高樹國(guó)，朱永華，吳長(zhǎng)順，吳建東，尹 毅

(1．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021;2．上海電纜研究所中試室，上海200093; 3．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

等溫松弛法在三元乙丙橡膠絕緣電纜連接器的老化評(píng)估中的應(yīng)用研究

高樹國(guó)1，朱永華2，吳長(zhǎng)順2，吳建東3，尹 毅3

(1．國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北石家莊050021;2．上海電纜研究所中試室，上海200093; 3．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

本文采用等溫松弛電流法測(cè)量了不同老化程度的電纜連接器絕緣的等溫松弛電流，建立了基于界面極化理論的等溫松弛電流模型，分析了老化引起的缺陷對(duì)總體的松弛電流的影響，定義了表征電纜連接器絕緣老化程度的參數(shù)——老化因子A，并且計(jì)算了不同老化程度的電纜連接器絕緣的老化因子。結(jié)果表明隨著老化時(shí)間的增加，老化因子值也在增加。另外，基于ASTM E698標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量了活化能，結(jié)果表明隨著老化時(shí)間的增加，活化能減小，這與老化因子之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明等溫松弛電流法可對(duì)電纜連接器的絕緣老化程度進(jìn)行有效評(píng)估。

等溫松弛電流法;電纜連接器;老化評(píng)估;老化因子;熱失重;活化能

1 引言

屏蔽式可插拔電纜連接器在電纜線路以及電纜與GIS等電力設(shè)備的電氣連接中用途廣泛，目前的電壓等級(jí)已經(jīng)達(dá)到35kV甚至更高［1］。一般說(shuō)來(lái)，屏蔽式可插拔電纜連接器的絕緣材料是三元乙丙橡膠(EPDM)或硅橡膠。在使用過(guò)程中，電纜連接器承受電場(chǎng)、熱以及環(huán)境應(yīng)力的作用，將會(huì)導(dǎo)致絕緣的老化，甚至引起擊穿［2］。特別是電纜連接器處由于結(jié)構(gòu)等原因，可能存在電弧放電等因素。然而，與中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的老化不同，在其老化過(guò)程中一般不存在水樹枝等老化缺陷，因此建立在水樹枝缺陷基礎(chǔ)上的老化評(píng)估方法，往往無(wú)法直接用于電纜連接器的老化狀態(tài)的評(píng)估，需要進(jìn)一步研究用于連接器的評(píng)估方法。眾所周知，絕緣材料的老化一般伴隨著化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生新的物理和化學(xué)的缺陷，因此評(píng)估的方法也可以通過(guò)物理和化學(xué)的方法。如可以通過(guò)熱失重的方法測(cè)量反應(yīng)活化能，活化能大的，則表示老化程度低，反之則表明老化程度高［3］;物理的方法則可以通過(guò)絕緣電阻、介質(zhì)損耗等方法［4，5］。然而不管是化學(xué)還是物理的方法，均存在缺點(diǎn)?；瘜W(xué)的方法由于要在被測(cè)試品上切取樣品，因此是一種破壞性的方法;而絕緣電阻或者介質(zhì)損耗等物理方法反映整體性老化程度，因此對(duì)集中性的缺陷反映不靈敏［6］。因此迫切需要一種方法，既具有非破壞性，同時(shí)可對(duì)整體老化和集中性缺陷反映靈敏。

考慮到連接器在運(yùn)行過(guò)程中受各種應(yīng)力作用產(chǎn)生化學(xué)降解，生成各種缺陷，如果能夠借助物理方法，將缺陷表述成某種物理量，則可以有效反映連接器的老化程度。目前基于等溫松弛電流的原理，可以獲得絕緣材料的缺陷含量以及缺陷能態(tài)密度的信息［7］。

本論文采用等溫松弛電流法研究不同老化階段的電纜連接器的老化程度，為了檢驗(yàn)這種方法的可行性，采用熱失重法，測(cè)量不同老化階段電纜連接器的反應(yīng)活化能。在等溫松弛法中提取老化因子這個(gè)參數(shù)，并且將老化因子與反應(yīng)活化能進(jìn)行對(duì)比，研究老化因子與反應(yīng)活化能的聯(lián)系，驗(yàn)證等溫松弛法在電纜連接器老化評(píng)估中的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

從運(yùn)行的電纜連接器中取樣，連接器的投入運(yùn)行的年份分別為1985年、1990年和1998年，另外為了研究等溫松弛法對(duì)老化程度反映的靈敏性，選取了同樣結(jié)構(gòu)和組分的未運(yùn)行樣品，分別編號(hào)如表1所示。所有的樣品進(jìn)行測(cè)試前處理，即用無(wú)水乙醇清洗外表面，然后置于真空烘箱中干燥處理，采用自粘式鋁箔作為電極，為了電極制作方便，如圖1所示，將樣品沿中線剖開，用裸銅線引出作為電極以備測(cè)量。

