電纜附件用硅膠的熱老化特性及其可靠性分析

胡青云 黃應(yīng)敏 胡超強 邵源鵬 郝志峰

摘 要：新型硅膠材料具有優(yōu)異的絕緣性和機電熱性能，在電纜附件中使用廣泛。電纜附件在長期的運行過程中，硅膠具有電樹老化性能，從而影響到硅膠材料在電纜附件中的可靠性。所以文章為了提高硅膠的應(yīng)用效果，通過實驗研究的方式對其熱老化特性和可靠性進行研究。研究結(jié)果表明，當溫度不斷增加時，硅膠的電樹起始電壓隨之發(fā)生明顯的降低趨勢，并且硅膠的電樹形貌也逐漸向叢狀電樹進行轉(zhuǎn)變，從而使得電纜附件所使用的硅膠具有滯長性，增加了電纜附件運行過程中潛在風(fēng)險，繼而降低了硅膠在電纜附件中應(yīng)用的可靠性，使得電纜附件更容易出現(xiàn)故障。對硅膠的熱老化特性和可靠性進行深入了解，有助于降低電纜附件的故障發(fā)生頻率。

關(guān)鍵詞：硅膠;電纜附件;熱老化特性;可靠性

中圖分類號：TQ424 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0033-04

Abstract：The new silicone material has excellent insulation and electro-thermal properties， and is widely used in cable accessories. In the long-term operation of cable accessories， silica gel has electrical tree aging properties， which affects the reliability of silica gel materials in cable accessories. Therefore， in order to improve the application effect of silica gel， its thermal aging characteristics and reliability are studied through experimental research. The research results show that when the temperature continues to increase， the initial voltage of the electrical tree of the silica gel will decrease significantly， and the electrical tree morphology of the silica gel will gradually change to a cluster of electrical trees， so that the silica gel used in the cable accessory has hysteresis， which increases the potential risks during the operation of the cable accessory， and then reduces the reliability of the application of silicone in the cable accessory， making the cable accessory more prone to failure. An in-depth understanding of the thermal aging characteristics and reliability of silicone will help reduce the frequency of failures of cable accessories.

Key words：silicone; cable accessories; thermal aging characteristics; reliability

隨著我國電力電纜的大力發(fā)展，電纜附件作為電纜傳輸線路的重要組成部分，在長期的運行過程中，容易發(fā)生各種故障問題[1]。主要原因在于其中使用硅膠絕緣材料在長期的使用過程中，不可避免的會受到熱的影響而出現(xiàn)老化，即硅膠具有一定的熱老化特性，于是就會影響到硅膠在電纜附件中應(yīng)用的可靠性[2-3]。所以文章對硅膠熱老化特性及其可靠性進行分析，有利于揭示電纜附件的失效機理，提高電纜附件中硅膠材料的應(yīng)用效果，降低電纜附件發(fā)生故障的概率。

1 實驗過程

1.1 實驗原材料及試樣制作

實驗需要的主要原材料為熱硫化液體硅膠。

試樣的制作：硅膠的試樣如圖1所示，就是將硅膠注入到預(yù)埋電極的模具中即可。然后將其鋼針的直徑設(shè)置為250?m，針板間距位置為（3±0.1）mm，針尖曲率半徑設(shè)置為30?m。試件中使用針尖的目的在于能夠使其附近沒有應(yīng)力集中和氣泡產(chǎn)生。

1.2 實驗系統(tǒng)

對電纜附件用硅膠的熱老化特性進行分析時，需要觀察硅膠顯微情況，并且對其進行高壓實驗，觀測硅膠的熱老化特性及其可靠性，所以在實驗中需要使用兩個關(guān)鍵性系統(tǒng)，分別為高壓實驗系統(tǒng)和顯微圖像實時采集系統(tǒng)，其中主要作用是對電樹枝進行觀察和測量。

