电热联合老化对高压XLPE电缆绝缘介电频谱特性的影响

陈健涛, 赵一枫, 范星辉，刘刚

(广东省绿色能源技术重点实验室(华南理工大学 电力学院)，广东 广州510641)

XLPE电力电缆因具有电气性能优越、耐热性能优良和传输容量大等优点，得到广泛应用[1]。在实际运行过程中，电缆绝缘长期受到电、热以及机械等应力的作用会出现劣化现象，最终可能造成严重的电力事故[2-3]。因此，XLPE电缆在长期运行过程中的绝缘性能变化情况一直是电网部门关注的重点。

电缆绝缘的介电频谱特性直接决定电缆的使用寿命，对此，国内外学者构建了电缆绝缘老化状态与介电频谱特性的关联性。Yuka Hasegawa等[4]发现频率为1 Hz时，低密度聚乙烯的介电常数在120～200 ℃范围内随温度增大而减小，这与绝缘的热膨胀有关；因此，绝缘的老化状态可用其介电特性的变化来表征。朱晓辉等[5]分析高压交联电缆绝缘的介质损耗因数频谱图发现，当频率低于0.1 Hz时，介质损耗的正切值tanδ随老化程度的加深而增大，可作为评估在运XLPE电缆老化状态的有效手段。耿蒲龙等[6]在研究温度与频率对XLPE电缆泄漏电流的影响时，发现XLPE绝缘松弛极化的增强会造成复介电常数增大，泄漏电流也会随之增大。然而，很少研究考虑电缆结构特性引起绝缘各层老化程度的差异性，以及电缆整体绝缘的介电特性对绝缘老化的进一步影响。

相关研究[7-9]发现电缆在实际投入运行一段时间后，分子链和晶体结构均会出现改善，进而改善绝缘的介电特性。这种现象的原因主要可概括为温度效应和电场效应的作用[10-11]。温度效应主要体现在交联剂的二次反应[12]和晶体结构的再生长[13]，电场效应主要体现在介电泳力对极性低分子的迁移作用。因此，研究电热联合因素对XLPE电缆绝缘劣化的影响对于延长电缆寿命和提高电力系统稳定性具有重要意义。

在电力电缆绝缘状态评估研究中，考虑到结构特性引起的电场和温度场分布变化，主要采用电热联合整体电缆老化试验。然而，由于人力、物力成本高，运行周期长，试样消耗量大，相关研究仍较少。Y.Xie等[14]对退役XLPE电力电缆进行了不同运行模式下整体电缆热老化试验，发现在短期高温热处理下，由于淬火效应，电缆绝缘各层的热力学和电学性能均有不同程度改善。Tzimas A等[15]对XLPE绝缘交流电缆施加不同的电热条件和不同的持续时间进行加速老化试验，发现击穿电场强度的大小与绝缘老化时间、老化温度和电压密切相关。赵一枫等[16]对2条退役110 kV XLPE电缆进行了180 d的预鉴定试验，发现XLPE空间电荷的迁移、积累和耗散与其在不同老化状态下的结构形态密切相关。尽管如此，现阶段仍缺乏考虑高压电缆实际运行不同负荷条件下电热因素对整体电缆绝缘老化状态的评估。

针对现阶段研究的不足，本文对2回30 m长的110 kV交联电缆进行为期180 d的电热联合老化试验，其中一回电缆采用恒温老化方式，另外一回采用周期性热循环老化方式。这2种方式分别模拟恒定负荷和波动负荷情况下电缆线路的绝缘老化状况。选取老化试验前后电缆内、中和外层的绝缘作为研究对象，并通过介电频谱分析不同老化方式下绝缘的介电频谱特性，建立整体绝缘的电场分布。最后，结合傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)实验和差示扫描量热(differential scanning calorimetry，DSC)实验，建立绝缘各层形态学结构变化与整体绝缘电场分布的联系，实现对电缆绝缘老化微观结构及宏观表现的定量统一分析。

1 实验

1.1 试样制备

采用国内生产的110 kV YJLW03-Z-64/110-1×500高压交流XLPE电缆作为研究对象。电缆横截面如图1所示，其中R1—R8分别为电缆各层对应的外径尺寸。

