電老化與加速水樹(shù)老化對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣理化特性的影響

陳智勇,羅傳仙,張靜,周福升,唐捷,許飛,李建英

(1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,530023,南寧;2.國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院,430074,武漢; 3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

?

電老化與加速水樹(shù)老化對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣理化特性的影響

陳智勇1,羅傳仙2,張靜2,周福升3,唐捷1,許飛1,李建英3

(1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,530023,南寧;2.國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院,430074,武漢; 3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

交聯(lián)聚乙烯絕緣;電老化;加速水樹(shù)老化;微觀形態(tài)學(xué);陷阱

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)具有絕緣性能好、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、耐熱性能和耐老化性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),在電力系統(tǒng)中被廣泛采用,但在實(shí)際運(yùn)行中,其絕緣會(huì)受到電、熱、機(jī)械等多種應(yīng)力作用而發(fā)生老化現(xiàn)象,運(yùn)行環(huán)境下的老化會(huì)嚴(yán)重制約電力電纜的進(jìn)一步應(yīng)用[1-2]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)電力供應(yīng)要求的不斷提高,對(duì)電力電纜的耐壓等級(jí)和負(fù)荷提出了更高的要求,致使電力電纜的使用條件更加嚴(yán)格,因此對(duì)絕緣材料質(zhì)量和絕緣系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。

絕緣材料在制造過(guò)程中不可避免的存在雜質(zhì)、氣泡、縫隙等缺陷,當(dāng)其投入運(yùn)行后,在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下,這些缺陷就會(huì)引起不同形式的電老化。絕緣材料發(fā)生電老化效應(yīng)非常復(fù)雜,它們有單獨(dú)作用的,也有聯(lián)合作用的,主要有局部放電效應(yīng)、電痕效應(yīng)、樹(shù)枝效應(yīng)3種形式[3]。在電場(chǎng)作用下,絕緣材料即使不發(fā)生放電也會(huì)因?yàn)殡娏鞯耐ㄟ^(guò)導(dǎo)致表面溫度過(guò)高引起熱效應(yīng),使絕緣材料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生裂解而老化,最后還可能引起熱擊穿,同時(shí)熱效應(yīng)還會(huì)引起絕緣材料表面出現(xiàn)碳化通道。電纜在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、敷設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中都可能會(huì)浸水,研究表明在水分存在時(shí),絕緣中水樹(shù)老化仍是電纜絕緣擊穿的主要原因。針對(duì)XLPE絕緣老化的研究開(kāi)展較廣,涉及熱老化、電老化和水樹(shù)老化,主要包括老化理論模型的建立[4-6]、老化與水樹(shù)和電樹(shù)的關(guān)系[7-8]、老化對(duì)絕緣介電性能的影響[9]、基于老化的絕緣壽命評(píng)估[10]、老化過(guò)程中空間電荷的影響[11-12]等。在電場(chǎng)作用下,文獻(xiàn)[4,13]認(rèn)為空間電荷是導(dǎo)致介質(zhì)老化的關(guān)鍵因素,只有電壓達(dá)到一定數(shù)值后電極才會(huì)向試樣注入空間電荷。文獻(xiàn)[6,14]認(rèn)為在低電場(chǎng)下的老化是納孔造成的破壞,高電場(chǎng)下是麥克斯韋應(yīng)力引起的鍵斷裂造成的破壞。文獻(xiàn)[5,15]認(rèn)為電場(chǎng)引發(fā)的機(jī)械應(yīng)力是導(dǎo)致半結(jié)晶聚合物PE擊穿的主要因素。水樹(shù)與熱老化相關(guān)研究表明,熱氧化是熱老化中各種作用影響最大的,且熱氧化越嚴(yán)重,XLPE絕緣表面生成的水樹(shù)密度越大,向電場(chǎng)方向生長(zhǎng)的水樹(shù)長(zhǎng)度越短[8]。電樹(shù)生長(zhǎng)研究表明,不同電壓下電樹(shù)生長(zhǎng)形狀并不完全相同,且電樹(shù)生長(zhǎng)分為幾個(gè)明顯不同的階段[16]。對(duì)試樣熱老化研究表明,低溫?zé)崂匣欣赬LPE結(jié)晶形態(tài)的完善,高溫對(duì)XLPE結(jié)晶形態(tài)有顯著破壞[9]。在老化相關(guān)空間電荷研究中發(fā)現(xiàn),空間電荷能夠加速聚合物材料的老化進(jìn)程[13],并且陷阱電荷對(duì)電樹(shù)枝的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響[11]。這些相關(guān)研究從一定程度上揭示了老化對(duì)XLPE絕緣的影響。然而,通過(guò)對(duì)相關(guān)資料總結(jié)發(fā)現(xiàn),相關(guān)研究多是針對(duì)單一老化方式下的研究,針對(duì)相同試樣不同老化方式下的比較研究較少,并且從XLPE絕緣微觀形態(tài)學(xué)變化及陷阱形成方面對(duì)老化機(jī)理進(jìn)行分析的研究極其匱乏,研究多是基于壓制的薄膜試樣進(jìn)行的,與實(shí)際的電纜試樣或許存在差別,相關(guān)的結(jié)果因?qū)嶒?yàn)條件的不同亦會(huì)有很大區(qū)別。