1.3 實驗步驟

本文研究硅膠熱老化性特征及其可靠性，實驗將會觀測溫度對電樹的影響，由于硅膠的熱老化性會直接影響其可靠性，所以實驗過程中將主要分析硅膠的熱老化性，最后再分析硅膠熱老化性的變化會對其可靠性造成的影響。實驗的步驟如下所示：首先將硅油和試樣放入到烤箱中進行加熱，當其加熱到規(guī)定溫度之后，再將其讓到容器中，為了能夠保持容器中試件溫度不變，在容器外部設(shè)置加熱帶，該操作是屬于實驗前的準備階段;然后再設(shè)置實驗過程中的相關(guān)參數(shù)，如需要在試樣上施加工頻電壓，以500V/s的增速進行升壓，然后對硅膠的電樹長度進行觀察，當其長度增長到大致10?m時，記錄此時的電壓，并且該電壓為起樹電壓值。為了得到更為準確的結(jié)果，在每個溫度點下，需要進行20次試驗，然后得到最后的測量結(jié)果。在實驗過程中，電樹起始之后，保持此刻的電壓，然后觀察電樹的生長特點。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對硅膠電樹起樹電壓的影響

由于實驗中將溫度設(shè)置為變量，于是本文選取了六個不同的溫度，即25℃到150℃之間，每隔25℃設(shè)置為一個實驗溫度，然后在50Hz電壓下對硅膠的起樹電壓進行測量。為了形成對比實驗，實驗還對聚乙烯材料進行的分析。聚乙烯試樣進行實驗時，與硅膠一樣都采取預(yù)埋技術(shù)，但是相關(guān)的參數(shù)設(shè)置存在差別，其中的直徑設(shè)置為30?m，針尖曲率半徑設(shè)置為2?m，針尖距離地電機設(shè)置為（1±0.1）mm。溫度對兩種材料的起樹電壓影響如表1所示，圖2為溫度對硅膠材料起樹電壓的折線圖，其中聚乙烯材料和硅膠材料的起樹電壓基準值分別為6.5kV和9.8kV，所處的溫度分別為25℃和40℃。

從表1中可以看出，硅膠的電樹起樹電壓與溫度大致成反比關(guān)系，即當溫度上升時，電樹起樹電壓不斷降低，而且當溫度越高時，電壓降低的趨勢變慢。另外一種材料的起樹電壓隨著溫度的變化沒有表現(xiàn)出單調(diào)遞增或者遞減關(guān)系，而是當溫度不斷增加時，聚乙烯材料的起樹電壓先呈現(xiàn)出增長狀態(tài)，然后在呈現(xiàn)出降低趨勢。且當溫度越來越大時，該材料的電壓降低幅度也越大，當溫度超過100℃時，電樹起樹電壓發(fā)生非常明顯的下降趨勢。

從表中可以看出，溫度對兩種材料電樹起樹電壓的影響比較明顯，但是其中的影響特性存在差別。從圖2中可以看出硅膠材料從20℃一直升溫到150℃，其中電樹起樹電壓一致處于降低趨勢，并且材料處于室溫狀態(tài)時，就具有比較明顯的熱破壞特性。而另外一種材料，當溫度發(fā)生變化時，其電樹起樹電壓在100℃之前，溫度對其電壓影響比較小，所以沒有明顯的熱破壞特征，只有當溫度超過100℃之后，其電樹起樹電壓發(fā)生了顯著降低效果，并且表現(xiàn)出明顯的熱破壞特征。當材料發(fā)生熱破壞特征之后，其穩(wěn)定性就會降低。

通過上述分析結(jié)果可知，溫度對硅膠材料的影響比較大，電纜附件在使用硅膠材料時，其運行溫度處于90℃中，此時的硅膠材料電樹起樹電壓下降比較明顯，所以在內(nèi)部電場控制中，一定需要考慮硅膠的熱破壞特性。因為溫度過高，硅膠的熱老化特性比較明顯，容易引發(fā)熱破壞，造成電纜附件出現(xiàn)各種故障問題，考慮硅膠的熱破壞特性有助于降低安全事故頻率和減少經(jīng)濟損失。

