不同温度下退役高压电缆绝缘介电特性研究

范星辉， 谢月， 刘刚， 赵一枫， 朱文卫， 张俊涛

(1. 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2. 广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东 广州 510075)

0 引言

在国内现行的电力网络结构中，高压交联电缆由于其绝缘性能优异、敷设方式简便、占用空间小等优点被广泛应用[1—5]。高压交联电缆在运行过程中，会受到电场、温度场等多个应力场的综合作用，绝缘逐渐劣化，最终造成严重的电力事故[6—8]。因此，高压交联电缆绝缘老化状况一直都是电网运行企业关注的重点[9—11]。

介电特性作为绝缘电介质的一种关键电学性能，得到了国内外的深入研究。文献[12]对硅橡胶进行高温下的介电谱试验，发现获得的热膨胀系数、离子浓度和直流电导等参数可用于老化特性研究。文献[13]发现频率为1 Hz时，低密度聚乙烯的介电常数在120～200 ℃范围内随温度增大而减小。文献[14]研究发现复介电模量是分析电介质松弛极化现象的有力工具。交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)电缆绝缘在老化过程中介电特性的变化及其表征参量的获取是近年来研究的热点。文献[15]发现复介电模量能较好评估不同XLPE电缆绝缘试样的绝缘状况。文献[16]通过对介电常数频谱进行数学变换，实现对XLPE电缆绝缘状态的评估。文献[17]发现XLPE绝缘松弛极化的增强会增大复介电常数，泄漏电流随之增大。

高压交联电缆在生产过程中，绝缘层厚度较大， XLPE受到的热等影响不均匀，绝缘层沿径向的绝缘特性存在差异。同时，电缆投入运行时，距离导体不同位置受到的电、热等应力影响不同，使得绝缘各层位置的劣化状况不同。文献[9,18]分别研究了高压交联电缆绝缘层不同位置的微观结构和空间电荷分布差异。文献[19]研究了在相同热老化条件下，XLPE切片不同部位的老化状态。

不同运行年限的电缆绝缘内部分子链破坏程度不同以及杂质分布不同，均会导致绝缘的介电特性发生变化，且在高温下这些变化将被放大[4,15]。研究不同运行年限电缆不同绝缘层的介电特性，对可靠评估电缆绝缘老化状况具有实际意义。因此，文中在50～250 ℃之间选取多个温度点，对2条运行年限不同的退役电缆和1条备用电缆绝缘层材料进行介电谱试验，通过计算各试样的电导率和复介电模量，分析不同电缆绝缘层同一位置和同一电缆不同绝缘层位置之间介电特性的差异，初步探寻高温试验条件下介电谱用于评估电缆绝缘状态的可行性。

1 试样制备及仪器说明

1.1 试样选择及制备

试验选取国内某电缆公司生产的同一型号且为同一线路运行的110 kV XLPE高压电缆。3条电缆运行年限各不相同，分别为运行30 a的退役电缆、运行15 a的退役电缆和同时期的备用电缆，并认为备用电缆绝缘层未发生老化，依据运行年限分别编号为XLPE-30、XLPE-15和XLPE-0。电缆运行记录表明，2条退役电缆在运行过程中，没有出现过热现象；3条电缆各层结构完好，无严重破损，无进水现象。

采用电缆环切机沿电缆圆周方向对绝缘层进行切割取样，获得1条厚度为0.4 mm的带状试样，如图1(a)所示。分别选取3条电缆带状试样距离内半导电层2 mm处的绝缘层内层，距离外半导电层2 mm处的绝缘层外层以及内层与外层中点位置的绝缘层中层作为研究对象，取样位置如图1(b)所示，选取的片状试样长度均相同。试样具体编号情况如表1所示。试验前，用无水乙醇清理试样，减小试样表面杂质对试验结果的影响。

图1 环切电缆绝缘层试样与取样位置Fig.1 Sample of ring-cut cable insulation and sampling positions

表1 试样编号Table 1 The numbers of samples

1.2 仪器参数说明

利用宽带介电谱仪测试各试样的宽带介电谱。测试条件：温度范围为50～250 ℃，以25 ℃为步长依次递增测试温度，频率范围为10-2～106Hz，测试电压幅值为5 V。

