运行3～12年10 kV交联聚乙烯电缆电及理化特性试验

郭 卫, 周松霖, 齐伟强, 苗 旺, 何 楠, 辛 锋, 方春华

(1.国网北京电力科学研究院， 北京 100075； 2.国网北京市电力公司， 北京 100031；3.三峡大学电气与新能源学院， 宜昌 443002)

电力电缆运行寿命设计值一般为20～30年，但电缆在实际运行中不可避免地受周围环境条件的影响，特别是在电应力、热应力，机械应力及环境应力的联合作用下，其主绝缘的性能逐渐下降，甚至会发生绝缘劣化及绝缘失效的情况[1]，对长期在役的交联聚乙烯(XLPE)电缆主绝缘性能进行测试具有重要的意义。

电缆绝缘性能离线评定的方法主要有交流电压迭加法和理化诊断方法[2-5]，国家标准中给出了交流击穿电压试验的具体加压方法以及电极和试品的制作方法，通过判断老化后XLPE层的交流击穿电压可以大致估计XLPE层的老化程度[6-9]。电缆在线绝缘性能评定有直流叠加法，局部放电法，接地电流法及介损因数法，其中较为实用的是局放法和介损法，相比于离线的测试方法，局放法在现场测量时极易被电磁场干扰源影响，而目前的硬件技术很难做到剔除干扰信号；介损法所测量的结果代表着电缆整体的运行状态，无法给出电缆中故障的位置信息[10-11]。文献[12-15]将差示扫描量热和傅立叶红外光谱(FTIR)的理化分析方法运用于到诊断绝缘材料状态。

大量电气和理化试验方法的运用为电缆绝缘老化性能的评估提供多种方法和翔实的理论依据，但实际的电缆的运行寿命长达几十年，绝缘性能下降是个十分缓慢的过程，针对在役的电力公司电缆试样，其电气和理化试验是否能很灵敏反映出绝缘性能劣化，较少在文献中涉及。

现选取北京地区运行的XLPE电缆，运行时间范围为3～12年，通过电气性能试验、FTIR光谱、热分析试验等理化试验对电缆进行测试研究，分析电气指标及理化多个指标与电缆运行年限的关系，提出对在役电缆绝缘劣化反映相对灵敏的几个指标。以期为电力系统选择评估电缆绝缘状态的手段和方法提供实验依据。

1 试验样品与试品制作

选取10 kV电缆共12段，运行年限从3～12年不等，每段长度1～1.2 m，均为三相绞合。将12段电缆分别编号为#1～#12，具体信息如表1所示。

每种电缆的测试试品均通过切取电缆制得，根据试验要求，需要制作3种不同的试品。环切试品，沿电缆圆周方向切片，厚度0.2 mm，用于电气性能和红外光谱测试。沿电缆导体径向切片试品，厚度1 mm，用于机械性能测试。垂直电缆导体切片试品(圆环)，厚度0.2 mm，用于水树枝观察，试品见图1。差示扫描量热分析(DSC)对试品量要求较小，直接从切取5～10 mg微量绝缘微粒用于试验。

图1 0.2 mm试品

2 试验结果与分析

2.1 电气试验

2.1.1 体积电阻率测量

体积电阻率表征绝缘体阻止电流流通的能力。本文参照国标GB/T 1410—2006进行，使用吉士利6517B/E型静电计及配套测试软件HI-R test对体积电阻率进行测量，测试电压500 V，电极为三电极系统。每种电缆制作5个片状试品，厚度约1 mm，分别测量5个试品的体积电阻率，取平均值作为最终结果，如表2所示。

表2 体积电阻率

可见，#3的体积电阻率最高，但试品间分散性较大；其他试品大致分为两组，#1～#6(除#3外)体积电阻率相近，#7～#12体积电阻率相近。总体来说，除#3以外各试品的体积电阻率差距不大，#3的分散性较高，各试品的体积电阻率均在1016Ω·cm，均在合理范围内，体积电阻率同运行年限间并没有很明确的关联，运行年限超过10年的电缆#2、#3、#6、#10和#11主绝缘的体积电阻率变小的趋势。

