不同狀態(tài)下10kV 硅橡膠電纜接頭材料的老化與性能恢復(fù)*

胡青云，黃應(yīng)敏，胡超強(qiáng)，邵源鵬，郝志峰

（1 廣州番禺電纜集團(tuán)有限公司，廣東廣州511442；2 廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東廣州510006）

在電纜的使用中早期常常使用塑料絕緣材料來(lái)作為接頭材料，隨著材料學(xué)的發(fā)展，性能更優(yōu)的硅橡膠材料開(kāi)始應(yīng)用于電纜接頭材料中［1-3］。但隨著使用時(shí)間的增加，硅橡膠材料開(kāi)始出現(xiàn)老化情況，包括電老化［4］、熱老化［5］、外力作用［6］等。在老化中出現(xiàn)水樹(shù)［7］特征，水分容易進(jìn)入絕緣材料內(nèi)部形成水樹(shù)，降低了材料的絕緣性，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致材料的擊穿。而對(duì)老化的電纜接頭材料出于經(jīng)濟(jì)考慮，無(wú)法進(jìn)行全部更換，因此需要開(kāi)發(fā)老化的性能恢復(fù)方法。在早期對(duì)老化性能恢復(fù)中，常常將材料退運(yùn)后放置，由于材料具有彈性，放置中水樹(shù)中的水分?jǐn)U散出來(lái)，但重新投入使用后，性能很快會(huì)退化回先前狀態(tài)［8］。國(guó)外學(xué)者，目前研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為硅氧烷修復(fù)液，運(yùn)用修復(fù)液對(duì)材料進(jìn)行表面清洗，但無(wú)法深入滲透進(jìn)水樹(shù)區(qū)域，修復(fù)效果一般［9］。

1 不同狀態(tài)下10kV 硅橡膠電纜接頭材料老化

1.1 10kV 硅橡膠接頭材料熱老化

針對(duì)硅橡膠接頭材料的不同的熱老化時(shí)間來(lái)對(duì)硅橡膠材料的老化性能影響進(jìn)行研究。而硅橡膠在高溫下會(huì)發(fā)生主鏈降解以及側(cè)基氧化反應(yīng)，端基為硅羥基（Si-OH）的橡膠在受到高溫影響下，出現(xiàn)解扣降解情況，造成主鏈斷裂。在高溫下，甲基硅橡膠對(duì)端乙烯基（Si-C=C）發(fā)生無(wú)硅斷裂，同時(shí)，殘余催化劑也將參與解扣方式。而當(dāng)其中存在堿時(shí)，存在如圖1 所示反應(yīng)：

圖1 硅橡膠電纜接頭老化解扣反應(yīng)Fig.1 Reaction of silicone rubber cable joint

根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)得知，在硅橡膠泡沫中的結(jié)構(gòu)受破壞程度會(huì)隨著老化溫度的提高而增加［10-11］。而當(dāng)硅橡膠的材料在老化后因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致受到力矩壓縮，出現(xiàn)變形。在出現(xiàn)高溫老化時(shí)玻璃化轉(zhuǎn)變向高溫區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)硅橡膠材料的損耗降低。在硅橡膠作為電纜接頭材料的使用過(guò)程中，高壓直流電纜在使用過(guò)程中，由于自身運(yùn)行發(fā)出熱量的作用下，出現(xiàn)熱老化情況［12］。絕緣材料的分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致硅橡膠電纜接頭上的硅橡膠材料絕緣性能下降，直流擊穿強(qiáng)度降低。在不同老化時(shí)長(zhǎng)和測(cè)試溫度下硅橡膠電纜材料的直流擊穿強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 硅橡膠老化后的直流擊穿強(qiáng)度Table 1 DC breakdown strength of silicone rubber after aging

由表1 可知，在35℃、75℃的測(cè)試溫度中，135℃的熱老化溫度中擊穿強(qiáng)度最高。175℃下?lián)舸?qiáng)度最低，而在熱老化時(shí)長(zhǎng)達(dá)到700h 時(shí)，老化溫度對(duì)硅橡膠電纜接頭材料的擊穿強(qiáng)度影響不大。伴隨著老化時(shí)間的增加，硅橡膠材料的直流擊穿強(qiáng)度整體降低。由于材料內(nèi)部的老化時(shí)間的增加和溫度的提高，材料內(nèi)部出現(xiàn)熱降解反應(yīng)，形成低鍵能化學(xué)鍵，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)水樹(shù)區(qū)域，導(dǎo)致直流擊穿強(qiáng)度下降。

1.2 10kV 硅橡膠電纜接頭材料耐臭氧老化性

在硅橡膠材料使用中，由于電纜在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臭氧，對(duì)硅橡膠材料具有腐蝕作用，表面出現(xiàn)龜裂和白色粉狀物質(zhì)［13-14］。導(dǎo)致硅橡膠的硬度、憎水性變差，導(dǎo)致絕緣失效。如圖2 所示。