2 电缆绝缘试样介电谱试验结果与分析

2.1 复介电常数频谱图分析

以XLPE-30为例对试样的复介电常数频谱图进行分析，如图2所示。其中，ε′为介电常数；ε″为介电损耗。

图2 XLPE-30各层复介电常数频谱Fig.2 Complex dielectric constant spectra of each layer for XLPE-30

当温度低于125 ℃时，3个试样的介电常数在测试频率范围内无明显变化，介电损耗在10-2～1 Hz内随频率降低而增大，但规律不明显。当温度在125 ℃及以上时，3个试样的介电常数与介质损耗在10-2～1 Hz内随频率降低而增大，且温度越高，介电常数越大。当温度未超过XLPE的熔融温度104 ℃时[20]，结晶区的存在使载流子难以沿电场方向迁移，试样中极性基团的介电特性与无定型区相比有较大变化，介电特性受到较多因素影响；当温度超过104 ℃时，结晶区消失，分子链段活动性增强，载流子容易迁移，此时试样的介电特性主要受分子链的完整性和所含极性杂质的影响，复介电常数频谱图变化特征较未熔融的明显，且更能反映材料本身的差异。相较低温，高温下的复介电常数频谱变化更大，规律更明显，故下文将重点分析250 ℃时各试样的介电特性。

2.2 电导率分析

XLPE内部可电离杂质在外电场的作用下会发生电离，离子做定向移动形成传导电流，产生焦耳热，导致介电损耗增大，这种情况在频率低于1 Hz时非常明显。因此当考虑载流子迁移的电导特性对介电损耗的影响时，复介电常数如式(1)所示。

(1)

式中：ε*为复介电常数；εs为频率为0时的介电常数；ε∞为频率为无穷大时的介电常数；ω为角频率；τ为松弛时间；ε0为真空介电常数，取8.85×10-12F/M；σ为电介质的电导率。式(1)中等式右侧第3项为由电导电流引起的介电损耗。当频率低于1 Hz时，极化损耗较小，故电导率如式(2)所示[12,21]。

σ=2πfε0ε″

(2)

式中：f为外加电场频率。对式(2)的等式两边取对数得：

lgσ=lg(2πfε0)+lgε″

(3)

(4)

由式(4)及图2可知，当试验温度高于试样的熔融温度，结晶区消失，载流子迁移强度变大，试样在低频段(10-2～1 Hz)的曲线满足图2的线性关系。温度为250 ℃时，各试样的电导率变化情况如表2所示。

表2 250 ℃各试样电导率Table 2 Conductivity of each sample at 250 ℃

由表2可知，XLPE-30绝缘层3个位置的电导率均大于相应位置下的另外2条电缆，电导率从内层到外层依次增大，不同层之间电导率的差异大；XLPE-15绝缘中层和外层的电导率明显小于另外2条电缆，不同层之间电导率差异小；XLPE-0的电导率从内层到外层依次增大，各层之间的差异小于XLPE-30。

2.3 复介电模量分析

文献[14]和[22]均采用复介电模量对XLPE的介电特性进行分析，通过复介电模量频谱图的变化能够了解XLPE的介电特性。由文献[9]可知对复介电常数取倒数即为复介电模量。复介电常数表达式如式(5)所示。

ε*=ε′-jε″

(5)

则复介电模量的表达式如式(6)所示。

(6)

式中：M′为复介电模量实部；M″为复介电模量虚部。

图3为各试样的复介电模量频谱图。

图3 XLPE-30各层复介电模量频谱Fig.3 Spectra of complex electric modulus of each layer for XLPE-30

当温度低于125 ℃时，复介电模量的实部和虚部变化无规律。当温度高于125 ℃时，随着频率增大，复介电模量实部数值有一个跃变的过程，虚部出现松弛峰[23—24]。说明XLPE在其熔融温度以上时，复介电模量呈现一定的规律。温度越高，松弛峰越明显，峰值频率越大。同时，XLPE-30中层和外层试样的松弛峰个数明显多于内层，相同温度下的松弛峰峰值频率也大于内层。

