基于光学特性测量的XLPE劣化状况评估

阮班义，陈雨欧，谢月，余嘉曼，陈奕滨，魏泽晓,樊丽丽

(1.国网江西省电力有限公司超高压分公司，江西 南昌 330000；2. 广东技术师范大学，广东 广州510665; 3. 江西工业贸易职业技术学院，江西 南昌 330000)

随着国内城市的快速发展，110 kV交联聚乙烯(crosslinked polyethylene，XLPE)电力电缆使用量逐年增加，对其运行安全性的要求不断提高。电缆长期运行过程中的热电等因素引起绝缘劣化，严重影响电网运行稳定性。20世纪60年代XLPE电缆投入运行后，电缆绝缘劣化状况评估成为学者和电网运行部门关注的热点问题之一，旨在从理论与实验角度提出可用于电缆绝缘劣化评估的技术及方法[1-2]。到目前为止，从研究对象来看，高压电缆绝缘状况评估方法可分为2类：电缆整体绝缘性能直接评估和基于XLPE材料劣化反推电缆劣化状况评估[3]。文献[4]根据低频与高频条件下空间电荷测量，提出将电荷密度用于评估电缆整体绝缘劣化状况，与击穿强度结果呈现出一致性。文献[5]基于0.1 Hz介电损耗测量，证明低频介电谱测量可用于高压电缆绝缘劣化评估，尤其是对劣化引起电缆进水后的检测效果明显。文献[6]利用极化/去极化电流测量开展电缆绝缘劣化评估，研究证明在局部劣化或受潮等情况下评估电缆绝缘劣化的有效性。此外，欧阳本红、郑晓泉、G.Montanari、Y.Mecheri等人分别从局部放电、等温松弛电流、绝缘电阻测量等方向开展了电缆整体绝缘劣化与评估研究[7-8]。在绝缘材料劣化方面，徐阳、尹毅、廖瑞金、Y.Ohki、S.Rowland等分别开展了有氧环境、温度、湿度、电场等条件下的XLPE加速老化实验，通过电导率、击穿强度、介电损耗与各类材料性能测量的表征，进行了大量电缆整体绝缘劣化研究[9-10]。目前，从绝缘材料到电缆整体劣化评估都有了较多应用，但是在现场应用中，由于环境复杂和测试条件严苛，且缺乏数据支撑，开展在运电缆整体绝缘状况评估时效果尚不理想[11]。已知在运电缆出现故障后进行电缆接头或者终端制作时会产生少量剥离的XLPE，克服了在运电缆取样难的问题。考虑到大多数材料评估方法的设备和仪器体积较大，需要在实验室内的特性条件下使用，同时配备专业的实验操作人员，因此在电缆抢修现场采用折射率、透光强度等方便快速的性能测试方法，是对目标电缆进行绝缘状况评估的方法之一[12-13]。

针对以上研究不足，本文选取2根不同运行年限的退役电缆，经过不同时间加速热老化后，进行包括折射率、透光强度、电导率、工频击穿强度、热分解温度及红外光谱测试。通过建立折射率、透光强度与其他性能参数随试样老化的关系，提出基于光学测量的电缆绝缘性能现场评估的初步可行性。

1 试样制备及实验描述

1.1 试样制备

2根不同运行年限的110 kV XLPE电缆，其中一根运行了30年，一根作为备用，来自不同厂家。电缆剥去铝护套和缓冲层后，沿电缆表面经过环形切样后取绝缘层内层位置的XLPE作为测试对象。试样厚度约为0.4 mm，均剪裁为长、宽5 cm的正方形。由于运行30年电缆的时间较久远，其他相关重要信息无法得知。

2类试样同时在120 ℃的恒温条件下进行加速热老化，每10 d取样1次并完成相应特性测试，共完成60 d的加速热老化测试。以运行30年电缆试样为例，不同老化时间阶段的试样颜色变化如图1所示。从图1可观察到，随着老化时间增加，XLPE试样切片从透明逐渐变为淡黄色，颜色逐渐加深。

图1 老化后的XLPE颜色变化Fig.1 Color changes of aged XLPE samples

1.2 特征测试

1.2.1 红外光谱

采用VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪仪完成傅里叶变换红外光谱(Fourier transformation infrared spectroscopy，FTIR)测量，测量方式为衰减全反射，扫描范围为500～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.2.2 交联度测试

取烘干后的试样0.25 g，利用铜丝网包裹后浸没于二甲苯溶剂中，随后在110 ℃条件下恒温放置10 h。然后取出铜丝网中的残留部分，在无水乙醇中清洗干净后在90 ℃环境中干燥6 h。最后，称量残留部分质量，其与初始质量之比即为交联度。

1.2.3 热重分析

采用TG-209F1热重分析仪，取样5 mg置于坩锅内，在空气氛围下以10 ℃/min的速率从25 ℃升温至700 ℃。因氧气条件下热分解温度差异较大，取质量减小3%时对应的温度为热分解温度。同时，以试样实时质量与初始质量之比百分数定义为试样质量百分比。