本文對(duì)電老化(ETA)及加速水樹(shù)老化(AWTT)的XLPE試樣進(jìn)行理化特性分析,研究老化過(guò)程中的XLPE絕緣理化特性的變化規(guī)律,比較ETA與AWTT的XLPE試樣理化特性規(guī)律的異同,并建立了AWTT的微觀結(jié)構(gòu)模型,從微觀形態(tài)變化、陷阱的形成角度對(duì)老化機(jī)理進(jìn)行了深入分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣

選取10 kV XLPE電纜進(jìn)行加速水樹(shù)老化及加速電老化試驗(yàn),具體樣品編號(hào)及老化時(shí)間如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC-60502設(shè)定熱循環(huán),以每24 h為一個(gè)循環(huán)周期,其中加熱8 h,冷卻16 h,并保證導(dǎo)體在95～100 ℃之間保持2 h,且此2 h包含在加熱8 h內(nèi)。加速電老化是在熱循環(huán)的基礎(chǔ)上對(duì)電纜施加27.5 kV電壓;加速水樹(shù)老化是在加速電老化的基礎(chǔ)上將電纜導(dǎo)體內(nèi)注水,并將有效試驗(yàn)段置于水管內(nèi)。兩種方法老化條件的對(duì)比如表2所示。

表1 試驗(yàn)所用電纜樣品編號(hào)

1.2 試驗(yàn)手段

紅外光譜(FTIR)測(cè)試:使用日本SHIMADZU生產(chǎn)的IR Pres-tige-21型紅外光譜儀測(cè)試,波數(shù)測(cè)試范圍為500～4 000 cm-1。

X射線衍射(XRD)測(cè)試:使用丹東生產(chǎn)的DX-1000型X-射線衍射儀,掃描速度為0.3(°)/min,掃描角度2θ為15°～30°。

熱質(zhì)量分析(TG)測(cè)試:使用瑞士METTLER TOLEDO生產(chǎn)的TGA/SDTA 851e型熱質(zhì)量分析儀,測(cè)試溫度為50～550 ℃,升溫速率為10 ℃/min。

表2 10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜試樣老化條件對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 老化對(duì)分子結(jié)構(gòu)的影響

老化可以導(dǎo)致電纜絕緣產(chǎn)生化學(xué)變化,傅里葉紅外光譜可用于研究材料分子鏈結(jié)構(gòu)的變化。采用FTIR譜圖對(duì)不同老化程度的XLPE電纜絕緣進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析,研究化學(xué)缺陷隨老化變化的趨勢(shì)。

圖1 ETA與AWTT的XLPE電纜絕緣FTIR測(cè)試結(jié)果

為了定量分析老化過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì),采用內(nèi)標(biāo)法排除試樣厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。選擇2 010 cm-1峰作為內(nèi)標(biāo)峰,其面積與試樣結(jié)晶度、熱氧老化產(chǎn)物含量等無(wú)關(guān)。引入羰基指數(shù)對(duì)老化進(jìn)行定量分析,羰基指數(shù)可以表示為

K=A1/A2

(1)

