不同溫度下退役高壓電纜絕緣介電特性研究

范星輝， 謝月， 劉剛， 趙一楓， 朱文衛， 張俊濤

(1. 華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640；2. 廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣東 廣州 510075)

0 引言

在國內現行的電力網絡結構中，高壓交聯電纜由于其絕緣性能優異、敷設方式簡便、占用空間小等優點被廣泛應用[1—5]。高壓交聯電纜在運行過程中，會受到電場、溫度場等多個應力場的綜合作用，絕緣逐漸劣化，最終造成嚴重的電力事故[6—8]。因此，高壓交聯電纜絕緣老化狀況一直都是電網運行企業關注的重點[9—11]。

介電特性作為絕緣電介質的一種關鍵電學性能，得到了國內外的深入研究。文獻[12]對硅橡膠進行高溫下的介電譜試驗，發現獲得的熱膨脹系數、離子濃度和直流電導等參數可用于老化特性研究。文獻[13]發現頻率為1 Hz時，低密度聚乙烯的介電常數在120～200 ℃范圍內隨溫度增大而減小。文獻[14]研究發現復介電模量是分析電介質松弛極化現象的有力工具。交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電纜絕緣在老化過程中介電特性的變化及其表征參量的獲取是近年來研究的熱點。文獻[15]發現復介電模量能較好評估不同XLPE電纜絕緣試樣的絕緣狀況。文獻[16]通過對介電常數頻譜進行數學變換，實現對XLPE電纜絕緣狀態的評估。文獻[17]發現XLPE絕緣松弛極化的增強會增大復介電常數，泄漏電流隨之增大。

高壓交聯電纜在生產過程中，絕緣層厚度較大， XLPE受到的熱等影響不均勻，絕緣層沿徑向的絕緣特性存在差異。同時，電纜投入運行時，距離導體不同位置受到的電、熱等應力影響不同，使得絕緣各層位置的劣化狀況不同。文獻[9,18]分別研究了高壓交聯電纜絕緣層不同位置的微觀結構和空間電荷分布差異。文獻[19]研究了在相同熱老化條件下，XLPE切片不同部位的老化狀態。

不同運行年限的電纜絕緣內部分子鏈破壞程度不同以及雜質分布不同，均會導致絕緣的介電特性發生變化，且在高溫下這些變化將被放大[4,15]。研究不同運行年限電纜不同絕緣層的介電特性，對可靠評估電纜絕緣老化狀況具有實際意義。因此，文中在50～250 ℃之間選取多個溫度點，對2條運行年限不同的退役電纜和1條備用電纜絕緣層材料進行介電譜試驗，通過計算各試樣的電導率和復介電模量，分析不同電纜絕緣層同一位置和同一電纜不同絕緣層位置之間介電特性的差異，初步探尋高溫試驗條件下介電譜用于評估電纜絕緣狀態的可行性。

1 試樣制備及儀器說明

1.1 試樣選擇及制備

試驗選取國內某電纜公司生產的同一型號且為同一線路運行的110 kV XLPE高壓電纜。3條電纜運行年限各不相同，分別為運行30 a的退役電纜、運行15 a的退役電纜和同時期的備用電纜，并認為備用電纜絕緣層未發生老化，依據運行年限分別編號為XLPE-30、XLPE-15和XLPE-0。電纜運行記錄表明，2條退役電纜在運行過程中，沒有出現過熱現象；3條電纜各層結構完好，無嚴重破損，無進水現象。

采用電纜環切機沿電纜圓周方向對絕緣層進行切割取樣，獲得1條厚度為0.4 mm的帶狀試樣，如圖1(a)所示。分別選取3條電纜帶狀試樣距離內半導電層2 mm處的絕緣層內層，距離外半導電層2 mm處的絕緣層外層以及內層與外層中點位置的絕緣層中層作為研究對象，取樣位置如圖1(b)所示，選取的片狀試樣長度均相同。試樣具體編號情況如表1所示。試驗前，用無水乙醇清理試樣，減小試樣表面雜質對試驗結果的影響。

圖1 環切電纜絕緣層試樣與取樣位置Fig.1 Sample of ring-cut cable insulation and sampling positions

表1 試樣編號Table 1 The numbers of samples

1.2 儀器參數說明

利用寬帶介電譜儀測試各試樣的寬帶介電譜。測試條件：溫度范圍為50～250 ℃，以25 ℃為步長依次遞增測試溫度，頻率范圍為10-2～106Hz，測試電壓幅值為5 V。

