高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化试验分析

高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化试验分析

孙晓宇

锡林郭勒电业局 内蒙古锡林浩特市 026000

摘要：电力电缆线路是城市电网中重要的组成部分，其安全可靠稳定运行对于城市电网具有重要意义。为掌握运行多年的交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘劣化状况及出现劣化的原因，采用热重法、红外光谱、机械强度试验分析了退运的14条110 kV和220 kV XLPE电缆绝缘。研究了电缆绝缘材料的热稳定性、物质成分及机械性能与电缆绝缘劣化的对应关系，并分析了14条退运电缆历史运行数据。结果表明，14条退运电缆中，有4条电缆绝缘出现了劣化，而这些电缆都经受过穿越故障电流或外部高温；起始分解温度、羰基指数、断裂能对表征XLPE电缆绝缘的劣化状况有很好的一致性，当绝缘出现劣化时，其起始分解温度降低、羰基指数升高、断裂能减小：交联电缆经受大的故障电流冲击或外部高温，都会加快绝缘的劣化。

关键词：高压试验；交联聚乙烯；绝缘劣化

高压电缆断面是电缆线路的薄弱环节，电缆接头和终端中绝缘屏蔽断口处电应力相对集中容易发生故障。电缆接头采用封闭式绝缘结构且一般在现场完成组装密封，相比本体和户外终端，绝缘安全裕度偏小，另外，电缆接头现场施工质量要求高，如施工工艺不良或密封措施不到位，那么在地下潮湿恶劣运行环境中极易造成绝缘性能劣化，因此电缆接头成为电缆线路最易发生绝缘故障的薄弱点。在实际运行环境条件下，交联电缆经受大负荷、故障电流冲击或外部环境高温，通电运行数年或数十年后，交联聚乙烯电缆绝缘是否存在劣化，哪些特征参数能够表征绝缘劣化状态，都是迫切需要研究的问题。

一、电力电缆接头绝缘故障监测的意义

电力电缆线路是城市电网中重要的组成部分，其安全可靠稳定运行对于城市电网具有重要意义。交联聚乙烯电缆（简称交联电缆）具有优越的电气性能，良好的热、机械性能和敷设安装方便等一系列优点而得到广泛运用。可见，交联电缆已经广泛应用于电力系统各个电压等级的输电线路和配网中并占据极大的份额。电缆线路运行环境较为恶劣，在电缆沟、隧道、排管、竖井中易进水受潮造成绝缘性能劣化，而高压电缆断面是电缆线路的薄弱环节，电缆接头和终端中绝缘屏蔽断口处电应力相对集中容易发生故障。电缆接头采用封闭式绝缘结构且一般要求在现场安装完成，相比本体和户外终端，绝缘安全裕度偏小，施工质量要求高，如施工工艺不良、防尘措施不到位、密封不好等原因会埋下隐患，因此电缆接头成为电缆线路最易发生绝缘故障的薄弱点，在故障发生的概率统计中，电缆头故障率约为70%。

二、验样品及方法

1. 试验样品。试验选取了14条运行的电缆，其中，110 kV电缆9条，220 kV电缆5条。9条110kV电缆分别为6家国内电缆厂制造，5条220 kV电缆分别为2家国外电缆厂制造。14条电缆运行期间均敷设在专用电力隧道内。考虑到电缆在带电运行中绝缘层内外层受到的电热应力存在差异，为保持试样样片一致性，所有试样均取自电缆绝缘层中部，即到内、外半导电层距离相等处，试样厚度为1mm。

2. 红外光谱测试。试样大小为10 mm×5 mmX O．05 mm，测试前先用酒精清洗、烘干并在室温条件下放置半小时后进行实验。用Fourier变换红外光谱仪，测试与氧化劣化特征有关的羰基谱带1720cm-1与不随热氧劣化而改变的谱带2010cm-1的吸光度的比值(即羰基指数)。测试条件为：扫描次数10次，分辨率为4，波数范围4000-400 cm。

