運行3～12年10 kV交聯聚乙烯電纜電及理化特性試驗

郭 衛, 周松霖, 齊偉強, 苗 旺, 何 楠, 辛 鋒, 方春華

(1.國網北京電力科學研究院， 北京 100075； 2.國網北京市電力公司， 北京 100031；3.三峽大學電氣與新能源學院， 宜昌 443002)

電力電纜運行壽命設計值一般為20～30年，但電纜在實際運行中不可避免地受周圍環境條件的影響，特別是在電應力、熱應力，機械應力及環境應力的聯合作用下，其主絕緣的性能逐漸下降，甚至會發生絕緣劣化及絕緣失效的情況[1]，對長期在役的交聯聚乙烯(XLPE)電纜主絕緣性能進行測試具有重要的意義。

電纜絕緣性能離線評定的方法主要有交流電壓迭加法和理化診斷方法[2-5]，國家標準中給出了交流擊穿電壓試驗的具體加壓方法以及電極和試品的制作方法，通過判斷老化后XLPE層的交流擊穿電壓可以大致估計XLPE層的老化程度[6-9]。電纜在線絕緣性能評定有直流疊加法，局部放電法，接地電流法及介損因數法，其中較為實用的是局放法和介損法，相比于離線的測試方法，局放法在現場測量時極易被電磁場干擾源影響，而目前的硬件技術很難做到剔除干擾信號；介損法所測量的結果代表著電纜整體的運行狀態，無法給出電纜中故障的位置信息[10-11]。文獻[12-15]將差示掃描量熱和傅立葉紅外光譜(FTIR)的理化分析方法運用于到診斷絕緣材料狀態。

大量電氣和理化試驗方法的運用為電纜絕緣老化性能的評估提供多種方法和翔實的理論依據，但實際的電纜的運行壽命長達幾十年，絕緣性能下降是個十分緩慢的過程，針對在役的電力公司電纜試樣，其電氣和理化試驗是否能很靈敏反映出絕緣性能劣化，較少在文獻中涉及。

現選取北京地區運行的XLPE電纜，運行時間范圍為3～12年，通過電氣性能試驗、FTIR光譜、熱分析試驗等理化試驗對電纜進行測試研究，分析電氣指標及理化多個指標與電纜運行年限的關系，提出對在役電纜絕緣劣化反映相對靈敏的幾個指標。以期為電力系統選擇評估電纜絕緣狀態的手段和方法提供實驗依據。

1 試驗樣品與試品制作

選取10 kV電纜共12段，運行年限從3～12年不等，每段長度1～1.2 m，均為三相絞合。將12段電纜分別編號為#1～#12，具體信息如表1所示。

每種電纜的測試試品均通過切取電纜制得，根據試驗要求，需要制作3種不同的試品。環切試品，沿電纜圓周方向切片，厚度0.2 mm，用于電氣性能和紅外光譜測試。沿電纜導體徑向切片試品，厚度1 mm，用于機械性能測試。垂直電纜導體切片試品(圓環)，厚度0.2 mm，用于水樹枝觀察，試品見圖1。差示掃描量熱分析(DSC)對試品量要求較小，直接從切取5～10 mg微量絕緣微粒用于試驗。

圖1 0.2 mm試品

2 試驗結果與分析

2.1 電氣試驗

2.1.1 體積電阻率測量

體積電阻率表征絕緣體阻止電流流通的能力。本文參照國標GB/T 1410—2006進行，使用吉士利6517B/E型靜電計及配套測試軟件HI-R test對體積電阻率進行測量，測試電壓500 V，電極為三電極系統。每種電纜制作5個片狀試品，厚度約1 mm，分別測量5個試品的體積電阻率，取平均值作為最終結果，如表2所示。

表2 體積電阻率

可見，#3的體積電阻率最高，但試品間分散性較大；其他試品大致分為兩組，#1～#6(除#3外)體積電阻率相近，#7～#12體積電阻率相近。總體來說，除#3以外各試品的體積電阻率差距不大，#3的分散性較高，各試品的體積電阻率均在1016Ω·cm，均在合理范圍內，體積電阻率同運行年限間并沒有很明確的關聯，運行年限超過10年的電纜#2、#3、#6、#10和#11主絕緣的體積電阻率變小的趨勢。