图1 试验电缆截面

1.2 电热联合老化试验

电热联合老化试验平台设置如下：对2回并联的30 m长的试验电缆分别采用电热恒温老化和电热周期性热循环老化方式，进行为期180 d电热联合老化试验，模拟恒定负荷和波动负荷下电缆线路的绝缘老化状况。电热联合老化试验平台原理图如图2所示。

图2 电热联合老化试验平台原理图

升压单元中的试验电压由串联谐振高压发生器产生，设置为恒定1.5 倍额定电压U0(95 kV，U0= 63.5 kV)。试验温度控制由穿心变压器施加大电流产生的焦耳热实现，其中恒温老化方式下导体温度一直保持在90～95 ℃；周期性热循环老化方式下每48 h为1轮热循环，其中加热时间为24 h，冷却时间24 h，并且保证导体温度在90～95 ℃至少16 h。试验过程中2回试验电缆均未出现绝缘击穿状况。

1.3 取样与试样编号

采用电缆环切机沿电缆圆周方向对截取的电缆短样XLPE绝缘层进行切割取样，制取表面平整、厚度为0.4 mm 的片状试样。分别选取电缆绝缘内、中和外层处的试样作为研究对象，根据各试样电热联合老化方式的不同进行编号，见表1。其中，S0为未经电热联合老化试验的试样，S0-1和S0-2为经不同电热联合老化方式试验后的试样。

表1 试验编号

1.4 诊断分析实验

介电频谱实验：采用德国Novocontrol公司生产的ALPHa-ANB宽频介电阻抗谱仪测试试样。实验前先在试样两侧喷涂直径为20 mm的对称镀金电极，镀膜厚度为25 nm。测试频率f为10-2～107Hz，测量电压范围为10-6～3 V，温度设置为30 ℃。

FTIR实验：采用德国Bruker公司生产的VERTEX 70红外光谱仪，实验在衰减全反射(attenuated total refraction，ATR)模式下以分辨率为0.16 cm-1、信噪比为55 000∶1的方式在波长范围600～3 600 cm-1内对等厚度的各个试样进行扫描，然后通过OPUS软件分析获得的光谱。

DSC实验：采用德国NETZSCH 公司生产的DSC 214测试仪，测量试样升温及降温过程中的热流。称取大约5 mg试样，用酒精充分擦拭后开始实验。实验过程中，设定升温速率10 ℃/min，从30 ℃升至150 ℃后恒温5 min，之后以降温速率10 ℃/min降至30 ℃，该设定重复2次，本文选取第2次升温阶段的热流曲线进行分析。

2 实验结果与分析

2.1 介电频谱实验结果与分析

电热联合老化试验前后试样各层的相对介电常数εr和介质损耗的正切值tanδ的结果如图3和图4所示。由图3可知各试样的εr从低频到高频呈现出先剧烈下降后趋于平缓的趋势。图4中的tanδ也呈现整体递减的趋势，且部分试样在中频段出现松弛峰的现象。图3、4中的现象归因于介质的弛豫极化，主要包括电子弛豫极化、离子弛豫极化、偶极子转向极化[17]。对于XLPE，由于绝缘内部存在大量添加剂及其副产物[18-19]，其极化过程主要是偶极子的转向极化，这个过程具有高频下介电常数下降和伴随能量损耗(松弛峰的出现)的特性。

图3 电热联合老化试验前后绝缘各层相对介电常数

图4 电热联合老化试验前后绝缘各层介质损耗正切值

由图3(a)可知：相较于S0，由于老化方式不同，S0-1和S0-2内层绝缘的相对介电常数εr变化差异较大。其中：S0-1的εr随频率变化保持在较低水平且变化不大，极化现象不明显；S0-2的εr随频率增加而骤降，在1～10 Hz频段的下降速度最为明显，表明该频段下XLPE出现明显极化现象。图3(b)中，相较于S0，S0-1中层绝缘的εr整个频段都保持在较高水平，在1～102Hz频段下降明显，极化增强；对于S0-2中层绝缘，εr在0.1～1 Hz频段出现明显下降，极化程度相较于S0稍微增强。图3(c)中，S0绝缘外层在中低频段下的εr很大，可能是由于电缆出厂阶段的脱气过程中大量可挥发杂质在绝缘外层处聚集导致，经过2种方式老化后，S0-1和S0-2中层绝缘的εr在中低频处明显下降，极化程度减弱。

