电缆终端内绝缘带与绝缘油相容性试验研究

余欣，钱艺华，张英，聂章翔，赵耀洪，吴吉

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.广东电网有限责任公司机巡作业中心，广东 广州 510699)

电缆终端是电缆本体与其他电气设备关键的连接设备，应具有良好的密封性和绝缘性，以及在长期带电运行条件下稳定的连接特性和电气特性，并能够经受电气系统中的过电压。电缆户外终端套管内一般采用聚异丁烯、高粘度硅油或硅凝胶作为绝缘填充剂，应力锥材料主要有硅橡胶和三元乙丙橡胶，自粘性橡胶绝缘带主要用于密封和保护。当电缆终端存在产品质量或安装工艺问题时，运行过程中可能出现材料性能劣化、密封失效、渗漏油等情况，从而使得终端的绝缘性能大大降低，严重时可导致绝缘击穿、设备烧毁等重大事故[1-3]。为满足电缆终端长期运行的要求，除绝缘填充剂、应力锥、各类带材的性能需满足设计要求外，内部相接触的各类绝缘和结构材料均应相容，不会因为相互接触而产生过度劣化的倾向[4-6]。

2018年1月，广东电网有限责任公司某供电局投运2年的110 kV电缆线路充油终端A相导体出线杆处、应力锥表面缠绕的某型号绝缘自粘带与聚异丁烯绝缘油接触处发生溶胀、开裂，绝缘油经终端顶部导体压接部位渗入导体线芯约2 L；另外两相导体出线杆处带材也出现不同程度的溶胀，尾端带材已开始断裂。对该厂家相同型号的运行4年的另一批次产品进行检查，未发现上述现象[7]。对于该型号电缆终端，带材溶胀开裂将导致密封失效，绝缘油渗入电缆后，终端套管内油位持续降低，严重时会引起发热、绝缘击穿等。绝缘油主要填充电缆终端套管的内部空间，使得应力锥等重要部件浸入其中，具有绝缘、散热、防潮等作用，老化、杂质、受潮等因素均会引起绝缘油性能劣化，导致电缆终端运行异常，甚至击穿爆炸。为进一步分析带材溶胀的原因并提出防治措施，本文对电缆终端内绝缘带材和液体绝缘填充剂的相容性开展试验研究，并根据试验结果对广东电网范围相应批次的近百支户外终端进行开盖检查和更换，以避免批次性故障的发生。

1 样品情况

1.1 样品信息

本次试验样品为电缆终端用绝缘自粘带和聚异丁烯绝缘油，样品信息见表1和表2。带材1和油样1取自发生溶胀的充油电缆终端，带材2和油样2取自未发生溶胀退运终端，带材3和油样3为尚未使用的绝缘自粘带和聚异丁烯绝缘油(样品由电缆终端厂家提供)，用于对比分析。

表2 聚异丁烯绝缘油样品信息(同型号)Tab.2 Sample information of polyisobutylene insulating oil( the same type)

1.2 退运终端内带材及油样外观

带材1和带材2取自运行后户外终端导体出线杆处绕包绝缘带(如图1所示)，带材1对应终端的运行时间为2 年，可明显观察到绕包绝缘带已发生溶胀并软化开裂，丧失了密封功能，绝缘油可通过裂口进入电缆导体；带材2对应终端的运行时间为4 年，绕包绝缘带未发生溶胀，密封完好。

图1 终端内绝缘带外观Fig.1 Insulation tape appearance in terminal

油样1和油样2取自运行后户外终端，运行4年未发生溶胀的户外终端内聚异丁烯绝缘油较为清澈透明；而运行2 年发生溶胀的户外终端内油样颜色则明显发黄，说明已有部分反应生成物进入绝缘油内，影响了绝缘油性能。

1.3 带材及油样红外光谱分析

红外光谱是分子的振动光谱，是一种获取分子结构信息的方法。当红外光照穿过样品时，由于分子结构的差异(官能团种类、数目、位置等的不同)，样品会对不同波长的红外光产生选择性的吸收，在不同波数处吸收峰的强度会产生明显的差异，透射光强度与入射光强度的比值随红外光波数变化的情况即为红外光谱图。通过比较吸收强度的变化，可以测定样品中某一特征结构含量的变化。红外吸收带的波数位置、波峰的数目和强度反映了分子结构的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；红外光谱吸收强度与分子组成或化学基团含量相关，可以用来测定某一特定官能团的含量变化[8]。