2.1.2 工频介电常数和介质损耗测量

相对介电常数(εr)和介质损耗因数(tanδ)是电介质与绝缘体的两个主要特征，可用于评定电工设备、元件的性能，判断绝缘体系的含湿量、老化程度等。参照国标GB/T 1409—2006进行测量，使用的仪器为2821型精密西林电桥，电极直径D为50.5 mm，电压频率为50 Hz，试品压力3 N/cm2。每种电缆制作5个试品，取5个测量的平均值作为最终结果，如表3所示。

表3 εr和tanδ测量结果

所有电缆样品的εr均在2附近，差距较小，而tanδ区别较大，但也在10-3数量级。通常情况下，若绝缘出现劣化，会出现tanδ上升的现象，其中#3、#6、#11的tanδ较高，对照电缆运行时间可以看出，这三个电缆分别运行了12、10、11年，其中#3、#11在水树枝试验中发现了明显的水树枝，因而水树枝和运行年限较长可能是tanδ较高的主要原因。

2.1.3 击穿场强测量

击穿场强是标准材料绝缘水平最主要的参数，试验参照国标GB/T 1408.1—2006，选用球-球电极，上下电击直径均为25 mm，试品为厚度(0.2±0.05)mm的片状试品，为防止电极边缘空气中的局部放电，将试品和电极浸入变压器油中，采用短时快速升压方式，升压速率约为2.5 kV/s。试验环境为室温(10 ℃)，湿度为40%。考虑要去除材料的低概率的击穿场强，每种电缆进行15次击穿实验，对结果进行Weibull统计分析，获得最终结果，如表4和图2所示。其中，击穿场强内的数值为击穿概率为63.2%时的击穿场强。

根据表4和图2，除#9和#3样品外，其他样品的击穿场强均比较接近，在100 kV/mm附近，表明电缆运行年限的不同尚未使材料的击穿特性发生较大的改变。#9样品的击穿场强最低，为89.3 kV/mm，其次#3样品的击穿场强为91.86，结合水树枝试验和第4节热分析的结果：#3号样品出现炭黑扩散，而#9样品存在界面凸起、气泡等缺陷，这表明电缆绝缘缺陷问题会降低试样击穿电压。

表4 电缆样品击穿特性

图2 电缆试品击穿特性

2.1.4 水树枝观察

水树枝是XLPE绝缘发生降解的一种现象，水树枝的生长相对缓慢，并不直接导致电力设备绝缘层的击穿，但是随着水树枝的生长，电缆材料电导率，介电常数和损耗数值会显著增加，同时水树枝尖端的电场愈加集中，局部的高电场最终会导致水树枝尖端引发电树枝，从而导致电缆的击穿破坏[16]。

首先将厚度为200 μm的电缆绝缘试品进行染色。染色液的配制步骤如下：将2.5 g亚甲基蓝溶入1 000 mL蒸馏水，同时将4.0 g氢氧化钠溶入100 mL蒸馏水，将这两种溶液充分混合。随后，将试品置于混合溶液中进行染色，混合溶液保持70 ℃水浴加热，染色36 h。染色完成后，充分清洗试品表面，然后使用日本Olympus公司生产的BX51-P偏光显微镜进行观察，观察模式为透射，放大倍数为100或400倍。

通过对为染色试品的直接放大观察，未发现试品中有电树枝的存在，但部分试品中发现了水树枝，如图3(a)和图3(b)所示，水树枝的密度和长度统计如表5所示。在绝缘切片中的绝缘-屏蔽界面附近还观察到存在杂质、气泡、界面凸起等现象，如图4(a)～图4(d)所示。

