XLPE电缆老化状况对绝缘层微观结构的影响*

刘刚　吴亮　金尚儿　黄嘉盛

(1．华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室， 广东 广州 510640；2．广州供电局有限公司输电所， 广东 广州 510310)



XLPE电缆老化状况对绝缘层微观结构的影响*

刘刚1吴亮1金尚儿1黄嘉盛2

(1．华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室， 广东 广州 510640；2．广州供电局有限公司输电所， 广东 广州 510310)

对两条退役110 kV XLPE电缆和一条备用电缆进行试验，利用电声脉冲法(PEA)和X射线衍射技术(XRD)研究了老化状况对XLPE电缆绝缘层微观结构的影响.结果表明：电缆的老化会造成绝缘晶体尺寸减小，结晶度降低，因此其捕获空间电荷的能力增强；老化过程始于电缆最外层，而长时间的老化作用对绝缘中间层的影响更大，中间层可能是击穿的薄弱环节；XLPE电缆绝缘老化使绝缘微观结构从“中间高两端低”转变为“均匀化”.

110 kV XLPE电缆；电声脉冲法；X射线衍射；晶体；空间电荷

交联聚乙烯(XLPE)电缆因具有结构简单、负载能力强、耐化学腐蚀、机械强度高等优点而被广泛应用于输配电网中[1- 2].在运行过程中，电缆绝缘会因电、热、化学等因素作用而发生老化[3]，产生不可逆转的损坏，威胁电缆运行安全[2,4- 5].当前，准确反映电缆绝缘老化状况的参数指标仍在讨论中，其中包括结晶度、晶粒形态、空间电荷积聚特性等[6- 9].

常见的XLPE电缆老化诊断方法有耐压法、等温松弛电流法等.王洪兴等[10]通过试验指出XLPE绝缘参数与其老化状况相关；彭潜等[11]通过耐压试验对电缆的老化、机械损伤进行评估，指出工频耐压试验不能诊断出机械类缺陷；从目前的研究来看，对于XLPE绝缘老化的研究大部分集中在树枝老化等方面，而对绝缘内部晶体结构以及其空间电荷特性的研究刚刚兴起.

X射线衍射分析(XRD)是一种研究聚合物晶体结构的技术，其工作原理是通过X射线形成的衍射峰的位置和高度来确定聚合物的晶型和结晶度.该方法被广泛用于研究聚合物的结晶结构[12- 14].

电声脉冲法(PEA)是一种测量空间电荷的非破坏性方法，通过在绝缘介质上施加脉冲电压，使空间电荷产生机械应力并产生机械波，利用传感器获取压力波信号并转化为电压信号，据此可得出空间电荷的分布情况[15].

文中采用电声脉冲法和X射线衍射技术，从电缆绝缘内部微观形态出发，研究电缆在老化运行过程所发生的微观变化，其结论可为后期研究电缆老化状态及剩余寿命评估提供参考.

1　理论基础

在生产过程中，XLPE晶体结构会受温度、冷却速度等因素影响而产生缺陷，这些缺陷可作为陷阱捕获空间电荷.同时，运行过程中，电热作用会使绝缘层中陷阱进一步增加.

1.1空间电荷产生机理

空间电荷的来源主要有电极注入、杂质离子电离以及偶极子取向.电极注入一般为同极性电荷，它是载流子最主要的来源之一；在电场作用下，杂质发生电离并伴随有复合过程，未复合的离子将被电场加速而迁移到电极或在迁移的过程中被陷阱捕获，形成空间电荷，这部分电荷一般与电极极性相反，故称为异极性电荷[9,16- 17]；在电场作用下,绝缘层表面的偶极子将发生规则取向形成束缚电荷，并进一步在绝缘内部感应出等量电荷.

XLPE中正极性空间电荷的形成与其内部分子结构有密切联系[4].在交联过程中，由于端基、晶相、残余自由体积、双键、和无定形相间的界面等的存在，XLPE能带中存在大量局域态，晶相与非晶相之间形成更多的陷阱使空间电荷易于积聚.XLPE中含有的各种杂质(如交联剂、抗氧化剂等)在强电场的作用下发生极化或者电离，进而产生大量异极性空间电荷[5].