式中:A1為羰基波段處的吸收峰面積,羰基峰包括1 700～1 750 cm-1的羰基波段;A2為內(nèi)標(biāo)峰2 010 cm-1峰面積。

圖2 ETA與AWTT的XLPE羰基指數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)式(1)計(jì)算得到各試樣羰基指數(shù),如圖2所示。ETA與AWTT試樣的羰基指數(shù)隨老化時(shí)間增加而增大,AWTT老化4 320 h后,羰基指數(shù)增加約0.4。雖然交聯(lián)聚乙烯電纜在制備后都在高溫下進(jìn)行真空脫氣處理,以除去電纜制備過(guò)程中產(chǎn)生的可揮發(fā)性的殘留副產(chǎn)物和雜質(zhì),但是電纜在制備過(guò)程中不可避免地會(huì)在絕緣內(nèi)殘留許多有機(jī)雜質(zhì)。未老化試樣內(nèi)少量的羰基可能是由于其在生產(chǎn)過(guò)程中使用的添加劑及殘留的交聯(lián)產(chǎn)物。

(b)—OH鍵圖與—OH鍵內(nèi)標(biāo)峰面積比隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

FTIR測(cè)試結(jié)果表明,老化過(guò)程中XLPE電纜絕緣試樣均發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化,老化方式對(duì)分子結(jié)構(gòu)的變化有很大影響,有電場(chǎng)存在的老化與熱老化的不同在于雙鍵的產(chǎn)生。老化過(guò)程中產(chǎn)生的羰基、羥基及雙鍵會(huì)隨老化程度的加深在試樣內(nèi)部沉積量增多。

2.2 老化對(duì)結(jié)晶形態(tài)的影響

采用XRD分析XLPE電纜結(jié)晶形態(tài),并計(jì)算其結(jié)晶度,獲得ETA與AWTT試樣X(jué)RD譜圖。圖4給出加速水樹(shù)老化及加速電老化4 320 h的XLPE電纜絕緣XRD譜圖及高斯擬合分峰結(jié)果。XLPE試樣在2θ為21.4°～21.6°及23.7°～24°之間各出現(xiàn)一個(gè)衍射峰,對(duì)應(yīng)于XLPE的正交晶型(110)、(200)晶面,在圖4中分別由峰2和峰3表示,20°附近的彌散峰對(duì)應(yīng)XLPE的無(wú)定形區(qū),由峰1表示。

(a)加速水樹(shù)老化4 320 h

(b)加速電老化4 320 h 圖4 高斯分峰擬合加速電老化及加速水樹(shù)老化試樣X(jué)RD曲線

考慮了高分子鏈在結(jié)晶區(qū)的有序性和非結(jié)晶區(qū)的無(wú)序性,結(jié)晶度計(jì)算分別在倒易空間內(nèi)產(chǎn)生衍射峰和彌散峰(晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)稱為正空間,晶體對(duì)X射線的衍射被稱為倒易空間),根據(jù)各峰的面積計(jì)算得到結(jié)晶度,如圖5所示。由此可見(jiàn),XLPE絕緣聚集態(tài)結(jié)構(gòu)受老化影響較大。電老化后,XLPE電纜絕緣結(jié)晶度先上升后下降,而加速水樹(shù)老化后XLPE電纜絕緣結(jié)晶度呈下降趨勢(shì)。

圖5 電老化及AWTT老化結(jié)晶度的變化趨勢(shì)

2.3 老化對(duì)絕緣熱穩(wěn)定性的影響

對(duì)不同老化試樣進(jìn)行TG測(cè)試分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。微分熱質(zhì)量法(DTG)是TG的一次微分曲線,DTG曲線表示質(zhì)量隨時(shí)間的變化率(dm/dt)與溫度(或時(shí)間)的函數(shù)關(guān)系。DTG曲線的峰頂為dm/dt=0,對(duì)應(yīng)TG曲線的拐點(diǎn),峰數(shù)代表TG曲線上的臺(tái)階數(shù),通過(guò)DTG曲線可以更容易發(fā)現(xiàn)TG曲線上的臺(tái)階。試樣的DTG曲線如圖7所示,m/m0表示剩余質(zhì)量與初始質(zhì)量的比值,由圖得到最快分解溫度Td及熱裂解活化能Ed如表3所示。

