全预制式电缆户外终端硅橡胶绝缘的老化分析

2022-07-05王永强黄泓贸张伟胡丽斌万子剑任成燕

南昌大学学报（理科版） 2022年2期

王永强，黄泓贸，张伟，胡丽斌，万子剑，任成燕

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，南京 210000；2.等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地，中国科学院电工研究所，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049；4.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京 211103)

电力电缆作为输电线路中重要的组成部分，具有安全性高、节约空间、输电可靠、不易污染环境等优点，其使用比例在电力线路中逐年增加。电缆附件作为电缆线路过渡和连接的重要装置，是电缆线路中的薄弱环节。因其结构复杂且在安装过程中易存在操作不当等问题，电缆附件的故障率占110 kV电缆事故的85.5%[1]。因此评估电缆附件的老化状态对电力系统的安全运行有重大意义。

电缆户外终端长期运行并暴露在户外环境中，受到内部电、热应力及外部气温骤变、降雨、污染等自然环境的影响，更容易因缺陷引起故障。硅橡胶(Silicone Rubber,SIR)具有优良的电气性能、表面憎水性和抗污闪性等优点，是电缆户外终端的主要绝缘材料之一[2]。周凤争[3]等提出电缆户外终端击穿故障的原因是终端内部杂质引起电场畸变，进而引发电树枝并导致击穿。莫家[4]分析电缆充油终端中绝缘油受潮导致绝缘性能下降并最终引起终端击穿。胡丽斌[5]等测试了SIR电缆附件的化学组成、陷阱参数和空间电荷等，指出Si-O-Si比例的下降是SIR老化的重要标志，SIR的浅陷阱能级和较高的浅陷阱密度可以加速电荷消散从而避免空间电荷的积累。陈杰[6]等研究了电缆附件硅橡胶和乙丙橡胶绝缘的力学和电气性能，指出氧化基团的产生将导致绝缘材料弹性模量和扯裂伸长率降低，经历故障的电缆附件体积电阻率下降。刘刚[7]等测试了退役电缆绝缘的空间电荷分布，指出绝缘层中间部位老化更严重，并且电荷消散阶段起始电荷密度越大绝缘层老化越严重。梁正波[8]等借助红外热成像方式分析终端表面的热场分布，提出可通过分析电缆户外终端的表面最大温差来评估其老化状态。

目前针对电缆户外终端的研究主要集中在运行故障的分析和处理，以及户外终端的设计分析，而对电缆户外终端的老化状态评估研究较少。本文以110 kV全预制式电缆户外终端为研究对象，通过对绝缘试样进行傅里叶红外光谱、X射线衍射、表面电位衰减、介电参数、热性能等测试，综合分析其材料特性、电气性能和热学性能的变化，进而评估其老化状态。研究结果有助于电缆户外终端的老化状态监测及寿命评估。

1 实验及测试方法

1.1 样品信息

实验中采用的样品均取自110 kV电缆的退役户外终端，终端绝缘、伞裙和应力锥一体化成型，其中绝缘层材料为SIR，分别编号为S1～S4，试样的基本信息如表1所示。

表1 试样基本信息Tab.1 Basic information of the samples

为保证试样的均匀性，采用橡胶类绝缘专用切片机分别对4种户外终端进行切片制样，试样厚度约为1 mm，并裁成40×40 mm2的正方形薄片，测试前用无水乙醇清洗表面。

1.2 材料特性测试

通过傅立叶变换红外光谱法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)和X射线衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)研究户外终端试样的表面化学成分和结构。FTIR测试采用设备为Nicolet iS50，分辨率为2 cm-1，扫描波数范围为450～4000 cm-1；实验所用XRD型号为D8 ADVANCE，扫描速率为0.2°/s，扫描衍射角范围为10°～90°。

1.3 表面电位衰减测试

测试设备为自制的表面电位测试系统[9]。采用-3 kV的电压对试样充电180 s，针尖距试样上表面5 mm，充电结束后将试样迅速移动至Kelvin探头(Trek-6000B)下测试，探头距试样上表面2 mm。实验在有机玻璃腔中进行，控制环境温度在25±2 ℃，相对湿度在40%以内。采用等温表面电位衰减理论可进一步获得绝缘切片的陷阱参数分布[10]。

1.4 介电性能测试

介电常数和介质损耗测试采用安捷伦4395A阻抗分析仪，测试频率范围为100 kHz～500 MHz，并采用等效RLC并联模型，利用测得的电容和电阻计算得到试样的相对介电常数εr和介质损耗角正切值tanδ。电阻率测试采用三电极法，设备为Hioki SME-8311，测试电压为500 V，每组试样分别测试8次求平均值，作为该试样的电阻率。

1.5 热学性能测试

差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)是一种常用的热分析方法。测试采用METTLER TOLEDO公司的DSC 3分析仪，测试气氛为N2，流速为20 mL/min，温度范围为(-80～40) ℃，升温速率10 ℃/min。