表1 樣品描述Tab．1 Description of sample

圖1 樣品電極結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Electrode structure of sample

2.2 等溫松弛電流的測(cè)量

測(cè)量電纜連接器徑向的絕緣厚度約為10mm，因此設(shè)定極化電壓為2400V，極化時(shí)間30min，極化過(guò)程完成后，對(duì)樣品短路5s后接入靜電電流表Keithley 6517A，測(cè)量不同短路時(shí)刻的短路松弛電流。

2.3 熱活化能的測(cè)量

采用熱重法(Thermogravimetry，TG)測(cè)量試樣的熱活化能:從電纜連接器上切取部分絕緣樣品，對(duì)絕緣樣品施以不同的加熱速率μ，測(cè)量材料質(zhì)量隨時(shí)間的變化，然后根據(jù)Arrhenius化學(xué)反應(yīng)方程獲取活化能［3］。測(cè)試設(shè)備采用美國(guó)PERKIN ELMER公司的TGA 7，升溫速率 μ分別是5K·min－1、10K· min－1、15K·min－1和20K·min－1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同樣品的等溫松弛電流曲線如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，去極化電流曲線均隨著短路時(shí)間的增加而衰減，在短路初期，不同老化階段樣品的電流值基本相同;而當(dāng)短路時(shí)間達(dá)到1800s時(shí)，老化最嚴(yán)重的樣品(No．4)的短路電流比其他三個(gè)樣品的都大，隨著老化時(shí)間的增加，短路至1800s時(shí)的電流值依次增加。從松弛電流曲線雖然能夠發(fā)現(xiàn)不同老化程度的曲線其電流衰減的速率不同，但是無(wú)法進(jìn)行定量的比較，因此單從短路電流曲線無(wú)法準(zhǔn)確反映老化程度。

圖2 不同樣品的等溫松弛電流曲線Fig．2 Isothermal relaxation current curve of different samples

圖3為四種樣品在不同升溫速率下的熱失重分析曲線，其中橫坐標(biāo)取溫度T的相對(duì)值1000/T，升溫速率分別是5K·min－1、10K·min－1、15K·min－1和20K·min－1。圖中按照ASTM E698標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算活化能，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著老化時(shí)間的增加，活化能從287.04kJ·mol－1逐漸減小到225.13kJ·mol－1?；罨艿闹饾u降低，說(shuō)明隨著電纜連接器使用時(shí)間的增加，電場(chǎng)應(yīng)力、熱應(yīng)力以及其他老化因子使三元乙丙橡膠的老化程度增加。

表2 樣品的活化能Tab．2 Activation energy of sample

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

電纜連接器的主要化學(xué)成分為EPDM和無(wú)機(jī)填料，因此在施加直流電場(chǎng)極化時(shí)，其中的極化因子包括電子位移極化、離子位移極化、偶極子極化和界面極化。然而根據(jù)松弛電流的檢測(cè)原理，電子位移極化、離子位移極化以及偶極子極化由于松弛時(shí)間常數(shù)很小，在極化完成后的短路瞬間已經(jīng)完成，所以圖2記錄的短路松弛電流應(yīng)該是由界面極化引起的。

圖3 不同樣品的熱失重分析曲線Fig．3 Analysis of TGA curves for different samples

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中的電極結(jié)構(gòu)分析可知，本文研究的EPDM的界面極化主要包括三部分:①電極與EPDM本體之間的界面;②EPDM分子與無(wú)機(jī)填料之間的界面;③生產(chǎn)制造過(guò)程中引入的缺陷與EPDM之間的界面。當(dāng)電纜連接器運(yùn)行中，絕緣將發(fā)生老化過(guò)程，因此在其中將引入新的缺陷，這些缺陷與EPDM之間形成的界面極化也可歸入上述的第三種類型中。由以上分析可得EPDM連接器的松弛簡(jiǎn)化電路模型，如圖4所示，其中Rc是極化保護(hù)電阻，Rs是極化完成后，瞬間短路時(shí)的短路電阻，Rd是等溫松弛電流測(cè)量時(shí)的保護(hù)電阻，上述三類界面引起的界面極化依次分別用 C1//G1、C2//G2和C3//G3描述。

圖4 電纜連接器絕緣極化和去極化過(guò)程中各種界面極化模式Fig．4 Variety of interfacial polarization mode in polarization and depolarization processes of cable connector insulation

根據(jù)Debye松弛理論，松弛電流可以表述成式(1)［8］:

