电缆附件用硅胶的热老化特性及其可靠性分析

胡青云 黄应敏 胡超强 邵源鹏 郝志峰

摘 要：新型硅胶材料具有优异的绝缘性和机电热性能，在电缆附件中使用广泛。电缆附件在长期的运行过程中，硅胶具有电树老化性能，从而影响到硅胶材料在电缆附件中的可靠性。所以文章为了提高硅胶的应用效果，通过实验研究的方式对其热老化特性和可靠性进行研究。研究结果表明，当温度不断增加时，硅胶的电树起始电压随之发生明显的降低趋势，并且硅胶的电树形貌也逐渐向丛状电树进行转变，从而使得电缆附件所使用的硅胶具有滞长性，增加了电缆附件运行过程中潜在风险，继而降低了硅胶在电缆附件中应用的可靠性，使得电缆附件更容易出现故障。对硅胶的热老化特性和可靠性进行深入了解，有助于降低电缆附件的故障发生频率。

关键词：硅胶;电缆附件;热老化特性;可靠性

中图分类号：TQ424 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0033-04

Abstract：The new silicone material has excellent insulation and electro-thermal properties， and is widely used in cable accessories. In the long-term operation of cable accessories， silica gel has electrical tree aging properties， which affects the reliability of silica gel materials in cable accessories. Therefore， in order to improve the application effect of silica gel， its thermal aging characteristics and reliability are studied through experimental research. The research results show that when the temperature continues to increase， the initial voltage of the electrical tree of the silica gel will decrease significantly， and the electrical tree morphology of the silica gel will gradually change to a cluster of electrical trees， so that the silica gel used in the cable accessory has hysteresis， which increases the potential risks during the operation of the cable accessory， and then reduces the reliability of the application of silicone in the cable accessory， making the cable accessory more prone to failure. An in-depth understanding of the thermal aging characteristics and reliability of silicone will help reduce the frequency of failures of cable accessories.

Key words：silicone; cable accessories; thermal aging characteristics; reliability

隨着我国电力电缆的大力发展，电缆附件作为电缆传输线路的重要组成部分，在长期的运行过程中，容易发生各种故障问题[1]。主要原因在于其中使用硅胶绝缘材料在长期的使用过程中，不可避免的会受到热的影响而出现老化，即硅胶具有一定的热老化特性，于是就会影响到硅胶在电缆附件中应用的可靠性[2-3]。所以文章对硅胶热老化特性及其可靠性进行分析，有利于揭示电缆附件的失效机理，提高电缆附件中硅胶材料的应用效果，降低电缆附件发生故障的概率。

1 实验过程

1.1 实验原材料及试样制作

实验需要的主要原材料为热硫化液体硅胶。

试样的制作：硅胶的试样如图1所示，就是将硅胶注入到预埋电极的模具中即可。然后将其钢针的直径设置为250?m，针板间距位置为（3±0.1）mm，针尖曲率半径设置为30?m。试件中使用针尖的目的在于能够使其附近没有应力集中和气泡产生。

1.2 实验系统

对电缆附件用硅胶的热老化特性进行分析时，需要观察硅胶显微情况，并且对其进行高压实验，观测硅胶的热老化特性及其可靠性，所以在实验中需要使用两个关键性系统，分别为高压实验系统和显微图像实时采集系统，其中主要作用是对电树枝进行观察和测量。

1.3 实验步骤

本文研究硅胶热老化性特征及其可靠性，实验将会观测温度对电树的影响，由于硅胶的热老化性会直接影响其可靠性，所以实验过程中将主要分析硅胶的热老化性，最后再分析硅胶热老化性的变化会对其可靠性造成的影响。实验的步骤如下所示：首先将硅油和试样放入到烤箱中进行加热，当其加热到规定温度之后，再将其让到容器中，为了能够保持容器中试件温度不变，在容器外部设置加热带，该操作是属于实验前的准备阶段;然后再设置实验过程中的相关参数，如需要在试样上施加工频电压，以500V/s的增速进行升压，然后对硅胶的电树长度进行观察，当其长度增长到大致10?m时，记录此时的电压，并且该电压为起树电压值。为了得到更为准确的结果，在每个温度点下，需要进行20次试验，然后得到最后的测量结果。在实验过程中，电树起始之后，保持此刻的电压，然后观察电树的生长特点。