由图4(a)可知：S0和S0-2的内层绝缘分别在频段103～104Hz和1～10 Hz处出现损耗松弛峰，这对应于图3(a)中εr下降最快处的频段；对于S0-1的绝缘内层，没有出现损耗松弛峰，表明绝缘中弛豫极化不明显。此外，低频处的tanδ主要由漏导损耗决定，由图4(a)可以观察到电热循环老化方式下S0-2的漏导损耗相对较低，极化松弛峰向低频段前移，这可能是绝缘的晶态结构发生改变导致的。图4(b)中，S0-1中层绝缘的tanδ在整个频段保持在较高水平，在10～102Hz频段处出现松弛峰，这表明在绝缘极化过程加剧的同时绝缘性能下降；对于S0-2中层绝缘，在电热循环方式下的漏导损耗虽然稍微增加，但极化特性基本与S0一致。在图4(c)中，S0外层绝缘的tanδ在1～103Hz频段处出现大范围松弛峰，这表明该绝缘中分布较多极性小分子，极化过程明显。此外，低频处的高tanδ值也表明电缆绝缘的晶态结构并不完善；在2种不同老化方式试验后，可以观察到S0-1和S0-2松弛峰的消失且tanδ值在整个频段下降，这表明绝缘中的极化程度减弱，绝缘特性相对得到改善。

2.2 FTIR实验结果与分析

由图5可知S0的绝缘内、中、外层在波数范围1 596 cm-1、1 650 cm-1和3 370 cm-1处出现极大的吸收峰，这是由电缆出厂阶段绝缘内部残留的大量交联副产物导致的。尤其是在3 640 cm-1附近出现尖锐的吸收峰，这是抗氧化剂的特征基团苯酚引起的。从DSC实验的二次升温熔融曲线发现S0-1和S0-2的熔融曲线摒除热历史的影响后基本与一次升温曲线一致，熔融温度相近，由此可以判断电热老化对XLPE的主链基本没有破坏。绝缘中的极性低分子主要由添加剂决定。在2种不同老化方式试验后，这些吸收峰大部分呈现下降趋势，这表明180 d的电热联合老化使得绝缘中的极性低分子发生迁移或挥发。

图5 电热联合老化试验前后绝缘各层FTIR谱图

为了进一步分析电热老化前后绝缘中各层极性低分子的迁移状况对其介电频谱特性的影响，分别取1 596 cm-1、1 650 cm-1和3 580 cm-1处的吸收峰峰值与1 470 cm-1处吸收峰峰值相比，作为评估绝缘层中极性低分子的含量。具体定义如下：

RARI=I1596/I1471,

(1)

RVI=I165/I1471,

(2)

RHI=I3370/I1471.

(3)

式中：RARI为芳香环指数，定义为波长1 596 cm-1下吸收峰数值I1596与波长1 471 cm-1下吸收峰数值I1471的比值；RVI为乙烯基指数，定义为波长1 650 cm-1下吸收峰数值I1650与I1471的比值；RHI为羟基指数，定义为波长3 370 cm-1下吸收峰数值I3370与I1471的比值。

电压稳定剂、抗氧化剂和交联副产物中的α-甲基苯乙烯均含有芳香环，因此RARI可作为绝缘中主要添加剂的含量指标。为了进一步考虑交联副产物含量在老化过程中的变化，RVI和RHI可作为绝缘中交联副产物的特征指标。图6为电热联合老化试验前后试样各层3个指标展示图。从RARI数据分布可以发现S0绝缘各层均含有较高含量的添加剂，这是电缆出厂时的初始状态，绝缘整体分布着大量的芳香环类添加剂。对于S0-1，绝缘内层和外层的RARI数值也明显下降，但中层却出现增加的现象，原因是介电泳力效应[22]作用。具体迁移过程如下：在电热恒温老化试验过程中，绝缘中层出现的局部缺陷处使得局部电场增大，在介电泳力作用下，绝缘内、外层的极性低分子在电场作用下向绝缘中层迁移，在缺陷处积聚，这使得该层的介电常数和介质损耗增大。而对于S0-2，绝缘各层RARI数值较S0均有所下降，表明电热循环老化方式使得绝缘各层中的部分可挥发杂质发生消散。

