等温松弛法在三元乙丙橡胶绝缘电缆连接器的老化评估中的应用研究

高树国，朱永华，吴长顺，吴建东，尹 毅

(1．国网河北省电力公司电力科学研究院，河北石家庄050021;2．上海电缆研究所中试室，上海200093; 3．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)

等温松弛法在三元乙丙橡胶绝缘电缆连接器的老化评估中的应用研究

高树国1，朱永华2，吴长顺2，吴建东3，尹 毅3

(1．国网河北省电力公司电力科学研究院，河北石家庄050021;2．上海电缆研究所中试室，上海200093; 3．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)

本文采用等温松弛电流法测量了不同老化程度的电缆连接器绝缘的等温松弛电流，建立了基于界面极化理论的等温松弛电流模型，分析了老化引起的缺陷对总体的松弛电流的影响，定义了表征电缆连接器绝缘老化程度的参数——老化因子A，并且计算了不同老化程度的电缆连接器绝缘的老化因子。结果表明随着老化时间的增加，老化因子值也在增加。另外，基于ASTM E698标准测量了活化能，结果表明随着老化时间的增加，活化能减小，这与老化因子之间存在良好的对应关系，表明等温松弛电流法可对电缆连接器的绝缘老化程度进行有效评估。

等温松弛电流法;电缆连接器;老化评估;老化因子;热失重;活化能

1 引言

屏蔽式可插拔电缆连接器在电缆线路以及电缆与GIS等电力设备的电气连接中用途广泛，目前的电压等级已经达到35kV甚至更高［1］。一般说来，屏蔽式可插拔电缆连接器的绝缘材料是三元乙丙橡胶(EPDM)或硅橡胶。在使用过程中，电缆连接器承受电场、热以及环境应力的作用，将会导致绝缘的老化，甚至引起击穿［2］。特别是电缆连接器处由于结构等原因，可能存在电弧放电等因素。然而，与中压交联聚乙烯绝缘电力电缆的老化不同，在其老化过程中一般不存在水树枝等老化缺陷，因此建立在水树枝缺陷基础上的老化评估方法，往往无法直接用于电缆连接器的老化状态的评估，需要进一步研究用于连接器的评估方法。众所周知，绝缘材料的老化一般伴随着化学反应，由此产生新的物理和化学的缺陷，因此评估的方法也可以通过物理和化学的方法。如可以通过热失重的方法测量反应活化能，活化能大的，则表示老化程度低，反之则表明老化程度高［3］;物理的方法则可以通过绝缘电阻、介质损耗等方法［4，5］。然而不管是化学还是物理的方法，均存在缺点。化学的方法由于要在被测试品上切取样品，因此是一种破坏性的方法;而绝缘电阻或者介质损耗等物理方法反映整体性老化程度，因此对集中性的缺陷反映不灵敏［6］。因此迫切需要一种方法，既具有非破坏性，同时可对整体老化和集中性缺陷反映灵敏。

考虑到连接器在运行过程中受各种应力作用产生化学降解，生成各种缺陷，如果能够借助物理方法，将缺陷表述成某种物理量，则可以有效反映连接器的老化程度。目前基于等温松弛电流的原理，可以获得绝缘材料的缺陷含量以及缺陷能态密度的信息［7］。

本论文采用等温松弛电流法研究不同老化阶段的电缆连接器的老化程度，为了检验这种方法的可行性，采用热失重法，测量不同老化阶段电缆连接器的反应活化能。在等温松弛法中提取老化因子这个参数，并且将老化因子与反应活化能进行对比，研究老化因子与反应活化能的联系，验证等温松弛法在电缆连接器老化评估中的可行性。

2 实验方法

2.1 样品制备

从运行的电缆连接器中取样，连接器的投入运行的年份分别为1985年、1990年和1998年，另外为了研究等温松弛法对老化程度反映的灵敏性，选取了同样结构和组分的未运行样品，分别编号如表1所示。所有的样品进行测试前处理，即用无水乙醇清洗外表面，然后置于真空烘箱中干燥处理，采用自粘式铝箔作为电极，为了电极制作方便，如图1所示，将样品沿中线剖开，用裸铜线引出作为电极以备测量。

