基于光學特性測量的XLPE劣化狀況評估

阮班義，陳雨歐，謝月，余嘉曼，陳奕濱，魏澤曉,樊麗麗

(1.國網江西省電力有限公司超高壓分公司，江西 南昌 330000；2. 廣東技術師范大學，廣東 廣州510665; 3. 江西工業貿易職業技術學院，江西 南昌 330000)

隨著國內城市的快速發展，110 kV交聯聚乙烯(crosslinked polyethylene，XLPE)電力電纜使用量逐年增加，對其運行安全性的要求不斷提高。電纜長期運行過程中的熱電等因素引起絕緣劣化，嚴重影響電網運行穩定性。20世紀60年代XLPE電纜投入運行后，電纜絕緣劣化狀況評估成為學者和電網運行部門關注的熱點問題之一，旨在從理論與實驗角度提出可用于電纜絕緣劣化評估的技術及方法[1-2]。到目前為止，從研究對象來看，高壓電纜絕緣狀況評估方法可分為2類：電纜整體絕緣性能直接評估和基于XLPE材料劣化反推電纜劣化狀況評估[3]。文獻[4]根據低頻與高頻條件下空間電荷測量，提出將電荷密度用于評估電纜整體絕緣劣化狀況，與擊穿強度結果呈現出一致性。文獻[5]基于0.1 Hz介電損耗測量，證明低頻介電譜測量可用于高壓電纜絕緣劣化評估，尤其是對劣化引起電纜進水后的檢測效果明顯。文獻[6]利用極化/去極化電流測量開展電纜絕緣劣化評估，研究證明在局部劣化或受潮等情況下評估電纜絕緣劣化的有效性。此外，歐陽本紅、鄭曉泉、G.Montanari、Y.Mecheri等人分別從局部放電、等溫松弛電流、絕緣電阻測量等方向開展了電纜整體絕緣劣化與評估研究[7-8]。在絕緣材料劣化方面，徐陽、尹毅、廖瑞金、Y.Ohki、S.Rowland等分別開展了有氧環境、溫度、濕度、電場等條件下的XLPE加速老化實驗，通過電導率、擊穿強度、介電損耗與各類材料性能測量的表征，進行了大量電纜整體絕緣劣化研究[9-10]。目前，從絕緣材料到電纜整體劣化評估都有了較多應用，但是在現場應用中，由于環境復雜和測試條件嚴苛，且缺乏數據支撐，開展在運電纜整體絕緣狀況評估時效果尚不理想[11]。已知在運電纜出現故障后進行電纜接頭或者終端制作時會產生少量剝離的XLPE，克服了在運電纜取樣難的問題?？紤]到大多數材料評估方法的設備和儀器體積較大，需要在實驗室內的特性條件下使用，同時配備專業的實驗操作人員，因此在電纜搶修現場采用折射率、透光強度等方便快速的性能測試方法，是對目標電纜進行絕緣狀況評估的方法之一[12-13]。

針對以上研究不足，本文選取2根不同運行年限的退役電纜，經過不同時間加速熱老化后，進行包括折射率、透光強度、電導率、工頻擊穿強度、熱分解溫度及紅外光譜測試。通過建立折射率、透光強度與其他性能參數隨試樣老化的關系，提出基于光學測量的電纜絕緣性能現場評估的初步可行性。

1 試樣制備及實驗描述

1.1 試樣制備

2根不同運行年限的110 kV XLPE電纜，其中一根運行了30年，一根作為備用，來自不同廠家。電纜剝去鋁護套和緩沖層后，沿電纜表面經過環形切樣后取絕緣層內層位置的XLPE作為測試對象。試樣厚度約為0.4 mm，均剪裁為長、寬5 cm的正方形。由于運行30年電纜的時間較久遠，其他相關重要信息無法得知。