热失重分析(Thermogravimetric Analysis,TG)是一种利用热重法检测物质温度与质量变化关系的方法。测试时试样量取5～10 mg，测试气氛为N2，升温速率10 ℃/min，扫描温度为(35～800) ℃。

2 实验结果与分析

2.1 FTIR、XRD测试

户外终端经过长时间的运行，在电场、温度、周围环境等多方面的作用下发生老化，其化学成分可能发生变化。红外光谱是一种分析有机高分子材料的重要手段，可以通过分子包含的化学键及官能团的变化来评估材料老化状态[11]。

硅橡胶的主要成分是二甲基硅氧烷(PDMS)，由主链Si-O-Si结构和侧链Si-CH3组成。图1为户外终端试样的FTIR测试结果，其中785 cm-1处的弯曲振动峰对应Si-O-Si对称伸缩振动；1008 cm-1和1076 cm-1两处较强的吸收峰反映PDMS分子主链Si-O-Si结构的反对称伸缩振动；1256 cm-1处的吸收峰对应侧链Si-CH3基团，而2962 cm-1处的吸收峰对应CH3中C-H键的伸缩振动。在1411和2904 cm-1处出现的较弱吸收峰为亚甲基(CH2)的特征峰，是硅橡胶分子侧链受到破坏断裂形成的。S1试样相较于其他试样，在1722 cm-1处出现一微弱峰，对应C=O键伸缩振动。含有C=O的聚合物易吸收波长为300～400 nm的紫外光，引起材料大分子链断裂及化学结构改变，进而使材料性能变差，发生劣化[12]。

λ/cm-1图1 硅橡胶试样的FTIR光谱Fig.1 FTIR spectra of SIR samples

X射线衍射主要对材料的晶体结构进行分析，并可获得材料的成分和结构等信息[13]。户外终端试样的XRD结果如图2所示，4个试样均在12°处出现较为尖锐的衍射峰，对应硅橡胶试样中包含的硅氧烷特征峰，22°处出现的较为平缓的衍射峰，对应硅橡胶绝缘的无定型态[6]。由XRD结果可知，同一线路同样运行年限终端的XRD结果较为相似，不同运行年限的电缆户外终端硅橡胶绝缘均以无定型态为主，而12°处出现的衍射峰是由于硅橡胶分子结构中存在的甲基形成的结晶微区[14]。随着运行年限的增加，硅橡胶绝缘的聚集态结构没有发生显著的变化。

2θ/(°)图2 硅橡胶试样的XRD光谱Fig.2 XRD spectra of SIR samples

2.2 表面陷阱参数测试

硅橡胶材料以无定型态为主，但其内部也存在如SiO2等少量晶体，故其材料本身便存在不同类型的缺陷和陷阱[5]。电缆终端经过长时间的运行，在电、热、力等多种因素作用下发生老化，这一过程也会产生各种缺陷，并在绝缘内部引入新的陷阱。聚合物陷阱能级和陷阱密度的变化直接影响电荷的输运过程[15]。通过等温表面电位衰减测试可分析试样表面电荷积聚及消散特性，同时可获得其表面陷阱参数分布。

户外终端硅橡胶试样的表面电位衰减曲线如图3所示。从测试结果可以看出，4个试样的表面电位均在前1000 s迅速衰减，随后衰减速度变缓并趋于平稳。其中S4前期衰减最快，其次为S1试样，两试样最终电位衰减率也较高，约为初始电位的25%；S2、S3的衰减速度相对较慢，其中S2电位衰减最慢，最终衰减率约为40%。

图4为通过等温表面电位衰减理论计算的户外终端试样的陷阱参数分布。S1～S4试样均存在两个明显的陷阱中心，且都以浅陷阱为主。S1～S4的浅陷阱中心能级分别为0.93，0.96，0.94和0.92 eV，深陷阱分布在1.03 eV附近。绝缘试样表面电位衰减与陷阱分布关系密切。S1～S4前1000 s内均衰减迅速，是因为试样前期表面电位衰减主要受浅陷阱影响，S2试样的浅陷阱能级为4个试样中最深，其表面电位前期衰减最慢；S4试样初始衰减速度高于S1，而后衰减速度和衰减量却低于S1，是因为S4试样浅陷阱能级最低，同时其深陷阱能级最高，故其表面电位后期衰减缓慢。深陷阱影响电荷脱陷的过程主要体现在电位衰减后期，S2、S3试样的深陷阱能级略浅，陷阱密度略高，两试样后期的电位衰减速度略高于其他试样。

t/s图3 硅橡胶试样电位衰减曲线Fig.3 Surface potential decay curve of SIR samples

E4/eV图4 硅橡胶试样陷阱能级分布Fig.4 Trap distribution of SIR samples

2.3 介电性能测试

介电常数、介质损耗、电阻率是评价绝缘材料电气性能的重要参数。高压电缆附件是电缆系统的重要组成部分，其结构复杂易引起局部电场畸变，故高压电缆附件是高压输电线路中的薄弱部分[16]。