(a)加速水樹(shù)老化

(b)加速電老化圖6 兩種老化方式下試樣的TG曲線

(a)加速水樹(shù)老化

(b)加速電老化圖7 兩種老化方式下試樣的DTG曲線

表3 最快分解溫度及熱裂解活化能

從DTG測(cè)試結(jié)果可以看出,兩種方式老化后最快分解溫度均向低溫方向移動(dòng),這表明老化后材料熱穩(wěn)定性下降。加速電老化后DTG曲線未出現(xiàn)分峰現(xiàn)象;加速水樹(shù)老化試樣DTG曲線在老化后分裂出多個(gè)峰,老化時(shí)間越長(zhǎng)分裂的峰越多。由表3可以看出,加速電老化后試樣分解活化能略有下降,而加速水樹(shù)老化過(guò)程中各DTG峰所對(duì)應(yīng)的活化能均低于未老化試樣活化能。

3 老化機(jī)理分析

3.1 老化過(guò)程中的缺陷形成過(guò)程

絕緣老化是老化時(shí)間和老化誘導(dǎo)因子共同作用的函數(shù)。電纜在運(yùn)行過(guò)程中自身產(chǎn)生熱量且熱量傳導(dǎo)較慢,絕緣介質(zhì)產(chǎn)生較大的溫升。在有氧的環(huán)境下,XLPE大分子鏈在熱的長(zhǎng)期作用下會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),生成過(guò)氧化氫物,然后再分解成自由基;自由基遇氧生成過(guò)氧化物自由基,該自由基又可以提取其他高分子的氫原子,生成過(guò)氧化氫物及另一個(gè)自由基;過(guò)氧化氫物可以進(jìn)一步分解,而自由基又可以進(jìn)一步跟氧反應(yīng),因此該過(guò)程可以循環(huán)進(jìn)行,產(chǎn)生大量羰基等化學(xué)陷阱[17]。以上的氧化過(guò)程是自由基鏈反應(yīng),可以表示為

(2)

加速電老化過(guò)程中除了以上的熱氧老化過(guò)程外,還會(huì)在電場(chǎng)的作用下形成高能粒子,這些高能粒子有足夠的能量破壞分子鏈。對(duì)電介質(zhì)施加電壓,產(chǎn)生的高能熱電子不斷轟擊聚乙烯長(zhǎng)分子鏈,以產(chǎn)生自由基R·及雙鍵[18],表示如下

(3)

電纜短期或長(zhǎng)期運(yùn)行在水熱環(huán)境中,水分子會(huì)逐漸進(jìn)入電纜絕緣,在交流電場(chǎng)的作用下,電纜絕緣中以雜質(zhì)或微孔為中心引發(fā)大量的水樹(shù)。電纜中水樹(shù)的引發(fā)是從水分子的電化學(xué)離解開(kāi)始的,離解生成的離子進(jìn)一步形成自由基,自由基與高分子鏈發(fā)生反應(yīng)形成新的自由基,遇氧后會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)生成羰基、羥基等。將水熱環(huán)境下加速水樹(shù)老化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)變化進(jìn)行總結(jié),如圖8所示。老化過(guò)程中出現(xiàn)大分子鏈斷裂、形成自由基;自由基活性很大,可以與其他原子、分子或自由基發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量的化學(xué)缺陷。以上過(guò)程循環(huán)進(jìn)行也可以在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生新的物理陷阱并形成低密度區(qū)[18]。

3.2 AWTT微觀模型

為了描述加速水樹(shù)老化過(guò)程中結(jié)晶區(qū)的破壞和微孔的形成過(guò)程,建立電纜水樹(shù)老化模型如圖9所示。對(duì)介質(zhì)施加電壓后,會(huì)在垂直于電場(chǎng)的方向上產(chǎn)生很大的張應(yīng)力σ1,導(dǎo)致XLPE垂直于電場(chǎng)方向的片晶在σ1的作用下被拉開(kāi)[5,15],如圖9b所示。外界水分子在擴(kuò)散的作用下由絕緣外部向內(nèi)部移動(dòng),介電電泳力的作用使水分子在電纜內(nèi)缺陷處集中,形成充水微孔。水是極性液體介質(zhì),在電場(chǎng)作用下,充水微孔由于電致伸縮被極化拉長(zhǎng),形成橢球形,其長(zhǎng)軸沿電場(chǎng)方向。在電場(chǎng)作用下,水分子被極化,假設(shè)充水微孔是半徑為r的圓,則其受到的沿電場(chǎng)方向(即電纜徑向)的介電泳力為[19]

(4)

