微水含量及老化狀態(tài)對絕緣硅油介電特性的影響

王飛風(fēng)，郭金明，田樹軍，卓浩澤

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

0 引言

電纜及電纜附件運(yùn)行狀況的好壞逐漸成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保障。與電纜本體相比，電纜終端及接頭屬于絕緣較為薄弱的環(huán)節(jié)，絕大部分的電纜運(yùn)行故障發(fā)生在終端或接頭部位。與固體絕緣終端相比，絕緣硅油填充的電纜終端以其成熟的生產(chǎn)制造工藝和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在高壓電纜終端中一直占有很大比例。然而在實(shí)際運(yùn)行中，絕緣硅油會受到高溫、氧氣、潮濕和強(qiáng)電場等外界因素的作用而發(fā)生劣化變質(zhì)，從而造成絕緣性能下降，最終導(dǎo)致電纜終端出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象甚至絕緣擊穿[1-6]。根據(jù)GIGRE B1工作組對51～400 kV電纜終端進(jìn)行的故障統(tǒng)計(jì)，充油電纜終端內(nèi)部填充硅油劣化是導(dǎo)致其故障的重要原因之一[7]。

研究表明，微水含量增多及油長鏈分子的裂解是導(dǎo)致硅油絕緣狀態(tài)下降的重要因素[8-9]。目前測量絕緣硅油中微水含量的手段主要為卡爾-費(fèi)休滴定法，表征硅油劣化產(chǎn)物的方法有溶解氣體分析法、紅外光譜測試[10]等。上述方法普遍存在所需時間長且現(xiàn)場取油不便等缺點(diǎn)，而近年來基于介電響應(yīng)原理的絕緣評估技術(shù)因信息量豐富、無損測試等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用到各類電氣絕緣老化及受潮狀態(tài)評估中[11-13]。因此，研究絕緣硅油的微水含量及老化狀態(tài)與硅油介電性能之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探究由介電測試手段反映硅油中絕緣狀況的可行性對于現(xiàn)場運(yùn)維人員掌握高壓電纜充油終端的絕緣狀態(tài)至關(guān)重要。而現(xiàn)有相關(guān)研究主要集中于對變壓器用礦物油的介電特性建模[14-16]，以及在此基礎(chǔ)上的絕緣狀態(tài)評估[17-18]，而缺乏對高壓電纜內(nèi)部絕緣硅油的關(guān)注。

因此，本文在前人對絕緣油介電特性研究的基礎(chǔ)上，利用極化去極化電流(polarization and depolarization current, PDC)法對不同微水含量及電熱聯(lián)合老化狀態(tài)下的充油電纜用絕緣硅油的介電特性進(jìn)行了分析。討論了硅油絕緣狀態(tài)對其弛豫特征參數(shù)的影響。并在此基礎(chǔ)上，提出能夠良好表征硅油微水含量及老化狀態(tài)的介電特征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)所用的硅油為美國道康寧公司生產(chǎn)的XIAMETER? PMX-561硅絕緣油，其主要成分為聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。首先，將硅油樣品放入70 ℃、133 Pa條件下的真空干燥箱中進(jìn)行72 h的干燥脫氣處理。隨后將干燥后的硅油樣品放入23 ℃、80%濕度的恒溫恒濕箱中進(jìn)行吸潮實(shí)驗(yàn)，按照規(guī)定時間拿取樣品進(jìn)行水含量測試，直至油中微水含量達(dá)到飽和，以得到不同微水含量的硅油樣本。微水含量測試采用BYES-3型卡爾-費(fèi)休滴定測試儀。需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)過程中的移液、干燥、測量等環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量減少樣品與空氣的直接接觸時長，以杜絕測試過程中因外界水分的滲入而導(dǎo)致的測量誤差。本實(shí)驗(yàn)得到6種不同微水含量的硅油樣本，分別為16.71 mg/L、34.26 mg/L、57.29 mg/L、79.15 mg/L、100.46 mg/L與142.58 mg/L。