2 实验结果与分析

2.1 温度对硅胶电树起树电压的影响

由于实验中将温度设置为变量，于是本文选取了六个不同的温度，即25℃到150℃之间，每隔25℃设置为一个实验温度，然后在50Hz电压下对硅胶的起树电压进行测量。为了形成对比实验，实验还对聚乙烯材料进行的分析。聚乙烯试样进行实验时，与硅胶一样都采取预埋技术，但是相关的参数设置存在差别，其中的直径设置为30?m，针尖曲率半径设置为2?m，针尖距离地电机设置为（1±0.1）mm。温度对两种材料的起树电压影响如表1所示，图2为温度对硅胶材料起树电压的折线图，其中聚乙烯材料和硅胶材料的起树电压基准值分别为6.5kV和9.8kV，所处的温度分别为25℃和40℃。

从表1中可以看出，硅胶的电树起树电压与温度大致成反比关系，即当温度上升时，电树起树电压不断降低，而且当温度越高时，电压降低的趋势变慢。另外一种材料的起树电压随着温度的变化没有表现出单调递增或者递减关系，而是当温度不断增加时，聚乙烯材料的起树电压先呈现出增长状态，然后在呈现出降低趋势。且当温度越来越大时，该材料的电压降低幅度也越大，当温度超过100℃时，电树起树电压发生非常明显的下降趋势。

从表中可以看出，温度对两种材料电树起树电压的影响比较明显，但是其中的影响特性存在差别。从图2中可以看出硅胶材料从20℃一直升温到150℃，其中电树起树电压一致处于降低趋势，并且材料处于室温状态时，就具有比较明显的热破坏特性。而另外一种材料，当温度发生变化时，其电树起树电压在100℃之前，温度对其电压影响比较小，所以没有明显的热破坏特征，只有当温度超过100℃之后，其电树起树电压发生了显著降低效果，并且表现出明显的热破坏特征。当材料发生热破坏特征之后，其稳定性就会降低。

通过上述分析结果可知，温度对硅胶材料的影响比较大，电缆附件在使用硅胶材料时，其运行温度处于90℃中，此时的硅胶材料电树起树电压下降比较明显，所以在内部电场控制中，一定需要考虑硅胶的热破坏特性。因为温度过高，硅胶的热老化特性比较明显，容易引发热破坏，造成电缆附件出现各种故障问题，考虑硅胶的热破坏特性有助于降低安全事故频率和减少经济损失。

2.2 温度对硅胶电树形态的影响

在实验过程中，电缆附件所用的硅胶材料刚开始出现电树之后，保持该压力不变，然后增加其作用時间，硅胶中电树将会出现3种不同的电树形态，3种电树形态如图3所示，分别为树枝状、松枝状和丛状[4-5]。从图3（a）中可以看出，其中只有少量的树枝通道存在，通道的分叉比较少，并且树枝的颜色呈现状态比较浅，该状态下所处的电压为10.5kV，生长时间为150s;从图3（b）中可以看出，松枝状电树中树枝颜色比较深，树枝已经发展到具有“枝干”，即有粗大主通道，然后其引发出多条分枝，在每个分枝上还存在比较密集的针状松叶，即相比于图3（a），松枝状电树的生长速度非常快，该状态下所处的电压为11.5kV，生长时间为200s;从图3（c）中可以看出，其形态呈现出非常茂密的丛状电树，因为电树起树时，在短时间内其针尖处突然有非常多新的树枝通道，这些通道集聚在针尖附近，所以就导致出现如图3（c）所示的形状，该状态下所处的电压为10kV，生长时间为200s。当电缆附件所用的硅胶受到热老化之后，呈现出松枝状电树时，因为该电树生长速度比较快，所以就会在短时间内导致电缆绝缘材料出现击穿后果。当硅胶呈现出丛状电树时，因为该电树具有明显的滞长现象，所以并不会像松枝状电树在短时间内出现击穿现象，然而该中树状具有潜伏性，也会严重影响到电缆附件的使用效果[6-7]。

通过上述3种硅胶电树形态的介绍，然后分析了3种电树形态下，温度对其起树电压的影响，结果如图4所示。从图中可以看出，3种不同的电树形态下，当温度不断增加时，其起树电压都处于随之下降的趋势。当温度比较低时，3种电树形态的起树电压比较大，并且起树电压还具有较大的分散性，在低温状态下，树枝电树和松枝电树发生的频率更高。然后当温度上升之后，起树电压的分散性开始呈现出下降的状态，并且电树形态开始出现转变，丛状电树和松枝状电树发生的频率更高。当温度继续升高时，即超过100℃时，从图中可以看出，起树电压变得更低，与室温时的起树电压相比，降低了33%左右，然而其分散性出现了明显的降低趋势，另外，电树形态也发生了转变，转变为只有丛状电树。

通过对电树的3种形态数据进行分析，从中可以发现，当温度不断增加时，丛状电树发生的概率有所增加，而另外两种形态电树发生频率会随温度增加而呈现出降低趋势。另外，每种形态树脂的起树电压变化趋势一样，其中松枝状电压不管出于何种温度下，其起树电压使用大于丛状电树的起树电压。

