低壓電纜絕緣老化對(duì)材料力學(xué)性能作用

［關(guān)鍵詞］低壓電纜；聚氯乙烯絕緣；微觀結(jié)構(gòu)；老化特征；力學(xué)性能

在變電站中，通常用到低壓站用電系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能高低對(duì)變電站運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性有直接影響。在低壓站用電系統(tǒng)中，主要選用了低壓電纜鋪設(shè)的方式，低壓電纜一旦出現(xiàn)絕緣問題，極易增加電力設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致低壓站用電系統(tǒng)出現(xiàn)意外斷電問題[1]。在生產(chǎn)和運(yùn)行低壓電纜期間，電纜絕緣層由于受高壓、高溫、潮濕等因素的影響，極易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料表現(xiàn)出較低的絕緣性能，當(dāng)部分電纜絕緣層失去基本絕緣性能時(shí)，會(huì)導(dǎo)致喪失絕緣性能的部分電纜區(qū)域與大地之間產(chǎn)生導(dǎo)電關(guān)系，從而形成一定的剩余電流，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)等安全事故[2]。所以，研究低壓電纜絕緣老化特性在預(yù)防系統(tǒng)火災(zāi)事故方面有重要作用。另外，低壓電纜的絕緣力學(xué)性能高低可真實(shí)有效地反映出材料老化程度、材料剩余使用壽命，所以，研究低壓電纜絕緣老化特性在了解材料老化程度和預(yù)測(cè)材料剩余使用壽命方面同樣有重要作用。目前，低壓電纜絕緣層材料通常用到聚氯乙烯成分，該成分作為一種高聚物，含有CH2–CHCl等多個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。在電場(chǎng)的影響下，低壓電纜土壤中的K+、Na+、Cl－等離子極易借助水分子直接滲入到聚氯乙烯絕緣層中，從而增加低壓電纜的老化程度[3]。因此，文章借助電場(chǎng)，針對(duì)低壓電纜聚氯乙烯絕緣老化對(duì)材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行全面研究。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 短電纜樣本制作

在本次試驗(yàn)中，主要選用低壓電纜，該電纜型號(hào)為220/380V的ZR–KVVP2–22，生產(chǎn)廠家是上海勝華公司，該電纜含有4個(gè)相，4個(gè)相外部分別包裹填料、銅屏蔽層、外護(hù)套等部分。在低壓電纜絕緣層中，主要選用了聚氯乙烯材料，該材料厚度為0.75mm。

從整個(gè)低壓電纜中截取相應(yīng)的短電纜樣本，該電纜樣本的長(zhǎng)度為350mm，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜內(nèi)外包裹層的有效剝離。同時(shí)，將單相電纜樣本進(jìn)行彎曲，使其彎曲成U形，U形電纜樣本的兩側(cè)寬度均為75mm，中間部分長(zhǎng)度為200mm，同時(shí)，剝?nèi)颖灸骋欢说慕^緣層，暴露隱藏在電纜內(nèi)部的纜芯，方便后期與電源進(jìn)行直接連接[4]。運(yùn)用以上方法，完成對(duì)A組、B組、C組、D組4組短電纜樣本的制作，每組樣本含有4根單相樣本。其中，A組無需進(jìn)行老化處理，將其視為對(duì)照組，其他3組設(shè)置為老化樣本。同時(shí)，運(yùn)用工具刀，對(duì)B組、C組、D組樣本中間老化部分分別制作V形刀痕缺陷，該刀痕缺陷的長(zhǎng)度、寬度、深度分別為40mm、2mm、0.4mm。此外，在3個(gè)老化樣本中間部分位置處纏繞銅帶，并將這些樣本浸泡于硫酸銅溶液中，并將2kV交流電壓施加在這些樣本上，對(duì)這些樣本進(jìn)行加速老化處理。將B組、C組、D組樣本老化時(shí)間分別設(shè)置為7d、14d、21d，老化溫度設(shè)置為室溫狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)儀器

（1）掃描電子顯微鏡。該儀器型號(hào)為JSM–7500F，生產(chǎn)廠家是美國(guó)賽默飛公司。

（2）紅外測(cè)試儀。該儀器型號(hào)為Nicolet6700，生產(chǎn)廠家是德國(guó)布魯克公司。

（3）鹵素水分儀。該儀器型號(hào)為HD–100A，生產(chǎn)廠家是廈門萊斯德科學(xué)儀器有限公司。

（4）萬能試驗(yàn)機(jī)。該儀器型號(hào)為Instron5967，生產(chǎn)廠家是美國(guó)因斯特朗公司。

2 試驗(yàn)測(cè)試方法

2.1 掃描電子顯微鏡測(cè)試

為更好地測(cè)試和觀察聚氯乙烯試樣表面微觀形貌變化情況，對(duì)單相聚氯乙烯絕緣進(jìn)行切取，獲得20mm長(zhǎng)度的絕緣段[5]。同時(shí)，還要沿著V形部分，對(duì)該絕緣段進(jìn)行切取，從而獲得2mm長(zhǎng)度的絕緣試樣，最后使用掃描電子顯微鏡，對(duì)該絕緣試樣的斷面進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 紅外光譜儀測(cè)試

