不同温度下风电发电机组聚乙烯电缆老化性能研究

史文义

(国华(河北)新能源有限公司,河北张家口 075000)

风电场配电环节中,大量使用不同电压级别的聚乙烯电缆,且这些电缆多为室外裸露布置,缺少桥架、地沟、套管等保护机构,所以其电树枝、水树枝等老化破坏现象较为显著[1]。一般理论下,认为聚乙烯电缆绝缘层的抗老化性能主要来自其聚乙烯交联过程中产生的裂隙和气泡等瑕疵,而这些瑕疵与聚乙烯电缆绝缘层的交联温度环境有直接关系,与现场应用环境中的气温环境也有直接关系[2]。所以,温度对聚乙烯电缆老化性能有直接影响,对风电场的特殊应用环境中的聚乙烯电缆,此种影响更加显著[3]。

相关研究中,针对聚乙烯电缆绝缘层的交联反应温度对其老化性能的影响研究,以及电缆现场应用环境温度对其老化性能的影响研究,均已较深入,但其二者对风电场聚乙烯电缆老化性能的影响模式研究,属于本文的创新点[4]。采用复合熵值模型,对交联温度和现场温度进行联合建模,对聚乙烯电缆的水树枝和电树枝生长过程进行量化关联分析[5]。

1 交联聚乙烯电缆的老化机理

1.1 交联聚乙烯的反应生成机理

交联聚乙烯材料由聚乙烯材料打开部分C-Н 键后形成C-C 键,使聚乙烯材料的单链结构形成复合网状结构,该过程为典型的有机化学吸热反应。其反应机理如图1所示。

图1 中,形成聚乙烯的聚合键与形成交联聚乙烯的交联键均为C-C 键,键能348kJ/mol,但聚乙烯的聚合键生成过程,是催化剂作用下打开2 个C=C 键并形成3个C-C 键,此时C=C 键的键能是615kJ/mol,所以反应过程吸收能量为1044kJ/mol,释放能量为1230kJ/mol,该化学过程每mol 放热186kJ。而交联键的生成过程为打开2 个C-Н 键形成1 个C-C 键和1 个Н-Н 键,前者键能为413kJ/mol,后者键能436kJ/mol,故其每mol 反应过程释放能量826kJ,吸收能量为每mol 反应过程吸收能量1220kJ,该反应过程为吸热过程,每mol 吸热394kJ。且因为两种反应所需的催化剂等反应环境不同,所以两步反应需要分步进行。而交联反应的吸热过程中,环境温度的控制更为重要[6]。

图1 交联聚乙烯与聚乙烯的化学分子结构示意图Fig.1 Schematic diagram of chemical molecular structure of XLPE and PE

1.2 水树枝老化过程

有机电化学视角下,交联聚乙烯材料在长期的电场及水分作用下,形成的各种树枝状的通道结构,被称作水树枝。因为水树枝导致的老化过程,被称作水树枝老化过程。水树枝的演变过程为单向不可逆过程,因为其具有较强的电导率且反应过程具有较强的电场依赖性,导致其在初始较低的电场强度下即可开始反应,当水树枝开始生长后,随着介质电导率增加,其反应过程逐渐加快,迅速进入到快速演变的失稳反应过程。根据国家电网公司相关事故报告,逾6 成交联聚乙烯电缆老化击穿事故,与水树枝老化过程相关。分析其故障树,如图2 所示。

图2 水树枝产生的故障树示意图Fig.2 Fault tree generated by water tree

图2 中,故障树显示,电场强度、电压频率、环境含水量、运行温度、经差值计算后的温度变化率等参数的量值提升,均可能单方面造成水树枝的产生,而交联聚乙烯材料的质量下降,也是水树枝产生过程的逆态诱因。此时分析材料质量问题,提升聚乙烯颗粒纯度、反应釜纯净度、加强反应温度的控制精度等,均可以提升交联聚乙烯材料质量[7]。该故障树显示,控制交联过程温度和电缆运行温度,均可以对水树枝老化过程带来影响[8]。

1.3 电树枝老化过程

有机电化学视角下,绝缘材料中因为空腔放电现象,在绝缘材料的杂质颗粒、原始气泡裂隙等位置,因为频繁发生局部击穿放电而产生的树枝状结构,被称作电树枝。因为电树枝结构带来的交联聚乙烯材料老化过程,被称作电树枝老化过程。因为更大的绝缘孔隙可以产生更强烈的电树枝放电过程,所以,与水树枝老化过程一样,电树枝老化过程也是逐步加速和逐步失稳的不可逆老化过程。其故障树如图3 所示。

图3 电树枝产生的故障树示意图Fig.3 Schematic diagram of fault tree generated by electric tree

图3 中,电树枝故障树与水树枝故障树结构基本一致,除电树枝生长过程无需水分参与外,其他故障因子完全一致。即在电树枝产生过程中,如有水分参与到有机电化学反应中来,则可能同步发生水树枝反应,而在水树枝反应中,如果存在材料质量问题中的孔隙和杂质,则也能同步产生电树枝老化过程。电树枝产生过程中,电缆运行温度和交联反应过程温度,同样起到较显著的促进作用。