式中，I0為穩(wěn)態(tài)電流;ai為第i種極化因子對(duì)去極化電流的貢獻(xiàn);τ1表示EPDM與電極間形成的界面極化時(shí)間常數(shù);τ2表示EPDM與填充的無(wú)機(jī)填料之間形成的界面極化時(shí)間常數(shù);τ3表示EPDM在老化過(guò)程中新增缺陷與EPDM之間形成的界面極化時(shí)間常數(shù)。

按式(1)進(jìn)行擬合，并且分別計(jì)算出Ii(t)·t～t，其中Ii(t)是指第i種極化模式引起的去極化電流，Ii(t)·t表征陷阱電荷密度［7］。圖5為樣品的分解曲線(不含直流分量I0)，可以發(fā)現(xiàn)各試樣的松弛電流能夠分解成三個(gè)松弛項(xiàng)的疊加，因此說(shuō)明前文對(duì)EPDM中界面極化類型的假設(shè)是成立的，并且I1(t)·t主要反應(yīng)電極與EPDM本體之間的界面密度，I2(t)·t主要反應(yīng)EPDM分子無(wú)機(jī)填料間的界面密度，I3(t)·t主要反映EPDM在老化過(guò)程中新增缺陷與EPDM之間形成的界面密度。由圖可知，當(dāng)老化逐漸嚴(yán)重時(shí)，三類界面密度都有上升，其中表征新增缺陷與EPDM界面密度的I3(t)·t的峰值上升最為明顯，其峰值可作為電纜連接器絕緣老化程度的重要指標(biāo)。另外，對(duì)松弛電流按照三個(gè)指數(shù)項(xiàng)疊加的設(shè)想分解后，得到樣品中各界面極化時(shí)間常數(shù)，見表2。從表中可以發(fā)現(xiàn)隨著老化時(shí)間的增加，三個(gè)時(shí)間常數(shù)滿足下列條件:

τ2＞3τ1，τ3＞3τ2

因此可以定義一個(gè)老化因子 A，如式(2)所示［8］:

老化因子A的計(jì)算結(jié)果如表3所示，其隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸升高。

圖5 不同試樣中松弛電流的松弛類型Fig．5 Decomposition of relaxation current curves of different samples

由表3可知，老化因子A隨著使用時(shí)間的增加，從2.27增加到2.66，而活化能則從287.04kJ·mol－1逐漸減小到225.13kJ·mol－1，說(shuō)明它和活化能之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此采用等溫松弛電流法可以有效評(píng)估三元乙丙橡膠絕緣的電纜連接器的老化程度。

表3 樣品的老化因子計(jì)算結(jié)果Tab．3 Aging factor calculation results of samples

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同老化程度的EPDM絕緣電纜連接器的等溫松弛電流分析和熱失重分析，得到以下結(jié)論:

(1)隨著老化時(shí)間的增加，松弛電流起始值變化不明顯，但是隨著短路時(shí)間的增加，可以明顯發(fā)現(xiàn)短路電流隨著老化程度的增加而增大。

(2)等溫松弛電流理論計(jì)算出的老化因子結(jié)果表明，隨著老化時(shí)間的增加，試樣的老化因子A在逐漸增加。

(3)熱失重分析的結(jié)果表明，隨著試樣老化程度的增加，活化能逐漸減小。

(4)老化因子和活化能之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這表明采用等溫松弛電流法能夠?qū)PDM絕緣的電纜連接器的老化程度進(jìn)行有效的評(píng)估。

［1］祝麗雯 (Zhu Liwen)．插拔式電纜附件的應(yīng)用 (The application of separable cable accessory)［J］．高電壓技術(shù) (High Voltage Engineering)，2004，30(Suppl．): 29-30．

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Application of isothermal relaxation to aging assessment of EPDM rubber insulated cable connectors

GAO Shu-guo1，ZHU Yong-hua2，WU Chang-shun2，WU Jian-dong3，YIN Yi3
(1．State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China; 2．Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai 200093，China;3．School of Electronics and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

Isothermal relaxation current of cable connector insulation is measured with a method of isothermal relaxation current(IRC)．The aging status of the connector insulation is described with a model based on the interface polarization theory．It is pointed out that the aging degree of the connector insulation can be quantified with a parameter of aging factor．It is shown that the aging factor of the connectors increases with aging time．To confirm the accuracy in connector aging accessing，activation energy of the connectors is investigated with thermogravimetry(TG)according to the standard of ASTM E698．It is shown that the activation energy decreases with aging time．Therefore，there is a good consistence between the aging factor and the activation energy．Also it is a good evidence to the accuracy of aging status assessment in cable connector．

thermal relaxation current method;cable connector;aging accession;aging factor;thermogravimetry; activation energy

TM85

:A

:1003-3076(2015)05-0076-05

2013-06-03

高樹國(guó)(1982-)，男，河北籍，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷;朱永華(1971-)，女，江蘇籍，高級(jí)工程師，主要從事電纜檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)研究。