2 電纜絕緣試樣介電譜試驗結果與分析

2.1 復介電常數頻譜圖分析

以XLPE-30為例對試樣的復介電常數頻譜圖進行分析，如圖2所示。其中，ε′為介電常數；ε″為介電損耗。

圖2 XLPE-30各層復介電常數頻譜Fig.2 Complex dielectric constant spectra of each layer for XLPE-30

當溫度低于125 ℃時，3個試樣的介電常數在測試頻率范圍內無明顯變化，介電損耗在10-2～1 Hz內隨頻率降低而增大，但規律不明顯。當溫度在125 ℃及以上時，3個試樣的介電常數與介質損耗在10-2～1 Hz內隨頻率降低而增大，且溫度越高，介電常數越大。當溫度未超過XLPE的熔融溫度104 ℃時[20]，結晶區的存在使載流子難以沿電場方向遷移，試樣中極性基團的介電特性與無定型區相比有較大變化，介電特性受到較多因素影響；當溫度超過104 ℃時，結晶區消失，分子鏈段活動性增強，載流子容易遷移，此時試樣的介電特性主要受分子鏈的完整性和所含極性雜質的影響，復介電常數頻譜圖變化特征較未熔融的明顯，且更能反映材料本身的差異。相較低溫，高溫下的復介電常數頻譜變化更大，規律更明顯，故下文將重點分析250 ℃時各試樣的介電特性。

2.2 電導率分析

XLPE內部可電離雜質在外電場的作用下會發生電離，離子做定向移動形成傳導電流，產生焦耳熱，導致介電損耗增大，這種情況在頻率低于1 Hz時非常明顯。因此當考慮載流子遷移的電導特性對介電損耗的影響時，復介電常數如式(1)所示。

(1)

式中：ε*為復介電常數；εs為頻率為0時的介電常數；ε∞為頻率為無窮大時的介電常數；ω為角頻率；τ為松弛時間；ε0為真空介電常數，取8.85×10-12F/M；σ為電介質的電導率。式(1)中等式右側第3項為由電導電流引起的介電損耗。當頻率低于1 Hz時，極化損耗較小，故電導率如式(2)所示[12,21]。

σ=2πfε0ε″

(2)

式中：f為外加電場頻率。對式(2)的等式兩邊取對數得：

lgσ=lg(2πfε0)+lgε″

(3)

(4)

由式(4)及圖2可知，當試驗溫度高于試樣的熔融溫度，結晶區消失，載流子遷移強度變大，試樣在低頻段(10-2～1 Hz)的曲線滿足圖2的線性關系。溫度為250 ℃時，各試樣的電導率變化情況如表2所示。

表2 250 ℃各試樣電導率Table 2 Conductivity of each sample at 250 ℃

由表2可知，XLPE-30絕緣層3個位置的電導率均大于相應位置下的另外2條電纜，電導率從內層到外層依次增大，不同層之間電導率的差異大；XLPE-15絕緣中層和外層的電導率明顯小于另外2條電纜，不同層之間電導率差異?。籜LPE-0的電導率從內層到外層依次增大，各層之間的差異小于XLPE-30。

2.3 復介電模量分析

文獻[14]和[22]均采用復介電模量對XLPE的介電特性進行分析，通過復介電模量頻譜圖的變化能夠了解XLPE的介電特性。由文獻[9]可知對復介電常數取倒數即為復介電模量。復介電常數表達式如式(5)所示。

ε*=ε′-jε″

(5)

則復介電模量的表達式如式(6)所示。

(6)

式中：M′為復介電模量實部；M″為復介電模量虛部。

圖3為各試樣的復介電模量頻譜圖。

圖3 XLPE-30各層復介電模量頻譜Fig.3 Spectra of complex electric modulus of each layer for XLPE-30

當溫度低于125 ℃時，復介電模量的實部和虛部變化無規律。當溫度高于125 ℃時，隨著頻率增大，復介電模量實部數值有一個躍變的過程，虛部出現松弛峰[23—24]。說明XLPE在其熔融溫度以上時，復介電模量呈現一定的規律。溫度越高，松弛峰越明顯，峰值頻率越大。同時，XLPE-30中層和外層試樣的松弛峰個數明顯多于內層，相同溫度下的松弛峰峰值頻率也大于內層。