1.2.4 折射率测量

鉴于阳光强度及不同波长光线对测量结果有影响，实验以常规阿贝折射仪为基础增加了固定光源(波长为650 nm)，来提供入射光线。

根据麦克斯韦的电磁波理论，电磁波在介质中的速度[14]

(1)

式中：c为光在真空中的速度；εr为介质的介电常数；μr为介质的磁导率。其中

(2)

式中：ε0为真空介电常数；μ0为真空磁导率。

设n为介质常数，n决定材料的光折射性质，是介质的折射率。光在真空中的速度c与在介质中的速度v之比为折射率，即

(3)

在无机材料电介质中，μ=1，故有

(4)

由此说明介质的折射率随其介电常数的增大而增大，而介电常数是材料的重要参数之一，根据式(4)可知，常规折射仪可测量折射率范围为1.3～1.7，对应的介电常数为1.69～2.89。根据文献[15-16]，室温下XLPE介电常数(50 Hz)在从2.2增大到2.89时，此时介电损耗与击穿强度已有明显变化，其中前者增加了2倍，后者下降了约20%。因此，介质的折射率反映介电常数，可用于估计材料的老化状况。

1.2.5 透光强度

对XLPE等半透明固体电介质而言，光线入射至试样后，在材料表面及内部主要发生2类变化，如图2所示。

图2 透光强度测试Fig.2 Transmittance test

图2中，光线在表面(包括内表面和外表面)，多次折反射引起光线强度损失。随着光线进入介质后，XLPE等材料对可见光的吸收强度较小，结晶-无定形结构中质量密度及分子链排布差异大，一次光线经过二者界面处发生较强散射，使得原有光线在传播过程中耗散较大。

根据透射光强度I2与入射光强度I1的变化，计算透光强度

(5)

1.2.6 电导测量

采用传统三电极测试系统，电极直径20 mm，设定测试温度为25 ℃，在20 kV/mm电场下测试电流，测量持续1 800 s。以最后1 min内电流数据的平均值最为有效值，然后计算电导率

(6)

式中：I为最后1 min内电流平均值；d为试样厚度；S为电极截面积。

1.2.7 工频击穿强度

平板电极直径20 mm，外加电压频率50 Hz，在线性升压条件下从0 V开始上升，直至试样击穿。每一试样的击穿电压重复10次，以平均值作为试样击穿强度。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱

图3为运行30年电缆试样老化前后FTIR图。图3中：吸收峰位于720 cm-1、1 440 cm-1、2 820 cm-1、2 890 cm-1，均为亚甲基吸收峰，为XLPE的特征峰且对老化不敏感。此外，老化10 d后在1 650 cm-1出现羰基吸收峰，为XLPE热氧老化的显著标志之一，强度随老化时间增加而增大，这表明老化实验开始后即发生了热氧反应[17]。

图3 红外光谱Fig.3 Infrared spectroscopy

为更清晰表征热氧老化程度与老化时间的关系，图4对比了2个试样羰基吸收强度随老化时间的变化。尽管试样来源不同，但是热氧老化程度均随着老化时间增加而增强。类比图1试样颜色从老化40 d开始出现明显变化，说明热氧反应初期未引起试样阻碍光线的传播。

图4 1 650 cm-1处吸收强度-老化时间曲线Fig.4 Relationship between absorption strength and aging time corresponding to 1 650 cm-1

2.2 交联度测试

图5所示为交联度测试结果，主要表征交联分子结构特征。当试样老化时间少于30 d时交联度无明显变化，老化时间超过30 d后，交联度随老化时间增加呈下降趋势。由于交联结构内分子链通过共价键连接，分子间作用力强，耐热性能强于非交联结构[18]。老化实验进行10～30 d时热氧反应强度不断提高，试样交联度未变化，说明老化初期的劣化反应主要发生在非交联位置，尤其是试样表面。老化时间超过30 d后，交联度开始下降，表明热氧反应由试样表面拓展至内部，逐渐引起网状分子结构破坏。

2.3 热重分析

图6所示为热分解曲线。

图6 热分解温度曲线Fig.6 Thermal decomposition temperature curves

由图6(a)可知，在空气氛围中，试样的热分解过程可分为2个阶段，温度升至约250 ℃时质量轻微变化，此过程主要是热氧反应促进了小分子物质的分解，尤其是非交联结构；温度升至约330 ℃时试样质量百分比迅速下降，此时交联结构断裂并迅速分解。由图6(b)可知，当老化10～30 d时，热分解温度表现出随试样差异的波动。当试样老化时间超过30 d时，热分解起始温度开始降低，空气氛围中的氧气加速了材料的热裂解结果[19-20]。考虑交联结构分子间作用力更强，因此热分解起始温度随老化时间的变化与图5中交联度变化结果类似。

