电缆绝缘聚合物材料的老化成因机理及技术研究

2020-06-18李尧边琦刘克山东省建筑科学研究院有限公司

数码世界 2020年4期

李尧边琦刘克山东省建筑科学研究院有限公司

引言

现代化工业蓬勃发展，增加了电力电缆的供应需求量，同时电缆化程度标志着城市现代化进程以及生活质量的高低。这就足以说明稳定并具有经济性的电力传输是现阶段电网的发展方向。大容量并自带高电压的电网将会提高电力电缆的传动以及可靠性。随之而来的就是会加速整个电力电缆的老化程度。众所周知绝缘层材料以及绝缘层护套材料是主要的电缆中的绝缘材料。一般发热导线或者是发热导线与接地屏蔽层见到材料城会被称之为绝缘层。绝缘层的作用就是隔离电线，避免人们直接接触电线而产生触电。绝缘护套材料大部分都是结合硅橡胶材料经过高温模压环节进而成型的。由此说明电缆材料一定程度上决定着整个电网安全性能。基于此情况必须就电缆绝缘聚合物材料的老化成因机理进行动态化分析，提出相应的预防措施。

1 电缆绝缘材料老化研究现状

实际分析绝缘护套材料可以发现其应用性能比较明显，即具有优良的电气性能、耐老化以及耐高低温，最重要的是在任何条件下都能应用。现阶段电线电缆通常应用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯等。不同的电缆材料应用到电力电缆中，不断运行的电力电缆收到多种因素的影响，其电缆材料也会发生不同程度的老化。电缆材料发生老化就会降低整个电缆材料的绝缘性能，绝缘性能降低不仅会影响整个材料的使用年限，严重的还会造成电缆的漏电以及电网停电事故。我国研究学者王静思等人就深度分析光、热以及臭氧等外界环境因素造成电缆材料老化具体原因。从中发现了绝缘聚合物材料分子链的交联与降解会进一步降低材料的绝缘性能。当然绝缘性能降低程度需要针对聚合物的种类、所处环境情况、甚至是老化的温度以及时间进行整合测定评估。

Choi 当研究学者针对电场对电缆绝缘护套材料老化程度进行多个实验分析，总结出了电缆中空间电荷的分布与其加压时间的对比关系。即空间内不断变化电荷分布量，产生的表面电晕放电，形成橡胶表面的老化变色。橡胶表面的老化变色程度就体现着护套材料的绝缘性能。比如护套材料出现发黑或者发黄现象，见图1，对其绝缘片进行电压测试，其测试的数据结果均可以体现材料的绝缘老化程度非常严重。总结众多学者的研究数据，可以发现电缆运行过程中出现绝缘老化现象就意味着电缆内部绝缘性能下降。而电缆内部绝缘性能下降的原因是由于绝缘材料受到内部或者外部环境因素影响。

图1 护套材料出现发黑或者发黄现象

2 绝缘老化机理

2.1 热老化

绝缘介质中的各个化学结构在热量的作用下产生变化，进而导致材料的绝缘性能下降的反应就称之为热老化现象。其实整个热老化现象本质就是一种化学反应。即绝缘材料受到热量的影响，产生了化学变化，而且环境温度要是越高，其化学反应的速度也会更快。那么化学反应就会进一步促进高分子有机材料的热降解，从而形成氧化反应。这种热降解反应又被称之为自氧化游离基连锁反应，其实就是聚乙烯产生氧化，其中的C-H 键中的H 脱离出来。热老化导致绝缘材料的电气以及机械性能大幅度变化，进而降低其材料的绝缘年限。具体的机械特性变化为材料的伸长率、拉伸强度等。大多数地区的大气温度并不会产生热老化，但是并不排除部分炎热高温的地区，当然该地区电力电缆材料出现热老化现象更多的由于电力自身设备生成的热量而引发的，比如其设备电能局部放电、电能大损耗都会产生较高的温度。基于此情况，就要从避免绝缘材料中的有机高分子的热降解，即防止材料出现氧化反应，崇从根源规避其较大热量的产生。当然也可以适度结合添加抗氧化剂等方式来防止其氧化反应的产生。抗氧化剂成分为苯酚系化合物，这类化合物即使接触其氧化老化连锁反应，就会快速的产生COO-，以此来阻断连锁反应。其实该氧化反应可以程度性的体现出绝缘材料的热老化寿命与温度关系为Arrhenius 定律。即其中的f（T）代表着老化状态的物理量，而E 则为老化需要的能量大小，T 为热力学温度，其他的都是常数。根据Arrhenius 定律，可以发现热力学温度越高，要求其材料绝缘性能就越高，与此同时其绝缘材料的使用年限也会随之而降低，电缆内部最高温度和电缆护套温度数据表如下1：

表1 高压电缆温度数据

2.2 机械老化

生产、安装以及运行状态下的固体绝缘系统会受到多种机械应力，导致引发机械老化。机械老化其实就是受到机械应力作用的绝缘材料出现瑕疵点，当然小的缺陷点会随着设备的运行时间以及持续的机械应力，进而演变为大的裂缝，其电缆就会产生局部放电，形成这一电-机械击穿现象将会破坏电缆材料的绝缘。