空间电荷的存在使电缆绝缘层内部电场发生严重畸变，同极性电荷将降低电极附近的电场强度，异极性电荷则相反[18].畸变的电场会引发绝缘的树枝化，导致绝缘击穿.

1.2XLPE晶体结构特点

交联聚乙烯在生产中一般使用过氧化二异丙苯(DCP)作为交联剂，与抗氧化剂一同均匀混入聚乙烯基料中.在适当的温度下，DCP受热分解，产生大量自由基团，引发聚乙烯发生交联反应[19].

聚合物在冷却结晶的过程中，先形成晶核，晶粒以晶核为中心逐步生长.温度、交联工艺等方面均会影响晶核形成和晶粒生长的过程[20].

文献[17]中指出，在160～220 ℃时，聚乙烯将发生交联反应，且温度升高时，DCP分解速率加快，进而使得交联度有所增大.由于交联过程产生的网状结构抑制了晶粒的生长过程，因此交联温度越高，晶粒尺寸相对减小、结晶度相对较低.

110 kV及以上等级的XLPE电缆绝缘层厚度大，绝缘层径向上各层的受热并不均匀，聚合物在结晶形态上存在一定差异：绝缘外层的冷却速度较快，因此晶粒尺寸较小，结晶度较低；内层绝缘受热时间相对较长，因此晶粒尺寸大，结晶度高；中层介于内外层之间，受交联、温度双方面影响，结晶度高于内外层.

1.3载流运行对绝缘层的影响

运行过程中，电流的热效应使绝缘层内部分子发生裂解，导致绝缘层的电气性能和机械性能下降，这就是电缆绝缘老化现象.一般情况下，聚合物分子的裂解速率和温度呈正相关，且随着受热时间的增加，热量不断积累，聚合物的分解过程也会进一步增强.

在XLPE电缆的生产过程中，绝缘层不可避免地引进各类杂质.在载流运行条件下，电场对绝缘层长期作用，引发杂质等缺陷发生老化.最显著的特征之一是电树枝老化.

绝缘层微观的缺陷处电场强度集中，产生局部放电现象，导致微小导电通道的产生，称为电树枝.随着电场的长时间作用，电树枝不断发展，最终导致绝缘击穿.

2　空间电荷与晶体结构的关系

聚乙烯为半结晶型聚合物，其聚集形态影响其电气、机械等性能.在XLPE的生产过程中，各物理、化学过程(如取向、交联、结晶等)对其晶体结构有重要影响.在电场作用下，XLPE中晶体部分存在的链端和缺陷会导致电荷陷阱的出现，捕获空间电荷.

空间电荷的来源主要有两种情况——正极性空间电荷是在较高场强下由电极注入产生的，异极性空间电荷则是由绝缘中存在的杂质在电场作用下电离形成的[21].

XLPE中，杂质存在于非结晶区、球晶边界等位置，结晶度越高，杂质分解形成的电荷陷阱越少，因此在电场作用下，异极性空间电荷的积聚越少[22].

运行过程中，绝缘受到电热作用而发生老化，聚合物受热分解，晶粒尺寸减小，结晶度有所降低，进而导致PEA试验时异极性空间电荷的积聚量降低，其关系如图1所示.

图1　空间电荷与晶体结构的关系

因此可根据异极性空间电荷积聚特性判断电缆老化状况.

3　实验

3.1试样制备

选取敷设时间分别为1987年、1996年的110 kV XLPE电缆，以及一条1990年的备用XLPE电缆.将每一条电缆沿轴向切片制成(480±50)μm的片状试样.

电声脉冲法：每一条电缆选取4个试样，从内而外依次编号为Layer1-Layer4.

X射线衍射：在每条电缆内层分别抽取相邻的3个试样，中层、外层亦然.

3.2实验方法

(1)电声脉冲法

在常温下施加30 kV/mm的直流电场，利用电声脉冲法测量系统连续测量20 min的空间电荷.然后进行短路放电500 s，并连续测量空间电荷，以观察其消散情况.