硅油的電熱聯(lián)合老化實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示，將硅油倒入密封良好的石英容器中，并將容器放入溫度為160 ℃、濕度為0的恒溫恒濕箱中。容器內(nèi)安放有針-板銅電極，板電極直徑為100 mm，針電極長度為20 mm，曲率半徑為22.43 μm。上極板接15.0 kV輸出電壓，上極板均勻分布4根銅針電極，針尖距下極板8 mm。通過高頻電流互感器（HFCT）檢測到加壓過程中，油中始終有局部放電的存在。在電熱老化進(jìn)行到15 d、40 d、90 d、145 d與190 d時，分別對容器內(nèi)部硅油進(jìn)行取樣測試。此外，對于所有的老化硅油樣本進(jìn)行了水含量測試，結(jié)果表明，所有經(jīng)電熱老化硅油的水分含量均在20 mg/L以下。由此可排除水含量對不同老化硅油樣本介電測試結(jié)果的影響。

圖1 硅油電熱聯(lián)合老化平臺Fig. 1 Silicon oil electric-heat combined aging platform

1.2 絕緣硅油的極化去極化電流測試

PDC方法通過測試外施直流電壓下的極化電流與撤去電壓后的去極化電流，通過進(jìn)一步計(jì)算得到表征材料電導(dǎo)與極化過程的參數(shù)，以此達(dá)到分析材料絕緣狀態(tài)的目的。本文所選用的絕緣硅油介電性能測試電極型號為MZ122三電極油杯，如圖2所示。高、低壓電極之間的油隙寬度為2 mm，屏蔽電極用以消除硅油液面泄漏電流對測量結(jié)果的影響，空杯電容約為60 pF。針對絕緣硅油的PDC測試回路如圖3所示，外施極化電壓選擇為200 V，當(dāng)高壓開關(guān)接觸點(diǎn)a時，構(gòu)成極化充電回路，此時測得電流即為絕緣硅油的極化電流；當(dāng)高壓開關(guān)接觸點(diǎn)b時，構(gòu)成去極化放電回路，測得電流為絕緣硅油的去極化電流。極化時間與去極化時間都設(shè)置為180 s。通過上位機(jī)控制高壓開關(guān)動作、直流電壓源的輸出電壓，及采集皮安表測得的電流數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)的皮安表型號為Keithley 6 485。

圖2 三電極油杯結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of the three-electrode oil container

圖3 絕緣硅油PDC測試示意Fig. 3 Diagram of PDC test for insulating silicone oil

2 結(jié)果與分析

2.1 PDC參數(shù)計(jì)算

2.2 絕緣硅油的載流子遷移分布模型

在直流電場作用下，油中極化去極化電流是由硅油中存在的載流子定向遷移所產(chǎn)生的。當(dāng)直流電壓施加于正負(fù)電極上時，油中主要存在正負(fù)載流子的解離、復(fù)合與漂移過程。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，當(dāng)電場強(qiáng)度不高于3 kV/mm時，金屬電極注入電子或空穴所貢獻(xiàn)電流值遠(yuǎn)小于油中本身載流子所貢獻(xiàn)電流[21]。具體的物理過程可描述如下：載流子在直流電場作用下的定向遷移從而產(chǎn)生極化電流，此時，金屬電極表面的肖特基注入電荷來不及中和到達(dá)電極的載流子電荷，因此載流子會堆積在極板表面，如圖4所示，撤去外施電壓后電極表面的堆積載流子又重新分散至油隙中。文獻(xiàn)[14]中對該過程進(jìn)行了詳細(xì)的遷移過程建模與數(shù)學(xué)推導(dǎo)，但其存在的問題是，文中僅將油中的載流子分為了正負(fù)離子。而實(shí)際上，由于水分侵入，以及電熱老化致使長鏈硅油分子斷裂等過程的影響，油中還應(yīng)存在包含水合離子及硅油小分子鏈等多種不同類型的載流子，不同載流子間的遷移率及濃度應(yīng)存在差異。因此，本文后續(xù)分析中將不同載流子的遷移及擴(kuò)散特性的差異性納入考慮。