式中:ε1為XLPE的相對(duì)介電常數(shù);ε2為水的相對(duì)介電常數(shù)。

由于水的介電常數(shù)和電導(dǎo)率比XLPE的大很多,在交流電場(chǎng)下,由于選擇加熱過(guò)程導(dǎo)致微孔中水的溫度高于XLPE的溫度,此時(shí)熱膨脹力也會(huì)改變微孔的形狀。熱膨脹力σ3垂直于微孔表面,如圖9c所示。在電機(jī)械拉應(yīng)力、熱膨脹力及介電電泳力的作用下,連接片晶的分子鏈發(fā)生拉伸、斷裂,充水微孔的徑向前端產(chǎn)生亞微孔,缺陷不斷生長(zhǎng),結(jié)晶區(qū)遭到破壞。同時(shí),相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)水樹(shù)區(qū)域—CH3的吸收峰增大,—CH3的形成與聚合物的分子鏈斷裂有關(guān)。因此,加速水樹(shù)老化會(huì)破壞結(jié)晶區(qū),在宏觀上使材料趨于稀疏,自由體積增大,形成低密度區(qū),形成大量物理陷阱。

(a)無(wú)外施電場(chǎng)及水分的情況

(b)外施電場(chǎng)作用下的片晶受垂直于電場(chǎng)方向上張應(yīng)力的作用

(c)潮濕環(huán)境圖9 加速水樹(shù)老化過(guò)程中的水樹(shù)老化模型

XRD測(cè)試結(jié)果表明:ETA試樣的結(jié)晶度先上升后下降;AWTT試樣結(jié)晶度呈下降趨勢(shì)。XLPE絕緣老化過(guò)程中不僅發(fā)生大分子鏈的降解反應(yīng)(或陷阱形成過(guò)程),同時(shí)自由基還會(huì)與其他自由基偶合發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[17],因此老化的最終產(chǎn)物包含降解產(chǎn)物和交聯(lián)產(chǎn)物。在ETA過(guò)程中,老化初期化學(xué)陷阱形成過(guò)程較慢,交聯(lián)反應(yīng)占主導(dǎo)位置,因此結(jié)晶度會(huì)呈現(xiàn)小幅度上升。隨著老化程度的進(jìn)一步加深,分子鏈不斷斷裂,自由基不斷增加,化學(xué)陷阱大量形成,導(dǎo)致試樣內(nèi)結(jié)晶態(tài)向無(wú)定形態(tài)轉(zhuǎn)變,此時(shí)陷阱形成過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)位置,結(jié)晶度下降。由于電纜在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中不可避免地在絕緣材料內(nèi)殘留少量雜質(zhì)或納孔等缺陷,這些缺陷一般存在于界面處[19-20]。在潮濕的環(huán)境下對(duì)電纜施加交流電壓,水分由電纜外部以擴(kuò)散、介電電泳(利于水分集中于雜質(zhì)周圍)及電滲透(利于帶電離子、極性分子的遷移)的方式進(jìn)入電纜絕緣內(nèi)。由化學(xué)陷阱的形成過(guò)程可知,水分子發(fā)生電化學(xué)離解,離解生成的離子進(jìn)一步形成自由基,自由基與高分子鏈發(fā)生反應(yīng)形成新的自由基,遇氧后會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)生成羰基、羥基等,大量的化學(xué)缺陷不斷形成,導(dǎo)致老化初期化學(xué)缺陷的形成過(guò)程超過(guò)交聯(lián)過(guò)程,因此在AWTT過(guò)程中,結(jié)晶度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

在AWTT及ETA過(guò)程中,電纜在熱、氧氣及電應(yīng)力的作用下,XLPE高分子鏈斷裂并發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生了較小的斷鏈、雙鍵、羰基、羥基等極性基團(tuán)(或者化學(xué)陷阱)。由AWTT微觀結(jié)構(gòu)分析可知,加速水樹(shù)老化還能加速XLPE電纜絕緣內(nèi)亞微孔的生長(zhǎng),自由體積增加,產(chǎn)生大量物理陷阱,破壞結(jié)晶區(qū),從宏觀上使XLPE趨于稀疏,從而導(dǎo)致介質(zhì)分解溫度的下降,且出現(xiàn)多個(gè)最快分解溫度。加速電老化初期不僅發(fā)生著聚合物分子鏈的斷裂、含氧基團(tuán)等化學(xué)陷阱的上升,也會(huì)促進(jìn)聚合物的進(jìn)一步交聯(lián)及分子鏈間作用力的增加,這使得電纜絕緣熱性能并沒(méi)有明顯的下降。