(2)X射线衍射

实验条件：铜靶，入射线波长0.154 18 nm，Ni滤波片，管压40 kV,管流40 mA，扫描步长0.04°，扫描速度38.4 s/步；发散狭缝DS=0.5°；接收狭缝RS=8 mm(对应LynxExe阵列探测器).

4　结果分析

4.1结果综述

以1987年试样的电声脉冲法试验结果为例，如图2所示.

图2　各层空间电荷分布

每幅图的6条曲线为空间电荷在不同时间点的分布情况；横坐标表示试样厚度，两条竖直虚线为电极位置.

从图中可以看出,电极附近注入同极性电荷，即正极附近注入大量正电荷，负极附近注入负电荷，同时伴有负电荷在正极附近产生积聚.

随着短路放电过程的进行，异极性电荷逐渐衰减而正极性电荷略微减少.

获取各峰峰值进行数据分析.X射线衍射试验结果如图3所示.

图3　X射线衍射结果

理想情况下，X射线衍射得到的图谱应该是一个尖锐的衍射峰，但实际上由于晶粒尺寸小(100 nm以内)产生了相干衍射，使衍射峰变宽.此外，晶体结构的畸变等也是衍射峰增宽的因素.

从图谱上看，存在两个衍射峰，分别位于21°和23.8°附近，对应于晶体的(110)晶面和(200)晶面.对于不同的衍射样品，衍射峰的位置无明显区别，说明各层晶体类型相同.

XLPE中，结晶形态一般为球晶，正常球晶中片晶取向分布均匀，因此(110)晶面的衍射峰最强；(200)晶面对应于球晶的长轴方向，该方向上存在衍射峰说明球晶在该方向上受拉伸作用，因此可以判断XLPE中存在的是发生形变的球晶.

4.2试验用XLPE晶体结构特点

1990年备用电缆试样的PEA试验结果如下.

聚合物中，受交联副产物影响所产生的异号电荷占主导作用，其能更好反映材料中的陷阱特性.

从图4可以看出，负极性电荷呈现出中间少两端多的特点.

由图5可看出，绝缘内、外层的结晶度低于中层.这是因为在生产过程中，中层的结晶过程比内、外层充分，因此结晶度较高，晶粒尺寸相对较大.

图4　正极附近负电荷峰值对比图

图5　各层结晶度对比图

当结晶度较低时，在正极附近存在正负两种极性的空间电荷，而随着结晶度的升高，负极性的空间电荷有所减少.从微观层面分析，随着结晶度的升高，绝缘内部球晶尺寸增大，结晶区增大，阻碍了载流子的移动；异极性电荷来自杂质分解产生的载流子，交联剂等杂质存在于聚合物球晶边界或无定型区，结晶度升高则该部分积聚空间电荷的能力下降.

两个试验可获得一致性结论：电缆中间层聚集态结构均匀性较好，结晶度高于内外层.

4.3老化过程对晶体结构的影响

以3个试样的PEA结果作比较，如图6所示.根据图6所示的结果，退役的电缆(1987年试样和1996年试样)的异极性电荷积聚量要高于未老化的备用电缆(1990年试样).以1996年试样和1990年备用试样对比可以发现，电缆最外层的异极性空间电荷积聚量变化最明显，而异极性电荷的积聚和电缆绝缘的老化程度相关，可以看出电缆的绝缘老化开始于最外层；利用1987年的电缆试样和备用电缆作比较，由于1987年电缆已经运行超过20年，其老化状态相对较严重，和备用电缆相比，次内层(Layer2)的异极性电荷积聚量变化最明显，说明运行过程中，长时间的电场、热场作用对电缆绝缘内层影响较大.和未老化的备用电缆相比较，老化的电缆均表现出异极性电荷积聚量明显增加的特点，这一现象源于绝缘层中的小分子杂质在老化过程中捕获空间电荷的能力增强，且老化开始于最外层，而在长时间的电热作用下内层的老化程度更严重.

