高壓電纜附件絕緣理化性能與電氣特性研究

謝 坤，張 偉，張 杰，李鴻澤，柏 倉，張傳升，任成燕，邵 濤

(1.太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北工業大學，湖北 武漢 430068；2.等離子體科學和能源轉化北京市國際科技合作基地，中國科學院電工研究所，北京 100190；3.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；4.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024；5.中國科學院大學，北京 100049)

1 引言

電纜中間接頭和終端等附件在電纜線路中起著承接和過渡的作用，是電纜系統的重要組成部分。電纜附件和本體的設計壽命相同，但附件容易因施工不當等問題，造成氣隙和劃痕等缺陷，發生局部放電現象。此外由于電纜系統連接處使用環境惡劣[1]，電纜附件易在電、熱和氧氣等因素作用下相互促進老化，導致附件絕緣性能劣化直至失效。在對231起故障案例統計發現，不計外力破壞時，電纜附件故障率高達85.5%[2]。研究退運電纜附件絕緣的電氣特性和理化性能變化，對保障電纜系統安全運行具有重要工程實踐意義。

電纜附件常用材料為硅橡膠(SIlicone Rubber, SIR)和三元乙丙橡膠(Ethylene Propylene-Diene Monome, EPDM)[3]，由于熱阻較大，長期局部放電造成的熱氧老化會破壞絕緣材料的晶體結構。周遠翔等人[4]研究了高溫對電纜附件絕緣SIR性能的影響，發現在90 ℃以下時，熱老化會導致SIR交聯度下降，結晶度明顯降低；詹威鵬等人[5]對交聯聚乙烯進行了加速熱氧老化試驗，發現在重結晶期由于抗氧化劑的抑制作用，絕緣晶體結構破壞少，重結晶反應導致絕緣結晶度小幅上升，電荷輸運變難；李歡等人[6]也指出交聯聚乙烯的熱老化在物理老化階段重結晶使晶體變完善，而化學老化階段溫升至160 ℃時才會對結晶區造成嚴重破壞；白龍雷等人[7]研究了低溫條件下乙丙橡膠(Ethylene Propylene Rubber，EPR)局部放電特性及材料性質變化，發現EPR玻璃化轉變溫度約為-60 ℃，在-40～20 ℃區間內試樣分子鏈段結晶較少，材料表現為高彈態。

電纜附件絕緣受電應力和熱應力影響，其電氣性能會隨運行時間增加而逐漸下降。周凱等人[8]指出退運電纜絕緣內部存在“界面效應”，絕緣內側由于承受電場強度更高，分子斷裂氧化情況更嚴重，電導率和介電常數更大，老化程度比絕緣外側更深；陳杰等人[9]研究了退役電纜附件的理化性能，認為EPDM中出現C-O-C和SIR分子鏈上有機基團減少是附件絕緣老化的標志，且老化嚴重的附件介電性能明顯劣化；邵光磊等人[10]發現電熱聯合作用導致SiO2填料與SIR分子鏈間作用力減弱，造成電荷積聚和絕緣擊穿強度下降。

電纜附件由于材料介電特性差異，電場分布不均勻[11]，界面處易積聚空間電荷，誘發局部放電。何東欣等人[12]研究了電熱老化對附件應力錐處電荷積聚的影響，發現電荷密度隨老化時間變長而增加，并認為空間電荷從外側遷移至應力錐處是電荷積聚的來源，交聯產物是正電荷遷移率較高的主要原因；李盛濤等人[13]研究發現聚合物內適量的納米顆?？稍黾悠渖钕葳迕芏群湍芗?，抑制空間電荷積累，進而增強其介電性能；閆群民等人[14]研究了不同溫度熱老化下絕緣表面陷阱參數，認為淺陷阱密度增加來源于羰基(C=O)等老化產物，深陷阱的下降源于熱老化對晶體結構的破壞。