圖2 硅橡膠材料龜裂現(xiàn)象Fig.2 Cracking of silicone rubber material

在放電中，臭氧和硅膠中的甲基乙烯出現(xiàn)交聯(lián)反應(yīng)，并形成活性高的碳自由基，碳自由基會(huì)與硅橡膠上的硫化膠表面生成臭氧化物和密實(shí)薄層［15］。該薄層雖然可以阻擋臭氧滲透，但易受到破壞，當(dāng)臭氧滲透進(jìn)擴(kuò)大的裂縫中時(shí)，與硅橡膠的分子鏈發(fā)生反應(yīng)，破壞橡膠的分子鏈反應(yīng)，導(dǎo)致交聯(lián)鍵和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)破損，出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

2 不同狀態(tài)下10kV 硅橡膠電纜接頭材料老化性能恢復(fù)方法

2.1 修復(fù)液配制

本文使用了一種ML 的硅橡膠修復(fù)液，該修復(fù)液為低黏度的小分子有機(jī)液體，低溫柔順性和流動(dòng)性較好，同時(shí)不會(huì)發(fā)生結(jié)晶，對(duì)水反應(yīng)較為活躍，與水接觸發(fā)生聚合反應(yīng)，由于修復(fù)液的小分子結(jié)構(gòu)，滲透性較強(qiáng)。該修復(fù)液的主要成分為聚甲基苯硅氧烷，同時(shí)在該修復(fù)液中添加了催化劑TIPI 使修復(fù)液中的硅氧烷和水分子產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并消除水分子，并生成硅氧基團(tuán)以及甲醇，聚合物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如圖3 所示。通過(guò)使用該修復(fù)液來(lái)對(duì)硅橡膠接頭材料的水樹(shù)區(qū)域進(jìn)行填充和修復(fù)。

圖3 聚合反應(yīng)過(guò)程Fig.3 Polymerization process

2.2 修復(fù)液填充

在傳統(tǒng)修復(fù)過(guò)程中，修復(fù)液通過(guò)纜芯直接排出，少部分進(jìn)入絕緣層和水分反應(yīng)發(fā)揮作用。當(dāng)填充物的電導(dǎo)率σ 范圍為10-12～10-8S/m，在對(duì)10kV 硅橡膠的絕緣性上，影響最大的是電場(chǎng)的參數(shù)介電常數(shù)ε，而伴隨ε 增大，σ 對(duì)電場(chǎng)的影響越小。根據(jù)文獻(xiàn)研究，當(dāng)填充物的介電常數(shù)ε 小于3 時(shí)，電場(chǎng)與未老化前Emax0=2.77×106V/m對(duì)比更接近，可以提升電纜的絕緣強(qiáng)度。因此本文的性能修復(fù)方法在調(diào)制的修復(fù)液時(shí)將介電常數(shù)設(shè)置為接近或小于3。并將電導(dǎo)率保持在10-9S/m 以下，以保證優(yōu)良效果。修復(fù)液通過(guò)壓力注入橡膠電纜接頭中，壓力源使用N2氣瓶和修復(fù)液承裝瓶組成，承裝瓶采用不銹鋼制成，承受壓力大，且不會(huì)和修復(fù)液發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)使用N2壓力氣瓶，并將氣壓控制在0.2MPa，使氣體高速通過(guò)材料，排出接頭材料殘余水分。將N2瓶中氣壓調(diào)整至0.3MPa并將修復(fù)液沿材料孔隙擴(kuò)散至材料內(nèi)部。修復(fù)流程如圖4 所示。

圖4 修復(fù)裝置連接流程圖Fig.4 Flowchart of repair device connection

當(dāng)修復(fù)液進(jìn)入材料后，透過(guò)材料的XLPE 聚合分子的空隙進(jìn)入材料的水樹(shù)區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，如圖5 所示。

圖5 修復(fù)液在橡膠電纜接頭材料中的擴(kuò)散Fig.5 Diff usion of repairing fluid in rubber cable joint material

由于修復(fù)液中的催化物TIPT 遷移速度小于其中的聚合物，在修復(fù)液通過(guò)聚合分子后滲透到XLPE 的水樹(shù)區(qū)域時(shí)發(fā)生水解反應(yīng)，而修復(fù)液中的甲氧基在水分子的作用下，生成醇類(lèi)物質(zhì)，而當(dāng)催化劑TIPT 滲透至該位置時(shí)，在催化出水解產(chǎn)物PhMeSi(OH)(OMe) 并產(chǎn)生縮聚反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生二聚物，在進(jìn)一步的反應(yīng)中生成三聚物并在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)里填充水樹(shù)通道。在縮聚反應(yīng)下，伴隨多聚物生長(zhǎng)，整體反應(yīng)速度加快，同時(shí)殘余在絕緣體中的修復(fù)液也可以抑制水樹(shù)的發(fā)展。反應(yīng)過(guò)程為：

