不同溫度下風電發電機組聚乙烯電纜老化性能研究

史文義

(國華(河北)新能源有限公司,河北張家口 075000)

風電場配電環節中,大量使用不同電壓級別的聚乙烯電纜,且這些電纜多為室外裸露布置,缺少橋架、地溝、套管等保護機構,所以其電樹枝、水樹枝等老化破壞現象較為顯著[1]。一般理論下,認為聚乙烯電纜絕緣層的抗老化性能主要來自其聚乙烯交聯過程中產生的裂隙和氣泡等瑕疵,而這些瑕疵與聚乙烯電纜絕緣層的交聯溫度環境有直接關系,與現場應用環境中的氣溫環境也有直接關系[2]。所以,溫度對聚乙烯電纜老化性能有直接影響,對風電場的特殊應用環境中的聚乙烯電纜,此種影響更加顯著[3]。

相關研究中,針對聚乙烯電纜絕緣層的交聯反應溫度對其老化性能的影響研究,以及電纜現場應用環境溫度對其老化性能的影響研究,均已較深入,但其二者對風電場聚乙烯電纜老化性能的影響模式研究,屬于本文的創新點[4]。采用復合熵值模型,對交聯溫度和現場溫度進行聯合建模,對聚乙烯電纜的水樹枝和電樹枝生長過程進行量化關聯分析[5]。

1 交聯聚乙烯電纜的老化機理

1.1 交聯聚乙烯的反應生成機理

交聯聚乙烯材料由聚乙烯材料打開部分C-Н 鍵后形成C-C 鍵,使聚乙烯材料的單鏈結構形成復合網狀結構,該過程為典型的有機化學吸熱反應。其反應機理如圖1所示。

圖1 中,形成聚乙烯的聚合鍵與形成交聯聚乙烯的交聯鍵均為C-C 鍵,鍵能348kJ/mol,但聚乙烯的聚合鍵生成過程,是催化劑作用下打開2 個C=C 鍵并形成3個C-C 鍵,此時C=C 鍵的鍵能是615kJ/mol,所以反應過程吸收能量為1044kJ/mol,釋放能量為1230kJ/mol,該化學過程每mol 放熱186kJ。而交聯鍵的生成過程為打開2 個C-Н 鍵形成1 個C-C 鍵和1 個Н-Н 鍵,前者鍵能為413kJ/mol,后者鍵能436kJ/mol,故其每mol 反應過程釋放能量826kJ,吸收能量為每mol 反應過程吸收能量1220kJ,該反應過程為吸熱過程,每mol 吸熱394kJ。且因為兩種反應所需的催化劑等反應環境不同,所以兩步反應需要分步進行。而交聯反應的吸熱過程中,環境溫度的控制更為重要[6]。

圖1 交聯聚乙烯與聚乙烯的化學分子結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical molecular structure of XLPE and PE

1.2 水樹枝老化過程

有機電化學視角下,交聯聚乙烯材料在長期的電場及水分作用下,形成的各種樹枝狀的通道結構,被稱作水樹枝。因為水樹枝導致的老化過程,被稱作水樹枝老化過程。水樹枝的演變過程為單向不可逆過程,因為其具有較強的電導率且反應過程具有較強的電場依賴性,導致其在初始較低的電場強度下即可開始反應,當水樹枝開始生長后,隨著介質電導率增加,其反應過程逐漸加快,迅速進入到快速演變的失穩反應過程。根據國家電網公司相關事故報告,逾6 成交聯聚乙烯電纜老化擊穿事故,與水樹枝老化過程相關。分析其故障樹,如圖2 所示。

