电缆接头硅橡胶材料热老化超声声速特性研究

宋 军，王若丞，纪 航，王 昭，张圣甫，贺云逸，康洪玮，金海云

（1.国网上海市电缆公司，上海 200072；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；3.国网上海市电力公司，上海 200122）

0 引言

电力电缆附件（如接头、终端）的材料要求柔软且具有弹性，因此通常使用硅橡胶等弹性材料[1-2]。材料的热性能对设备的使用寿命和运行可靠性有很大的影响，正常运行工况下，电缆导体的最高温度为90℃，但是一旦发生过载或短路，短时间内温度可达250℃[3]。长时间的高温会破坏电缆接头的硅橡胶绝缘层，造成不可恢复的老化损伤，影响其绝缘性能。因此，准确评估电缆接头硅橡胶绝缘层的热老化状态，对高压电缆接头的运行维护具有重要意义。目前绝缘材料的热老化状态评估以电气性能测试为主，如介电测试、局放检测和冲击电压试验等。然而，这些测试方法通常需要施加一定时间的高压或是冲击电压，会对试样造成不可逆转的损坏。因此，无损的检测方法在分析判断绝缘性能劣化程度与类型方面具有相当的优势。

已有研究证实了超声测试参数对发电机定子线棒绝缘状态评估的有效性[4]。但在过去的研究中，超声检测多局限于金属材料或是环氧树脂等硬性材料，对于硅橡胶等高阻尼的软弹性材料的关注较少。因此，本研究试图研究超声无损检测对电缆接头硅橡胶绝缘层热老化评估的可行性。

本研究搭建一套用于电缆接头硅橡胶绝缘层的超声检测平台，对不同热老化时间的试样进行电气性能和超声性能测试，详细分析各试样的超声参数与电气参数的关系，为利用超声无损检测评估电力电缆运行状态提供一定的参考。

1 理论背景

目前，评估绝缘老化状态和预测寿命的常用手段多集中于拉伸试验、电气试验等破坏性方法。而超声检测作为一种常用的无损检测方法，其发射的超声波与受验材料相互作用而表现出不同的超声参数，可用于表征材料的结构和性能。因此，超声检测可作为评估材料和设备老化状态的一种无损检测手段。

超声波在某些方面与光波相似，他们都可以反射、折射、扩散，并能够被遮挡。这些性能可以用于材料测试，如利用超声检测材料内部的微小缺陷[5-6]。本研究所采用的检测方法为脉冲回波法。材料的声阻抗，即材料密度与声速的乘积，是重要的声学特性，只要介质的声阻抗没有发生变化，超声波的传播就不会受到干扰。声阻抗的变化将导致部分超声信号发生反射，因此超声探头可以接收到不同缺陷（如气泡、裂缝和分层）界面反射的超声回波。

图1为超声检测的超声通路。从图1可知，超声探头先产生一定频率的超声脉冲，一旦脉冲得到触发，探头便会发射1.5～20 MHz的超声波（频率由超声探头决定）。这些超声波通过耦合剂接触到耦合剂与试样的接触面，便会反射部分超声信号，形成一个明显的表面脉冲波（波T）；透过表面的超声波继续传播，到达试样与支撑平台的接触面时，同样会发生反射，形成底面脉冲波（波B）。由于超声信号在介质中传播的吸收衰减，波B的幅值与波T相比明显减小。

图1 超声检测示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic detection

超声检测是应用广泛的无损检测方法之一。超声波传播的本质是与介质分子的相互作用，因此，超声速度、超声衰减等声学参数很大程度上取决于介质内部的微观变化。例如，介质密度的变化会引起传播特性的变化，如超声速度的降低和超声衰减的增加，这些特性可用于检测介质特性的变化。在电缆接头硅橡胶绝缘层热老化过程中，材料结构发生变化时，会引起材料性能的变化。通过研究热老化后不同结构的硅橡胶绝缘层，可以探究超声声速与老化后的材料性能（如相对介电常数与电气强度）之间的联系，因此，利用超声特性可以无损检测和评价电缆接头绝缘层的老化状态。