為進一步說明各試樣松弛過程的差異，如圖4所示，比較250 ℃下試樣的復介電模量虛部頻譜，可知XLPE-30不同位置電纜試樣的松弛峰峰值大小和峰值頻率均存在差異。

圖4 250 ℃ XLPE-30復介電模量虛部頻譜Fig.4 Spectra of imaginary part of complex dielectric modulus for XLPE-30 at 250 ℃

250 ℃時各試樣的松弛峰峰值頻率如表3所示。3條電纜絕緣內層峰值頻率大小相近，中層和外層存在差異，即XLPE-15的峰值頻率最小，XLPE-30的峰值頻率最大，XLPE-0則介于兩者之間。同時，XLPE-15絕緣層各個位置的峰值頻率相近，而XLPE-0和XLPE-30從內層到外層依次增大，且XLPE-30絕緣內層峰值頻率與外層和中層相比存在較大差異。

表3 250 ℃各試樣松弛峰峰值頻率Table 3 The peak frequency for each sample at 250 ℃

結合表2和表3可知，相同溫度下各試樣的電導率變化與峰值頻率變化情況一致。復介電模量虛部峰值頻率和電導率隨溫度的變化都與分子的熱運動相關，滿足Arrhenius方程[25—26]，如式(7)所示。

(7)

式中：f0和σ0均為常量；Ea為反應的活化能；k為玻爾茲曼常數，取8.617 3×10-5eV；T為反應溫度。對式(7)分別取對數得：

(8)

圖5為各試樣反應溫度的倒數分別與復介電模量虛部峰值頻率和電導率的關系。通過對試驗數據進行線性擬合，得到線性擬合函數的斜率，并根據式(8)，計算出各試樣反應活化能Ea的大小。

圖5 XLPE-30復介電模量虛部峰值頻率和電導率的擬合結果Fig.5 Fitting results of peak frequenciesand conductivities for XLPE-30

由圖5可知，各試樣的復介電模量虛部峰值頻率的活化能與電導率的活化能大小相近，說明在高溫低頻下，復介電模量虛部松弛峰和電導電流均與試樣在極化過程中的內部離子遷移有關[12]。

表4為各試樣的活化能變化情況。由表可知，相較于XLPE-0和XLPE-30，XLPE-15絕緣層不同位置的活化能之間差異較小，說明隨著電纜運行年限的增大，電纜絕緣層不同位置之間的活化能差異先減小后增大。

表4 250 ℃各試樣活化能Table 4 The activation energy of each sample at 250 ℃

由圖6可知，當溫度低于125 ℃時，曲線變化無規律。當溫度高于125 ℃時，曲線為一圓弧，將此曲線稱為Cole-Cole曲線，溫度越高，曲線長度越大，故選取250 ℃下試樣的Cole-Cole曲線進行比較，如圖7所示。

圖6 XLPE-30外層Cole-Cole曲線Fig.6 Cole-Cole plot of outer layer for XLPE-30

圖7 250 ℃時XLPE-30 Cole-Cole曲線Fig.7 Cole-Cole plot of XLPE-30 at 250 ℃

由圖7可知，250 ℃時XLPE-30各層試樣的Cole-Cole曲線存在不同，中層試樣的Cole-Cole曲線長度明顯大于外層和內層。在電纜絕緣層中，由于XLPE的分子鏈結構對稱，極性小，往往認為試樣的極化馳豫符合德拜弛豫過程。若極化過程發生偏離，說明XLPE分子鏈結構遭到破壞，試樣中存在多個松弛極化。擬合分析各試樣的Cole-Cole曲線，得到對應的圓心角，如表5所示[14, 27—28]，圓心角越小說明該試樣極化弛豫偏離德拜馳豫的程度越大。

表5 250 ℃各試樣Cole-Cole曲線對應的圓心角Table 5 The central angle corresponding to each sample′s Cole-Cole plot at 250 ℃

由表5可知，XLPE-15絕緣內層和外層的圓心角大于相應位置下的另外2條電纜，試樣各層圓心角之間的差異較小，均能較好地符合德拜馳豫；XLPE-0的內層、外層和XLPE-30的中層、外層試樣圓心角大小均處于較低水平，偏離德拜馳豫的程度較大，且這2條電纜絕緣各層圓心角之間差異均較大。