2.2 溫度對硅膠電樹形態(tài)的影響

在實驗過程中，電纜附件所用的硅膠材料剛開始出現(xiàn)電樹之后，保持該壓力不變，然后增加其作用時間，硅膠中電樹將會出現(xiàn)3種不同的電樹形態(tài)，3種電樹形態(tài)如圖3所示，分別為樹枝狀、松枝狀和叢狀[4-5]。從圖3（a）中可以看出，其中只有少量的樹枝通道存在，通道的分叉比較少，并且樹枝的顏色呈現(xiàn)狀態(tài)比較淺，該狀態(tài)下所處的電壓為10.5kV，生長時間為150s;從圖3（b）中可以看出，松枝狀電樹中樹枝顏色比較深，樹枝已經(jīng)發(fā)展到具有“枝干”，即有粗大主通道，然后其引發(fā)出多條分枝，在每個分枝上還存在比較密集的針狀松葉，即相比于圖3（a），松枝狀電樹的生長速度非?？?，該狀態(tài)下所處的電壓為11.5kV，生長時間為200s;從圖3（c）中可以看出，其形態(tài)呈現(xiàn)出非常茂密的叢狀電樹，因為電樹起樹時，在短時間內(nèi)其針尖處突然有非常多新的樹枝通道，這些通道集聚在針尖附近，所以就導(dǎo)致出現(xiàn)如圖3（c）所示的形狀，該狀態(tài)下所處的電壓為10kV，生長時間為200s。當電纜附件所用的硅膠受到熱老化之后，呈現(xiàn)出松枝狀電樹時，因為該電樹生長速度比較快，所以就會在短時間內(nèi)導(dǎo)致電纜絕緣材料出現(xiàn)擊穿后果。當硅膠呈現(xiàn)出叢狀電樹時，因為該電樹具有明顯的滯長現(xiàn)象，所以并不會像松枝狀電樹在短時間內(nèi)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，然而該中樹狀具有潛伏性，也會嚴重影響到電纜附件的使用效果[6-7]。

通過上述3種硅膠電樹形態(tài)的介紹，然后分析了3種電樹形態(tài)下，溫度對其起樹電壓的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，3種不同的電樹形態(tài)下，當溫度不斷增加時，其起樹電壓都處于隨之下降的趨勢。當溫度比較低時，3種電樹形態(tài)的起樹電壓比較大，并且起樹電壓還具有較大的分散性，在低溫狀態(tài)下，樹枝電樹和松枝電樹發(fā)生的頻率更高。然后當溫度上升之后，起樹電壓的分散性開始呈現(xiàn)出下降的狀態(tài)，并且電樹形態(tài)開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，叢狀電樹和松枝狀電樹發(fā)生的頻率更高。當溫度繼續(xù)升高時，即超過100℃時，從圖中可以看出，起樹電壓變得更低，與室溫時的起樹電壓相比，降低了33%左右，然而其分散性出現(xiàn)了明顯的降低趨勢，另外，電樹形態(tài)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥袇矤铍姌洹?/p>

通過對電樹的3種形態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，從中可以發(fā)現(xiàn)，當溫度不斷增加時，叢狀電樹發(fā)生的概率有所增加，而另外兩種形態(tài)電樹發(fā)生頻率會隨溫度增加而呈現(xiàn)出降低趨勢。另外，每種形態(tài)樹脂的起樹電壓變化趨勢一樣，其中松枝狀電壓不管出于何種溫度下，其起樹電壓使用大于叢狀電樹的起樹電壓。

電纜附件所用的硅膠在溫度的影響之下，會出現(xiàn)電樹狀況，并且在硅膠內(nèi)部的發(fā)展會經(jīng)歷一個變化過程，比如從最開始的起始期，到慢慢開始生長，然后進入到滯長器，再又進入到下一個生長期，然后到滯長期，以此進行循環(huán)，直至硅膠中的電樹造成擊穿為止[8]。3種不同電樹形態(tài)中，一般情況下，叢狀電樹就處于滯長期階段，在此階段其中相關(guān)的參數(shù)變化比較小，不容易進行判斷，所以對其進行診斷比較困難。通過上述實驗得知當溫度低于90℃時，電纜在運行時，其中所用的硅膠在比較低的電壓條件下就會容易生成電樹，另外，電樹形態(tài)中叢狀電樹生成的頻次比較多，該電樹具有滯長特性，能夠在電纜附件所用的硅膠中潛伏很長時間，所以就會給電纜附件造成故障隱患。