图3 电缆绝缘中的水树枝照片

图4 电缆试品水树枝观察

表5 电缆试品水树枝统计

运行年限较长的电缆试品基本都有不同程度的水树产生，如#2、#6、#10和#11电缆。但未发现大量明显的树枝集聚，树枝密度较小。

各试品均发现在绝缘-屏蔽界面处有较多杂质出现，其中#3、#9电缆绝缘-屏蔽界面凸起和杂质较为严重。#3电缆结构中没有挤出外屏蔽层，而是采用绕包半导电带的方式。在外层能看到较多明显的炭黑扩散痕迹，推测是半导电带里的炭黑扩散到了绝缘中。#3和#9电缆试品绝缘中杂质多，但水树少或没有，与电缆有防水结构、敷设地点排水较好，或电缆运行年限短关系较大。

此外，国标规定10 kV交联聚乙烯绝缘料，对于1 kg的测试样品而言，175 μm以上的杂质不超过5个，同时不能有超过250 μm的杂质。根据实际的照片，这些杂质的尺寸都在175 μm以下，所以仍然满足绝缘料洁净度的要求。

3 红外光谱

红外试验使用IRprestige-21型红外光谱分析仪。试验需要先进行背景扫描，再进行试品扫描。本试验除获取试品的红外吸收谱图外，还计算了表征绝缘材料劣化程度的羰基指数，羰基指数定义为波数1 720 cm-1处羰基吸收峰强度与波数2 010 cm-1处不随热氧老化变化的吸收峰强度的比值(A1 720/A2 010)。

试品红外观察结果如图5所示，根据红外数据计算得到的羰基指数如表6所示。

表6 电缆试品羰基指数

图5 各电缆试品红外曲线

根据试品红外观察和羰基指数计算结果，各种试品的羰基指数近似，均在1附近，说明没有发生明显的热氧老化。#9在1 050 cm-1波数附近较为异常。文献[16]显示，1 300～1 000 cm-1是C—O—C的伸缩振动的特征峰。此外，#9在指纹区600～500 cm-1还有一个异常峰，也是C—O—C的特征峰之一。

4 热分析

差式扫描量热分析(DSC)是由材料在连续升温条件下吸收热量变化得到的曲线。通过分析DSC曲线可得到材料在吸热熔融和放热结晶过程中的热焓、熔点、结晶温度、结晶速度等，从而判断材料的基本组成成分和分子链的聚集态结构特征[17-18]。

试验使用瑞士METTLER公司生产的DSC 822e型差热扫描量热仪，设定以10 ℃/min的升温速率从30 ℃升温至200 ℃，保温5 min后，再以-10 ℃/min的速率降温至30 ℃，试验过程全程以高纯氮气保护，电缆绝缘试品质量为5 mg。

DSC试验结果如图6所示，根据DSC曲线得到的相关参数如表7所示。

表7 电缆试品DSC参数

图6 电缆试品DSC曲线

根据DSC试验结果，除#9以外，其他试品的DSC曲线相似，熔点和结晶温度接近。电缆运行年限较长的电缆试品出现了熔点和结晶温度略微上升的现象，说明交联聚乙烯分子链在电缆工作状态下有一定的分子链重排，但并未引起聚集态结构的老化。

在DSC结果中，#9试品比较异常，存在两个熔点(111.33、118.67 ℃)，而其他试品的熔点在105 ℃附近，且结晶和熔融峰变宽，结晶度也最高。判断#9电缆XLPE绝缘料的基料中有一部分HDPE或LLDPE，是两种聚乙烯的共混，考虑到相容性的差异，可能是引起#9击穿性能较低的原因。

5 结论

(1)各试品的体积电阻率差距不大，均在1 016 Ω·cm左右，在合理范围内；试样击穿场强均比较接近，在100 kV/mm附近；不同年份的运行电缆均未发现大量明显的树枝集聚，树枝密度均较小。

(2)通过红外观谱分析，各种试品的羰基指数近似，均在1附近，没有发生明显的热氧老化，电缆运行年限与羰基指数无关。

(3)运行年限较长时，tanδ相对较高，tanδ可作为一个分析XLPE绝缘性能下降的重要指标，同时熔点和结晶温度也会略微上升。