朱博, 付偉強(qiáng), 張濤, 朱亞琦, 何生坤

(1.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司佳木斯供電公司,黑龍江 佳木斯 154000)

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)絕緣電力電纜的特殊分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的機(jī)械及電氣性能,在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[1]。水樹(shù)老化是導(dǎo)致XLPE電纜絕緣性能下降、運(yùn)行壽命縮短的主要因素,探究水樹(shù)枝生長(zhǎng)特性,判斷電纜內(nèi)部水樹(shù)老化程度,逐漸成為電纜老化問(wèn)題的關(guān)鍵,研究在不同條件下XLPE電纜的水樹(shù)老化特性、尋找水樹(shù)生長(zhǎng)規(guī)律,對(duì)保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重大意義[2-3]。

XLPE電纜在外電場(chǎng)和環(huán)境的共同作用下會(huì)發(fā)生熱氧老化,聚乙烯大分子鏈斷裂會(huì)產(chǎn)生H2、CO2、CO等氣體,在電纜內(nèi)部產(chǎn)生局部高氣壓,會(huì)進(jìn)一步加速水樹(shù)的生長(zhǎng),最終造成絕緣層開(kāi)裂、電纜鼓包、電纜接頭爆炸等故障,故氣壓是影響XLPE電纜老化甚至絕緣破壞的重要因素之一[4-5]。目前關(guān)于氣壓因素對(duì)XLPE水樹(shù)枝影響的研究已取得了初步進(jìn)展,但其只關(guān)注于氣壓或局部氣壓對(duì)電樹(shù)枝的生長(zhǎng)規(guī)律及老化特性[6-7],而關(guān)于氣壓對(duì)水樹(shù)枝影響的研究仍是空白。ZHOU Lijun等為探究氣壓對(duì)XLPE電纜電樹(shù)的溫度依賴影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同溫度下氣壓對(duì)電樹(shù)的引發(fā)和生長(zhǎng)有著不同的影響。XLPE在低溫下處于玻璃態(tài),氣體壓力抑制了電樹(shù)在生長(zhǎng)期的發(fā)展;高溫下XLPE處于高彈態(tài)時(shí),高溫高壓存在較多的缺陷和分支通道,這是流柱發(fā)展的根本原因,從而加速了局放的發(fā)展[8]。周利軍等研究發(fā)現(xiàn):低溫XLPE處于玻璃態(tài),局放初期材料的機(jī)械性能良好,氣壓的升高對(duì)局放引發(fā)和生長(zhǎng)初期無(wú)影響。局放后期,劇增的局部放電使插針區(qū)域軟化,在氣壓作用下產(chǎn)生形變,電樹(shù)枝沿應(yīng)力集中區(qū)迅猛發(fā)展。高溫 XLPE 處于高彈態(tài),自由體積分?jǐn)?shù)增加,氣壓越高絕緣材料受到的軸向拉力越大,材料電氣性能下降越明顯,樹(shù)枝引發(fā)后通道氣壓升高,導(dǎo)致載流子更容易產(chǎn)生流柱進(jìn)一步促進(jìn)樹(shù)枝狀缺陷[9-11]。成睿研究了4種不同氣壓和溫度下XLPE電纜和切塊試樣, 研究發(fā)現(xiàn),低溫下內(nèi)壁氣壓對(duì)電樹(shù)引發(fā)無(wú)明顯作用,對(duì)生長(zhǎng)有抑制作用。高溫下氣壓電樹(shù)的引發(fā)與生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。分析認(rèn)為內(nèi)壁高氣壓導(dǎo)致大面積高溫軟化區(qū)產(chǎn)生形變是促進(jìn)電樹(shù)枝生長(zhǎng)的主要因素。高溫時(shí)XLPE力學(xué)模量的降低促進(jìn)電樹(shù)枝的引發(fā),內(nèi)壁氣壓對(duì)分子鏈的拉伸和通道內(nèi)氣壓增強(qiáng)流柱放電過(guò)程導(dǎo)致電樹(shù)枝的生長(zhǎng)加劇[12-17]。岳剛等分別以XLPE短電纜和電纜絕緣層切片為試驗(yàn)樣品,搭建試驗(yàn)系統(tǒng),研究了局部氣壓作用在絕緣層或絕緣材料微孔內(nèi)時(shí)的局部放電及其絕緣老化特征,發(fā)現(xiàn)局部高氣壓使電樹(shù)枝通道內(nèi)局部放電加劇,絕緣老化加速;微孔內(nèi)的氣壓相較于絕緣層氣壓對(duì)電樹(shù)枝內(nèi)局部放電的促進(jìn)作用更加明顯[18]。綜上所述,眾多學(xué)者對(duì)于不同氣壓環(huán)境下XLPE電纜電樹(shù)枝引發(fā)生長(zhǎng)特性及老化過(guò)程進(jìn)行了充分研究,但均只關(guān)注于電樹(shù)枝老化一種老化形式,電纜實(shí)際運(yùn)行時(shí)更容易在XLPE中產(chǎn)生水樹(shù)枝,水樹(shù)老化同樣是電纜絕緣失效的重要原因之一,并且在一定條件下電樹(shù)枝和水樹(shù)枝可以相互促進(jìn)生長(zhǎng),但目前針對(duì)氣壓和水樹(shù)枝引發(fā)生長(zhǎng)的相關(guān)研究目前尚無(wú)報(bào)道,因此研究在不同氣壓下XLPE電纜的水樹(shù)老化特性和水樹(shù)生長(zhǎng)機(jī)理,尋找氣壓對(duì)水樹(shù)生長(zhǎng)的影響規(guī)律,準(zhǔn)確檢測(cè)并評(píng)估XLPE電纜水樹(shù)老化程度,保證電纜安全運(yùn)行具有重要意義[19-22]。