2.1.2 工頻介電常數和介質損耗測量

相對介電常數(εr)和介質損耗因數(tanδ)是電介質與絕緣體的兩個主要特征，可用于評定電工設備、元件的性能，判斷絕緣體系的含濕量、老化程度等。參照國標GB/T 1409—2006進行測量，使用的儀器為2821型精密西林電橋，電極直徑D為50.5 mm，電壓頻率為50 Hz，試品壓力3 N/cm2。每種電纜制作5個試品，取5個測量的平均值作為最終結果，如表3所示。

表3 εr和tanδ測量結果

所有電纜樣品的εr均在2附近，差距較小，而tanδ區別較大，但也在10-3數量級。通常情況下，若絕緣出現劣化，會出現tanδ上升的現象，其中#3、#6、#11的tanδ較高，對照電纜運行時間可以看出，這三個電纜分別運行了12、10、11年，其中#3、#11在水樹枝試驗中發現了明顯的水樹枝，因而水樹枝和運行年限較長可能是tanδ較高的主要原因。

2.1.3 擊穿場強測量

擊穿場強是標準材料絕緣水平最主要的參數，試驗參照國標GB/T 1408.1—2006，選用球-球電極，上下電擊直徑均為25 mm，試品為厚度(0.2±0.05)mm的片狀試品，為防止電極邊緣空氣中的局部放電，將試品和電極浸入變壓器油中，采用短時快速升壓方式，升壓速率約為2.5 kV/s。試驗環境為室溫(10 ℃)，濕度為40%。考慮要去除材料的低概率的擊穿場強，每種電纜進行15次擊穿實驗，對結果進行Weibull統計分析，獲得最終結果，如表4和圖2所示。其中，擊穿場強內的數值為擊穿概率為63.2%時的擊穿場強。

根據表4和圖2，除#9和#3樣品外，其他樣品的擊穿場強均比較接近，在100 kV/mm附近，表明電纜運行年限的不同尚未使材料的擊穿特性發生較大的改變。#9樣品的擊穿場強最低，為89.3 kV/mm，其次#3樣品的擊穿場強為91.86，結合水樹枝試驗和第4節熱分析的結果：#3號樣品出現炭黑擴散，而#9樣品存在界面凸起、氣泡等缺陷，這表明電纜絕緣缺陷問題會降低試樣擊穿電壓。

表4 電纜樣品擊穿特性

圖2 電纜試品擊穿特性

2.1.4 水樹枝觀察

水樹枝是XLPE絕緣發生降解的一種現象，水樹枝的生長相對緩慢，并不直接導致電力設備絕緣層的擊穿，但是隨著水樹枝的生長，電纜材料電導率，介電常數和損耗數值會顯著增加，同時水樹枝尖端的電場愈加集中，局部的高電場最終會導致水樹枝尖端引發電樹枝，從而導致電纜的擊穿破壞[16]。

首先將厚度為200 μm的電纜絕緣試品進行染色。染色液的配制步驟如下：將2.5 g亞甲基藍溶入1 000 mL蒸餾水，同時將4.0 g氫氧化鈉溶入100 mL蒸餾水，將這兩種溶液充分混合。隨后，將試品置于混合溶液中進行染色，混合溶液保持70 ℃水浴加熱，染色36 h。染色完成后，充分清洗試品表面，然后使用日本Olympus公司生產的BX51-P偏光顯微鏡進行觀察，觀察模式為透射，放大倍數為100或400倍。

通過對為染色試品的直接放大觀察，未發現試品中有電樹枝的存在，但部分試品中發現了水樹枝，如圖3(a)和圖3(b)所示，水樹枝的密度和長度統計如表5所示。在絕緣切片中的絕緣-屏蔽界面附近還觀察到存在雜質、氣泡、界面凸起等現象，如圖4(a)～圖4(d)所示。