聚异丁烯(Polyisobutylene，PIB)由异丁烯经聚合制得，根据聚异丁烯聚合反应过程和分子式(如图2所示)，油样3主体成分中应包含较多的CH2和CH3基团，对应红外光谱(如图3所示，其中T表示透光率)中特征峰主要出现在2 953 cm-1、1 468 cm-1、1 385 cm-1、1 229 cm-1处，振动模式为饱和烷基CH3反对称伸缩振动((2 960±5)cm-1)、CH2变角振动((1 465±5)cm-1)、CH3对称变角振动(1 378 cm-1附近，表征CH3基团存在)，—C(CH3)2—的C—C伸缩振动((1 230±10)cm-1)。上述特征峰对应频率涵盖在碳氢振动和碳碳振动特征频率范围内，与聚异丁烯和异丁烯的分子结构相对应[9-10]。

图2 聚异丁烯聚合反应Fig.2 Polyisobutylene polymerization

图3 油样3红外光谱结果Fig.3 Infrared spectrum results of oil sample 3

绝缘自粘带基料为硫化橡胶，橡胶硫化过程中主要反应为主链与硫磺之间的反应，材料结构由线型高分子形成三维网络结构的体型高分子。图4中，带材3对应红外光谱在波长1 015 cm-1处出现非常明显的强特征峰，同时在690 cm-1、670 cm-1处出现中等强度的特征峰，比较符合硫酸酯C—O—S基团反对称伸缩(主要为C—O伸缩，1 020～850 cm-1)和对称伸缩(主要为S—O伸缩，830～690 cm-1)的特征[11-13]，与橡胶材料的硫化过程相对应。此外，带材3较为突出的特征峰出现位置还包括2 918 cm-1、2 850 cm-1处，与长链烷基有序排列时反对称和对称伸缩振动对应波长相符，在2 952 cm-1、1 463 cm-1处特征峰与CH3反对称伸缩振动和不对称变角振动对应，说明带材3中也存在CH2和CH3基团。聚异丁烯和硫化橡胶均为高分子有机物，根据溶质与溶剂的相似相溶原理，极性相似的二者互溶度较大，可以从分子结构的层面上解释浸润于聚异丁烯绝缘油中的该型号绝缘自粘带在电缆终端投运一段时间后发生溶胀的原因[14-15]。

图4 带材3红外光谱结果Fig.4 Infrared spectrum results of strip sample 3

橡胶分子硫化反应实际就是分子间发生交联反应的过程，在硫化过程中橡胶的主链线性高分子与混炼胶中的硫化剂和促进剂进行反应形成网络结构，使胶料的物理机械性能和化学结构发生很大改变。通过研究红外谱图中峰位置以及峰强度的变化，可以分析橡胶材料中基团的变化情况[16-18]。根据图5中带材2的红外光谱图，其特征峰位置和形状与带材3类似，说明二者材料基料基本相同；但从峰值的高度来看，2种带材表征CH2和CH3基团的特征峰高度基本接近，但带材2中表征硫酸酯C—O—S基团的特征峰高度明显高于带材3，说明未发生溶胀的终端内绝缘密封包带相应基团含量更高，其硫化过程更为彻底，推测硫化不充分是带材3较快发生溶胀的原因之一[19]。绝缘自粘带硫化不充分时，材料内部未完全形成较为致密的网状立体结构，更容易与具有同类基团的聚异丁烯绝缘油发生反应，导致电缆终端内绕包于导体出线杆处或应力锥外部的带材溶胀、开裂；而硫化较为充分的绝缘自粘带与聚异丁烯绝缘油相对较难发生反应，预计可在电缆终端设计寿命内维持性状较为稳定。

图5 带材2红外光谱结果Fig.5 Infrared spectrum results of strip sample 2

根据图6中带材1的红外光谱图，在波长2 953 cm-1、1 468 cm-1、1 365 cm-1、1 229 cm-1处出现特征峰，且对应峰值与油样3红外光谱图基本相同，结合带材1来源于发生溶胀的终端内绝缘密封包带的情况，进一步验证了该绝缘自粘带样品中含有聚异丁烯绝缘油成分。此外，在波长1 019 cm-1处出现较为明显的特征峰，说明带材1有硫酸酯C—O—S基团存在，单从数值来看其对应峰值明显小于带材2和带材3。鉴于带材1中混有聚异丁烯绝缘油，该数据无法直接用于对比基团含量。

图6 带材1红外光谱结果Fig.6 Infrared spectrum results of strip sample1

1.4 尚未使用油样击穿性能

击穿强度是指材料在电场作用下，避免被破坏而所能承受的最高电场强度，是表征电介质绝缘性能的基本参数之一。常温下，聚异丁烯绝缘油黏度过大，在测量油杯中基本处于不流动的状态，搅拌时极易产生气泡，无法直接按照GB/T 507—2002《绝缘油击穿电压测定法》中重复击穿6次后取平均值，综合考虑后本文采用了2种试验方法进行对比测试[20]。