圖4 絕緣硅油離子遷移分布示意Fig. 4 Diagram of ion migration and distribution of insulating silicone oil

由于本實(shí)驗(yàn)中硅油內(nèi)部場強(qiáng)僅為100 V/mm，因此對上述離子遷移分布模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算中做出如下合理假設(shè)：（1）陰離子、陽離子均勻分布于間隙，且同種類型載流子的陰、陽離子遷移特性相同；（2）不考慮電極電荷的肖特基注入；（3）所有載流子在電極表面均會阻塞堆積。

在PDC測試過程中，極化電流測試階段為載流子在金屬電極表面堆積的過程，直至載流子的漂移與擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時金屬表面的某種載流子的電荷量設(shè)為Qi。當(dāng)剛撤去外施直流電壓時，即去極化階段，極化階段所堆積的電荷會在濃度差的作用下擴(kuò)散至油隙中，從而在外部回路中產(chǎn)生電流，即去極化電流。在上述假設(shè)成立的情況下，經(jīng)推導(dǎo)得到去極化電流值[16]為

式中:l為極板間距；n為硅油中的載流子種類數(shù)；Di為第i類載流子的擴(kuò)散系數(shù)；Qi為載流子的電荷量；t為去極化測試時間。

令

則式(7)可表示為

由上述分析可知，可通過對去極化電流的進(jìn)一步分析獲得絕緣硅油中不同種類載流子的介電弛豫信息。弛豫時間τi表征載流子在油中的遷移時間，而Ai·τi表征第i類載流子的濃度。

2.3 絕緣硅油的PDC測試結(jié)果及分析

不同微水含量及電熱老化時長的絕緣硅油的極化與去極化電流曲線分別如圖5、圖6所示。其中，對于去極化電流，本文給出了實(shí)測值以及通過所采取的算法式（13）對式（10）參數(shù)進(jìn)行辨識得到的擬合曲線。

圖5 不同微水含量硅油的PDC測試電流Fig. 5 PDC test currents of silicon oil with different moisture content

圖6 不同老化時長硅油的PDC測試電流Fig. 6 PDC test currents of silicon oil with different aging time

由圖5中可看出，隨著微水含量的增加，極化電流中末尾電導(dǎo)部分總體上呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢，這是由于微水含量的增多導(dǎo)致硅油中載流子濃度增加。此外，由于水為強(qiáng)極性物質(zhì)，其含量增加也會導(dǎo)致硅油的極化強(qiáng)度增加，故其去極化電流也隨微水含量的增多而增大。

從圖6中可看出，隨著硅油電熱老化時長的增加，其極化電流末尾段的電導(dǎo)部分呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)老化時長達(dá)到90 d時，其電導(dǎo)電流達(dá)到峰值。根據(jù)式(2)計(jì)算得到的不同硅油樣本的直流電導(dǎo)率如圖7和圖8所示。根據(jù)華爾屯定理，液體絕緣介質(zhì)中直流電導(dǎo)率[22]可寫成

圖7 不同微水含量硅油的直流電導(dǎo)率Fig. 7 DC conductivity of silicone oil with different water content

圖8 不同老化時長硅油的直流電導(dǎo)率Fig. 8 DC conductivity of silicone oil with different aging time

式中：n為載流子濃度；q為載流子帶電量；μ為載流子遷移率。其中

式中：η為液體介質(zhì)的粘度。

在硅油介質(zhì)的老化過程中，硅油長鏈分子的斷裂一方面使得油中載流子濃度增大，即n增大，另一方面，硅油分子側(cè)甲基氧化產(chǎn)生甲醛、甲酸，硅油分子逐漸交聯(lián)，導(dǎo)致粘度隨老化過程而逐漸增大[23]，使得載流子遷移率μ減小。圖9所示為不同老化程度硅油的粘度變化規(guī)律，粘度數(shù)據(jù)通過SHP NDJ-5 S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量得到。在老化前期，油中斷鏈小分子增大的速率大于硅油粘度增大的速率，從而使得硅油的直流電導(dǎo)率增大。而當(dāng)電熱老化進(jìn)行至90 d后，硅油粘度增大速率大于油中載流子增大速率，而又使得其電導(dǎo)率下降。在本文的電熱老化實(shí)驗(yàn)過程后期，老化190 d的硅油樣本呈現(xiàn)為凝膠狀，其粘度遠(yuǎn)大于未老化硅油。