表1 样品描述Tab．1 Description of sample

图1 样品电极结构图Fig．1 Electrode structure of sample

2.2 等温松弛电流的测量

测量电缆连接器径向的绝缘厚度约为10mm，因此设定极化电压为2400V，极化时间30min，极化过程完成后，对样品短路5s后接入静电电流表Keithley 6517A，测量不同短路时刻的短路松弛电流。

2.3 热活化能的测量

采用热重法(Thermogravimetry，TG)测量试样的热活化能:从电缆连接器上切取部分绝缘样品，对绝缘样品施以不同的加热速率μ，测量材料质量随时间的变化，然后根据Arrhenius化学反应方程获取活化能［3］。测试设备采用美国PERKIN ELMER公司的TGA 7，升温速率 μ分别是5K·min－1、10K· min－1、15K·min－1和20K·min－1。

3 实验结果

不同样品的等温松弛电流曲线如图2所示，可以发现，去极化电流曲线均随着短路时间的增加而衰减，在短路初期，不同老化阶段样品的电流值基本相同;而当短路时间达到1800s时，老化最严重的样品(No．4)的短路电流比其他三个样品的都大，随着老化时间的增加，短路至1800s时的电流值依次增加。从松弛电流曲线虽然能够发现不同老化程度的曲线其电流衰减的速率不同，但是无法进行定量的比较，因此单从短路电流曲线无法准确反映老化程度。

图2 不同样品的等温松弛电流曲线Fig．2 Isothermal relaxation current curve of different samples

图3为四种样品在不同升温速率下的热失重分析曲线，其中横坐标取温度T的相对值1000/T，升温速率分别是5K·min－1、10K·min－1、15K·min－1和20K·min－1。图中按照ASTM E698标准计算活化能，计算结果如表2所示。从表中可以发现，随着老化时间的增加，活化能从287.04kJ·mol－1逐渐减小到225.13kJ·mol－1。活化能的逐渐降低，说明随着电缆连接器使用时间的增加，电场应力、热应力以及其他老化因子使三元乙丙橡胶的老化程度增加。

表2 样品的活化能Tab．2 Activation energy of sample

4 实验数据分析

电缆连接器的主要化学成分为EPDM和无机填料，因此在施加直流电场极化时，其中的极化因子包括电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和界面极化。然而根据松弛电流的检测原理，电子位移极化、离子位移极化以及偶极子极化由于松弛时间常数很小，在极化完成后的短路瞬间已经完成，所以图2记录的短路松弛电流应该是由界面极化引起的。

图3 不同样品的热失重分析曲线Fig．3 Analysis of TGA curves for different samples

通过对实验中的电极结构分析可知，本文研究的EPDM的界面极化主要包括三部分:①电极与EPDM本体之间的界面;②EPDM分子与无机填料之间的界面;③生产制造过程中引入的缺陷与EPDM之间的界面。当电缆连接器运行中，绝缘将发生老化过程，因此在其中将引入新的缺陷，这些缺陷与EPDM之间形成的界面极化也可归入上述的第三种类型中。由以上分析可得EPDM连接器的松弛简化电路模型，如图4所示，其中Rc是极化保护电阻，Rs是极化完成后，瞬间短路时的短路电阻，Rd是等温松弛电流测量时的保护电阻，上述三类界面引起的界面极化依次分别用 C1//G1、C2//G2和C3//G3描述。

图4 电缆连接器绝缘极化和去极化过程中各种界面极化模式Fig．4 Variety of interfacial polarization mode in polarization and depolarization processes of cable connector insulation

根据Debye松弛理论，松弛电流可以表述成式(1)［8］:

式中，I0为稳态电流;ai为第i种极化因子对去极化电流的贡献;τ1表示EPDM与电极间形成的界面极化时间常数;τ2表示EPDM与填充的无机填料之间形成的界面极化时间常数;τ3表示EPDM在老化过程中新增缺陷与EPDM之间形成的界面极化时间常数。