为进一步说明各试样松弛过程的差异，如图4所示，比较250 ℃下试样的复介电模量虚部频谱，可知XLPE-30不同位置电缆试样的松弛峰峰值大小和峰值频率均存在差异。

图4 250 ℃ XLPE-30复介电模量虚部频谱Fig.4 Spectra of imaginary part of complex dielectric modulus for XLPE-30 at 250 ℃

250 ℃时各试样的松弛峰峰值频率如表3所示。3条电缆绝缘内层峰值频率大小相近，中层和外层存在差异，即XLPE-15的峰值频率最小，XLPE-30的峰值频率最大，XLPE-0则介于两者之间。同时，XLPE-15绝缘层各个位置的峰值频率相近，而XLPE-0和XLPE-30从内层到外层依次增大，且XLPE-30绝缘内层峰值频率与外层和中层相比存在较大差异。

表3 250 ℃各试样松弛峰峰值频率Table 3 The peak frequency for each sample at 250 ℃

结合表2和表3可知，相同温度下各试样的电导率变化与峰值频率变化情况一致。复介电模量虚部峰值频率和电导率随温度的变化都与分子的热运动相关，满足Arrhenius方程[25—26]，如式(7)所示。

(7)

式中：f0和σ0均为常量；Ea为反应的活化能；k为玻尔兹曼常数，取8.617 3×10-5eV；T为反应温度。对式(7)分别取对数得：

(8)

图5为各试样反应温度的倒数分别与复介电模量虚部峰值频率和电导率的关系。通过对试验数据进行线性拟合，得到线性拟合函数的斜率，并根据式(8)，计算出各试样反应活化能Ea的大小。

图5 XLPE-30复介电模量虚部峰值频率和电导率的拟合结果Fig.5 Fitting results of peak frequenciesand conductivities for XLPE-30

由图5可知，各试样的复介电模量虚部峰值频率的活化能与电导率的活化能大小相近，说明在高温低频下，复介电模量虚部松弛峰和电导电流均与试样在极化过程中的内部离子迁移有关[12]。

表4为各试样的活化能变化情况。由表可知，相较于XLPE-0和XLPE-30，XLPE-15绝缘层不同位置的活化能之间差异较小，说明随着电缆运行年限的增大，电缆绝缘层不同位置之间的活化能差异先减小后增大。

表4 250 ℃各试样活化能Table 4 The activation energy of each sample at 250 ℃

由图6可知，当温度低于125 ℃时，曲线变化无规律。当温度高于125 ℃时，曲线为一圆弧，将此曲线称为Cole-Cole曲线，温度越高，曲线长度越大，故选取250 ℃下试样的Cole-Cole曲线进行比较，如图7所示。

图6 XLPE-30外层Cole-Cole曲线Fig.6 Cole-Cole plot of outer layer for XLPE-30

图7 250 ℃时XLPE-30 Cole-Cole曲线Fig.7 Cole-Cole plot of XLPE-30 at 250 ℃

由图7可知，250 ℃时XLPE-30各层试样的Cole-Cole曲线存在不同，中层试样的Cole-Cole曲线长度明显大于外层和内层。在电缆绝缘层中，由于XLPE的分子链结构对称，极性小，往往认为试样的极化驰豫符合德拜弛豫过程。若极化过程发生偏离，说明XLPE分子链结构遭到破坏，试样中存在多个松弛极化。拟合分析各试样的Cole-Cole曲线，得到对应的圆心角，如表5所示[14, 27—28]，圆心角越小说明该试样极化弛豫偏离德拜驰豫的程度越大。

表5 250 ℃各试样Cole-Cole曲线对应的圆心角Table 5 The central angle corresponding to each sample′s Cole-Cole plot at 250 ℃

由表5可知，XLPE-15绝缘内层和外层的圆心角大于相应位置下的另外2条电缆，试样各层圆心角之间的差异较小，均能较好地符合德拜驰豫；XLPE-0的内层、外层和XLPE-30的中层、外层试样圆心角大小均处于较低水平，偏离德拜驰豫的程度较大，且这2条电缆绝缘各层圆心角之间差异均较大。