圖2 水樹枝產生的故障樹示意圖Fig.2 Fault tree generated by water tree

圖2 中,故障樹顯示,電場強度、電壓頻率、環境含水量、運行溫度、經差值計算后的溫度變化率等參數的量值提升,均可能單方面造成水樹枝的產生,而交聯聚乙烯材料的質量下降,也是水樹枝產生過程的逆態誘因。此時分析材料質量問題,提升聚乙烯顆粒純度、反應釜純凈度、加強反應溫度的控制精度等,均可以提升交聯聚乙烯材料質量[7]。該故障樹顯示,控制交聯過程溫度和電纜運行溫度,均可以對水樹枝老化過程帶來影響[8]。

1.3 電樹枝老化過程

有機電化學視角下,絕緣材料中因為空腔放電現象,在絕緣材料的雜質顆粒、原始氣泡裂隙等位置,因為頻繁發生局部擊穿放電而產生的樹枝狀結構,被稱作電樹枝。因為電樹枝結構帶來的交聯聚乙烯材料老化過程,被稱作電樹枝老化過程。因為更大的絕緣孔隙可以產生更強烈的電樹枝放電過程,所以,與水樹枝老化過程一樣,電樹枝老化過程也是逐步加速和逐步失穩的不可逆老化過程。其故障樹如圖3 所示。

圖3 電樹枝產生的故障樹示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault tree generated by electric tree

圖3 中,電樹枝故障樹與水樹枝故障樹結構基本一致,除電樹枝生長過程無需水分參與外,其他故障因子完全一致。即在電樹枝產生過程中,如有水分參與到有機電化學反應中來,則可能同步發生水樹枝反應,而在水樹枝反應中,如果存在材料質量問題中的孔隙和雜質,則也能同步產生電樹枝老化過程。電樹枝產生過程中,電纜運行溫度和交聯反應過程溫度,同樣起到較顯著的促進作用。

2 交聯聚乙烯老化過程的溫度控制因子設定

聚乙烯交聯反應中,常用的反應溫度為100、120、150 ℃,在與反應溫度相對應的交聯反應釜控制策略支持下,三種反應溫度均可以產生良好的交聯反應,而影響交聯反應質量的核心溫度因素在于反應過程中的溫度變化率。前文分析中,聚乙烯交聯反應是一個吸熱反應,產生每mol 交聯鍵的吸熱量為394kJ,而因為交聯聚乙烯的反應材料聚乙烯為長鏈大分子,其mol 重量無法有效確定,所以,對特定分子量區間的聚乙烯材料,其吸熱量越高,則其交聯鍵在碳鏈上的間距越小,交聯程度越高,此時交聯聚乙烯的硬度越大。但交聯程度過低的情況下,交聯聚乙烯產物中更容易產生先天孔隙,而交聯程度過高的情況下,交聯聚乙烯材料硬度和脆性增加,容易產生后天孔隙。為了控制反應時間和吸熱量,也應該充分控制反應溫度的變化區間在合理范圍內。故設置ΔT′變量作為反應過程中的溫度變化幅度。ΔT′dt作為溫度變化率。該過程與后續分析中水樹枝和電樹枝產生率存在雙逆態即等效正態關系[9]。

上述兩個故障樹分析中,在電纜運行溫度實際值T、變化幅度ΔT、變化率ΔTdt,與水樹枝和電樹枝生長過程為直接正態關系。故假定以水樹枝和電樹枝生長過程為主要老化機理的交聯聚乙烯老化過程中,存在公式(1):

式(1) 中:Δd為水樹枝及電樹枝生長過程影響的絕緣層厚度；

分別為上述5 個影響因子的影響權重系數。此時,考察Δd的時間積分,則為電纜老化的累積量,即公式(2):

當該累積量超出電纜絕緣層耐受限度時,電纜絕緣層會被電壓擊穿,即滿足D/L≤N% 時,電纜才可以保障安全運行,此時,上述溫度參數直接決定了D的發展,而L為固定值,所以,在電壓、頻率等條件保持不變的前提下,控制上述溫度參數,可以有效延緩電纜老化,延長電纜安全運行時間。

而對公式(1)來說,設定一個溫度聯合參數TB,使其與Δd有直接關聯,則存在公式(3):