老化對(duì)XLPE微觀形態(tài)學(xué)的影響從本質(zhì)上講是在一種或多種應(yīng)力的作用下化學(xué)反應(yīng)的問(wèn)題。研究表明,老化過(guò)程中產(chǎn)生化學(xué)陷阱或物理陷阱既可以充當(dāng)載流子陷阱,也可以成為電離中心,從而影響介質(zhì)內(nèi)載流子的產(chǎn)生及輸運(yùn)過(guò)程[21]。這些分子層級(jí)上的化學(xué)或物理缺陷會(huì)改變介質(zhì)內(nèi)空間電荷的分布特性,影響電荷積累速率及電荷積累量,導(dǎo)致材料局部場(chǎng)強(qiáng)畸變,影響材料擊穿強(qiáng)度。同時(shí)研究表明,老化過(guò)程中產(chǎn)生的羰基會(huì)加強(qiáng)載流子的散射,進(jìn)而影響載流子的輸運(yùn)過(guò)程及材料的擊穿性能[22]。

4 結(jié) 論

本文對(duì)實(shí)際XLPE電纜試樣進(jìn)行加速電老化和加速水樹(shù)老化試驗(yàn),根據(jù)電纜絕緣在老化過(guò)程中的微觀形態(tài)學(xué)變化,分析老化過(guò)程中陷阱的形成過(guò)程,從陷阱產(chǎn)生和變化層面對(duì)XLPE絕緣電老化和加速水樹(shù)老化的FTIR、XRD、TG測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,并且建立了AWTT微觀模型來(lái)分析加速水樹(shù)老化過(guò)程中微觀形態(tài)學(xué)變化及陷阱形成的規(guī)律。

(1)ETA和AWTT試樣羰基指數(shù)隨著老化程度加深呈上升趨勢(shì),ETA試樣羰基指數(shù)由原來(lái)的0.33增大到0.63,而AWTT試樣羰基指數(shù)增大到0.80。

(2)ETA試樣的XLPE電纜絕緣結(jié)晶度先上升后下降,AWTT試樣的XLPE電纜絕緣結(jié)晶度呈下降趨勢(shì)。ETA試樣結(jié)晶度由最初的32.1%上升到34.4%,之后又下降到33.2%,AWTT試樣結(jié)晶度由32.1%下降到30.0%。

(3)老化使得熱穩(wěn)定性下降。ETA試樣DTG曲線未出現(xiàn)分峰現(xiàn)象,AWTT試樣DTG曲線在老化后分裂出多個(gè)峰,老化時(shí)間越長(zhǎng)分裂的峰越多。加速電老化后試樣分解活化能略有下降,而加速水樹(shù)老化過(guò)程中各DTG峰所對(duì)應(yīng)的活化能均低于未老化試樣活化能。

(4)老化過(guò)程中理化特性的變化規(guī)律可以由建立的AWTT微觀模型結(jié)合陷阱的形成過(guò)程進(jìn)行合理解釋,老化過(guò)程中產(chǎn)生的陷阱對(duì)絕緣性能產(chǎn)生重要影響。

[1]CHEN G, DAVIES A.The influence of defects on the short-term breakdown characteristics and long-term DC performance of LDPE insulation [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2000, 7(3):401-407.

[2]FOTHERGILL J C, MONTANARI G C, STEVENS G C, et al.Electrical, microstructural, physical and chemical characterization of HV XLPE cable peelings for an electrical aging diagnostic data base [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3):514-527.

[3]王麗梅.110 kV電壓等級(jí)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料老化特性研究 [D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué), 2013.

[4]MAZZANTI G, MONTANARI G C, DISSADO L A.A space-charge life model for ac electrical aging of polymers [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(6):864-875.

[5]LEWIS T J.Ageing:a perspective [J].Electrical Insulation Magazine, 2001, 17(4):6-16.

[6]PARPAL J L, CRINE J P, DANG C.Electrical aging of extruded dielectric cables:a physical model [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(2):646-649.

[7]劉英, 曹曉瓏.直流電壓下交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中電樹(shù)枝的生長(zhǎng)特性研究 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(4):41-47.LIU Ying, CAO Xiaolong.Growth characteristics of electrical trees in XLPE cable insulation under DC voltage [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(4):41-47.