圖9 不同老化時長硅油的粘度Fig. 9 Viscosity of silicone oil with different aging time

圖10和圖11是根據(jù)式（3）～（6）的時頻變換原理對PDC測試結(jié)果進(jìn)行頻域變換得到的極化損耗因數(shù)的頻譜曲線。由圖中可看出，隨著微水含量及老化時長的增加，絕緣硅油的極化損耗因數(shù)峰值逐漸增大，這是因?yàn)槲⑺颗c硅油劣化產(chǎn)物的增多都導(dǎo)致油中極性物質(zhì)的增多，從而使得硅油的極化損耗增加。此外，隨著微水含量及老化時長的增加，極化損耗因數(shù)峰逐漸向低頻段偏移，此時硅油中的弛豫過程變得更為豐富，主導(dǎo)極化弛豫過程建立時間逐漸變長。而不同老化狀態(tài)硅油的極化損耗因數(shù)曲線在低頻段存在交叉現(xiàn)象，是由于劣化產(chǎn)物的增多以及硅油粘度的增大引起該頻段弛豫規(guī)律復(fù)雜的原因?？梢缘贸?，極化損耗因數(shù)的峰值為評估硅油絕緣狀態(tài)提供了參考，而極化弛豫峰向低頻段的偏移過程反映了硅油絕緣的劣化現(xiàn)象。

圖10 不同微水含量硅油的極化損耗因數(shù)譜Fig. 10 Spectrum of polarization loss factor of silicone oil with different water content

圖11 不同老化時長硅油的極化損耗因數(shù)譜Fig. 11 Spectrum of polarization loss factor of silicone oil with different aging time

隨后，通過前述提及的油中載流子遷移分布模型對不同絕緣狀態(tài)硅油樣本的介電特性進(jìn)行進(jìn)一步的定量分析。利用文獻(xiàn)[24]所提出的矩陣束算法對式(10)中的載流子種類數(shù)n進(jìn)行辨識，在此基礎(chǔ)上求解參數(shù)Ai與τi，具體結(jié)果見表1與表2。值得注意的是，對于未老化的硅油，辨識結(jié)果表明只存在2種弛豫形式，而對于老化后的硅油，其弛豫種類增加至3種，這表明老化使得硅油長鏈分子斷裂，出現(xiàn)了新的載流子種類。將辨識參數(shù)代入式(10)所得出的擬合曲線如圖5b)與圖6b)所示，可以看出，擬合曲線與去極化電流的實(shí)測值十分吻合，驗(yàn)證了表中參數(shù)的可靠性。

表1 不同微水含量硅油的弛豫辨識參數(shù)Table 1 Relaxation identification parameters of silicon oil with different moisture content

表2 不同老化程度硅油的弛豫辨識參數(shù)Table 2 Relaxation identification parameters of silicon oil with different moisture content

由表1可得，不同微水含量的硅油中都存在2種不同遷移率的載流子，在此推測其分別為硅油中本征載流子與由于水分存在所引入的水合離子?？梢酝ㄟ^2種離子的弛豫辨識參數(shù)A與τ判別其參數(shù)所對應(yīng)的離子種類。由式(8)、式(9)可知，由于Ai×τi∝Qi，故Ai×τi的值可反映第i類載流子的濃度，而τi為第i類離子的弛豫時間常數(shù)，可反映其遷移速率。

