退役高壓交聯聚乙烯電纜絕緣老化狀態分析

羅 潘 任志剛 徐 陽 馮 義 葉 寬 李華春 徐 曼

（1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2. 北京電力科學研究院 北京 100075）

1 引言

電力電纜是電力輸變電系統中的重要部分，交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜由于具有多種優越性，目前已經得到廣泛使用。但是由于電纜絕緣材料本身制造、敷設過程中不可避免地存在非均勻性乃至缺陷，以及在實際運行中受電、磁、熱、化學、環境等因素的影響，絕緣材料會隨時間發生老化，導致絕緣性能下降，并最終達到壽命終了[1-4]。電力電纜投入運行后，如何評定其絕緣狀態，并進一步對其壽命做出預估是電纜設備資產管理的難點，但又是管理者進行電纜更換決策所必須有的技術支撐，因此有必要對不同運行年限的電纜的真實老化狀態進行分析研究[5]。

以往電老化研究中，有學者采用縮小尺寸的方法對電纜老化進行模擬研究，但其得到的規律需要與實際電纜運行后狀態進行結合驗證[6,7]。為了更準確的了解實際運行中電纜絕緣老化的影響因素，Dissado等人在歐洲的ARTEMIS計劃中對兩種高壓XLPE電纜絕緣的切片試樣進行研究，了解電纜絕緣材料初始特性：包括電性能、微觀結構以及物理化學等特性。然后對上述兩種高壓電纜進行不同時間（最短5 000h）的電、熱單獨以及聯合老化。最后再對老化后電纜絕緣切片試樣進行耐壓特性研究，得到：單純電應力作用并不能對絕緣切片試樣的耐壓特性造成很大影響，只有當電纜承受過熱或者電-熱應力共同作用時，切片試樣耐壓特性才會發生明顯變化[8,9]。映證了高壓電纜運行過程中不僅是單一電應力作用，其老化是一個多重復合應力共同作用的結果[10-12]。說明高壓電纜絕緣設計中僅僅依靠反冪定律預估電纜的壽命的不準確性[13]。

目前，國內外對新高壓XLPE絕緣材料聚集態及機械性能已有很多研究，其結果表明聚集態結構對材料的擊穿特性和機械性能有重大影響[14]，但是對退役高壓XLPE電纜的研究還較少，本文采用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter,DSC），以及力學拉伸機研究了110kV和220kV 等級XLPE電纜帶電運行后其絕緣材料的微觀結構特征和機械性能，其結論可為后期的預測電纜壽命提供理實驗依據。

2 試樣準備

本次試驗的試樣分為三類：退役電纜、故障電纜和新電纜，如表1所示。對于庫存電纜，其運行時間均沒有達到設定的使用壽命，大部分是因為線路改遷退役。GZ—1為電纜本體故障，短路電流為5.3kA；GZ—2為GIS終端故障，短路電流為8.9kA；GZ—3為電纜工程竣工交接驗收時，戶外終端發生擊穿，流過電纜的短路電流較小；GZ—4為電纜工程竣工交接驗收時，GIS終端發生擊穿，流過電纜的短路電流較小。故 GZ—3和 GZ—4也可視為新電纜，即新電纜為三種：GZ—3、GZ—4和 NEW2。本文研究的試樣均取自電纜絕緣中層（到內、外半導電層距離相等處）的薄片試樣，厚度為1mm。

3 試驗方法

3.1 差示掃描量熱法

采用 TA—Q 200型差示掃描量熱儀，以 10℃/min的升溫速率從 20℃升溫至 180℃，在180℃恒溫5min，再以-10℃/min的速率從180℃降溫至20℃高純氮氣和氦氣保護。為保證實驗儀器靈敏度，試樣質量為5mg。