圖3 電纜絕緣中的水樹枝照片

圖4 電纜試品水樹枝觀察

表5 電纜試品水樹枝統計

運行年限較長的電纜試品基本都有不同程度的水樹產生，如#2、#6、#10和#11電纜。但未發現大量明顯的樹枝集聚，樹枝密度較小。

各試品均發現在絕緣-屏蔽界面處有較多雜質出現，其中#3、#9電纜絕緣-屏蔽界面凸起和雜質較為嚴重。#3電纜結構中沒有擠出外屏蔽層，而是采用繞包半導電帶的方式。在外層能看到較多明顯的炭黑擴散痕跡，推測是半導電帶里的炭黑擴散到了絕緣中。#3和#9電纜試品絕緣中雜質多，但水樹少或沒有，與電纜有防水結構、敷設地點排水較好，或電纜運行年限短關系較大。

此外，國標規定10 kV交聯聚乙烯絕緣料，對于1 kg的測試樣品而言，175 μm以上的雜質不超過5個，同時不能有超過250 μm的雜質。根據實際的照片，這些雜質的尺寸都在175 μm以下，所以仍然滿足絕緣料潔凈度的要求。

3 紅外光譜

紅外試驗使用IRprestige-21型紅外光譜分析儀。試驗需要先進行背景掃描，再進行試品掃描。本試驗除獲取試品的紅外吸收譜圖外，還計算了表征絕緣材料劣化程度的羰基指數，羰基指數定義為波數1 720 cm-1處羰基吸收峰強度與波數2 010 cm-1處不隨熱氧老化變化的吸收峰強度的比值(A1 720/A2 010)。

試品紅外觀察結果如圖5所示，根據紅外數據計算得到的羰基指數如表6所示。

表6 電纜試品羰基指數

圖5 各電纜試品紅外曲線

根據試品紅外觀察和羰基指數計算結果，各種試品的羰基指數近似，均在1附近，說明沒有發生明顯的熱氧老化。#9在1 050 cm-1波數附近較為異常。文獻[16]顯示，1 300～1 000 cm-1是C—O—C的伸縮振動的特征峰。此外，#9在指紋區600～500 cm-1還有一個異常峰，也是C—O—C的特征峰之一。

4 熱分析

差式掃描量熱分析(DSC)是由材料在連續升溫條件下吸收熱量變化得到的曲線。通過分析DSC曲線可得到材料在吸熱熔融和放熱結晶過程中的熱焓、熔點、結晶溫度、結晶速度等，從而判斷材料的基本組成成分和分子鏈的聚集態結構特征[17-18]。

試驗使用瑞士METTLER公司生產的DSC 822e型差熱掃描量熱儀，設定以10 ℃/min的升溫速率從30 ℃升溫至200 ℃，保溫5 min后，再以-10 ℃/min的速率降溫至30 ℃，試驗過程全程以高純氮氣保護，電纜絕緣試品質量為5 mg。

DSC試驗結果如圖6所示，根據DSC曲線得到的相關參數如表7所示。

表7 電纜試品DSC參數

圖6 電纜試品DSC曲線

根據DSC試驗結果，除#9以外，其他試品的DSC曲線相似，熔點和結晶溫度接近。電纜運行年限較長的電纜試品出現了熔點和結晶溫度略微上升的現象，說明交聯聚乙烯分子鏈在電纜工作狀態下有一定的分子鏈重排，但并未引起聚集態結構的老化。

在DSC結果中，#9試品比較異常，存在兩個熔點(111.33、118.67 ℃)，而其他試品的熔點在105 ℃附近，且結晶和熔融峰變寬，結晶度也最高。判斷#9電纜XLPE絕緣料的基料中有一部分HDPE或LLDPE，是兩種聚乙烯的共混，考慮到相容性的差異，可能是引起#9擊穿性能較低的原因。

5 結論

(1)各試品的體積電阻率差距不大，均在1 016 Ω·cm左右，在合理范圍內；試樣擊穿場強均比較接近，在100 kV/mm附近；不同年份的運行電纜均未發現大量明顯的樹枝集聚，樹枝密度均較小。

(2)通過紅外觀譜分析，各種試品的羰基指數近似，均在1附近，沒有發生明顯的熱氧老化，電纜運行年限與羰基指數無關。

(3)運行年限較長時，tanδ相對較高，tanδ可作為一個分析XLPE絕緣性能下降的重要指標，同時熔點和結晶溫度也會略微上升。