三、试验结果及分析

1. 红外光谱分析：交联聚乙烯绝缘在热氧劣化过程中不仅有微观结构的变化，还会产生羰基基团等新的物质成分。试样中有明显羰基吸收峰的红外光谱图，试样内层、中层、外层羰基指数对比。1号、2号、4号、6号试样的羰基指数明显高于其它10个试样，且均>l，表明l号、2号、4号、6号试样绝缘已经发生了劣化，其交联聚合体在热、氧作用下出现断键、降解，生成了羰基基团等新的物质成分，如图1所示。

图1 试样羰基指数对比图

2. 机械性能分析：由于一些试样段太短，没有足够的距离做成标准哑铃型试样，无法进行机械性能测试，因此只对14条电缆中的10条电缆绝缘进行了机械性能测试，断裂能测试结果表明，发生劣化的交联聚乙烯绝缘断裂能减小。其原因或许为交联聚乙烯绝缘在运行中受到电、热、氧的联合作用后，导致材料降解，高分子聚合物交联度降低，增加了分子链段的活动性瞄。在分析材料的断裂能与劣化程度对应关系时，应综合考虑断裂能数值大小及其与同批次新样品断裂能数值的差异。通过对电缆绝缘试样的机械性能测试，对红外光谱分析的结果，发现1号、2号、4号电缆绝缘试样的断裂能数值及均差比例在10条电缆中也相对较小，6号、7号试样为同一电缆制造厂家的同批次产品，但6号试样的断裂能较7号试样小15．7％，这也和红外光谱分析的结果相互印证。

四、实验结果讨论

按照IEC规定，110 kV、220kV交联聚乙烯绝缘电缆短路时导体运行温度限值为250℃，持续时间不得超过5 S。当运行中的交联聚乙烯绝缘电缆经受故障电流冲击时，导体温度会瞬时升高，线路故障跳闸后，电缆导体流过的电流突降为零，但由于电缆绝缘、护套热阻较大，电缆导体散热是一个缓慢的过程，导体温度降到环境温度将持续数小时。因此，当运行中的交联聚乙烯绝缘电缆经受故障电流冲击后，虽然故障电流持续时间只有几秒，但绝缘承受的高温可达数小时。交联聚乙烯材料是一种高分子聚合物，高聚物受热将会发生两类变化。第一类是物理变化，包括软化、变形、熔融等热变形现象。第二类是化学变化，包括环化、交联、降解分解、氧化、水解等。在热和氧的联合作用下，高聚物结构中存在易受热氧裂解的部分随温度的升高难免受到氧的袭击。因此，其热稳定性主要取决于组成高聚物大分子的化学键键能和高聚物的物理结构。当交联聚乙烯绝缘材料发生氧化降解等劣化时，材料内部分子的活性点增加，绝缘的热稳定性和抗氧化能力降低，因此其起始分解温度降低。当交联聚乙烯绝缘材料发生氧化降解等劣化时，生成了有羰基基团的新物质，因此其羰基指数随之升高。交联聚乙烯绝缘材料发生氧化降解等劣化时，还生成了大量的过氧化氢物，这些氧化产物残留在绝缘内成为杂质，也可能成为小的裂隙。

结论

1. 交联聚乙烯绝缘的起始分解温度、羰基指数、断裂能在表征电缆绝缘劣化性能方面有很好的一致性。当绝缘出现劣化时，材料的起始分解温度降低、羰基指数升高、断裂能减小。

2. 在分析材料的断裂能与劣化程度对应关系时，还应综合考虑断裂能数值大小及其与同批次新样品断裂能数值的差异。

3. 交联聚乙烯电缆绝缘劣化与电缆穿越故障电流等因素产生的热效应密切相关，电缆经受大的故障电流冲击或外部高温，都会加快电缆绝缘的劣化。

参考文献：

[1] 李心月, 杨荣海, 韩慧岷.. 高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化检测技术及性能的影响[J] . 森林工程, 2018( 3) .

[2] 吴倩，刘毅刚，李熙谋．高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化检测技术调研[J]．电力设备，2019，6(7)：40-45．