應(yīng)用紅外光譜儀，對(duì)試樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行測(cè)試，具體操作為：對(duì)單相聚氯乙烯絕緣進(jìn)行切取，獲得10mm長(zhǎng)度的絕緣段[6]。同時(shí)，還要沿著V形部分，對(duì)該絕緣段進(jìn)行切取，從而獲得長(zhǎng)為5mm、寬為2mm的絕緣試樣條。最后使用紅外光譜儀，對(duì)試樣條內(nèi)側(cè)面進(jìn)行測(cè)試。

2.3 含水量測(cè)試

對(duì)單相聚氯乙烯絕緣中間老化部分進(jìn)行切取，獲得3～6g的試樣，并利用鹵素水分儀對(duì)該試樣的含水量進(jìn)行測(cè)試，在具體測(cè)試期間，需將測(cè)試溫度控制為105℃[7]。

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

借助樣本聚氯乙烯絕緣層，完成對(duì)啞鈴狀試樣的制作，將試樣中間受力部分的長(zhǎng)度和寬度分別設(shè)置為20mm、0.8mm。利用萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)該試樣彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 聚氯乙烯絕緣材料的微觀形貌

在未經(jīng)過老化處理的聚氯乙烯絕緣試樣中，存在孔徑為3mm的大微孔，當(dāng)老化時(shí)間增加至7d時(shí)，試樣中孔徑為0.5mm的小微孔數(shù)量不斷上升。隨著老化時(shí)間進(jìn)一步增加，試樣中出現(xiàn)的小微孔數(shù)量不斷減少，大微孔數(shù)量不斷增加；當(dāng)老化時(shí)間增加至21d時(shí)，試樣中出現(xiàn)的大微孔數(shù)量達(dá)到最大。隨著老化時(shí)間的不斷增加，試樣出現(xiàn)電力學(xué)老化現(xiàn)象，從而形成大量的微孔。當(dāng)聚氯乙烯絕緣材料內(nèi)滲入大量的水分后，會(huì)形成雙層介質(zhì)界面，該界面含有水分、聚氯乙烯兩種成分。

在交變電場(chǎng)的影響下，該雙層介質(zhì)電場(chǎng)分布量會(huì)隨著介質(zhì)相對(duì)電常數(shù)的不斷增加而出現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。在水分周圍聚氯乙烯絕緣材料中，出現(xiàn)電力學(xué)應(yīng)力。電力學(xué)應(yīng)力方向起始端是介電常數(shù)大的一側(cè)，終止端是介電常數(shù)小的一側(cè)，所以在水分子附近，聚氯乙烯絕緣材料極易受到電力學(xué)應(yīng)力的影響。在交變電場(chǎng)作用下，電力學(xué)應(yīng)力的出現(xiàn)，會(huì)造成聚氯乙烯絕緣材料出現(xiàn)明顯的電力學(xué)疲勞、老化現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在微孔數(shù)量和微孔尺寸的不斷增加。

在微孔的不斷擴(kuò)大下，聚氯乙烯絕緣材料被滲入大量的水分。當(dāng)老化時(shí)間低于7d時(shí)，聚氯乙烯絕緣材料呈現(xiàn)出微孔密度降低、缺陷尖端電場(chǎng)升高的特點(diǎn)，導(dǎo)致電力學(xué)力學(xué)老化速率不斷增加。隨著老化時(shí)間進(jìn)一步增加，聚氯乙烯絕緣材料出現(xiàn)微孔密度增加、缺陷尖端電場(chǎng)下降等特點(diǎn)，導(dǎo)致電力學(xué)力學(xué)老化速率不斷減小。

3.2 聚氯乙烯絕緣材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)

運(yùn)用紅外光譜儀，對(duì)聚氯乙烯絕緣材料化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖1所示的4組樣本聚氯乙烯絕緣試樣的紅外特征峰吸收強(qiáng)度曲線。

從圖1中可以看出，當(dāng)試樣老化時(shí)間低于7d時(shí)，試樣中的COO–離子增加速率相對(duì)較低；當(dāng)試樣的老化時(shí)間超過7d時(shí)，試樣中的COO–離子增加速率明顯增加。所以，當(dāng)試樣經(jīng)過7d老化處理后，斷裂分子鏈段表現(xiàn)出較高的氧化速率。對(duì)于斷裂分子鏈段而言，其氧化速率與老化溶液氧化性之間存在明顯的聯(lián)系。在進(jìn)行老化處理期間，聚氯乙烯絕緣分子鏈末端出現(xiàn)大量的成羧酸鹽和硫酸，這兩種化學(xué)物質(zhì)具有較高的氧化性，導(dǎo)致分子鏈末端亞甲基被氧化為大量H+離子，增加聚氯乙烯絕緣材料的含水量。