在催化劑TIPT 的作用下，產(chǎn)生的縮聚反應(yīng)：

反應(yīng)式（2）代表了二聚物的生成過(guò)程，而三聚物的生成過(guò)程如式（3）所示，同時(shí)伴隨著縮聚反應(yīng)，持續(xù)生成多聚物。而催化劑TIPT 與水形成水解反應(yīng)，在材料水樹(shù)區(qū)域中生成TiO2無(wú)機(jī)納米顆粒，由于TiO2具有親水性，可以附著在表面，形成水殼，提高材料的抗熱老化能力。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的硅橡膠電纜接頭材料的老化性能恢復(fù)方法的可行性，使用本文方法以及文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［3］ 中的性能恢復(fù)方法對(duì)10kV 硅橡膠電纜接頭材料進(jìn)行修復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 硅橡膠加速水樹(shù)老化處理

考慮到真實(shí)硅橡膠老化材料之間差別較大，影響實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。本文實(shí)驗(yàn)使用完好10kV 硅橡膠電纜接頭材料進(jìn)行加速水樹(shù)老化處理，在材料中的不同位置進(jìn)行分散扎孔，并將其放入濃度為20% 的NaCl 溶液中，同時(shí)每天時(shí)間10kV 工頻電壓10h，模擬工作環(huán)境，進(jìn)行材料加速老化處理，如圖6 所示。

圖6 材料加速水樹(shù)處理圖Fig.6 Materials accelerated water tree treatment chart

經(jīng)過(guò)處理后的材料內(nèi)部構(gòu)造出現(xiàn)老化反應(yīng)破壞，作為實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)材料。材料的導(dǎo)體截面為145mm2，內(nèi)半導(dǎo)電層厚度為0.75mm，XLPE 絕緣層厚度為4.2mm，外半導(dǎo)電層厚度為0.87mm，銅屏蔽層厚度0.1mm。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先使用4 個(gè)相同型號(hào)的10kV 硅橡膠電纜接頭材料進(jìn)行上述的加速水樹(shù)處理。其中一個(gè)材料根據(jù)上述內(nèi)容中的修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)液修復(fù)，其余材料使用文獻(xiàn)中記錄方法進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的材料使用EST122 型皮安表測(cè)試材料的電導(dǎo)電流，并檢測(cè)材料的絕緣電阻情況，來(lái)得出修復(fù)效果結(jié)論。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，首先對(duì)4 個(gè)經(jīng)過(guò)加速水樹(shù)處理后的硅橡膠電纜接頭材料進(jìn)行對(duì)比，以確定4 種材料經(jīng)過(guò)加速老化水樹(shù)處理后性能參數(shù)相仿，并為性能修復(fù)后的參數(shù)提供參考值。實(shí)驗(yàn)中為了檢驗(yàn)性能恢復(fù)情況，通過(guò)介質(zhì)損耗角的正切變化來(lái)反映聚合物的整體絕緣性能，同時(shí)檢測(cè)材料的絕緣電阻來(lái)評(píng)定絕緣性能的好壞，修復(fù)前的材料介質(zhì)損耗角的變化情況如圖7、圖8 所示。

圖7 材料老化后介質(zhì)磨損角變化Fig.7 Change of wear angle of media after aging

圖8 材料老化后絕緣電阻變化Fig.8 Changes of insulation resistance after aging

圖7 和圖8 證明材料在老化后性能相仿，可以使用進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)4 種材料進(jìn)行修復(fù)后，材料的介質(zhì)損耗角變化結(jié)果如圖9 所示。

圖9 材料修復(fù)后介質(zhì)磨損角變化情況Fig.9 Change of wear angle of media after material repair

圖9 中恢復(fù)方法一為本文方法，恢復(fù)方法二為文獻(xiàn)［1］中的恢復(fù)方法，恢復(fù)方法三為文獻(xiàn)［2］中的恢復(fù)方法，恢復(fù)方法四為文獻(xiàn)［3］中的恢復(fù)方法。從圖9 中可以發(fā)現(xiàn)，在修復(fù)后的一周內(nèi)，由于修復(fù)液消耗了材料中水樹(shù)水分，提高了材料的絕緣性能，同時(shí)催化加快了醇類(lèi)物質(zhì)的生產(chǎn)，使修復(fù)效果在一周內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定期，且介質(zhì)磨損角變化平穩(wěn)，而圖9 中，修復(fù)方法一的修復(fù)效果最好。修復(fù)后的絕緣電阻變化情況如圖10 所示。

圖10 修復(fù)后的絕緣電阻變化Fig.10 Changes in insulation resistance after repair

在圖10 中，經(jīng)過(guò)修復(fù)后的材料隨著靜置時(shí)間的增加，電阻值不斷增加，且在一個(gè)月后趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖10 和圖9 結(jié)果，證明本文設(shè)計(jì)的材料性能恢復(fù)方法修復(fù)效果較好，具有可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)10kV 硅橡膠電纜接頭材料的性能恢復(fù)方法的改進(jìn)，提高了修復(fù)后材料的性能。但本文研究中修復(fù)實(shí)驗(yàn)中使用的材料為人工老化后的材料，未來(lái)需要使用真實(shí)的老化材料進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析。同時(shí)在方法的改進(jìn)中，研究針對(duì)修復(fù)液的填充過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，缺乏對(duì)修復(fù)液成分的改良和深入研究。