2 试验

2.1 试样制备和热老化方案

电缆接头内绝缘层为硅橡胶材料，暴露在空气中的部分较少。实际运行中，电缆接头的氧透过率较低。因此，老化过程中几乎无氧气参与，以持续的热量作用引起的热老化为主导，热氧老化相对较弱。本研究测试的电缆接头是沈阳古河电缆公司生产的YJJJI2型220 kV硅橡胶整体预制电缆接头。考虑到电缆接头和试验箱的尺寸，将整个接头平均剖切成3个块状试样，长度约为300 mm。由于保温层较厚（约为130 mm），在老化过程中，氧气很难侵入绝缘层内部，因此选取块状试样中部的硅橡胶作为试验对象，模拟电缆接头在实际运行中由电缆导体高温作用引起的热老化。考虑到高压电缆接头实际运行中的高温和ISO 11346:2004规定，选择200℃作为加速热老化温度，并选取6个老化时间点（144、288、432、576、720、864 h）进行连续热老化试验。为了便于后续的试验，依据GB 2941—2006，使用江都轩宇试验机械厂的橡胶切片机对试样的中心部分裁取尺寸为100 mm×100 mm×10 mm与100 mm×100 mm×1 mm的两种切片。取10 mm的厚板试样进行超声检测，取1 mm的片状试样进行电气性能测试。

2.2 电气性能测试

使用瑞士Tettex公司的2821型西林电桥在2 kV的工频交流电压下进行相对介电常数测试。使用扬州鑫源电器有限公司的YD-5750型击穿实验平台进行工频电气强度测试，试验采用直径为25 mm的球电极，测试时试样浸于25#绝缘油中，连续升压速度为1 kV/s，每组试样均取10组有效的电气强度数据，并采用威布尔统计方法进行处理分析。

2.3 超声声速测试

以脉冲回波法为基础，搭建了超声检测平台，如图2所示，利用透射法对不同热老化试样进行超声声速测量。超声在空气中的衰减十分严重，因此通常超声测试都需要使用耦合剂，常用的超声耦合剂有水、凡士林、环氧树脂、真空硅脂、黄油等。凡士林、环氧树脂等耦合剂多用于接触法检测，检测时需要将探头紧紧地压在试样表面。而硅橡胶作为柔性材料，接触压力难以控制，从而影响到探头与试样表面的夹角与耦合剂厚度，导致检测重复性差。水浸法作为一种非接触法，不需要将探头紧压在试样表面，具有低衰减、经济性好、检测重复性高等优点，因此本研究采用水浸法进行超声声速测试。选用蒸馏水作为超声耦合剂，超声探头与试样浸于水槽中。超声窄脉冲由汕头超声仪器研究所的CTS-9006型超声探伤仪产生，1Z10SJ型超声探头接收到窄脉冲后，发射1 MHz的超声信号。探头接收的回波信号由英国Pico Technology公司的2207B型采集卡进行数字化采集，采样率为1 GHz，并将采集到的数据储存于计算机中以便后续处理。采集卡记录探头收到T波与B波的传播时间和振幅。由于T波与B波的传播路程为检测试样厚度的两倍，因此可由式（1）计算出各老化试样的超声声速v。

式（1）中：d为试样检测点的厚度；tB为底波B的返回时间；tT为表面波T的返回时间。

图2 超声检测平台示意图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing platform

3 结果与分析

3.1 电气性能测试结果与分析

不同热老化硅橡胶试样的相对介电常数随老化时间的变化如图3所示。从图3可以看出，在工频电压下，硅橡胶试样的相对介电常数随老化时间的增加而逐渐增大，老化状态逐渐严重。根据GB/Z 18890.3—2002规定要求，硅橡胶的相对介电常数应该在2.5～3.5。热老化144 h后，试样的相对介电常数超过了相关标准的上限，说明随着热老化的进行，硅橡胶试样的劣化程度逐渐加深，这主要与老化过程中分子链的断裂和强极性基团的生成有关[7-8]。

图3 不同热老化时间下硅橡胶试样的相对介电常数Fig.3 Relative permittivity of silicone rubber under different thermal ageing time