3.3 聚氯乙烯絕緣材料的含水量

4組樣本聚氯乙烯絕緣試樣的平均含水量如圖2所示。

從圖2中可以看出，試樣的含水量與老化時(shí)間之間存在正相關(guān)關(guān)系，前者會(huì)隨著后者的增加而出現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。未經(jīng)過加速老化處理的聚氯乙烯絕緣試樣含水量達(dá)到0.425%，當(dāng)試樣老化時(shí)間低于7d時(shí)，試樣表現(xiàn)出較高的含水量增長(zhǎng)速率；當(dāng)試樣老化時(shí)間達(dá)到7d時(shí)，試樣的含水量增大至最大值，即0.871%；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過7d且低于14d時(shí)，試樣的含水量增長(zhǎng)速率出現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)試樣老化時(shí)間達(dá)到14d時(shí)，試樣的含水量增長(zhǎng)至0.979%；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過14d時(shí)，試樣的含水量增長(zhǎng)速率出現(xiàn)增加趨勢(shì)；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過14d且低于21d時(shí)，試樣的含水量增長(zhǎng)至1.276%。在不同老化時(shí)間段中，試樣的含水量增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)出先增加、再降低、后增加趨勢(shì)。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是在電力學(xué)和電化學(xué)老化過程中，容形成大量的聚氯乙烯中微孔，導(dǎo)致試樣表現(xiàn)出較高的含水量，而試樣含水量的變化，對(duì)低壓電纜聚氯乙烯絕緣材料的老化程度產(chǎn)生直接影響。

3.4 聚氯乙烯絕緣材料的老化對(duì)力學(xué)性能的影響

結(jié)合如表1所示的4組樣本聚氯乙烯絕緣試樣力學(xué)性能參數(shù)，繪制出如圖3所示的試樣力學(xué)性能參數(shù)變化曲線。

從圖3中可以看出，試樣力學(xué)性能參數(shù)與老化時(shí)間之間存在反相關(guān)關(guān)系，前者會(huì)隨著后者的增加而呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)。當(dāng)試樣的老化時(shí)間低于7d時(shí)，試樣的力學(xué)性能減小速率不斷上升；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過7d且低于14d時(shí)，試樣的力學(xué)性能減小速率不斷降低；當(dāng)試樣老化時(shí)間達(dá)到14d時(shí)，試樣的力學(xué)性能減小速率不斷上升。總之，試樣的力學(xué)性能減小速率呈現(xiàn)出先上升、再降低、后上升趨勢(shì)。在不同老化時(shí)間段中，聚氯乙烯絕緣試樣彈性模量等力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯變化。未經(jīng)過加速老化處理的聚氯乙烯絕緣試樣彈性模量達(dá)到135.9MPa，當(dāng)試樣老化時(shí)間低于7d時(shí)，試樣的彈性模量減小至122.1MPa，減小了10%；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過7d且低于14d時(shí)，試樣的老化速率不斷減小，所以，試樣的彈性模量、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能下降速率不斷減小，試樣的彈性模量減小至115.3MPa，減小了6%；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過14d時(shí)，試樣的老化速率不斷增加，試樣的彈性模量、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能下降速率不斷增加；當(dāng)試樣老化時(shí)間超過14d且低于21d時(shí)，試樣的彈性模量減小至102.4MPa，減小了11%。總之，試驗(yàn)的老化速率呈現(xiàn)出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）在對(duì)樣本進(jìn)行加速老化處理期間，聚氯乙烯絕緣中同時(shí)出現(xiàn)以下兩種老化現(xiàn)象：①電力學(xué)老化現(xiàn)象。該現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成絕緣分子鏈出現(xiàn)斷裂風(fēng)險(xiǎn)，增加了微孔數(shù)量。②電化學(xué)老化現(xiàn)象。該現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)造成斷裂分子鏈末端出現(xiàn)–COOH、–COO–兩種離子，以上兩種離子共同反應(yīng)后，會(huì)造成低壓電纜聚氯乙烯絕緣含水量不斷增加、力學(xué)性能不斷減小。

（2）在不同老化時(shí)間段中，試樣的含水量增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)出先增加，再降低，后增加趨勢(shì)。

（3）在不同老化時(shí)間段中，聚氯乙烯絕緣彈性模量等力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯變化。總之，試驗(yàn)的老化速率呈現(xiàn)出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

（4）電力學(xué)老化現(xiàn)象、電化學(xué)老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，影響了材料老化速率，而材料老化速率的改變，影響了材料力學(xué)性能。總之，試樣的力學(xué)性能減小速率呈現(xiàn)出先上升、再降低、后上升趨勢(shì)。