3 电缆绝缘介电特性变化分析

文中选择了2条退役及1条备用110 kV XLPE电缆，利用介电谱试验测量3条电缆绝缘层不同位置的介电频谱。分析试验结果发现，同一电缆不同绝缘位置之间和不同运行状况的电缆同一绝缘位置之间的介电特性均存在差异。XLPE在生产过程中，会引入交联剂和交联副产物等极性杂质，同时由于绝缘层各个位置受到的热等应力影响不同，导致不同位置的XLPE大分子链结构和交联副产物含量等参数不同；XLPE在投入运行过程中，因电、热等应力和氧的长期影响，形成绝缘内部自由基，加速大分子链段的断裂，生成极性小分子杂质[15,29]，且不同位置老化程度不同，极性杂质与小分子链段分布存在差异。氧化和断链形成的极性杂质易在外加电场作用下发生极化，影响XLPE的介电特性。

同一电缆不同绝缘位置之间的介电特性存在差异。XLPE-0由于未投入使用，各个位置的绝缘处于刚出厂的状态。高温低频下，由于电缆在生产的整体交联和去气阶段不同层受热不均匀，导致绝缘各层晶态分布不均以及交联副产物等极性杂质分布存在差异，因此其绝缘层3个位置的电导率、松弛峰峰值频率及其所对应的活化能和Cole-Cole曲线对应的圆心角大小均存在差异。其中外层试样的较高电导率、较大松弛峰峰值频率和较小圆心角可能是由于外层试样中含有较多交联副产物等极性杂质，高温下能电离出更多载流子，同时也使松弛极化偏离德拜驰豫；XLPE-15绝缘层各个位置之间介电特性相较XLPE-0差异减小，说明XLPE-15在一定时间的电、热等应力影响下，电缆绝缘各层在生产过程中造成的介电特性差异得到了改善；与另外2条电缆相比，XLPE-30绝缘层各个位置之间的介电特性差异最大，这可能是由于XLPE-30受到了长时间的电、热等应力影响，绝缘层开始出现老化现象，且不同位置的老化程度不同。外层试样老化较为严重，其高温低频下的电导率和松弛峰峰值频率最大，峰值频率所对应的活化能最小且Cole-Cole曲线对应的圆心角较小。

不同电缆相同位置之间的介电特性也存在差异。与XLPE-0相比，XLPE-15在高温低频下的电导率较小，活化能处于较高水平，极化驰豫接近德拜驰豫。说明在运行电流产生的焦耳热效应下，XLPE-15绝缘层充分挥发交联副产物，同时没有发生明显的老化现象，极性杂质含量减少，晶体结构由于退火作用得到改善[19,30]；XLPE-30在高温低频下的电导率增大，极化驰豫偏离德拜驰豫程度增大。说明随着运行年限增大，电缆绝缘层开始出现老化现象，大分子链分解成小分子。老化产物的生成，使得绝缘层内可电离杂质增多。

由文献[9—10]可知，不同电缆之间和相同电缆不同位置之间的微观结构和电学特性各不相同，从而导致不同试样之间的介电特性出现差异。因此，利用电缆运行老化后的介电特性差异可为评估绝缘特性提供依据。

4 结论

文中测量了不同试验温度下3条不同运行年限电缆绝缘层不同位置的介电频谱，通过对试验结果进行分析，得出以下结论：

(1) 高温下的复介电常数频谱图变化规律更加明显，更能体现不同试样之间介电特性的差异。

(2) 不同电缆随着运行年限的增加，XLPE绝缘的电导率和松弛峰峰值频率均先减小后增大。

(3) 随着电缆运行年限的增加，同一电缆不同绝缘层位置之间电导率、松弛峰峰值频率及其对应的活化能、松弛极化偏离德拜驰豫程度的差异均先减小后增大。

(4) 运行年限不同的电缆试样在高温条件下的介电特性存在差异，通过复介电常数频谱图可以获得电导率、松弛峰峰值频率及其对应的活化能参数，为评估电缆绝缘特性提供依据。

本文得到广东电网有限责任公司科技项目(GDKJXM20172797)资助，谨此致谢！