為研究氣壓對(duì)XLPE電纜水樹(shù)老化的影響及高氣壓下的水樹(shù)生長(zhǎng)特性,本文基于15 kV的XLPE電纜試樣,制作了可改變氣壓的電纜水樹(shù)老化平臺(tái),通過(guò)人工制造水針缺陷來(lái)模擬電纜絕緣電場(chǎng)應(yīng)力缺陷,對(duì)不同氣壓下的XLPE電纜樣本進(jìn)行2組不同時(shí)間的水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn)。宏觀測(cè)試:對(duì)老化后電纜進(jìn)行極化去極化電流(polarization and depolarization current,PDC)測(cè)試并分析,依據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到老化后電纜的直流電導(dǎo)率、0.1 Hz介質(zhì)損耗因數(shù)及老化因子,通過(guò)宏觀參數(shù)的變化規(guī)律分析電纜在不同氣壓環(huán)境下的老化情況。微觀測(cè)試:對(duì)電纜試樣進(jìn)行切片,在顯微鏡下觀察水樹(shù)枝微觀形貌,通過(guò)掃描電鏡對(duì)水樹(shù)橫斷面進(jìn)行觀測(cè),對(duì)切片試樣采用紅外光譜分析。最后,通過(guò)匯總宏觀參數(shù)和微觀形貌參數(shù),結(jié)合宏觀與微觀參數(shù)對(duì)電纜樣本進(jìn)行水樹(shù)生長(zhǎng)特性分析及電纜老化評(píng)估。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量方法

1.1 XLPE電纜試樣制備

在進(jìn)行電纜老化實(shí)驗(yàn)前,需要對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)處理工作。制備不同氣壓和老化時(shí)間的對(duì)照組試樣,分組如表1所示。

表1 不同氣壓下老化的電纜試樣設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)選取的是WDZ-YJY-8.7/15 kV型電纜,預(yù)處理工作流程如下:將電纜的護(hù)套、鎧裝、填充材料以及銅屏蔽層全部去除,并將其切割成50 cm的短電纜樣本,剝?nèi)テ鋬啥? cm的絕緣層,裸露銅芯。在電纜兩端剝離10 cm的外半導(dǎo)電層,露出XLPE絕緣層,保證足夠的絕緣距離,防止發(fā)生沿面放電。以中間外半導(dǎo)電層區(qū)域15 cm為水樹(shù)培養(yǎng)區(qū),將曲率半徑為3.0±0.2 μm的鋼針垂直扎入間隔5 mm、深度2.5 mm的上下兩排共計(jì)60個(gè)針孔。隨后,將電纜兩端絕緣層套上內(nèi)徑為30 mm的防水熱縮管,令其與電纜絕緣層緊密貼合防止漏水,然后,在中間扎過(guò)針孔缺陷的部分套上內(nèi)徑為40 mm的熱縮管,將其兩端收緊,中間留出空腔中注滿1 mol/L的NaCl溶液,在熱縮管正上方預(yù)留孔位,用來(lái)放置電極和注入溶液。在老化前將試樣置于預(yù)制氣壓下24 h。