電纜在運行過程中，硅膠容易造成老化破壞，尤其是溫度的變化，使得硅膠的熱老化特性變得更加顯著，而實驗中研究的另外一種聚乙烯材料在溫度低于100℃時，其熱破壞特性表面并不是很明顯。另外，使用硅膠作為電纜附件的材料，當溫度低于90℃時，其中容易出現(xiàn)叢狀電樹，對于電纜的運行存在一定的潛在威脅，相關(guān)人員需要對此進行重視。需要對硅膠的熱老化特性有一個深刻了解，才能將其更好的應(yīng)用到電纜附件中，從而降低電纜運行故障的發(fā)生頻率。如果硅膠的熱老化特性比較明顯，那么就會降低硅膠的可靠性。所以熱老化特性對硅膠可靠性具有直接的影響。于是下文將對硅膠穩(wěn)定性進行分析。

3 電纜附件用硅膠的穩(wěn)定性分析

當前，電纜附件所使用的電壓等級都有相關(guān)的標準和規(guī)范，其中所使用的相關(guān)材料都有一定的要求和標準，比如要具有一定的擊穿強度，從而可以防止所用材料的熱老化特性[9]。比如我國常用的220kV電纜附件，相關(guān)規(guī)范標準中就已經(jīng)清楚明了的記載著電纜附件用硅膠和聚乙烯材料的短時工頻擊穿強度都不能夠小于22kV·mm-1。所以，從中可以使用聚乙烯和硅膠這兩種材料對其擊穿強度的要求一致。并且，近幾年來，由于硅膠的擊穿性能能夠滿足規(guī)范要求，而且還具有較好的機械性能等，所以在電纜附件中具有較為廣泛的應(yīng)用。

但是通過上述實驗可知，電纜附件用硅膠并沒有想象中非常強的可靠性。由表1和圖2可知，當溫度處于90℃左右時，電纜附件長期在這樣的環(huán)境中進行運行，聚乙烯材料的熱老化特性不是很明顯，受到溫度的影響比較小，但是硅膠材料出現(xiàn)了明顯的熱破壞特性，并且受到溫度的影響非常明顯。因此可以說明，在此溫度條件下，電纜附件用硅膠的可靠性發(fā)生明顯降低，硅膠的可靠性降低，就會影響到硅膠在電纜附件中的應(yīng)用效果，使得電纜附件出現(xiàn)各種問題。所以，為了增強硅膠的可靠性，在設(shè)計電纜附件過程中，需要充分考慮到硅膠的熱破壞特性，不然硅膠的可靠性會比較低。雖然硅膠的可靠性還會受到其他因素的影響，但是，對于硅膠材料來講，其熱老化特性屬于最直接和最關(guān)鍵的影響因素。當前，電纜附件發(fā)生故障的頻率較高，其中很多原因在于所使用的材料可靠性不高，在設(shè)計上缺乏足夠的試驗和理論，所以在使用電纜附件中使用硅膠材料之前，需要對其進行熱老化特性和可靠性試驗研究，從而保證材料在使用過程中的耐久性，降低電纜附件的故障頻率。

4 結(jié)語

電纜附件用硅膠在長期的使用過程中，容易出現(xiàn)各種老化問題，上文通過實驗分析，研究了溫度對硅膠熱老化特性的影響，并且在相同的環(huán)境下研究了聚乙烯材料的性能，研究結(jié)果表明，當溫度低于100℃時，溫度對聚乙烯的熱老化特性影響比較小，材料沒有出現(xiàn)明顯的熱破壞特征，但是硅膠材料卻表現(xiàn)出明顯的熱破壞特征。另外，在分析硅膠的電樹形態(tài)時，發(fā)現(xiàn)當溫度不斷增加時，表現(xiàn)出叢狀電樹的趨勢。由于叢狀電樹具有滯長性，所以當溫度越高時，電纜附件中將會存在潛在的隱患，所以將會影響到硅膠在電纜附件中可靠性。在對電纜附件進行設(shè)計時，必須要考慮到硅膠的熱老化特性和可靠性，從而提高電纜附件的運行效果。

參考文獻

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