按式(1)进行拟合，并且分别计算出Ii(t)·t～t，其中Ii(t)是指第i种极化模式引起的去极化电流，Ii(t)·t表征陷阱电荷密度［7］。图5为样品的分解曲线(不含直流分量I0)，可以发现各试样的松弛电流能够分解成三个松弛项的叠加，因此说明前文对EPDM中界面极化类型的假设是成立的，并且I1(t)·t主要反应电极与EPDM本体之间的界面密度，I2(t)·t主要反应EPDM分子无机填料间的界面密度，I3(t)·t主要反映EPDM在老化过程中新增缺陷与EPDM之间形成的界面密度。由图可知，当老化逐渐严重时，三类界面密度都有上升，其中表征新增缺陷与EPDM界面密度的I3(t)·t的峰值上升最为明显，其峰值可作为电缆连接器绝缘老化程度的重要指标。另外，对松弛电流按照三个指数项叠加的设想分解后，得到样品中各界面极化时间常数，见表2。从表中可以发现随着老化时间的增加，三个时间常数满足下列条件:

τ2＞3τ1，τ3＞3τ2

因此可以定义一个老化因子 A，如式(2)所示［8］:

老化因子A的计算结果如表3所示，其随老化时间的增长逐渐升高。

图5 不同试样中松弛电流的松弛类型Fig．5 Decomposition of relaxation current curves of different samples

由表3可知，老化因子A随着使用时间的增加，从2.27增加到2.66，而活化能则从287.04kJ·mol－1逐渐减小到225.13kJ·mol－1，说明它和活化能之间存在良好的对应关系。因此采用等温松弛电流法可以有效评估三元乙丙橡胶绝缘的电缆连接器的老化程度。

表3 样品的老化因子计算结果Tab．3 Aging factor calculation results of samples

5 结论

本文通过对不同老化程度的EPDM绝缘电缆连接器的等温松弛电流分析和热失重分析，得到以下结论:

(1)随着老化时间的增加，松弛电流起始值变化不明显，但是随着短路时间的增加，可以明显发现短路电流随着老化程度的增加而增大。

(2)等温松弛电流理论计算出的老化因子结果表明，随着老化时间的增加，试样的老化因子A在逐渐增加。

(3)热失重分析的结果表明，随着试样老化程度的增加，活化能逐渐减小。

(4)老化因子和活化能之间存在良好的对应关系，这表明采用等温松弛电流法能够对EPDM绝缘的电缆连接器的老化程度进行有效的评估。

［1］祝丽雯 (Zhu Liwen)．插拔式电缆附件的应用 (The application of separable cable accessory)［J］．高电压技术 (High Voltage Engineering)，2004，30(Suppl．): 29-30．

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Application of isothermal relaxation to aging assessment of EPDM rubber insulated cable connectors

GAO Shu-guo1，ZHU Yong-hua2，WU Chang-shun2，WU Jian-dong3，YIN Yi3
(1．State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China; 2．Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai 200093，China;3．School of Electronics and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

Isothermal relaxation current of cable connector insulation is measured with a method of isothermal relaxation current(IRC)．The aging status of the connector insulation is described with a model based on the interface polarization theory．It is pointed out that the aging degree of the connector insulation can be quantified with a parameter of aging factor．It is shown that the aging factor of the connectors increases with aging time．To confirm the accuracy in connector aging accessing，activation energy of the connectors is investigated with thermogravimetry(TG)according to the standard of ASTM E698．It is shown that the activation energy decreases with aging time．Therefore，there is a good consistence between the aging factor and the activation energy．Also it is a good evidence to the accuracy of aging status assessment in cable connector．

thermal relaxation current method;cable connector;aging accession;aging factor;thermogravimetry; activation energy

TM85

:A

:1003-3076(2015)05-0076-05

2013-06-03

高树国(1982-)，男，河北籍，工程师，硕士，主要研究方向为电气设备状态检测与故障诊断;朱永华(1971-)，女，江苏籍，高级工程师，主要从事电缆检测和标准等相关研究。