1.2 XLPE電纜水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn)

XLPE電纜樣本的預(yù)處理工作完成之后,對(duì)其進(jìn)行水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn),不同氣壓水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。本文的水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn)電源均設(shè)置為有效值7.5 kV、頻率400 Hz的正弦交流電壓,由Tektronix AFG3022C型函數(shù)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)400 Hz的小電壓信號(hào),并由Trek 30/20 A型功率放大器放大,將高壓加在銅鼻子端。圖1中30 kΩ電阻為保護(hù)電阻,可以限制擊穿和充放電時(shí)的回路電流,防止電流過(guò)大破壞電源從而保護(hù)設(shè)備,同時(shí)為了防止加壓時(shí)電纜距離地面太近而導(dǎo)致放電,將電纜支撐在離地10 cm左右的位置。實(shí)驗(yàn)所用的銅電極由227IEC01(BV)型450/750 V銅芯聚氯乙烯絕緣電纜線芯替代,將其一端接地,另一端伸入老化溶液水平面以下。老化開(kāi)始后使用高壓探頭以及示波器觀察電纜上所加電壓的波形、幅值以及頻率。實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,在老化過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到老化溶液中的水分蒸發(fā),并伴隨著溶質(zhì)析出的情況,還要定期將析出的溶質(zhì)重新收集回?zé)峥s管的空腔中,并補(bǔ)充水分直至水位線到達(dá)之前的高度。

圖1 不同氣壓水樹(shù)老化平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of different air pressure water tree aging platform

1.3 不同氣壓老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了模擬XLPE電纜運(yùn)行過(guò)程中在電纜內(nèi)部產(chǎn)生的高氣壓環(huán)境對(duì)電纜水樹(shù)枝引發(fā)和生長(zhǎng)的影響,本文搭建了能夠調(diào)節(jié)短電纜樣本所處環(huán)境氣壓的加速水樹(shù)老化試驗(yàn)平臺(tái)。圖1中的實(shí)驗(yàn)裝置主要由氣泵、導(dǎo)氣管、氣動(dòng)接頭、壓力罐、氣壓表等組成。壓力罐由無(wú)錫市凱宏達(dá)化工設(shè)備有限公司生產(chǎn),最高可承受1.5 MPa的壓力,氣泵為ZB-0.11/7型空氣壓縮機(jī),使用開(kāi)關(guān)閥對(duì)氣體的流速進(jìn)行控制,將氣泵中的氣體通過(guò)導(dǎo)氣管和氣動(dòng)接頭注入壓力罐中。在壓力罐上方開(kāi)兩個(gè)螺紋孔并接通兩根導(dǎo)線,并使用AB膠將導(dǎo)線與螺紋內(nèi)壁緊密貼合,一根用來(lái)接通老化電源,另一根接地。

水樹(shù)老化裝置需置于氣壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,在保證接線可靠的前提下密封壓力罐,以保證老化全程罐內(nèi)氣壓穩(wěn)定。電纜試樣兩段銅芯裸露且銅芯連接高電壓,而整個(gè)壓力罐接地,故為防止發(fā)生短路,電纜試樣和絕緣支撐架固定在壓力罐內(nèi)部,以保證試驗(yàn)時(shí)電纜試樣與壓力罐不發(fā)生相對(duì)位移。將高壓端接在電纜試樣的銅鼻子上,接地端連接在電纜熱縮管上方的銅電極上。將導(dǎo)線合理擺放后封閉壓力罐,并擰緊罐口的螺絲防止漏氣,打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥并觀察氣壓表,直到罐內(nèi)氣壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需時(shí)關(guān)閉閥門(mén)并把導(dǎo)氣管從氣動(dòng)接頭上拔出。

1.4 XLPE電纜老化測(cè)量方法

本文研究搭建不同氣壓環(huán)境下XLPE電纜水樹(shù)老化及生長(zhǎng)特性,在不同氣壓下對(duì)XLPE電纜進(jìn)行水樹(shù)老化,通過(guò)PDC測(cè)量、頻域介電譜分析從宏觀角度判斷電纜老化程度,通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和紅外光譜等方式獲取樹(shù)枝狀缺陷的微觀形貌、斷面特征、元素及化學(xué)鍵特征,數(shù)據(jù)化對(duì)比分析不同氣壓下缺陷的演化規(guī)律,基于電物理、電化學(xué)、高分子材料學(xué)等理論分析氣壓因素對(duì)XLPE電纜樹(shù)枝狀老化的影響,為電纜的絕緣可靠性評(píng)估及電纜壽命的提升提供理論支撐。

2 宏觀參數(shù)測(cè)量分析

2.1 PDC測(cè)試方法

XLPE電纜試樣的幾何電容C0的計(jì)算方法為

(1)