2.4 折射率

图7所示为试样折射率测试结果，主要衡量相同光线在介质中传播速度，受到试样表面和内部微观结构的影响[12,15]。当试样老化10～30 d时，2个试样的折射率变化并不明显，仅表现出微小增大的趋势。而当老化时间增加至40 d时，折射率逐渐增大。当试样老化至60 d时，受限于仪器的测量范围，此时折射率高于1.7，可知折射率在继续增大。

图7 折射率测试结果Fig.7 Results of refractive index test

类比图5与图6结果可知，老化初期的热氧老化仅作用于试样表面，未引起试样内部结构的变化，当老化实验进行至40 d后，折射率变化结果与文献[16]类似，说明介质对光线传播的阻碍随着热氧反应从表面逐步拓展至内部。一方面电子分布与原子核电荷重心发生移动，使入射光线发生折射；另一方面，结晶结构的破坏，结晶-无定型区分布差异增大，同时老化因材料异构特征提升，均增大了光线传播过程中的折射。

2.5 透光强度

通过图2装置测量的透光强度结果如图8所示。结合图1可知，老化时间小于30 d时透光强度仅有微小波动，主要由试样厚度差异引起。当老化时间为40～60 d时，透光强度随老化时间增加而减小。考虑到光线也是电磁波，此类现象的原因主要有[21-22]：①分子结构破坏提高了光线传播过程中与原子的电子极化作用，导致一部分能量被吸收，同时也有一部分能量发生折射；②结晶结构的破坏，结晶区-无定型区分散差异变大，光线色散和折射增强。

2.6 电导率和工频击穿强度

电导率与工频击穿强度测试结果如图9所示。由图4—6可知，老化实验进行40 d后热养老化逐渐引起试样内部分子结构的变化。考虑到电导率与工频击穿强度为衡量电子在介质中的运输特性，且2个参数的变化与上述结果变化一致，即当老化时间为10～30 d时变化不明显，老化40 d后电导率上升，工频击穿强度下降。

图8 透光强度测试结果Fig.8 Results of transmittance test

图9 电导率和工频击穿强度测试结果Fig.8 Results of conductivity and dielectric breakdown strength tests

2.7 综合分析讨论

对于XLPE而言，分子结构和结晶结构共同决定了材料的热、电、光学等特征。如图3所示，羰基吸收峰的出现表明XLPE老化开始即在试样表面发生热氧反应，且热氧反应引起交联结构破坏、分子链断裂等已得到广泛论证。但当老化时间为10～30 d时，除羰基强度外的其他特性参数几乎无变化：交联度与热分解温度未发生变化，说明此时内部分子结构未发生变化；透光强度、折射率及电导率未发生变化，表明在此老化阶段热电特性并未发生变化。由于测试结果会因试样微观结构差异存在波动，在此阶段无法以羰基吸收峰说明热氧老化引起了分子结构及热电性能的变化。本文测试结果与文献[23-24]的研究一致，可认为热氧反应引起材料的劣化可从表至里逐渐发展。热氧初期仅羰基强度增加，说明此时主要是材料表面状况变化，而热分解温度、电导率测量等测量依赖于材料的“体效应”，在老化初期这一类参数变化不明显。因此，依赖于表面特征参数说明老化开始热氧老化即发生，而依赖于“体效应”的参数说明当热氧老化进行至一定程度后才会引起材料特征的整体变化[25-26]。随着老化40 d后，羰基吸收强度继续增大，此时交联度和热分解温度开始下降，说明更长时间的热作用导致了分子结构的破坏。如图5和图6(b)所示，由于交联结构决定了XLPE的耐热性，2个参数的变化规律近似；结合图1、图7—图9，不难理解结构变化导致了试样颜色和对应的光、电性能的变化[27-28]。

本实验采用的透射强度及折射率测量仪均为便携式仪器，可满足现场使用，且操作简单。2个测量参数与热电性能的单调变化关系可为在运电缆抢修阶段对电缆绝缘层取样提供参考依据，利用XLPE测量结果反映被测电缆绝缘状况。由于测试对电缆无破坏作用，可为后续电缆绝缘状况无损检测及抢修现场电缆绝缘劣化状况快速检测提供新思路。

3 结论

通过对来自不同运行年限电缆的绝缘层XLPE开展加速热老化实验，结合羰基吸收强度、交联度热重、透光强度、折射率、电导率测试及工频击穿强度的测试结果，得到如下结论：

a) 羰基吸收随老化实验开始即出现且强度不断增大，当老化时间超过30 d时才引起交联结构与热电性能的变化。随着老化时间增加，羰基吸收强度、电导率与折射率同向变化，热分解温度、工频击穿强度与透光强度同向变化。

b) 采用2种便携式光学仪器进行测量，测量参数与其他热电参数呈现单调变化趋势，可以很好地反映试样的老化特征，尤其是当老化时间达到40 d后，可作为今后用于电缆绝缘状态无损检测的方法之一。