸入硅油中，如圖2所示。為了避免氣泡滯留在試樣與電極界面之間，將整個托盤置于真空狀態，直至觀察不到氣泡，然后將托盤移至高壓實驗臺上。通過控制器控制溫度在363K，直到4個樣本中有3個失敗，才從高壓裝置中取出樣本。

擊穿時間由高壓斷路器記錄，其精度為1/100h。一旦一個樣本失效，所有樣本的電源都被切斷。使用歐姆表對樣品進行識別，然后將其與高壓鉆機隔離，這樣就可以通過將電壓提高到所需值來重新接通電源，即將失效的試件保留在圖2所示的托盤中，直到所有材料的三個試件都失效。

1.4 電極設計

高壓電極為圓柱形黃銅，半徑為2.5cm，高度為3.0cm，邊緣為圓形，以減少發生在極不均勻電場中的電暈放電。底部電極是一個厚度為5mm的鋁板，其中最多可以放置4個高壓電極。通過在黃銅電極上方放置厚度為5mm的有機玻璃板，并將該板擰到電極上，從而將其壓到XLPE樣品上，以確保良好的接觸，如圖2所示。

圖2 耐久性試驗設置的高壓電極

2 試驗結果與影響因素

2.1 高電和熱應力下的耐久性試驗A

在70kV/mm的電場和363K的溫度下進行的耐久性試驗的具體結果如圖3所示。圖中用實線及90%置信區間（虛線）表示具有最長電熱史的ETS2a樣品的威布爾分布，用填充三角形表示ETS2a的數據。填充符號表示在363K溫度下經歷5000h應力的電纜材料，未填充的符號表示沒有經歷過熱應力的材料。可以觀察到所有的填充符號都在材料的90%置信度區間內；但是也有例外：如3000h電熱應力下的材料ETS3a（用“x”符號表示）的第一次失效是在區間范圍內，而其他兩次失效則不在區間范圍內；除了電應力材料E_S2a的第一次失效外，無應力歷史或者僅有電應力歷史的電纜材料的耐久壽命都在90%置信區間之外。因此，熱應力歷史似乎是導致電纜剝皮耐久壽命降低的主要原因。在ARTEMIS方案中，XLPE絕緣電纜的電場水平沒有顯著影響，3000h電熱應力下的樣品（ETS3b）的數據表明，這一時間不足以影響材料的性能。一般而言，圖3中的失效可以分為具有相似統計屬性的兩組類別：一組是填充符號，另一組是空心符號。填充符號組（由連續線圓指示）包括5000h以上363K熱應力的失效樣本，空心符號組（按虛線圈分組）包括無應力歷史或僅有電應力歷史的失效電纜樣品。

圖3 不同電熱歷史下電纜剝皮失效時間的威布爾圖

圖4比較了有電熱應力歷史的電纜和無應力歷史電纜的耐久壽命，結果表明，電熱電纜的應力歷史顯著降低了絕緣材料的抗電應力能力，是導致材料壽命減短的主要原因。圖中包含兩個不同壽命數據的電纜剝皮，這些電纜要么有過電熱應力歷史，要么無應力歷史；圖3中的填充三角形表示在電熱應力下材料的失效，其與重復試驗下的耐久性數據結合使用，形成電熱應力下材料的失效概率集。兩組材料具有非常相似的形狀參數，在圖中表示為β，但特征值α是明顯不同的。這表明，在ARTEMIS方案期間，相對于未受應力的材料，有電熱應力歷史的材料，其耐久能力發生明顯的變化。

圖4 試驗a中有電熱應力歷史和無應力歷史材料的失效比較

圖5繪制了在耐久性測試A下每個材料集的特征值α與相應的90%置信區間，在黑色豎線的左手邊，無論是無應力歷史或者單電應力歷史的材料，都具有非常相似的特征值；黑線的右側是具有熱應力歷史和電熱應力歷史的材料，它們的特征值通常小于左邊。兩組用黑色線圈出的材料特性，它們的特征值與無應力歷史的材料相似，在總體趨勢之外；一些材料的置信區間很窄，這說明在這些樣本集合中，產生失效的特征只具有很小范圍的樣本變化，這樣的集合（ETS3b）往往具有較短的生命周期，反映出其包含著許多相同類型的嚴重缺陷。相反，其他集合則不同于一般趨勢，因此它們幾乎沒有產生任何的失效特征。

圖5 參數α的90%置信極限

2.2 低電高熱應力耐久性試驗b

在場強為55kV/mm的電場和363K的溫度下，五組不同應力歷史的剝皮分別是：無應力歷史US b，電應力歷史E_S2a，電熱應力歷史ETS2a和使用應力SA，這些材料的失效情況如圖6b所示。一方面，它們在1.8x107s的時間內共發生了8次失效，但由于是在接通電壓后立即發生的，圖6b中只顯示了7個；非應力材料是唯一沒有在1.8x107s內失效的材料；另一方面，熱應力歷史材料、電熱應力歷史和使用應力材料的4個試件中有2個失效，無論這三種材料經歷怎樣不同的電應力，但它們都經歷過363K溫度下的熱應力。因此，材料的應力歷史對其耐久壽命的影響與高溫下耐久性試驗A的結果一致。

圖6 方框及其形狀表明已發生的所有樣本失效

如圖6所示，具有熱和電熱應力歷史的材料比其他材料更早失效。盒子是由第25和第75百分位決定的；形狀由第5百分位和第95百分位決定。在70kV/mm、55kV/mm的電場下和363K的高溫下的耐久性試驗A和B表明，電纜剝皮的應力歷史確實會降低材料的耐久性，特別是在熱應力歷史或電熱應力歷史情況時，這些結果也與之前的耐久性試驗數據一致。在耐久性試驗中，只有電應力歷史的剝皮耐久性沒有顯著下降。由圖6可知，應力歷史對耐久性的影響由輕到重依次為無應力；電應力；熱應力；電熱/使用應力。該排名表明，電和熱應力本身對XLPE絕緣的降解比兩者結合時要小，由于制造電纜的基樹脂以及整個過程都是相同的，因此，耐久性測試數據的差異只能歸因于電纜受力過程中材料的內在變化。

3 結束語

本文研究了長期電、熱應力對XLPE耐久性能的影響。在55kV/mm和70kV/mm的交流電場下，以及熱力學溫度均為363K的條件下對不同應力歷史的電纜剝皮進行研究，通過威布爾分析獲得耐久數據，結果表明電纜應力確實降低了剝皮的耐久能力，不同的應力歷史則表現出不同的破壞時間。結論如下：

1）在電和電熱應力的前5000h，只有經歷了熱成分（363K）的電纜顯示出在70kV/mm和363K下壽命的顯著下降；

2）在相同的電纜應力周期內，分別在293K和363 K熱應力環境下，不同電場的試驗樣品在從0到最大28 kV /mm范圍內的耐久性沒有顯著差異。