針對TB指標因子對電纜老化過程進行關聯分析,尋求其統計學規律。

3 復合溫度因子對電纜老化過程的仿真實證分析

研究風電場中的所有工頻交聯聚乙烯電纜形式,在CAE Simulink 環境中構建仿真模型,研究400V、10kV、35kV 條件下的50Нz 工頻電纜的Δd發展狀態與TB指標因子的關系,所有結果采用算數平均法求取平均值。可以得到圖4。

圖4 溫度綜合因子條件下裂隙生長速度變化趨勢圖Fig.4 Variation trend of fracture growth rate under the condition of comprehensive temperature factor

圖4 中,針對400V、10kV、35kV的工頻工作模式,隨著溫度綜合因子TB的線性增長,其水樹枝并發電樹枝裂隙生長速度均按照指數級別增長,如果要將裂隙生長速度控制在0.1mm/w 下,當工作電壓為400V 時,TB指標因子應控制在4.0 以內,而工作電壓10kV 模式下,TB指標因子應控制在1.6 以內,工作電壓35kV 模式下TB指標因子應控制在0.7 以內。較高的電壓等級對TB指標因子的影響更為苛刻[10]。

分析不同電壓等級和不同TB指標因子下一年運行期內的電纜鼓包故障概率,每種工況仿真模擬10 次,得到表1。

表1 電纜鼓包故障發生概率分布表Table 1 Probability distribution of cable bulge fault

表1 中,當TB指標因子達到3 以上時,10kV 電纜已經存在較高的鼓包風險,而35kV 電纜鼓包概率已經超過70%,而當TB指標因子達到5 時,所有電壓等級電纜均有可能在1 年內發生鼓包故障。故在實際電纜運行中,400V 和10kV 電壓級別下,TB指標因子應控制在2以內,而35kV 電纜的TB指標因子應控制在1 以內。

分析不同電壓等級和不同TB指標因子下一年運行期內的電纜擊穿接地事故概率,每種工況模擬10 次,得到表2。

表2 電纜擊穿接地事故發生概率分布表Table 2 Probability distribution of cable grounding fault

表2 中,當TB指標因子達到1 以上時,35kV 電壓等級下即有1 年內發生電纜擊穿接地的概率,而TB指標因子達到3 以上時,10kV 和35kV 電壓等級下,其電纜擊穿接地事故的發生概率已經嚴重影響到系統運行安全。當TB指標因子達到5 時,400V 運行環境下電纜也可能發生較高概率的電纜擊穿接地事故。

之前相關研究中,因為在電纜運行環境的相關溫度控制抗老化研究中沒有考慮到電纜交聯反應溫度控制對電纜老化的影響,所以其數據存在一定的不穩定性。所以,本文研究將電纜交聯反應溫度控制效果與電纜運行環境溫度控制效果生成復合因子即TB指標因子,在此因子下,發現電纜老化過程以及其1 年使用壽命的控制效果,與該TB指標因子存在顯著的統計學關聯性。所以,針對特定批次的電纜,其交聯反應過程基本一致,則應充分控制電纜運行環境的溫度凈值、溫度變化幅度、溫度變化速率等綜合溫度控制目標,可以充分延緩電纜老化,充分延長電纜壽命。而電纜抗老化性能的提升,對電纜運行安全也有積極意義。

4 總結

本文核心創新點在于將電纜用交聯聚乙烯的交聯反應溫度控制策略與電纜運行溫度控制策略構建成復合因子,即TB指標因子。通過仿真分析,發現該TB指標因子與電纜老化速率呈對數相關,與電纜運行一年內的鼓包故障和擊穿接地事故發生概率呈統計相關。該研究解決了以往單純研究電纜用交聯聚乙烯材料交聯反應溫度和單純研究電纜運行環境溫度產生的數據不穩定性,在實驗統計層面存在較強的穩定統計學關系。