表1 電纜基本信息Tab.1 The basic information of cables

3.2 力學性能分析

實驗中將試樣用特制刀具沖壓成拉伸段長 20 mm、寬4 mm的啞鈴狀試樣。參照GB 13022—91試驗標準[15]，在CMT 4503型拉力機上做拉伸實驗，每種試樣測試10次，并對實驗數據進行統計分析。

4 結果與討論

4.1 XLPE絕緣材料的聚集態結構特征

4.1.1 熔融過程

實驗中，將所有試樣按運行年限不同分為四類：未運行、運行1～4年、運行5～9年和運行10年以上進行分析。用DSC研究了其絕緣材料的升溫熔融過程和非等溫結晶過程，統計了相應的DSC參數。電纜在其制造過程中，由于先交聯后結晶，所以晶粒的大小和分布受交聯結構的影響，而且在電纜出廠前還會經過熱處理，所以熔融曲線上出現了主峰和肩峰，如圖1a所示。和未運行電纜相比，帶電運行后電纜試樣熔程加寬，特別明顯的是運行10年以上電纜，如圖1b所示。

圖1 不同分組試樣的熔融曲線Fig.1 The melting curve of different groups

圖2為利用表2中各分組試樣熔程數據所做的箱形圖。從圖中可得：XLPE電纜絕緣材料在加熱熔融過程中，其熔程平均值隨運行年限呈增大的趨勢，長期帶電運行使其絕緣層材料發生了一定程度的物理老化，且運行5～9年和運行10年以上電纜試樣熔程分散性更大。仔細對比表2中參數可得：10年以上運行電纜絕緣材料，其熔融峰左極限溫度向低溫方向移動10℃以上，即帶電運行狀態下材料長期處于60℃左右（當發生短路，溫度超過其熔點），從而有充足時間進行次級結晶逐步發展形成較小的晶體，使其熔程加寬。結合表 2中熔融峰數據，經統計計算，未運行和運行1～4年電纜，晶體熔程＞40℃的概率為37.5%，而運行10年以上電纜晶體熔程＞40℃的概率為86%。表明運行過程中熱對半結晶聚合物有很大的影響，其能改變結晶度、晶體尺寸大小和結晶形態，也能引起交聯和氧化降解等化學變化，而這些顯著變化會導致材料的宏觀性能發生變化。

結晶度作為XLPE一個重要參數，與其擊穿特性和樹枝耐受特性密切相關，根據結晶度的定義，由式（1）可算出XLPE電纜絕緣材料的結晶度X。

式中，ΔHm為材料熔融熱焓；ΔH0表示完全結晶時XLPE的熔融熱焓，一般取ΔH0=287.3J/g[16]。

表2 各試樣DSC統計參數Tab.2 The DSC statistical parameters of samples

圖2 分組試樣熔程統計圖Fig.2 The Box-plot of melting range of different groups

圖3為各分組試樣結晶度數據的箱形圖，得到：對于未運行試樣，由于其熔融曲線除主峰外還存在明顯的小肩峰，從而使其材料結晶度相對較高；對于運行后電纜試樣，由于長期帶電運行會導致其熔程不斷增大，而從試樣結晶度計算原理可知，其熔程增大必然伴隨結晶度的增大。且運行5～9年和運行10年以上試樣結晶度分散性相對較大。

圖3 分組試樣熔程箱形圖Fig.3 The Box-plot of crystallinity range of different groups

從圖2和圖3中可得：無論是電纜試樣的結晶度還是熔程均存在某些試樣：運行年限長結晶度較小，如5#和6#，運行年限分別為11年和7年，結晶度卻僅為22%和21%；運行年限長融程較小，如7#和8#，運行年限分別為10年和9年，融程卻僅為35.40℃和36.99℃。這可能與表2中試樣信息，即這些退役電纜來自于不同生產廠家、電纜型號、運行年限和運行環境有關系。