方法1，使用液体绝缘材料球形电极进行击穿耐压测试，电极间距2.5 mm，只取第1次击穿值。经测试，油样3的击穿电压为60 kV。

方法2，使用固体绝缘材料平板电极进行击穿耐压测试，电极间距2.5 mm，只取第1次击穿值。经测试，油样3的击穿电压为44.5 kV。

110 kV电缆附件产品标准GB/T 11017.3—2014《额定电压110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第3部分：电缆附件》中液体绝缘填充剂聚异丁烯的击穿电压(电极间距2.5 mm)要求为“≥35 kV”，但并未明确测试方法[21]。由于球形电极之间电场分布较为均匀，平板电极边缘存在电场集中区域，前者测试结果大于后者，但数值均在标准要求范围内，说明尚未使用的绝缘油性能满足运行要求。

2 相容性试验

溶胀是高分子聚合物在溶剂中体积发生膨胀的现象，自粘性橡胶绝缘带为材料致密、表面光滑、边缘清晰的带状结构，当与聚异丁烯绝缘油不相容时会发生溶胀甚至软化开裂。电缆附件中橡胶绝缘带和聚异丁烯绝缘油2种材料应相容，即在长期运行过程中不应发生严重的相互作用，并导致材料有效性和稳定性发生改变。目前电缆附件国家标准中仅提出相互接触的2种材料应相容，但未明确具体的试验方法，不同电缆附件厂家所采用的带材耐绝缘油试验条件也存在差异。本文采用加速老化的方式来模拟电缆终端的运行条件，验证材料是否满足使用要求，并进一步分析相容性试验条件和性能评价方法。

取尚未使用的聚异丁烯绝缘油与绝缘自粘带样品进行相容性试验，根据电缆终端安装时实际用量比例和安装方式，将一定量的绝缘带材缠绕在玻璃管上，放置在盛有聚异丁烯绝缘油的烧杯中，并结合材料性能及电缆附件运行要求选取加速老化试验条件。本文进行了2组相容性试验：一组参照电缆附件厂家提供的自粘性橡胶绝缘带技术条件书中“浸入甲基硅油(168 h，120 ℃)自粘带重量变化率”设置温度和试验时间，并增加一段绝缘自粘带用于质量分析；另一组按照电缆导体最高运行温度设置试验温度90 ℃，持续时间168 h[22]。

2.1 绝缘自粘带外观变化

在试验过程中每隔一天观察绝缘自粘带和聚异丁烯绝缘油的外观变化情况。

a)120 ℃下加热48 h后，绝缘自粘带已明显变软变形，且部分溶解于聚异丁烯绝缘油中(如图7所示)，为避免后续无法进行自粘带质量检测，终止该组试验。

图7 120 ℃老化48 h后绝缘带情况Fig.7 Insulation tape condition after aging at 120 ℃ for 48 hours

b)90 ℃下加热168 h后，缠绕玻璃管的绝缘自粘带表面已经发粘，尚未破裂(如图8所示)，说明电缆导体运行温度已达到该绝缘自粘带与聚异丁烯绝缘油发生溶胀的条件，正常运行情况下2种材质可能发生溶胀，与该批次电缆户外终端现场开盖检查情况相符。

图8 90 ℃老化168 h后绝缘带情况Fig.8 Insulation tape condition after aging at 90 ℃ for 168 hours

2.2 绝缘自粘带质量变化

自然状态下的绝缘粘带取出后用分别用乙醇、甲苯和石油醚清洗后，放入真空干燥箱中2 h后称重，试验前后质量分别为3.59 g和2.16 g，质量损失为1 430 mg，质量损失率高达39.8%，说明试验过程中有严重的质量损失。

该厂家技术标准《自粘性橡胶绝缘带技术条件》中要求浸入甲基硅油120 ℃、168 h后自粘带质量变化率不超出±1 mg/cm3，按照样品外形推算单位体积的质量损失率已远远超过要求值，厂家并未按照技术条件对外购自粘性橡胶绝缘带进行入厂质量检测，相应电缆户外终端使用了不合格的带材，导致运行一段时间后密封失效发生渗漏油。

2.3 绝缘油外观变化

对比相容性试验前后聚异丁烯绝缘油外观情况，老化前、90 ℃老化168 h、120 ℃老化48 h这3种不同的油样外观如图9所示(从左至右)。老化前的原始油样较为清澈透明，与上文中取自未发生溶胀终端的油样2外观类似；90 ℃老化168 h后油样颜色有一定程度的加深，说明在导体正常运行温度条件下该绝缘自粘带与聚异丁烯会发生反应，部分产物进入绝缘油中导致颜色发生变化；120 ℃老化48 h后绝缘油已明显发黑，存在大量的绝缘带碎屑，说明绝缘自粘带与聚异丁烯的反应随着温度的升高更为剧烈。经开盖检查发现相应批次户外终端因运行条件的不同带材溶胀程度存在差异，电缆线路负荷越大，终端内温度越高，相应的带材溶胀程度越严重。