从RVI和RHI的数据分布可知S0-1和S0-2绝缘各层中二者数值基本都有所下降，这表明电热刺激会促使绝缘中交联副产物的迁移和挥发。从图6还可发现在电热恒温条件下，相较于S0，S0-1从内层到外层的RVI和RHI数值下降幅度逐渐变慢，这也说明高电场和高温度场会加速交联副产物的消散。此外，对于S0-2，RVI和RHI在绝缘各层中比较接近，这表明电热循环老化方式可能会使得绝缘中的交联副产物分布更加均匀。

图6 电热联合老化试验前后绝缘各层的极性低分子指标

2.3 DSC实验结果与分析

图7所示为电热联合老化试验前后绝缘各层的二次升温阶段热流曲线；计算得到的具体相关热参数见表2，其中Tm为吸热峰峰值，ΔHf为熔融焓，Rm为熔程。

图7 电热联合老化试验前后绝缘各层的二次升温DSC曲线

结合图7和表2可以发现：相较于S0，S0-1的Rm出现不同程度的增大，这表明长时间的电热恒温老化试验使得绝缘中产生了次级结晶。尽管S0-1绝缘内、外层的Rm变宽，但熔融峰稍微向高温方向移动，表明绝缘中的主结晶在电热作用下仍得到改善。然而，绝缘中层Rm增大和Tm减小反映出绝缘的晶态结构出现一定劣化。相较于S0，S0-2绝缘内层的晶态结构变化与S0-1类似，但是绝缘中、外层的熔融峰稍微向低温方向移动，绝缘的主结晶出现劣化。为了进一步发掘电缆绝缘老化的晶态结构与其介电特性的关系，采用结晶度和主熔融峰晶片厚度作为评估绝缘层晶态结构状态的指标。具体计算方式如下：

(4)

(5)

图8中，对于绝缘内层，可以观察到电热联合老化试验后S0-1和S0-2的d值增大。尤其是S0-2的增长幅度更加明显，且χ下降，这表明绝缘中的次级结晶在电热循环作用下，在先熔融后降温的过程中发生重结晶，形成更加致密的晶态结构。对于绝缘中层，S0-1的d值下降的同时χ却增大，结合Rm增大的特征可知该绝缘在长期的电热恒温下主结晶结构部分转化为次级结晶，结晶界面的增多引起明显的界面极化。另外，S0-2的d值小幅下降和χ增大也会加剧极化过程。对于绝缘外层，S0-1的d值和χ上升表明绝缘的主结晶晶态结构发生改变，而S0-2则出现轻微劣化。

图8 电热联合老化试验前后绝缘各层结晶度和主熔融峰晶片厚度

3 分析与讨论

对第2章的实验结果进行综合分析与讨论，首先获取介电频谱中50 Hz频率下的εr和tanδ(见表3)，用于分析电缆在工频环境下的介电频谱特性。其中，εr决定电缆绝缘中的电场分布，tanδ影响电缆绝缘中的温度场分布。

表3 电热联合老化试验前后绝缘各层50 Hz下介电频谱参数

对电缆绝缘电场分布的分析可采用夹层极化的方法，将电缆绝缘划分为内、中、外3层，如图1所示，各层的电学参数分别对应表3中的介电频谱参数。具体的计算方式如下：

ε1E1=ε2E2=ε3E3,

(6)

(7)

(8)