電纜運行環境復雜，附件絕緣的老化形式和人工加速老化有較大區別。本文以退役110 kV電纜附件為研究對象，對SIR和EPDM試樣的材料特性、熱學及介電性能和陷阱特性進行測試，綜合分析運行過程中其熱學性能和電氣特性的變化，有助于現役電纜的老化狀態評估和故障診斷。

2 樣本及實驗

2.1 附件樣品信息

實驗選用了6種不同線路的電纜附件，電纜電壓等級均為110 kV。所有附件絕緣經切片機裁成厚度約1 mm的樣品，長寬尺寸為：40 mm×40 mm，用無水乙醇擦洗表面后，在干燥箱中靜置24 h。將6種試樣分別編號為S1～S4和E1～E2，其中S1～S4為SIR，E1～E2為EPDM，S4試樣來自中間接頭，其余樣品均取自電纜終端。樣品基本信息見表1。

2.2 實驗方法

材料特性測試：傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)測試采用Nicolet iS50型號紅外光譜儀，分辨率2 cm-1，掃描波數段400～4 000 cm-1；X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)測試所用設備型號為D8 ADVANCE，衍射角10°～90°，掃描速率為0.2°/s。

熱學性能測試：差示掃描量熱測試(Differential Scanning Calorimetry，DSC)采用METTLER TOLEDO公司的DSC 3分析儀，測試溫度范圍為-80～20 ℃，升溫速率為10 ℃/min，N2流速20 mL/min。

介電性能測試：相對介電常數和介質損耗測試使用Agilent 4935A阻抗分析儀，頻率范圍為100 kHz～500 MHz；擊穿性能測試采用全自動油介電強度測試儀，電壓范圍為0～80 kV，升壓速率為2 kV/s，放電時間間隔1 min，實驗在油杯中進行；體積電阻率測試采用三電極法，測試電壓500 V，記錄儀器為Keithley 6517B型高阻計。

表面電位衰減測試：測試設備為實驗室自建的表面電位測試系統[15]，溫度為(25±2)℃，相對濕度(40±5)%。試樣在-3 kV直流電壓下電暈充電1 min，之后迅速移至Kelvin探頭(Trek-6000B)下，探頭距試樣上表面2 mm。

3 實驗結果與分析

3.1 FTIR及XRD測試

紅外光譜可以獲取分子所含化學鍵和官能團的信息，是物質結構分析的主要手段[16]。附件絕緣材料在運行后的分子變化可通過FTIR譜圖特征峰值反映。SIR主要成分是聚二甲基硅氧烷(PolyDiMethylSiloxane，PDMS)，其主鏈為Si-O-Si結構，側鏈為Si-CH3結構[17]。圖1所示SIR樣品的FTIR譜圖上，795 cm-1處的單峰對應Si-O-Si對稱伸縮振動，是無定形SiO2的特征峰；PDMS分子中Si-O-Si反對稱伸縮振動的譜帶分別對應1 008 cm-1和1 076 cm-1處的吸收峰；側鏈Si-CH3基團的吸收峰位于1 260 cm-1，而2 960 cm-1處的吸收峰對應CH3中C-H鍵的伸縮振動。觀察試樣有機硅特征峰的吸光度可知，經歷了擊穿事故的S1試樣主鏈Si-O-Si和側鏈Si-CH3的吸收峰下降明顯，可知放電事故導致其分子主鏈和側鏈斷裂情況比較嚴重。在1 413 cm-1和2 900 cm-1處出現了較弱的吸收峰，這是亞甲基(CH2)的特征峰，是SIR分子側鏈受到破壞斷裂形成的，運行年限較長的S3和S4試樣CH2峰形更明顯。