4.1.2 結晶過程

限于篇幅，圖4中僅給出了運行10年以上試樣非等溫結晶曲線圖，從該曲線得到結晶峰峰溫Tc、結晶峰熱焓△Hc和表征結晶速率的Tr-Tc，其統計參數如表2所示。結晶聚合物的結晶速率是晶核生成速率和晶粒生長速率的總效應。從試樣結晶過程的DSC曲線中，可以獲得結晶速率信息，而試樣的結晶速率取決于試樣的組成和結晶溫度。在實驗條件一定時，可以反映分子量及其分布、交聯程度、各種添加劑對結晶行為的影響。

圖4 運行10年以上電纜試樣結晶曲線Fig.4 The crystallization curve of samples operated for 10 years

在此實驗中，采用半結晶溫度來表示結晶速率，即結晶完成一半時的時間。由th=(Tr-Tc)/β，在降溫速度β一定時，Tr-Tc值越小，試樣結晶速率越快[17]。從表 2的統計數據及圖 5可得：未運行電纜試樣(Tr-Tc)平均值為 6.41℃；電纜試樣投入運行后，隨其運行年限增大，其非等溫結晶曲線中(Tr-Tc)值呈現先增后降的趨勢，運行 1～4年、5～ 9年和 10年以上試樣(Tr-Tc)平均值分別為 6.49℃、6.35℃和6.27℃，總體呈下降趨勢，表明隨運行年限增大，結晶速率增大，且運行10年以上試樣(Tr-Tc)值分散性明顯較大。XLPE電纜絕緣材料在帶電運行中經過長期的電、熱和氧的聯合作用下，在交聯點處發生了鍵的斷裂，使交聯度有所降低，增加了鏈段的活動性，導致其絕緣材料結晶速率增大。

圖5 分組試樣結晶峰半峰寬(Tr-Tc)箱形圖Fig.5 The box-plot of (Tr-Tc) of different groups

4.2 XLPE絕緣材料機械性能分析

在力學性能分析中，由于某些電纜試樣段太短，沒有足夠的長度做成標準啞鈴型試樣，故沒有對其力學性能進行分析。對于剩下的16種XLPE電纜試樣，采用與DSC實驗相同的分組方式，統計了斷裂伸長率、屈服強度、斷裂能、斷裂強度等，如表 3所示。

通過力學拉伸機測試高壓XLPE電纜絕緣材料切片試樣的斷裂伸長率、沖擊強度、斷裂能等參數，分析運行后電纜絕緣材料彈性模量等力學參數的變化，研究帶電運行對材料內部結構完整性的影響。結合表3中數據，對各分組試樣力學性能參數的平均值進行統計，如表4所示。從表4中統計數據可得：相對于未運行電纜，運行10年以上電纜絕緣材料其斷裂能、彈性模量降低。當XLPE電纜在實際運行中受到電、熱以及氧的聯合作用后，會導致其絕緣材料發生一定程度降解，交聯度降低，增加分子鏈段的活動性。聚合物的這些聚集態的變化會影響材料的宏觀力學性能，使材料彈性模量和斷裂能下降[17]。以上分析說明，相對于未運行試樣，運行10年以上電纜絕緣材料發生了一定程度的物理老化。

表3 各試樣機械性能統計參數Tab.3 The mechanical property statistical parameters of samples

表4 分組試樣力學性能統計參數平均值Tab.4 The average value of mechanical property statistical parameters of different groups

5 結論

用DSC研究退役高壓XLPE電纜絕緣材料的熔融行為發現相對于未運行或運行時間較短的電纜絕緣材料，經過多年運行的電纜絕緣材料其熔程加寬，即晶體尺寸按分子質量分布加寬，熔點降低，表明晶體結構的完整性下降。

非等溫結晶行為的研究反映運行 10年以上電纜其絕緣材料結晶速率加快，可認為經過長期的電、熱和氧的聯合作用，在交聯點處某些鍵發生了斷裂，交聯度降低，增加了鏈的活動性。而這些聚集態結構的變化反映在宏觀力學性能上，導致斷裂強度略有增加、彈性模量和斷裂能下降。這些變化僅僅是電纜長期壽命過程的一個部分，它對介電性能和電性能有何影響，有待進一步的研究。

[1] Aras Faruk, Alekperov Vilayed. Aging of 154kV underground power cable insulation under combined thermal and electrical stresses[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2007, 23(5)： 25-33.

