交联聚乙烯绝缘电缆老化的介电响应与局部放电特性研究

交联聚乙烯绝缘电缆老化的介电响应与局部放电特性研究

 ,胡健民 ,王明 ,艾尼•哈巴尔

国网新疆电力有限公司乌鲁木齐供电公司 830011

摘要：电力设备的安全可靠运行是电网正常运行的保障，电缆作为电力系统中重要的电能传输设备，其运行可靠性与电网安全息息相关。近年来XLPE电缆凭借其良好的物理、机械性能以及便于安装敷设等优点，被广泛的应用在城市配电网中。但由于电缆在制造、运输、敷设以及投入使用的过程中，总是会不可避免地对绝缘层造成一定的损伤，形成微小缺陷。这些微小缺陷会成为电树枝发展的潜在故障点，使电缆绝缘裕度下降，甚至导致电缆的击穿失效。因此，国内外学者对电缆绝缘中的电树枝老化评估与诊断方法开展了大量的研究。

关键词：老化；交联聚乙烯；等温松弛电流；局部放电

引言

随着我国电力工业规模的增大和城市化的快速发展，交联聚乙烯（Cross-linked  Polyethylene,XLPE）电缆因其拥有优越的电气、热、力学性能，且安装敷设容易、运行维护简单，被广泛应用于电力系统各电压等级的输配电线路中，成为城市电网的主要电缆类型。XLPE电缆在运行环境中会在受到各种应力（电、热、机械等）后老化。其中，热老化是导致绝缘伤的最严重因素之一，严重降低了交联聚乙烯电缆的性能，甚至导致绝缘失效。实际运行中电缆的热老化有因导体过流导致的整体老化，和因靠近热源导致的局部热老化。本文利用内加热法模拟了导体过热导致的电缆整体热老化，利用外加热法制作了用于模拟局部热老化缺陷的电缆线段。在实验室搭建了最高可施加10kV高压、检测频段0.01Hz~0.1Hz的频域介电检测系统，对电缆的整体、局部两种热老化工况的进行了检测，研究了在热老化过程中高压介电谱的变化，探究了不同局部缺陷段和完好电缆比例变化对高压介电谱的影响，并与0.1Hz介损检测结果进行了对比分析。最终从高压介电谱中提取参数，实现了对电缆整体和局部热老化的诊断。

1实验

1.1实验对象及老化实验

以国产XLPE模型电缆为研究对象，其原料为超净低密度聚乙烯基础树脂，添加0.2%～0.3%硫代双酚类抗氧剂以及1.6%～1.8%过氧化二异丙苯交联剂。对模型电缆进行加速热老化实验，利用穿心变压器控制老化实验温度为135℃，使用橡塑海绵管对电缆进行保温，同时使用高压直流源对该模型电缆进行极化，控制其绝缘中的平均电场为15kV/mm。分别取未老化电缆、老化第10天电缆与老化第30天电缆作为待测试样。

1.2介质损耗因数测量

采用正弦波激励信号对电缆试样进行测试时，其响应电流中包含有大量的高次谐波，应用传统的电阻采样法势必会导致响应波形出现严重相移，使得频域下的介质损耗因数失真。而且若利用电流传感线圈对微电流进行采集，传感线圈磁芯的磁滞线性有限，会使得响应电流中高次谐波含量丢失，且传感线圈精度有限，在测量pA或nA级电流时极易被空间耦合的噪声所淹没，信噪比极低。因此，本文采用基于I/V转换原理的微电流采集装置，应用静电计级运算放大器搭建无相移跨阻放大电路，将响应微电流IOUT转换为电压信号VOUT，等效原理。

1.3机械性能

为探究热老化试样不同老化阶段的老化程度，按照国标GB/T11026.1中的规定，以试样的断裂伸长率作为判断试样老化程度的依据。国标规定当XLPE试样的断裂伸长率降低为初始值的75%，达到“注意”标准，当降低为初始值的50%，材料失效。机械性能分析测量所需的样品取自电缆老化最严重的部分。采用横切机将电缆制成内、中、外层带状试样。先用横切机切割1.5mm厚的交联聚乙烯层，然后在剩余3mm层内，每次切割3条0.6mm厚的交联聚乙烯带。最后，利用哑铃冲模机制备哑铃样品，进行力学测试。

2结论

2.1电树枝生长特性及其对绝缘性能的影响

实验过程中发现，在对电缆试样施加电压进行电树老化60min~90min的时间段内，部分电树枝的长度变化较小，宽度变化较大。根据相关研究表明，电树枝的实际生长过程可以分为潜伏、生长、滞长和击穿四个阶段，当电树枝的长度趋于稳定，宽度变化较大时，此时的电树枝处于滞长阶段。为弄清在此阶段下的电树枝生长特性以及绝缘中的电场分布情况。本文应用COMSOL仿真软件，在电场作用下对电树枝的滞长阶段进行仿真分析。

2.2傅里叶红外光谱测试结果

辐照-水树老化试样的红外光谱中719、1468、2851、2915cm-1处的特征峰分别对应-CH2-面外变形振动、对称和不对称伸缩振动峰。老化试样的红外光谱在1640cm-1和3432cm-1处出现了特征吸收峰，对应水分子的伸缩振动峰，随着水树老化时间的增加，O-H键吸收峰强度略有增强，说明水树老化越严重。同时可以看出，老化试样的红外光谱虽然在1640cm-1附近出现了O-H键的特征峰，但该峰值随着辐照剂量的增加变化较小。

3讨论

从等温松弛电流与局部放电实验结果可以看到，伴随着电缆老化的加深，聚乙烯绝缘的介电响应会发生变化，具体表现在等温松弛电流时间常数变大、陷阱密度与深度增大、局部放电强度增大。通过对绝缘材料的宏观电气性能分析、微观理化性能检测，可揭示聚乙烯绝缘的老化降解机理。本研究基于量子化学仿真结果，从分子与原子尺度对聚乙烯绝缘因老化所产生的介电性能变化进行探究。首先，对聚乙烯分子链的热氧老化过程进行分析。烷烃在热氧作用下被氧化，聚乙烯长链中可能会引入氧原子，形成饱和基团羟基（-OH）或不饱和基团醛基（-CHO），且这两种中间态分子可相互转换。

结束语

随老化程度的加深，材料中陷阱密度与深度增大，这与热氧作用下聚乙烯分子链中出现的碳氧基团有关。同时，碳氧官能团的种类会直接影响聚乙烯分子链的陷阱能级分布。在老化前期，分子链中出现的羟基会引入1个能级陷阱（1.08eV），而进一步老化形成的羧基会产生3个能级陷阱（0.74、1.93、3.06eV），从而造成老化的电缆绝缘中陷阱数量与深度的增加。

参考文献

[1]朱晓辉,孟峥峥,王浩鸣,等.运行高压交联聚乙烯电力电缆的介电性能[J].高电压技术,2020,41(4):1090-1095.

[2]王亚,吕泽鹏,吴锴,等.高压直流XLPE电缆研究现状[J].绝缘材料,2020,47(1):22-25.

[3]周凯,陈泽龙,尹游,等.XLPE电缆水树老化及其诊断技术的研究进展[J].绝缘材料,2020,52(2):7-14.