圖1 電纜附件絕緣試樣的FTIR譜圖

在EPDM樣品的FTIR譜圖上，1 463 cm-1和1 377 cm-1對應CH3的不對稱變角振動和對稱變角振動，這是EPDM最具代表性的特征峰；2 916 cm-1和2 848 cm-1處吸收峰和CH2的伸縮振動有關。觀察可知，E1試樣在1 000～1 500 cm-1范圍內的代表峰值都低于E2，這和E1試樣11年運行中發生的整體老化有關。E2試樣的附件只運行了2年，但在1 700 cm-1處出現了反應熱氧老化的C=O伸縮振動吸收峰，這和E2應力錐燒蝕嚴重，末端半導電部位大面積炭化的現象相符合。3 600～3 700 cm-1范圍里出現了尖銳的O-H伸縮振動吸收峰，和有機物分子中或分子間氫鍵的空間位阻有關。特別地，E2試樣在1 000～1 100 cm-1范圍內出現了Si-O特征峰，結合E2附件的燒蝕事故，猜測和其運行中填充的硅油及經歷的放電事故有關，長期電熱老化將硅油中Si-C結構打開并進一步將含Si基團引入了EPDM分子鏈中。文獻[18]在退役EPDM電纜附件研究中也觀察到相似結果。

電纜附件絕緣的XRD譜圖如圖2所示，SIR試樣在12°處出現硅氧烷的特征峰，其余測量范圍內均沒有特征峰出現，表明SIR樣品以無定型態為主。SIR作為非晶態高分子聚合物，12°處衍射峰強度基本反映了樣品中硅氧烷的含量。S2試樣幾乎看不到硅氧烷衍射峰，說明運行過程中試樣表面有機成分減少，無機成分相應增多[19]。EPDM試樣的XRD譜圖上出現了一系列特征峰，說明EPDM試樣晶型良好。通過MDI Jade6軟件對其譜圖進行分析，發現20°附近出現EPDM分子的特征峰，26°、35°附近的衍射峰分別和結晶SiO2及填料Al2O3有關，50°～70°之間的系列衍射峰主要是EPDM熱氧老化產物、填料中的硅酸鹽以及老化產生的碳基物質引起的。對比EPDM的XRD譜圖可知，經歷了放電擊穿事故的E2試樣在20°附近出現新衍射峰，且部分衍射峰也發生了一定角度的偏移，推測是放電事故引起的電熱作用導致E2分子鏈斷裂，生成了小分子物質，移動性變強，小分子之間發生重結晶反應，導致材料晶型改變，衍射峰位置偏移。

圖2 電纜附件絕緣的XRD譜圖

3.2 熱學性能測試

SIR和EPDM為橡膠材料，一般工作在玻璃化轉變溫度之上，對應材料的高彈態。DSC測試可以分析運行老化對附件絕緣材料結晶特性的影響，通過熔點、融程及計算所得結晶度等熱學參數，進一步判斷運行中附件絕緣的材料結構變化。

在圖3所示的附件絕緣試樣的熱流曲線中，SIR試樣在升溫過程中出現了明顯的熔融峰，S1、S3和S4試樣的熔點較低，均在-43 ℃附近，故其結晶所需溫度更低，結晶難度更大。其中S3和S4試樣的運行年限較長，整體劣化程度較深，而S1試樣雖然運行年限較短，但嚴重的放電事故導致其硅氧烷分子結構被破壞，影響了PDMS分子的規整度，對其低溫結晶過程有一定的抑制作用[20]。S2試樣的熔點溫度略高，由XRD結果知S2絕緣材料內SiO2含量比例較高，SiO2填料增加了S2試樣內的物理交聯點，導致分子鏈柔性比其余SIR試樣更低，故結晶性能更好。E1和E2試樣的熱流曲線相似，在升溫過程中都沒有出現熔融峰，但分別在-50.8 ℃和-49.8 ℃出現了輕微的玻璃化轉變，降溫過程中沒有結晶峰出現，表明EPDM材料在較大溫度范圍內彈性良好。

圖3 電纜附件絕緣試樣的DSC曲線

根據圖3(a)所示的DSC測試結果，采用式(1)計算SIR絕緣試樣的結晶度和熔融熱：

(1)