[2] Chinh D, Parpal J L. Electrical aging of extruded dielectric cables： review of existing theories and data[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1996, 3(2)： 237-247.

[3] Crine J P, Lanteigne J. Influence of some chemical and mechanical effects on XLPE degradation[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1984, EI-19(3)：220-222.

[4] Fothergill J C, Montanari G C. Electrical, microstructural, physical and chemical characterization of HV XLPE cable peelings for an electrical aging diagnostic data base[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3)： 514-527.

[5] Liu R, Boggs S. Cable life and the cost of risk[J].IEEE Electrical Insulation Magazine, 2009, 25(2)：13-19.

[6] Motori Antonio, Sandrolini Franco, Montanari G C. A contribution to the study of aging of XLPE insulated cables[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1991, 6(1)： 34-42.

[7] Andjelkovic D, Rajakovic N. A new accelerated aging procedure for cable life tests[J]. Electric Power System Research,1996, 36： 13-19.

[8] Dissado L A, Fothergill J C, See A, et al. Characterizing HV XLPE cables by electrical, chemical and microstructural measurements on cable peeling：effects of surface roughness, thermal treament and peeling location[C]. IEEE Conference Electrical Insulation Dielectrics Phenomena(CEIDP), Voctoria,BC, Canada, 2000： 136-140,

[9] Tzimas Antonios, Rowland Simon, Dissado L A, et al.Effect of long-time electrical and thermal stresses upon the endurance capability of cable insulation material[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(5)： 1436-1443.

[10] 溫定筠, 呂景順, 范迪銘, 等. 交聯聚乙烯(XLPE)電纜交流耐壓試驗時間參數探討[J]. 電網與清潔能源, 2010, 4(5)： 7-14.

Wen Dingjun, Lii Jingshun, Fan Diming, et al.Discussions on time parameters for alternating voltage tests on XLPE cables[J]. Advances of Power System & Hydroelectric Engineering, 2010, 4(5)：7-14.

[11] 趙健康, 歐陽本紅. 水樹對 XLPE電纜絕緣材料性能和微觀結構影響的研究進展[J]. 絕緣材料, 2010,43(5)： 50-56.

Zhao Jiankang, Ouyang Benhong. Review of influence of water-tree on micrestructure and properties of XLPE cable insulation material[J].Insulating Materials, 2010, 43(5)： 50-56.

[12] Hozumi N, Ishida M, Okamoto T, et al. The influence of morphology on electrical tree initiation in the polyethylene under AC and impulse voltages[C].Proceedings of the Second International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,1988： 481-485.

[13] IEC 61251 TS Ed 2.0 Electrical insulating materials-A.C. voltage endurance evaluation[S]. 2007.

[14] Andjelkovic D, Rajakovic N. Influence of accelerated aging on mechanical and structural properties of cross-linked polyethylene (XLPE) insulation[J].Electrical Engineering, 2001, 83： 83-87.

[15] 中華人民共和國國家標準 GB 13022—91塑料薄膜拉伸性能試驗方法[S]. 1991.

[16] 解云川, 張乾, 范曉東, 等. 差示掃描量熱法測定聚乙烯結晶度的不確定度評定[J]. 化學分析計量,2003, 12(4)： 7-9.

Xie Yunchuan, Zhang Qian, Fan Xiaodong, et al.Evaluation of the uncertainty of measurement of crystallinity of polyethylene by differential scanning calorimetry[J]. Chemical Analysis and Meterage,2003, 12(4)： 7-9.

[17] 巫松幀, 謝大榮. 電氣絕緣材料科學與技術[M]. 北京： 機械工業出版社, 2007.