介电常数对电场分布起着至关重要的作用。图5(a)为硅橡胶试样的介电常数测试结果，从图中可以看出，4个试样的介电常数均随着频率的升高降低。S1～S4在较低频率下的介电常数均在3.0附近，其中S1最小，为2.8，S4最大，为3.1，均满足国标对电缆附件用橡胶材料介电常数小于等于3.5的要求。图5(b)为硅橡胶试样介质损耗测试结果，由图可知4个试样的介质损耗相差不大，低频介损均小于0.01，且均随频率的升高而增加。

不同试样的体积电阻率和表面电阻率测试结果如图6所示。从图中可以看出，4个试样的体积电阻率均在1016Ω·cm量级，满足国标GB/T 11017-2014交联聚乙烯绝缘电缆及其附件的电阻率规定。试样的表面电阻率同样在1016Ω量级。运行年限较长的S3、S4试样，其体积电阻率明显低于S1、S2试样。针对运行时间相同的电缆户外终端，体积电阻率和表面电阻率有相似的变化规律。S1与S2相比，体积电阻率更大的试样表面电阻率也更大，同样的规律也体现在S3和S4上。

f/Hz(a) 相对介电常数

f/Hz(b) 介质损耗图5 硅橡胶试样介电频谱Fig.5 Dielectric spectrum of SIR samples

样品编号图6 硅橡胶试样的电阻率Fig.6 Resistivity of SIR samples

2.4 热学性能测试

SIR为弹性橡胶材料，一般工作在高弹态，即工作温度在其玻璃化转变温度之上。玻璃化转变温度可以在一定程度上反映高聚物分子链的运动，可作为衡量高聚物状态转变的特征参数[17]。利用DSC测试可获得材料的熔点和融程，并可计算材料的结晶度，进而判断运行老化后材料的结构变化。户外终端绝缘的低温DSC测试结果如图7所示。硅橡胶试样均在升温过程中出现熔融峰，4个试样的熔点均在-44 ℃附近。试样的熔点越低说明结晶温度越低，即结晶越困难。

θ/℃图7 硅橡胶试样DSC曲线Fig.7 DSC curves of SIR samples

根据DSC测试结果可以得到绝缘试样的熔点，通过计算熔融峰面积得出熔融热，进而运用公式(1)可以计算得到硅橡胶试样的结晶度：

Dcr=(ΔHfs/ΔH100)×100%

(1)

式中Dcr为试样的结晶度，ΔHfs为试样的熔融热，ΔH100为试样结晶度达到100%时的熔融热，值为37.4 J/g[18]。计算得到试样结晶度如表2所示，其中S3熔点和结晶度最高，S4最低，但整体差别不大。

表2 硅橡胶绝缘试样结晶度Tab.2 Crystallinity of SIR insulation samples

硅橡胶试样热失重曲线如图8所示。试样在350 ℃前均未发生明显的失重，S1，S2试样在400 ℃附近开始分解，S3，S4的初始分解温度较低，约为360 ℃。S3，S4在450 ℃附近开始第二阶段的分解，而S1，S2第二阶段的失重曲线变化不明显，但温度高于S3，S4试样。整体看来，随着电缆户外终端运行时间的增加，硅橡胶绝缘的初始分解温度和第二阶段分解温度均降低。TGA测试中4个试样的残余质量分别为75%，68%，66%，52%，S3，S4试样在第一和第二阶段的分解速度均高于S1，S2试样，故其残余质量较低。TGA结果表明，随着硅橡胶绝缘材料运行时间的增加，SIR的分解温度和残余物质质量均降低，通过热失重分析对SIR进行表征，可有效评价其老化的程度。

θ/℃图8 硅橡胶试样热失重曲线Fig.8 TGA curves of SIR samples

总结前文的测试方法和测试结果，FTIR和XRD测试可以直观地获得绝缘材料的成分及分子结构等信息，但老化前期SIR的特征官能团和聚集态结构可能不会发生明显的改变，同时FTIR和XRD测试主要应用于实验室小样品的测试。在介电参数测试中，体积电阻率可以较为准确地反映SIR的运行和老化状态，同时电阻测试有望应用于电缆及附件绝缘状态的现场测试和评估。绝缘材料的表面电位衰减和陷阱参数可一定程度地反映材料的老化状态，同时陷阱参数及电位衰减与材料电阻率变化关联性较强，可作为绝缘老化的辅助分析。从实验室测量角度看，TGA测试中的分解温度和残余质量也可间接评价SIR的老化程度。

由前文测量结果可知，运行2年的S1试样含有少量氧化基团，其电阻率低于同样运行年限的S2试样，同时其陷阱能级较浅，热分解温度较低，初始热分解速度也高于S2，这些指标均表明，虽然同样运行了2年，但S1的老化程度高于S2。不同运行年限的户外终端绝缘也有相似的老化规律。不同测试方法之间的关联性较好，多种测量和表征手段联合可更准确地评价电缆终端绝缘的老化状态。