2 交联聚乙烯老化过程的温度控制因子设定

聚乙烯交联反应中,常用的反应温度为100、120、150 ℃,在与反应温度相对应的交联反应釜控制策略支持下,三种反应温度均可以产生良好的交联反应,而影响交联反应质量的核心温度因素在于反应过程中的温度变化率。前文分析中,聚乙烯交联反应是一个吸热反应,产生每mol 交联键的吸热量为394kJ,而因为交联聚乙烯的反应材料聚乙烯为长链大分子,其mol 重量无法有效确定,所以,对特定分子量区间的聚乙烯材料,其吸热量越高,则其交联键在碳链上的间距越小,交联程度越高,此时交联聚乙烯的硬度越大。但交联程度过低的情况下,交联聚乙烯产物中更容易产生先天孔隙,而交联程度过高的情况下,交联聚乙烯材料硬度和脆性增加,容易产生后天孔隙。为了控制反应时间和吸热量,也应该充分控制反应温度的变化区间在合理范围内。故设置ΔT′变量作为反应过程中的温度变化幅度。ΔT′dt作为温度变化率。该过程与后续分析中水树枝和电树枝产生率存在双逆态即等效正态关系[9]。

上述两个故障树分析中,在电缆运行温度实际值T、变化幅度ΔT、变化率ΔTdt,与水树枝和电树枝生长过程为直接正态关系。故假定以水树枝和电树枝生长过程为主要老化机理的交联聚乙烯老化过程中,存在公式(1):

式(1) 中:Δd为水树枝及电树枝生长过程影响的绝缘层厚度；

分别为上述5 个影响因子的影响权重系数。此时,考察Δd的时间积分,则为电缆老化的累积量,即公式(2):

当该累积量超出电缆绝缘层耐受限度时,电缆绝缘层会被电压击穿,即满足D/L≤N% 时,电缆才可以保障安全运行,此时,上述温度参数直接决定了D的发展,而L为固定值,所以,在电压、频率等条件保持不变的前提下,控制上述温度参数,可以有效延缓电缆老化,延长电缆安全运行时间。

而对公式(1)来说,设定一个温度联合参数TB,使其与Δd有直接关联,则存在公式(3):

针对TB指标因子对电缆老化过程进行关联分析,寻求其统计学规律。

3 复合温度因子对电缆老化过程的仿真实证分析

研究风电场中的所有工频交联聚乙烯电缆形式,在CAE Simulink 环境中构建仿真模型,研究400V、10kV、35kV 条件下的50Нz 工频电缆的Δd发展状态与TB指标因子的关系,所有结果采用算数平均法求取平均值。可以得到图4。

图4 温度综合因子条件下裂隙生长速度变化趋势图Fig.4 Variation trend of fracture growth rate under the condition of comprehensive temperature factor

图4 中,针对400V、10kV、35kV的工频工作模式,随着温度综合因子TB的线性增长,其水树枝并发电树枝裂隙生长速度均按照指数级别增长,如果要将裂隙生长速度控制在0.1mm/w 下,当工作电压为400V 时,TB指标因子应控制在4.0 以内,而工作电压10kV 模式下,TB指标因子应控制在1.6 以内,工作电压35kV 模式下TB指标因子应控制在0.7 以内。较高的电压等级对TB指标因子的影响更为苛刻[10]。

分析不同电压等级和不同TB指标因子下一年运行期内的电缆鼓包故障概率,每种工况仿真模拟10 次,得到表1。

表1 电缆鼓包故障发生概率分布表Table 1 Probability distribution of cable bulge fault

表1 中,当TB指标因子达到3 以上时,10kV 电缆已经存在较高的鼓包风险,而35kV 电缆鼓包概率已经超过70%,而当TB指标因子达到5 时,所有电压等级电缆均有可能在1 年内发生鼓包故障。故在实际电缆运行中,400V 和10kV 电压级别下,TB指标因子应控制在2以内,而35kV 电缆的TB指标因子应控制在1 以内。

分析不同电压等级和不同TB指标因子下一年运行期内的电缆击穿接地事故概率,每种工况模拟10 次,得到表2。

表2 电缆击穿接地事故发生概率分布表Table 2 Probability distribution of cable grounding fault

表2 中,当TB指标因子达到1 以上时,35kV 电压等级下即有1 年内发生电缆击穿接地的概率,而TB指标因子达到3 以上时,10kV 和35kV 电压等级下,其电缆击穿接地事故的发生概率已经严重影响到系统运行安全。当TB指标因子达到5 时,400V 运行环境下电缆也可能发生较高概率的电缆击穿接地事故。

之前相关研究中,因为在电缆运行环境的相关温度控制抗老化研究中没有考虑到电缆交联反应温度控制对电缆老化的影响,所以其数据存在一定的不稳定性。所以,本文研究将电缆交联反应温度控制效果与电缆运行环境温度控制效果生成复合因子即TB指标因子,在此因子下,发现电缆老化过程以及其1 年使用寿命的控制效果,与该TB指标因子存在显著的统计学关联性。所以,针对特定批次的电缆,其交联反应过程基本一致,则应充分控制电缆运行环境的温度净值、温度变化幅度、温度变化速率等综合温度控制目标,可以充分延缓电缆老化,充分延长电缆寿命。而电缆抗老化性能的提升,对电缆运行安全也有积极意义。

4 总结

本文核心创新点在于将电缆用交联聚乙烯的交联反应温度控制策略与电缆运行温度控制策略构建成复合因子,即TB指标因子。通过仿真分析,发现该TB指标因子与电缆老化速率呈对数相关,与电缆运行一年内的鼓包故障和击穿接地事故发生概率呈统计相关。该研究解决了以往单纯研究电缆用交联聚乙烯材料交联反应温度和单纯研究电缆运行环境温度产生的数据不稳定性,在实验统计层面存在较强的稳定统计学关系。