式中：ε1、ε2、ε3分别为电缆绝缘内、中、外层的相对介电常数；E1、E2、E3分别为电缆绝缘内、中、外层对应的电场强度，kV/mm；U为导体电压，此处取1.0U0=63.5 kV；L1、L2、L3分别为绝缘内、中、外层的外径大小，此处分别取L1=20.5 mm、L2=26 mm、L3=31.5 mm。通过计算得到如图9所示的电缆整体电场分布。需要特别说明的是图9中绝缘电场分布仅表示整体分布趋势，不代表真实电缆绝缘的电场分布。

图9 电热联合老化试验前后电缆绝缘的电场分布

由图9可知S0-1绝缘中的电场分布发生翻转，绝缘中层的电场强度大幅减小，而绝缘内、外层电场强度增大。针对S0-1的绝缘中层，结合FTIR和DSC实验进行分析，可知在电热恒温老化作用下，S0-1绝缘内、外层的极性低分子在介电泳效应下发生迁移向绝缘中层聚集，这些极性小分子促使了异相成核的发生，生成较多的次级结晶，使得DSC热流曲线中熔程增大。此外，主结晶晶片厚度下降也说明绝缘中层的晶态结构出现了一定劣化。因此，S0-1绝缘中层偶极子和晶界面增多，将会增大此处绝缘的转向和界面极化，从而引起εr和tanδ增大。然而εr的增大会削弱电场强度，电场强度降低也会使得介质损耗降低，从而缓解该处电热老化的影响，这是绝缘层抵制进一步老化的过程。对于S0-1的绝缘内层和外层，在电热恒温老化作用下，绝缘中极性低分子含量下降和主结晶晶态结构改变，会降低绝缘中的极化过程，造成εr和tanδ下降。尽管电缆绝缘内、外层处电场强度增大，但由于晶态结构改变和局部温度场下降，该处发生绝缘击穿的可能性会降低。

在S0-2和S0中，S0-1绝缘中的电场分布趋于均匀化。S0-2的内层绝缘中电场强度基本保持不变，该层绝缘中极性低分子的减少和晶态结构改变使得绝缘的极化过程减弱，电导损耗降低；S0-2的中层绝缘电场强度下降，这可能是由绝缘的主晶态结构劣化导致的，而绝缘中极性低分子的减少致使tanδ下降；S0-2的外层绝缘中，尽管电缆绝缘的晶态结构出现稍微劣化，但极性低分子大幅降低了偶极子的转向极化，使得εr和tanδ均有所下降。

4 结论

本文对2回110 kV XLPE电缆进行为期180 d不同老化方式下的电热联合老化试验，通过介电频谱实验结合FTIR和DSC实验综合分析电缆绝缘各层老化在试验前后的介电频谱特性变化。得出如下结论：

a)电热恒温老化试验后的电缆内、外层绝缘极性低分子含量下降和主结晶晶态结构改变，在削弱了绝缘中偶极子的转向极化和晶界面处极化的同时，也明显降低了介质损耗；中层绝缘中大量极性低分子的积聚和次级结晶增多，加剧了绝缘的极化现象，且伴随着明显的漏导损耗。

b)电热循环老化试验后电缆内层绝缘晶态结构的极大改变使得漏导损耗明显下降，弛豫极化向低频段前移；中层绝缘极性低分子减少使得漏导损耗降低，极化特性变化不明显；外层绝缘极性低分子的大幅减少明显削弱了绝缘中偶极子的转向极化，且降低了绝缘的介质损耗。

c)电热恒温老化方式使电缆绝缘中的电场分布发生翻转。内、外层绝缘处由于分子链结构和晶态结构得到改善，电场强度增大对绝缘劣化的影响较小；但中层绝缘处由于分子链结构和晶态结构出现劣化，电场强度降低缓解了该绝缘劣化的过程。电热循环老化方式使得电缆绝缘中电场分布趋于均匀，这对电缆绝缘的整体劣化过程起到缓解作用。

电缆XLPE绝缘在经过不同的电热老化方式处理后，电场分布出现的翻转化和均匀化均是绝缘层抵制进一步劣化的表现形式。因此，有必要研究不同负荷方式和电热因素作用下电缆整体绝缘的老化机制，为延长不同负荷情况下输电电缆的运行寿命提供参考。