2.3 电老化

电场受到长期作用下，形成其电力设备绝缘系统的老化现象就称之为电老化，具体分析其电老化机理可以认知非常繁杂，因为其中会存在着由于电-机械击穿导致的放电现象，进一步引发一系列的物理以及化学反应。当然绝缘材料耐强电场的性能大小要依据其绝缘材料的本征击穿场强大小判断。虽然高分子材料的本征击穿场强的数量级都挺高，即MV/cm 级别，但是实际的绝缘材料击穿强度远远小于本征击穿强度。造成这一现象的原因有很多，比如由于厚度效应、杂质的介入以及电缆制造过程中产生的气孔等都会产生材料表面的凸起，由此而产生电极效应。总体来说，理想状态下的绝缘材料击穿场强为本征击穿强度，见图2。具体分析固体绝缘材料，发现以下两种绝缘击穿机理。第一个绝缘击穿机理是在一定电场强度下，急剧增加的电子数量迫使绝缘材料受到击穿，这一击穿破坏现象主要是因为电子，由此而产生电击穿机理。另外一个是微电流通过的绝缘体，受到电压的作用，电流产生焦耳热反应，导致材料击穿破坏，这一击穿破现象被称之为热击穿。

图2 电绝缘护套材料电气老华装置和树枝结构图

2.4 环境老化

作为一种物理性质上老化现象的环境老化，主要发生在运输以及运行状态下的电缆材料。因为电缆材料容易受到各类外界环境污染物的影响，如，灰尘以及辐射。存在于外界的酸碱性物质非常容易腐蚀电缆外皮，不仅如此酸碱性物质产生的杂散电流也会造成电缆外皮的麻点开裂以及穿孔，由此而产生绝缘材料的空洞，绝缘材料内部分界面就会受到破坏，整个电缆材料的力学性能以及电气性能就会大幅度降低。

2.5 水老化

电缆老化常见现象之一水老化，主要是由于绝缘材料在水分以及电场叠加环境下，进一步形成分布不均匀的电场或者是太过集中的电场，这些都是树枝化现象。电缆局部应力增加导致水树枝转变为电树枝，同时受到高温影响，水树枝还会发生氧化反应，进一步增强了电缆的吸水性，这也就是为何电树枝的导电性能越高的原因。一般水树枝产生于交流电场以及高压电场强度上，水树枝会进一步演变为内导水树枝化、蝴蝶水树枝化以及外导树枝化等。尤其是水分含量较多的绝缘材料内部，其低频介质损耗角相对复介电常数就会大幅度提升，其实就是由于大幅度增加的含质离子以及可束缚电荷数目变多，相对复介电常数就会变得更多，由此而引发高频方向的电常数虚部的最小值发生移动。另外就是由于水树枝化现象造成的电缆绝缘老化，其老化的时间以及所处的温度情况，都可以具体的分析其水树枝程度。

3 电缆绝缘聚合物材料的抗老化对策

3.1 在材料中添加稳定剂等抗老化成分

制品变色的原因大部分都是由于聚氯乙烯中的高分子链结构在一百摄氏度持续加热状态下，结构中的双键、支化点以及大量不稳定的氯原子就会分解出HCI，将产生生色的共轭多烯结构。分离出来的HCI 会程度性形成聚氯乙烯的催化，促进其降解，当然，HCI 所处的温度越高，其材料就会分离出更多的HCI，反复如此，就会堆积大量的HCI，然后又促进其聚氯乙烯的降解。制品颜色又加深，其炭化价值也会由于不断下降的物理力学性质逐渐消失。形成不断降解的反应，会大大的促进大分子交联，此时，必须要通过稳定剂实现其可持续运行的聚氯乙烯，由此而保障电缆材料的良好绝缘性能。比如可以应用钙锌稳定剂、有机锡热稳定剂以及酚类抗氧化剂等，充分使用到聚氯乙烯制品加工中，就能确保其分离出来的HCI，与钙锌稳定剂中的锌化合物反应，产生路易斯酸，路易斯酸本质为一种降解催化剂物质，作用其中就能充分的降低酯化反应的皂基，实现降低催化效果的目的。

3.2 聚合物材料本体改性

预防聚合物老化的最佳方式为改性聚合物材料本体，即将各种新型技术应用到电缆聚合物材料设计、生产以及改性中，尤其是针对聚合物材料的本体改性，可以有氟化、硫化等，比如具有超强的热稳定、化学稳定性的电气绝缘材料的六氟化硫，将其作为电缆绝缘材料，其电缆的材料生产过程中，就将其作为加热加压媒介，充分提升电缆材料的击穿强度以及耐树枝放电性能。又如将性能优质的硅橡胶作为电缆材料，硅橡胶结合硅脂产生分子的溶胀反应，由此而促进互相作用的线性结构聚硅氧烷分子、硅橡胶分子链单元。电场作用下的溶胀反应会加速其电缆的老化。因此可以将氟化硅脂均匀涂抹到硅橡胶表面，以此来提升其硅橡胶的耐溶剂性能，避免电缆材料的加速老化，增强其绝缘性能。