图9 相容性试验前后绝缘油外观Fig.9 Insulating oil appearance before and after compatibility test

2.4 聚异丁烯绝缘油连续击穿性能

将90 ℃、168 h和120 ℃、48 h相容性试验后获得聚异丁烯绝缘油分别编号为油样4和油样5，与油样1、油样2、油样3共同进行连续击穿测试。本次试验使用平板电极，电极间距2.5 mm，每个试样击穿6次，2次击穿等待时间150 s。油样注入油杯后在60 ℃烘箱静置2 h后取出封口，冷却至接近室温，随后按照设置条件进行连续击穿电压测试，结果见表3。

表3 不同油样连续击穿电压测试结果Tab.3 Test results of continuous breakdown voltage for different oil samples

根据表1中的测试结果，油样1和油样2首次击穿电压均为连续试验过程中的最大击穿电压，但之后几次数值无一致变化趋势；油样3、油样4和油样5的首次击穿电压均不是连续试验过程中的最大击穿电压；5种油样的连续6次击穿电压值有升有降，未表现出明显的特征。分析认为聚异丁烯绝缘油黏度较大，150 s的击穿等待时间虽然已达到GB/T 507—2002中“2次击穿暂停时间不小于2 min”的要求，但仍不足以使上一次的击穿通道完全被油填满恢复绝缘性能，再次加压后击穿过程会在相对薄弱的位置发生，放电路径具有随机性，不能代表绝缘油本身击穿性能，6次击穿电压平均值与油样实际状态关联性不明显。油样1、油样4和油样5中已混入绝缘带溶胀后的产物或碎屑，绝缘油明显变色，此时绝缘油不再是均匀电介质，加压过程中易产生电场畸变，严重影响击穿性能。当采用连续击穿的试验方式时，首次击穿电压数值应更能代表绝缘油的整体耐压水平。鉴于击穿试验往往需要多次试验降低数值分散性带来的误差，对于此类黏度高流动性差的绝缘油，应重新取样或在下一次加压前应采取搅拌、除气手段使得液体呈现较为均匀状态。

击穿电压是绝缘油的重要电气性能参数，随着充油电缆终端运行时间的增加，绝缘油击穿性能随老化程度的增加一般呈逐渐下降趋势，当存在水分或杂质时，其击穿性能会显著降低。油样1和油样2首次击穿电压值分别为24.2 kV和37.8 kV，均低于尚未使用的油样3首次击穿电压，且绝缘带材发生溶胀的终端内取出油样击穿场强明显低于未发生溶胀的运行后终端；结合第1.2节分析，该溶胀情况已经导致绝缘油性能明显劣化。油样4和油样5的首次击穿电压显著低于尚未使用和取自退运终端的油样，绝缘油劣化程度超过运行2年的发生溶胀终端，本文相容性试验中所采用的加速老化温度为90 ℃和120 ℃，分别老化168 h和48 h后发生不同程度的溶胀，与绝缘油变色严重、明显含有碎屑的状态一致。

相容性试验结果表明温度是影响老化程度的关键参数，经后续大范围开盖检查，不同运行条件的充油终端中带材溶胀程度也存在差异。充油终端内带材与绝缘油不相容导致运行后带材溶胀，产生碎屑、产物等杂质，导致绝缘油变色、击穿强度降低。

3 结论

a)发生溶胀的电缆终端所使用的橡胶绝缘自粘带与聚异丁烯绝缘油不相容，运行过程中发生反应无法维持原有形态和性能，导致电缆终端密封失效发生渗漏油；同时绝缘油击穿性能下降，无法满足充油电缆终端安全运行要求，需整体更换该批次带材的充油终端。

b)硫化不完全会导致橡胶材料更容易与聚异丁烯绝缘油反应导致溶胀，红外光谱法可用于分析未知材料的特征基团类别和含量，从分子结构层面研究不同物质发生反应的原因和变化情况。

c)除带材、绝缘油外，电缆附件中应力锥、套管等不同结构材料在长期运行过程中均存在相互反应的可能，但目前尚无适用的相容性试验方法标准，有必要进一步研究样品处理方式及加速老化温度、时间等关键参数，并将相容性试验纳入厂家质检和用户品控环节。

d)现有GB/T 507—2002《绝缘油击穿电压测定法》并不完全适用于高黏度的电缆附件绝缘油，此类绝缘油的击穿电压试验宜使用油球形电极，并采取搅拌、脱气等适当措施维持样品加压前的均匀状态，相应电器设备、试样杯等装置可参照国家标准选用。