式中，Dcr為結晶度；ΔHfs為試樣的熔融熱；ΔH100為SIR試樣結晶度100%時的熔融熱，其值為37.4 J/g[4]。S1～S4試樣的結晶度計算結果見表2，S1、S3和S4試樣的熔點溫度Tc變化不大，結晶度也都低于運行年限最短的S2試樣。在SIR試樣中，S1試樣經歷過擊穿事故，S3和S4試樣則運行年限最長，三種絕緣試樣內部熱氧老化程度更深，聚合物的大分子鏈斷裂情況也更嚴重，而破壞后生成的小分子鏈以及小晶體在熔融過程所需能量更小，因此表現為絕緣的熔點溫度下降。

表2 硅橡膠絕緣試樣的結晶度

3.3 介電性能測試

介電常數和介質損耗是絕緣材料的基本介電參數，直接影響絕緣運行時的溫度場和電場分布[21]。附件絕緣的介電常數和介質損耗頻譜如圖4所示，當頻率升高時，偶極子極化和夾層極化過程來不及完成[22]，所有樣品的介電常數都隨著頻率增加而變小。絕緣試樣的介損隨頻率的增加整體上升，且6個試樣之間的介損差值不顯著。

圖4 電纜附件絕緣的介電頻譜

E2試樣的介電常數最大，這和E2試樣的附件經歷的擊穿事故有關，放電事故引入了C=O和-OH等強極性基團，分子極性增強，導致其在電場作用下極化能力變強，介電常數增幅較大，這和FTIR及XRD結果相對應。投運1年的S2試樣介電常數和投運11年的E1試樣接近，猜測這和試樣內填充較多的SiO2顆粒有關，XRD譜圖中可知S2內無機成分變多，納米填充物比例上升引入了更多偶極基團[23]，使得偶極極化增強，故其介電常數略高。特別地，S3和S4運行年限都是7年，但S4試樣取自中間接頭，介電常數遠大于其余電纜終端樣品，這與中間接頭在銜接、過渡作用中長期受到徑向機械應力有關[24]。由于運行中長期過盈配合的要求，中間接頭要比電纜終端承受更大的機械應力[9]，電熱力聯合作用下材料內部產生新的缺陷，極化能力增強。

擊穿場強是衡量電纜附件絕緣運行可靠性的主要標準[25]。各附件絕緣試樣在工頻下的擊穿場強如圖5所示。SIR絕緣體內無晶相，橡膠分子鏈在非晶相中無規則排列，電荷輸運相對容易。S1和S2試樣的擊穿場強比較接近，均在24 kV/mm左右，運行年限較久的S3和S4試樣約為20 kV/mm，S4略高于S3試樣。EPDM試樣的擊穿性能整體優于SIR試樣，結合圖2知EPDM試樣晶型良好，相比于無晶相的SIR試樣，其絕緣內載流子遷移通道形成難度更大。E2試樣經歷了擊穿事故，分子結構破壞，但小分子物質出現重結晶現象，絕緣內部分無定型區向結晶區轉化[6]，晶體中分子鏈趨于規則排列，電荷輸運變難，故擊穿場強升高。

圖5 電纜附件絕緣的擊穿場強

體積電阻率直接影響絕緣內部的電場分布和擊穿性能。在表3所示的體積電阻率結果中，各試樣均滿足GB/T11017.3—2002對橡膠料體積電阻率不小于1015Ω·cm的要求。SIR的體積電阻率整體小于EPDM，這和兩種絕緣自身不同的晶相結構等材料性質有關。SIR和EPDM電纜附件的擊穿場強和體積電阻率有較好的一致性，運行年限越長，絕緣分子結構破壞程度加深，電阻率越低，但重結晶反應對絕緣試樣的體積電阻率有提升作用。運行年限相同時，取自中間接頭的S4試樣體積電阻率略高于取自電纜終端的S3試樣。