图6　正极负电荷峰值对比图(3年)Fig.6　Contrast of negative peak near positive pole(three years)

图7对3条电缆试样的各层结晶度进行对比.可以发现1990年备用电缆试样未经老化，绝缘层体现出中间结晶度高两端结晶度低的特点，而随着电缆投入运行后发生老化，各层的结晶度会相应降低，晶粒尺寸也逐渐减小.从3条折线的变化趋势可见，老化过程使电缆绝缘各层的结晶度逐渐降低并趋于一致，电热作用对于电缆绝缘内部结构具有“均匀化”的影响.

图7　各层结晶度对比图

5　讨论

1990年备用电缆试样未老化，可用于表征当时生产工艺对绝缘各层微观形态的影响.一方面，PEA试验结果表明，异极性空间电荷积聚量表现为中间层少，内外层多的特点；另一方面，X射线衍射试验结果也表明中间层与内外层相比，聚合物结晶度高，晶粒尺寸大.两个试验结果均对电缆生产过程中绝缘层各部分结晶情况作了很好的反映.

对于两条退役电缆(1987年试样和1996年试样)，两者均经过电热作用，而作用时间相差9年，不同的运行时间造成老化状态的不一致.1996年电缆运行时间较短，最外层积聚的空间电荷量变化最大，说明老化始于最外层；而随着运行时间的增加，电缆的老化状态愈加严重，1987年电缆试样的空间电荷积聚体现这一点，且以1987年中间层为例，PEA结果显示中间层(Layer2)的空间电荷量变化最大，而XRD结果显示中间层的结晶度变化最大，两者相互对应，表明老化时间越长，绝缘中间层受到的影响越大，且绝缘结构在电热作用下已经从原先的“中间高两端低”转变为“均匀化”的趋势.

6　结论

结合PEA和XRD试验，得出以下结论：

(1)在运行过程中，XLPE电缆绝缘受到电热作用而发生老化，老化造成晶体结晶度降低，晶粒尺寸增加，而绝缘捕获空间电荷的能力也随着增加；

(2)XLPE电缆绝缘的老化始于最外层，而长期的老化对于中间层的影响最大，体现在严重老化的电缆中间层和未老化试样相比晶粒尺寸大幅度减小，空间电荷量大幅度增加；

(3)电热老化使得电缆绝缘的微观结构从“中间高两端低”的特点转变为“均匀化”；

(4)根据XLPE电缆老化的特点，在日常运行维护中应加强中间层的老化状态监测工作，电缆绝缘中间层可能是击穿的薄弱环节.

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s: Supported by the National High-tech R & D Program of China (863 program)(2015AA050201),the National Natural Science Foundation of China(51477054) and the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2013B010405002)

Influence of Aging Condition of XLPE Cable on Microstructure of Insulating Layer

LIUGang1WULiang1JINShang-er1HUANGJia-sheng2

(1.School of Electric Power∥Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. Transmission Department, Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd.,Guangzhou 510310, Guangdong, China)

By testing two retired 110 kV XLPE cables and a spare cable, the influence of the aging condition of XLPE cables on the microstructure of insulating layers is revealed by means of PEA (Pulsed Electro-Acoustic Method) and XRD. The results show that (1) the aging of the cables causes the size and crystallinity of insulation crystal to decrease, thus increasing the ability of the crystal to capture the space charges;(2) the aging process begins in the outermost layer of the cables, and a lasting aging has a greater influence on the intermediate insulating layer; (3) therefore, the intermediate layer may be the weak link where the breakdown occurs easily; and (4) due to the aging of XLPE cables, the microstructure characteristic changes from “high in the middle and low in both ends” to “homogenization” .

110 kV XLPE cable; pulsed electro-acoustic method; X-ray diffraction; crystal; space charge

2015- 11- 12

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2015AA050201)；国家自然科学基金面上项目(51477054)；广东省科技计划项目(2013B010405002)

刘刚(1969-)，男，博士，副教授，主要从事智能高压电网、过电压及其防护、电力设备外绝缘研究.E-mail:liugang@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)08- 0053- 07

TM 726

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.08.009