电缆附件所用的硅胶在温度的影响之下，会出现电树状况，并且在硅胶内部的发展会经历一个变化过程，比如从最开始的起始期，到慢慢开始生长，然后进入到滞长器，再又进入到下一个生长期，然后到滞长期，以此进行循环，直至硅胶中的电树造成击穿为止[8]。3种不同电树形态中，一般情况下，丛状电树就处于滞长期阶段，在此阶段其中相关的参数变化比较小，不容易进行判断，所以对其进行诊断比较困难。通过上述实验得知当温度低于90℃时，电缆在运行时，其中所用的硅胶在比较低的电压条件下就会容易生成电树，另外，电树形态中丛状电树生成的频次比较多，该电树具有滞长特性，能够在电缆附件所用的硅胶中潜伏很长时间，所以就会给电缆附件造成故障隐患。

电缆在运行过程中，硅胶容易造成老化破坏，尤其是温度的变化，使得硅胶的热老化特性变得更加显著，而实验中研究的另外一种聚乙烯材料在温度低于100℃时，其热破坏特性表面并不是很明显。另外，使用硅胶作为电缆附件的材料，当温度低于90℃时，其中容易出现丛状电树，对于电缆的运行存在一定的潜在威胁，相关人员需要对此进行重视。需要对硅胶的热老化特性有一个深刻了解，才能将其更好的应用到电缆附件中，从而降低电缆运行故障的发生频率。如果硅胶的热老化特性比较明显，那么就会降低硅胶的可靠性。所以热老化特性对硅胶可靠性具有直接的影响。于是下文将对硅胶稳定性进行分析。

3 电缆附件用硅胶的稳定性分析

当前，电缆附件所使用的电压等级都有相关的标准和规范，其中所使用的相關材料都有一定的要求和标准，比如要具有一定的击穿强度，从而可以防止所用材料的热老化特性[9]。比如我国常用的220kV电缆附件，相关规范标准中就已经清楚明了的记载着电缆附件用硅胶和聚乙烯材料的短时工频击穿强度都不能够小于22kV·mm-1。所以，从中可以使用聚乙烯和硅胶这两种材料对其击穿强度的要求一致。并且，近几年来，由于硅胶的击穿性能能够满足规范要求，而且还具有较好的机械性能等，所以在电缆附件中具有较为广泛的应用。

但是通过上述实验可知，电缆附件用硅胶并没有想象中非常强的可靠性。由表1和图2可知，当温度处于90℃左右时，电缆附件长期在这样的环境中进行运行，聚乙烯材料的热老化特性不是很明显，受到温度的影响比较小，但是硅胶材料出现了明显的热破坏特性，并且受到温度的影响非常明显。因此可以说明，在此温度条件下，电缆附件用硅胶的可靠性发生明显降低，硅胶的可靠性降低，就会影响到硅胶在电缆附件中的应用效果，使得电缆附件出现各种问题。所以，为了增强硅胶的可靠性，在设计电缆附件过程中，需要充分考虑到硅胶的热破坏特性，不然硅胶的可靠性会比较低。虽然硅胶的可靠性还会受到其他因素的影响，但是，对于硅胶材料来讲，其热老化特性属于最直接和最关键的影响因素。当前，电缆附件发生故障的频率较高，其中很多原因在于所使用的材料可靠性不高，在设计上缺乏足够的试验和理论，所以在使用电缆附件中使用硅胶材料之前，需要对其进行热老化特性和可靠性试验研究，从而保证材料在使用过程中的耐久性，降低电缆附件的故障频率。

4 结语

电缆附件用硅胶在长期的使用过程中，容易出现各种老化问题，上文通过实验分析，研究了温度对硅胶热老化特性的影响，并且在相同的环境下研究了聚乙烯材料的性能，研究结果表明，当温度低于100℃时，温度对聚乙烯的热老化特性影响比较小，材料没有出现明显的热破坏特征，但是硅胶材料却表现出明显的热破坏特征。另外，在分析硅胶的电树形态时，发现当温度不断增加时，表现出丛状电树的趋势。由于丛状电树具有滞长性，所以当温度越高时，电缆附件中将会存在潜在的隐患，所以将会影响到硅胶在电缆附件中可靠性。在对电缆附件进行设计时，必须要考虑到硅胶的热老化特性和可靠性，从而提高电缆附件的运行效果。

参考文献

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[2]严玉婷，吕启深，陈铮铮，等.加速热老化对硅橡胶击穿及电荷输运特性的影响[J].绝缘材料，2019（9）：48-52.

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