3 電纜絕緣介電特性變化分析

文中選擇了2條退役及1條備用110 kV XLPE電纜，利用介電譜試驗測量3條電纜絕緣層不同位置的介電頻譜。分析試驗結果發現，同一電纜不同絕緣位置之間和不同運行狀況的電纜同一絕緣位置之間的介電特性均存在差異。XLPE在生產過程中，會引入交聯劑和交聯副產物等極性雜質，同時由于絕緣層各個位置受到的熱等應力影響不同，導致不同位置的XLPE大分子鏈結構和交聯副產物含量等參數不同；XLPE在投入運行過程中，因電、熱等應力和氧的長期影響，形成絕緣內部自由基，加速大分子鏈段的斷裂，生成極性小分子雜質[15,29]，且不同位置老化程度不同，極性雜質與小分子鏈段分布存在差異。氧化和斷鏈形成的極性雜質易在外加電場作用下發生極化，影響XLPE的介電特性。

同一電纜不同絕緣位置之間的介電特性存在差異。XLPE-0由于未投入使用，各個位置的絕緣處于剛出廠的狀態。高溫低頻下，由于電纜在生產的整體交聯和去氣階段不同層受熱不均勻，導致絕緣各層晶態分布不均以及交聯副產物等極性雜質分布存在差異，因此其絕緣層3個位置的電導率、松弛峰峰值頻率及其所對應的活化能和Cole-Cole曲線對應的圓心角大小均存在差異。其中外層試樣的較高電導率、較大松弛峰峰值頻率和較小圓心角可能是由于外層試樣中含有較多交聯副產物等極性雜質，高溫下能電離出更多載流子，同時也使松弛極化偏離德拜馳豫；XLPE-15絕緣層各個位置之間介電特性相較XLPE-0差異減小，說明XLPE-15在一定時間的電、熱等應力影響下，電纜絕緣各層在生產過程中造成的介電特性差異得到了改善；與另外2條電纜相比，XLPE-30絕緣層各個位置之間的介電特性差異最大，這可能是由于XLPE-30受到了長時間的電、熱等應力影響，絕緣層開始出現老化現象，且不同位置的老化程度不同。外層試樣老化較為嚴重，其高溫低頻下的電導率和松弛峰峰值頻率最大，峰值頻率所對應的活化能最小且Cole-Cole曲線對應的圓心角較小。

不同電纜相同位置之間的介電特性也存在差異。與XLPE-0相比，XLPE-15在高溫低頻下的電導率較小，活化能處于較高水平，極化馳豫接近德拜馳豫。說明在運行電流產生的焦耳熱效應下，XLPE-15絕緣層充分揮發交聯副產物，同時沒有發生明顯的老化現象，極性雜質含量減少，晶體結構由于退火作用得到改善[19,30]；XLPE-30在高溫低頻下的電導率增大，極化馳豫偏離德拜馳豫程度增大。說明隨著運行年限增大，電纜絕緣層開始出現老化現象，大分子鏈分解成小分子。老化產物的生成，使得絕緣層內可電離雜質增多。

由文獻[9—10]可知，不同電纜之間和相同電纜不同位置之間的微觀結構和電學特性各不相同，從而導致不同試樣之間的介電特性出現差異。因此，利用電纜運行老化后的介電特性差異可為評估絕緣特性提供依據。

4 結論

文中測量了不同試驗溫度下3條不同運行年限電纜絕緣層不同位置的介電頻譜，通過對試驗結果進行分析，得出以下結論：

(1) 高溫下的復介電常數頻譜圖變化規律更加明顯，更能體現不同試樣之間介電特性的差異。

(2) 不同電纜隨著運行年限的增加，XLPE絕緣的電導率和松弛峰峰值頻率均先減小后增大。

(3) 隨著電纜運行年限的增加，同一電纜不同絕緣層位置之間電導率、松弛峰峰值頻率及其對應的活化能、松弛極化偏離德拜馳豫程度的差異均先減小后增大。

(4) 運行年限不同的電纜試樣在高溫條件下的介電特性存在差異，通過復介電常數頻譜圖可以獲得電導率、松弛峰峰值頻率及其對應的活化能參數，為評估電纜絕緣特性提供依據。

本文得到廣東電網有限責任公司科技項目(GDKJXM20172797)資助，謹此致謝！