表3 附件絕緣試樣的體積電阻率

3.4 陷阱分布特性測試

陷阱密度與能級分別和陷阱數量與能量勢壘相關，是表征絕緣中空間電荷積聚的常用參數[26]。采用電暈放電方式對附件絕緣表面充電，然后通過測量表面電位隨時間變化情況分析絕緣表面電荷運輸特性和陷阱分布特性。附件絕緣的表面電位衰減曲線如圖6(a)所示。EPDM試樣在整個測試時間內都處于緩慢下降階段，SIR試樣的表面電位衰減則有快速和緩慢衰減兩個階段。經歷了放電事故E2試樣的衰減最慢，只投運了1年的S2試樣在快速衰減階段下降速度最快。從10 000 s內的衰減幅度看，EPDM的衰減率遠低于SIR，E2的衰減率僅為15%，E1在經歷了初始的快速下降階段后整體衰減率約為25%，兩種絕緣表面電位衰減的差異和其材料結構有關。

圖6 電纜附件絕緣的電位衰減與陷阱參數

基于等溫表面電位衰減(Isothermal Surface Potential Decay，ISPD)模型，結合雙陷阱假設對表面電位衰減曲線擬合計算[26]，得到如圖6(b)所示的陷阱電荷分布。從陷阱能級看，SIR試樣只有一個陷阱電荷中心，運行年限較長的S3和S4試樣陷阱電荷密度較大，投運1年的S2試樣陷阱電荷密度最??；E1試樣有兩個陷阱中心，而E2試樣只有一個陷阱中心，能級1.03 eV，為所有試樣中最高。SIR絕緣試樣的陷阱電荷密度整體大于EPDM試樣，這和SIR試樣內部的無定型區域有關，無定型區域的活性較強[27]，存在較多的交聯副產物和填充劑等生成的雜質基團，形成大量載流子陷阱，導致SIR試樣的陷阱密度增加。

4 討論

電纜附件的絕緣復合界面及其他生產、安裝造成的物理缺陷處容易發生電荷積聚，導致電場畸變，引起局部放電甚至擊穿事故。研究表明[28]，局部放電產生的熱電子能量可高達963 kJ/mol，能打斷SIR主鏈Si-O-Si(446 kJ/mol)和側鏈C-H鍵(413 kJ/mol)。電纜終端為增強絕緣強度會使其工作在硅油中，E2試樣中引入的含Si基團便與填充硅油有關，硅油中Si-C鍵(347 kJ/mol)和EPDM試樣中的C-C鍵(344 kJ/mol)及C-H鍵被局部放電產生的電子打開并鍵合成新基團，填充硅油和附件絕緣相互促進老化。硅油的電氣性能會隨終端運行年限增加而降低，甚至引起終端發熱，張靜等人[29]發現多年運行導致終端填充的硅油老化裂解，介電性能下降，且附件微裂縫滲入的水分會加速絕緣油老化。放電擊穿對絕緣材料的分子結構破壞嚴重，導致S1試樣分子鏈上有機基團數量降低明顯，E2的分子結構破壞也較嚴重，生成了C-O和C=O等老化標志物，同時出現振動頻率較高的-OH吸收峰，表明其絕緣內部氧化反應程度較深，分子斷裂生成的小分子物質進一步被氧化生成醛、酮等。此外C-O(326 kJ/mol)和C=O(728 kJ/mol)在放電作用下也會提供更多的氧氣[30]，使絕緣內部熱氧老化加劇，將老化斷鏈形成的CH2等物質進一步氧化成極性基團，導致絕緣極性增強，介電性能下降。

SIR試樣分子鏈段排列有序，在低溫下很容易發生結晶，同時硅氧烷側鏈上的Si-CH3有機基團能提供交聯點，加速結晶過程。熱氧老化引起的絕緣材料分子斷鏈和降解過程會破壞分子結構的規整性。分子主鏈和有機側鏈破壞程度越深，則硅氧烷分子鏈的規整度越差，對試樣的結晶性能抑制越強。發生擊穿事故的S1試樣和投運7年的S4試樣分子鏈斷裂程度較深，其熔點最低，結晶性能最弱。EPDM電纜附件絕緣在-50 ℃附近有輕微玻璃化轉變，在測試溫度范圍內未發生相變現象。SIR和EPDM材料均以無定型態為主，無定型區域內存在較多的斷鏈小分子、填充劑及交聯副產物等雜質。該區域活性較強，故分子斷鏈形成的小分子物質可能接觸發生重結晶反應，使絕緣內部分無定型區域向結晶區轉化，導致分子交聯度變大，分子鏈段遷移能力弱，不利于載流子在電場作用下移動并形成遷移通道[31]，進而使材料的體積電阻率和擊穿場強略有升高，投運2年的E2試樣雖然經歷擊穿事故，但重結晶反應使其仍具有良好晶型，故電氣強度仍然較高。