[8]李捍平, 黃志鵬, 李忠華.交聯(lián)聚乙烯電纜熱老化與電樹(shù)枝化相關(guān)性研究 [J].江蘇電機(jī)工程, 2009, 28(5):54-57.LI Hanping, HUANG Zhipeng, LI Zhonghua.Research on correlation between thermal aging and electrical treeing of cross-linked polyethylene cable [J].Jiangsu Electrical Engineering, 2009, 28(5):54-57.

[9]周韞捷, 李紅雷, 王琦夢(mèng), 等.加速熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣力學(xué)性能和介電性能的影響研究 [J].華東電力, 2014, 425(8):1606-1610.ZHOU Wenjie, LI Honglei, WANG Qimeng, et al.Effect of accelerated thermal aging on mechanical and dielectric properties of XLPE cable insulation [J].East China Electric Power, 2014, 425(8):1606-1610.

[10]胡加勵(lì).高壓XLPE絕緣電力電纜的電老化與壽命估計(jì) [J].哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào), 1987, 10(2):188-193.HU Jiali.Electrical aging and lifetime estimation of high voltage XLPE insulated power cables [J].HIET Journal, 1987, 10(2):188-193.

[11]TANAKA T, GREENWOOD A.Effects of charge injection and extraction on tree initiation in polyethylene [J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1978, 97(5):1749-1759.

[12]屠德民, 王新生.聚烯烴化合物電老化中的電子動(dòng)力學(xué)機(jī)理 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1993, 27(2):37-44.TU Demin, WANG Xinsheng.Mechanism of electronic dynamics in electrical aging of polyolefin compounds [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 1993, 27(2):37-44.

[13]DISSADO L A, MAZZANTI G, MONTANARI G C.The role of trapped space charges in the electrical aging of insulating materials [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(5):496-506.

[14]CHINH D, PARPAL J L, CRINE J P.Electrical aging of extruded dielectric cables:review of existing theories and data [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1996, 3(2):237-247.

[15]JONES J P, LLEWELLYN J P, LEWIS T J.The contribution of field-induced morphological change to the electrical aging and breakdown of polyethylene [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5):951-966.

[16]CHEN X R, XU Y, CAO X L, et al.Effect of tree channel conductivity on electrical tree shape and breakdown in XLPE cable insulation samples [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(3):847-860.

[17]李巍巍.XLPE電纜絕緣短時(shí)擊穿和長(zhǎng)期老化的研究 [D].西安:西安交通大學(xué), 2013.

[18]KAO K C.Dielectric phenomena in solids [M].San Diego, USA:Elsevier Academic Press, 2004:515-522.

[19]LI J Y, ZHAO X T, YIN G L, et al.The effect of accelerated water tree ageing on the properties of XLPE cable insulation [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(5):1562-1569.

[20]MUCCIGROSSO J, PHILLIPS P J.Morphology of cross-linked polyethylene insulation [J].IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1978, 13(3):172-178.

[21]BAMJI S S, BULINSKI A T, CHEN Y.Thermally stimulated current technique to evaluate polymer degradation due to water treeing [J].IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1993, 28(2):299-302.

[22]BANMONGKOL C, MORI T, MIZUTANI T, et al.Effects of oxidation on electrical conduction and breakdown of low-density polyethylene films with different densities [J].Japanese Journal of Applied Physics, 1998, 37(3R):872-877.

(編輯 杜秀杰)

Electrical Aging Test and Accelerated Water Tree Aging Test for Physicochemical Properties of XLPE Insulation

CHEN Zhiyong1,LUO Chuanxian2,ZHANG Jing2,ZHOU Fusheng3, TANG Jie1,XU Fei1,LI Jianying3

(1.Electric Power Research Institute, Guangxi Power Grid Corporation, Nanning 530023, China; 2.State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China; 3.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Chiana)

XLPE cable insulation; electrical aging; accelerated water tree aging; micromorphology; trap

2014-10-13。 作者簡(jiǎn)介:陳智勇(1983—),男,工程師;李建英(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51177121)。

時(shí)間:2015-02-27

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.010.html

10.7652/xjtuxb201504006

TM215.1; TM247

A

0253-987X(2015)04-0032-08