2類試樣同時在120 ℃的恒溫條件下進行加速熱老化，每10 d取樣1次并完成相應特性測試，共完成60 d的加速熱老化測試。以運行30年電纜試樣為例，不同老化時間階段的試樣顏色變化如圖1所示。從圖1可觀察到，隨著老化時間增加，XLPE試樣切片從透明逐漸變為淡黃色，顏色逐漸加深。

圖1 老化后的XLPE顏色變化Fig.1 Color changes of aged XLPE samples

1.2 特征測試

1.2.1 紅外光譜

采用VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀儀完成傅里葉變換紅外光譜(Fourier transformation infrared spectroscopy，FTIR)測量，測量方式為衰減全反射，掃描范圍為500～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.2.2 交聯度測試

取烘干后的試樣0.25 g，利用銅絲網包裹后浸沒于二甲苯溶劑中，隨后在110 ℃條件下恒溫放置10 h。然后取出銅絲網中的殘留部分，在無水乙醇中清洗干凈后在90 ℃環境中干燥6 h。最后，稱量殘留部分質量，其與初始質量之比即為交聯度。

1.2.3 熱重分析

采用TG-209F1熱重分析儀，取樣5 mg置于坩鍋內，在空氣氛圍下以10 ℃/min的速率從25 ℃升溫至700 ℃。因氧氣條件下熱分解溫度差異較大，取質量減小3%時對應的溫度為熱分解溫度。同時，以試樣實時質量與初始質量之比百分數定義為試樣質量百分比。

1.2.4 折射率測量

鑒于陽光強度及不同波長光線對測量結果有影響，實驗以常規阿貝折射儀為基礎增加了固定光源(波長為650 nm)，來提供入射光線。

根據麥克斯韋的電磁波理論，電磁波在介質中的速度[14]

(1)

式中：c為光在真空中的速度；εr為介質的介電常數；μr為介質的磁導率。其中

(2)

式中：ε0為真空介電常數；μ0為真空磁導率。

設n為介質常數，n決定材料的光折射性質，是介質的折射率。光在真空中的速度c與在介質中的速度v之比為折射率，即

(3)

在無機材料電介質中，μ=1，故有

(4)

由此說明介質的折射率隨其介電常數的增大而增大，而介電常數是材料的重要參數之一，根據式(4)可知，常規折射儀可測量折射率范圍為1.3～1.7，對應的介電常數為1.69～2.89。根據文獻[15-16]，室溫下XLPE介電常數(50 Hz)在從2.2增大到2.89時，此時介電損耗與擊穿強度已有明顯變化，其中前者增加了2倍，后者下降了約20%。因此，介質的折射率反映介電常數，可用于估計材料的老化狀況。

1.2.5 透光強度

對XLPE等半透明固體電介質而言，光線入射至試樣后，在材料表面及內部主要發生2類變化，如圖2所示。

圖2 透光強度測試Fig.2 Transmittance test

圖2中，光線在表面(包括內表面和外表面)，多次折反射引起光線強度損失。隨著光線進入介質后，XLPE等材料對可見光的吸收強度較小，結晶-無定形結構中質量密度及分子鏈排布差異大，一次光線經過二者界面處發生較強散射，使得原有光線在傳播過程中耗散較大。

根據透射光強度I2與入射光強度I1的變化，計算透光強度

(5)

1.2.6 電導測量

采用傳統三電極測試系統，電極直徑20 mm，設定測試溫度為25 ℃，在20 kV/mm電場下測試電流，測量持續1 800 s。以最后1 min內電流數據的平均值最為有效值，然后計算電導率

(6)

式中：I為最后1 min內電流平均值；d為試樣厚度；S為電極截面積。

1.2.7 工頻擊穿強度

平板電極直徑20 mm，外加電壓頻率50 Hz，在線性升壓條件下從0 V開始上升，直至試樣擊穿。每一試樣的擊穿電壓重復10次，以平均值作為試樣擊穿強度。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜

圖3為運行30年電纜試樣老化前后FTIR圖。圖3中：吸收峰位于720 cm-1、1 440 cm-1、2 820 cm-1、2 890 cm-1，均為亞甲基吸收峰，為XLPE的特征峰且對老化不敏感。此外，老化10 d后在1 650 cm-1出現羰基吸收峰，為XLPE熱氧老化的顯著標志之一，強度隨老化時間增加而增大，這表明老化實驗開始后即發生了熱氧反應[17]。

圖3 紅外光譜Fig.3 Infrared spectroscopy

為更清晰表征熱氧老化程度與老化時間的關系，圖4對比了2個試樣羰基吸收強度隨老化時間的變化。盡管試樣來源不同，但是熱氧老化程度均隨著老化時間增加而增強。類比圖1試樣顏色從老化40 d開始出現明顯變化，說明熱氧反應初期未引起試樣阻礙光線的傳播。

圖4 1 650 cm-1處吸收強度-老化時間曲線Fig.4 Relationship between absorption strength and aging time corresponding to 1 650 cm-1

2.2 交聯度測試

圖5所示為交聯度測試結果，主要表征交聯分子結構特征。當試樣老化時間少于30 d時交聯度無明顯變化，老化時間超過30 d后，交聯度隨老化時間增加呈下降趨勢。由于交聯結構內分子鏈通過共價鍵連接，分子間作用力強，耐熱性能強于非交聯結構[18]。老化實驗進行10～30 d時熱氧反應強度不斷提高，試樣交聯度未變化，說明老化初期的劣化反應主要發生在非交聯位置，尤其是試樣表面。老化時間超過30 d后，交聯度開始下降，表明熱氧反應由試樣表面拓展至內部，逐漸引起網狀分子結構破壞。

2.3 熱重分析

圖6所示為熱分解曲線。

圖6 熱分解溫度曲線Fig.6 Thermal decomposition temperature curves

由圖6(a)可知，在空氣氛圍中，試樣的熱分解過程可分為2個階段，溫度升至約250 ℃時質量輕微變化，此過程主要是熱氧反應促進了小分子物質的分解，尤其是非交聯結構；溫度升至約330 ℃時試樣質量百分比迅速下降，此時交聯結構斷裂并迅速分解。由圖6(b)可知，當老化10～30 d時，熱分解溫度表現出隨試樣差異的波動。當試樣老化時間超過30 d時，熱分解起始溫度開始降低，空氣氛圍中的氧氣加速了材料的熱裂解結果[19-20]?？紤]交聯結構分子間作用力更強，因此熱分解起始溫度隨老化時間的變化與圖5中交聯度變化結果類似。

2.4 折射率

圖7所示為試樣折射率測試結果，主要衡量相同光線在介質中傳播速度，受到試樣表面和內部微觀結構的影響[12,15]。當試樣老化10～30 d時，2個試樣的折射率變化并不明顯，僅表現出微小增大的趨勢。而當老化時間增加至40 d時，折射率逐漸增大。當試樣老化至60 d時，受限于儀器的測量范圍，此時折射率高于1.7，可知折射率在繼續增大。

圖7 折射率測試結果Fig.7 Results of refractive index test

類比圖5與圖6結果可知，老化初期的熱氧老化僅作用于試樣表面，未引起試樣內部結構的變化，當老化實驗進行至40 d后，折射率變化結果與文獻[16]類似，說明介質對光線傳播的阻礙隨著熱氧反應從表面逐步拓展至內部。一方面電子分布與原子核電荷重心發生移動，使入射光線發生折射；另一方面，結晶結構的破壞，結晶-無定型區分布差異增大，同時老化因材料異構特征提升，均增大了光線傳播過程中的折射。