計(jì)算結(jié)果表明，第1類載流子為硅油中本征載流子。具體原因?yàn)椋合噍^于油中微量水分侵入而所引入的水合離子，硅油的本征載流子濃度更高，且擴(kuò)散時間隨微水含量的增多而增大。研究表明，絕緣油中的水分主要以溶解水、懸浮水及沉積水3種狀態(tài)存在，而影響絕緣油介電性能的主要是懸浮水[25-26]。隨著微水含量的增多，硅油中的懸浮水顆粒的尺寸與密度也會逐漸增大，硅油中的本征載流子在遷移過程中與懸浮水顆粒發(fā)生碰撞的概率增加，使其運(yùn)動的自由行程變長，最終導(dǎo)致時間常數(shù)τ1的增大。而第2類載流子則為硅油中水分存在產(chǎn)生的水合離子，具體原因?yàn)椋阂环矫媸且蛩趾康投沟闷潆x子濃度不高，另一方面是因其遷移速率會較硅油中本征載流子慢。此外，隨著微水含量的上升，表征水合離子擴(kuò)散速率的時間常數(shù)τ2逐漸減小。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可闡述為：由于微水含量的增加導(dǎo)致懸浮水顆粒吸附了更多的離子，雖然一方面也會使顆粒質(zhì)量增加，但總體來看，微水顆粒單體的帶電量與質(zhì)量之比呈現(xiàn)增加趨勢時，在內(nèi)電場作用下還是表現(xiàn)為水合離子的擴(kuò)散速率增加，即時間常數(shù)τ2減小。

根據(jù)表1，建立參數(shù)A2×τ2與絕緣硅油微水含量的定量關(guān)系，如圖12所示，根據(jù)上述分析，A2×τ2表征了油中的水合離子濃度。具體數(shù)學(xué)擬合關(guān)系式為

圖12 不同微水含量硅油的弛豫特征參數(shù)Fig. 12 Relaxation parameter of silicone oil with different moisture content

式中：m為微水含量。

同理，對表2中不同老化程度硅油的弛豫辨識參數(shù)進(jìn)行分析，可以看出3類載流子的遷移時間τ均隨老化時長的增加而增大。這是由于老化過程中硅油粘度增大的原因，使得載流子遷移過程中與硅油介質(zhì)的摩擦力增大而導(dǎo)致遷移時長增加。其中，第3類載流子表征了小分子鏈硅油分子的遷移過程，其遷移過程耗時最長，弛豫特征參數(shù)A3×τ3與老化時長的關(guān)系如圖13所示。具體數(shù)學(xué)擬合關(guān)系式為

圖13 不同老化時長硅油的弛豫特征參數(shù)Fig. 13 Relaxation parameter of silicone oil with different aging time

式中：t為老化天數(shù)。

通過建立基于PDC測試結(jié)果的弛豫特征參數(shù)與硅油微水含量及老化時長之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)用介電測試手段對高壓電纜充油終端填充硅油的受潮及老化狀態(tài)的檢測。

3 結(jié)論

本文在不同微水含量及電熱老化程度條件下研究了絕緣硅油的介電特性，得到以下結(jié)論。

（1）硅油中微水含量的增加引起直流電導(dǎo)率單調(diào)增加。而在硅油電熱聯(lián)合老化過程中，一方面由于硅油分子裂解會引起油中載流子濃度增大，另一方面老化導(dǎo)致的硅油粘度上升使得載流子遷移率下降，2種物理過程協(xié)同作用導(dǎo)致其直流電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

（2）對硅油PDC實(shí)測結(jié)果進(jìn)行時頻變換可得到其極化損耗因數(shù)譜。極化損耗因數(shù)譜線峰值隨微水含量增多及老化程度加深而增大，且峰值位置逐漸向低頻段偏移。譜線峰值向譜圖左上方移動是硅油絕緣狀態(tài)劣化的介電特性之一。

（3）離子遷移分布模型參數(shù)能夠良好解釋硅油中不同種類載流子的遷移特性。對于未老化硅油，油中主要存在2類不同遷移率的載流子，而老化后因硅油分子裂解則會引入一類具有較低遷移率的載流子。其弛豫特征參數(shù)A2×τ2與A3×τ3可分別定量描述油中的水合離子濃度與裂解副產(chǎn)物濃度，對實(shí)際工程中應(yīng)用PDC方法判別油終端中填充硅油的受潮及老化特性提供了理論依據(jù)。