SIR和EPDM都是高聚物絕緣材料，SIR無晶相，呈高彈性，而由烯烴共聚物組成的EPDM則硬度較大。電纜附件工作在電纜導芯和地電極之間，當電壓等級較高時，其承受的電場強度較大。本文中的110 kV電纜附件，工作電場強度高，附件受到的電和機械應力大，相比SIR試樣，抗撕裂性更差的EPDM試樣分子鏈受到應力破壞的程度更嚴重。在如圖7所示的微觀形貌中，EPDM試樣受應力擠壓作用都出現了微裂紋和孔洞，且投運11年的E1試樣孔洞分布更加密集，微觀缺陷更多。絕緣微觀結構變化會直接影響絕緣表面陷阱參數，對比E1和E2試樣，隨運行年限增加，孔洞等物理缺陷的增加使絕緣表面陷阱能級向淺陷阱移動，表面電位衰減變快。S3和S4試樣投運年限相同，但S4試樣取自中間接頭，其擊穿場強、體積電阻率都略大于取自終端的S3試樣。相比于電纜終端，中間接頭由于擴徑和過盈配合需要，其絕緣內分子鏈和SiO2等填料復合界面更易受到應力作用被破壞，在設計制造時對其絕緣性能要求更高。

圖7 EPDM試樣的微觀形貌

由于材料內部聚集態結構的不同，EPDM和SIR試樣的陷阱分布有較大區別，EPDM試樣的表面電位衰減更慢。但聚合物的陷阱分布特性除和材料本身性質及添加劑等因素有關外，也和材料老化產生的新缺陷密切相關。SIR試樣中，投運1年的S2陷阱密度最低，整體小于其他經歷事故或運行時間更長的SIR試樣。EPDM的陷阱能級整體較深，結合XRD和FTIR結果，這既和試樣本身添加的Al2O3及SiO2等納米填料有關[18]，也和EPDM試樣運行老化中產生C-O和C=O等氧化物有關。放電事故導致E2試樣分子鏈斷裂，在分子鏈中引入了硅油中的含Si基團，并且進一步引發熱氧老化反應，生成-OH等強極性基團，這是其陷阱密度比E1試樣高的原因之一。

5 結論

本文對110 kV SIR和EPDM退役電纜附件的材料特性、熱學性能、介電特性和陷阱分布特性進行了測試和分析，得出如下結論：

(1)隨運行年限增加，SIR絕緣主鏈Si-O-Si比例下降且側鏈Si-CH3斷裂形成-CH2程度加深。放電事故導致EPDM絕緣出現C=O、-OH等極性分子且分子鏈中被引入硅油中的含Si基團，同時重結晶反應導致EPDM絕緣晶型發生變化。

(2)老化和放電故障會影響附件絕緣的結晶性能，使SIR熔點降低；EPDM絕緣保持彈性的低溫范圍比SIR大。電纜附件運行初期的重結晶現象有助于改善EPDM的聚集態，進而對絕緣的擊穿強度和體積電阻率有一定提升作用。

(3)EPDM附件絕緣的擊穿性能和體電阻率整體優于SIR試樣。SIR絕緣的陷阱電荷密度大于EPDM，表面電荷消散速度快于EPDM。附件絕緣運行老化過程引入的缺陷將增大材料的陷阱密度，而老化初期的重結晶可在材料內部形成深陷阱，進而使材料的電阻率和擊穿場強略有升高。