试样的电气强度采用威布尔分布进行统计，结果如图 4所示，计算得到老化 144、288、432、576、720、864 h的硅橡胶试样电气强度分别为27.6、23.2、24.6、23.6、25.3、23.5、23.7 kV。可以看出，随着老化时间的增加，硅橡胶试样的工频电气强度出现下降，表明由热老化引起的材料劣化逐渐加重。根据GB/Z 18890.3—2002规定要求，220 kV电缆附件用硅橡胶的工频电气强度不小于22 kV/mm。而在热老化720 h后，试样的电气强度已从27.6 kV/mm下降到23.7 kV/mm，接近标准下限，表明经过长时间的热老化作用，电缆接头的硅橡胶绝缘层性能劣化严重，存在安全风险。

图4 不同热老化时间下硅橡胶试样电气强度的Weibull分布Fig.4 Weibull distribution of electric strength under silicone rubber at different thermal ageing time

综上所述，利用硅橡胶绝缘层相对介电常数和电气强度的变化，可以有效地评价高压电缆接头绝缘层的老化状态。而通过分析热老化试样的相对介电常数和电气强度的部分数据，可以预测其变化趋势，从而对材料的老化状态和可靠性进行评估。

3.2 声速测试结果与分析

试样的超声声速测试结果如图5所示。从图5可以看出，随着老化时间的增加，硅橡胶试样的超声声速呈现出明显且连续的下降趋势，声速由未老化时的1030.7 m/s下降至老化864 h后的919.8 m/s。

图5 不同热老化时间的超声声速Fig.5 Ultrasonic velocity at different thermal ageing time

材料的超声声速与杨氏弹性模量与密度有关，固体介质超声纵波速度的理论值可由式（2）计算。

式（2）中：E为杨氏弹性模量；ρ为密度。

由于经过长时间的高温热老化后，硅橡胶试样明显变软，弹性模量下降，根据式（2）可知材料的超声声速也随之减小。综上可知，依据超声声速的变化，可以有效地对电缆接头硅橡胶绝缘层的老化状态进行评估。

为验证超声检测方法对评估硅橡胶老化状态的有效性，本研究将超声声速与电气性能参数（相对介电常数、电气强度）分别作为独立的变量，利用MATLAB拟合出不同老化时间下硅橡胶试样电气性能参数与超声声速的关系，结果如图6所示。

图6 超声声速与电学参数关系Fig.6 Relationship between ultrasonic sound velocity and electrical parameters

从图6可以看出，硅橡胶试样的超声声速与相对介电常数表现出良好的对应关系，其本质原因是热老化过程引起硅橡胶材料一系列的微观结构改变（如化学键断裂、交联破坏、新的官能团生成等），最终表现在密度、杨氏模量、介电特性等宏观参数的变化上。而超声声速和介电常数均与介质内部的微观结构变化密切相关，因此在老化过程中表现出良好的相关性。而由于电气强度的测量往往具有较大的分散性和随机性，因此声速与电气强度的对应关系不明显。在后续的研究中，可根据获得的相对介电常数-超声声速拟合曲线，预测硅橡胶试样的老化状态及使用寿命。超声检测有望成为评估硅橡胶材料老化特性的一种有效的无损检测方法。

4 结论

（1）由于长时间的高温热老化导致分子链的断裂及强极性基团的生成，电缆接头硅橡胶绝缘层的相对介电常数随老化时间的增加而增大，老化864 h后的相对介电常数由未老化时的3.31上升至3.97。

（2）电缆接头硅橡胶绝缘层的电气强度随老化时间的增加而降低，当老化864 h时，其电气强度下降至23.74 kV/mm，接近国家标准下限，表明此时热老化已对电缆接头绝缘层造成了相当大程度的破坏，存在一定的运行风险。

（3）由于高温热老化软化了电缆接头硅橡胶绝缘层，其超声声速随老化时间的增加而降低。超声声速与相对介电常数表现出良好的对应关系。由于电气强度测量结果的分散性与随机性较大，超声声速与电气强度的对应规律并不明显。可通过将超声声速与相对介电常数进行拟合量化，实现对硅橡胶绝缘材料的剩余寿命预测与老化状态评估。