2.5 透光強度

通過圖2裝置測量的透光強度結果如圖8所示。結合圖1可知，老化時間小于30 d時透光強度僅有微小波動，主要由試樣厚度差異引起。當老化時間為40～60 d時，透光強度隨老化時間增加而減小?？紤]到光線也是電磁波，此類現象的原因主要有[21-22]：①分子結構破壞提高了光線傳播過程中與原子的電子極化作用，導致一部分能量被吸收，同時也有一部分能量發生折射；②結晶結構的破壞，結晶區-無定型區分散差異變大，光線色散和折射增強。

2.6 電導率和工頻擊穿強度

電導率與工頻擊穿強度測試結果如圖9所示。由圖4—6可知，老化實驗進行40 d后熱養老化逐漸引起試樣內部分子結構的變化?？紤]到電導率與工頻擊穿強度為衡量電子在介質中的運輸特性，且2個參數的變化與上述結果變化一致，即當老化時間為10～30 d時變化不明顯，老化40 d后電導率上升，工頻擊穿強度下降。

圖8 透光強度測試結果Fig.8 Results of transmittance test

圖9 電導率和工頻擊穿強度測試結果Fig.8 Results of conductivity and dielectric breakdown strength tests

2.7 綜合分析討論

對于XLPE而言，分子結構和結晶結構共同決定了材料的熱、電、光學等特征。如圖3所示，羰基吸收峰的出現表明XLPE老化開始即在試樣表面發生熱氧反應，且熱氧反應引起交聯結構破壞、分子鏈斷裂等已得到廣泛論證。但當老化時間為10～30 d時，除羰基強度外的其他特性參數幾乎無變化：交聯度與熱分解溫度未發生變化，說明此時內部分子結構未發生變化；透光強度、折射率及電導率未發生變化，表明在此老化階段熱電特性并未發生變化。由于測試結果會因試樣微觀結構差異存在波動，在此階段無法以羰基吸收峰說明熱氧老化引起了分子結構及熱電性能的變化。本文測試結果與文獻[23-24]的研究一致，可認為熱氧反應引起材料的劣化可從表至里逐漸發展。熱氧初期僅羰基強度增加，說明此時主要是材料表面狀況變化，而熱分解溫度、電導率測量等測量依賴于材料的“體效應”，在老化初期這一類參數變化不明顯。因此，依賴于表面特征參數說明老化開始熱氧老化即發生，而依賴于“體效應”的參數說明當熱氧老化進行至一定程度后才會引起材料特征的整體變化[25-26]。隨著老化40 d后，羰基吸收強度繼續增大，此時交聯度和熱分解溫度開始下降，說明更長時間的熱作用導致了分子結構的破壞。如圖5和圖6(b)所示，由于交聯結構決定了XLPE的耐熱性，2個參數的變化規律近似；結合圖1、圖7—圖9，不難理解結構變化導致了試樣顏色和對應的光、電性能的變化[27-28]。

本實驗采用的透射強度及折射率測量儀均為便攜式儀器，可滿足現場使用，且操作簡單。2個測量參數與熱電性能的單調變化關系可為在運電纜搶修階段對電纜絕緣層取樣提供參考依據，利用XLPE測量結果反映被測電纜絕緣狀況。由于測試對電纜無破壞作用，可為后續電纜絕緣狀況無損檢測及搶修現場電纜絕緣劣化狀況快速檢測提供新思路。

3 結論

通過對來自不同運行年限電纜的絕緣層XLPE開展加速熱老化實驗，結合羰基吸收強度、交聯度熱重、透光強度、折射率、電導率測試及工頻擊穿強度的測試結果，得到如下結論：

a) 羰基吸收隨老化實驗開始即出現且強度不斷增大，當老化時間超過30 d時才引起交聯結構與熱電性能的變化。隨著老化時間增加，羰基吸收強度、電導率與折射率同向變化，熱分解溫度、工頻擊穿強度與透光強度同向變化。

b) 采用2種便攜式光學儀器進行測量，測量參數與其他熱電參數呈現單調變化趨勢，可以很好地反映試樣的老化特征，尤其是當老化時間達到40 d后，可作為今后用于電纜絕緣狀態無損檢測的方法之一。