式中:L為電纜絕緣層的縱向長(zhǎng)度,m;R1為絕緣層內(nèi)半徑,m;R2為絕緣層外半徑,m。

電纜的直流電導(dǎo)率表達(dá)式為

(2)

由此可得XLPE電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)頻域關(guān)系為

(3)

式中:tanδ(ω)為電纜的介質(zhì)損耗因數(shù);ε′(ω)為復(fù)介電系數(shù)的實(shí)部;ε″(ω)為復(fù)介電系數(shù)的虛部。

式(3)中等式右邊第一項(xiàng)表示電導(dǎo)損耗因數(shù),第二項(xiàng)表示極化損耗因數(shù)。復(fù)極化率的實(shí)部ε′(ω)和虛部ε″(ω)可用電纜的去極化電流聯(lián)立下式進(jìn)行求解。XLPE電纜絕緣的復(fù)極化率為

(4)

式中:χ(ω)為XLPE的復(fù)極化率;χ′(ω)為復(fù)極化率χ(ω)的實(shí)部;χ″(ω)為復(fù)極化率χ(ω)的虛部。將PDC測(cè)試得到的極化電流和去極化電流分解為3階指數(shù)衰減的函數(shù),表達(dá)式為:

(5)

(6)

式中:I0為去極化電流的穩(wěn)態(tài)值,A;i代表上述3條支路的極化類型;ai為3種極化類型的擬合系數(shù),能夠反映介質(zhì)內(nèi)的陷阱密度;τi為3種極化的時(shí)間常數(shù),能夠反映介質(zhì)內(nèi)的陷阱深度;t為時(shí)間,s。

在電纜絕緣的三支路擴(kuò)展德拜模型中,第一、第二支路的時(shí)間常數(shù)較小,且電纜在正常運(yùn)行過(guò)程中,其時(shí)間常數(shù)幾乎不發(fā)生變化。但當(dāng)電纜內(nèi)部發(fā)生水樹(shù)老化時(shí),代表電纜中金屬鹽、極性基團(tuán)與水合離子極化的第三支路時(shí)間常數(shù)τ3的變化較大。由于電纜水樹(shù)老化的這種特殊性,可以用Q(τ2)和Q(τ3)的比值計(jì)算得到老化因子Af來(lái)表征電纜的老化程度,Q(τ2)代表了電纜絕緣內(nèi)無(wú)定形區(qū)與晶區(qū)界面極化的影響,Q(τ3)代表了離子與水分子極化的影響,計(jì)算公式為

(7)

式中:Af為電纜的老化因子;Q(τ2)和Q(τ3)的表達(dá)式為:

(8)

(9)

老化因子Af可以判斷XLPE電纜的老化狀態(tài)。但電纜中存在的缺陷位置不同、電纜的材料及制作工藝的差別、各國(guó)電纜的制作標(biāo)準(zhǔn)不同等都會(huì)影響老化因子的大小,因此各國(guó)對(duì)于老化因子的判據(jù)并不統(tǒng)一。

2.2 PDC測(cè)試結(jié)果及分析

使用0.1 mol/L的氯化鈉溶液在0.1、0.2、0.3 MPa 3個(gè)氣壓等級(jí)下對(duì)XLPE電纜進(jìn)行水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn),老化時(shí)長(zhǎng)為14及28 d。老化結(jié)束后,對(duì)電纜進(jìn)行PDC測(cè)試,繪出極化-去極化電流圖。不同氣壓環(huán)境下老化14和28 d的極化-去極化電流分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同氣壓環(huán)境老化14 d電纜的極化-去極化電流Fig.2 Polarization-depolarization current of cables aged for 14 days under different pressures

圖3 不同氣壓環(huán)境老化28 d電纜的極化-去極化電流Fig.3 Polarization-depolarization current of cables aged for 28 days under different pressures

由圖2可知,老化14 d后,氣壓環(huán)境對(duì)電纜樣本的去極化電流影響不大,3個(gè)氣壓條件下電纜的去極化電流相差不明顯。由圖3可知,老化28 d后,氣壓環(huán)境對(duì)電纜的去極化電流略有影響,隨著電纜周圍環(huán)境氣壓的升高,其去極化電流也有所增大。

將不同氣壓環(huán)境老化后電纜的直流電導(dǎo)率繪制成折線圖,結(jié)果如圖4所示。可以看出,老化14 d后,3種氣壓環(huán)境下電纜的直流電導(dǎo)率相差不大;老化28 d后,隨著電纜周圍環(huán)境氣壓的升高,老化后的直流電導(dǎo)率也隨之變大。因此可以初步斷定,氣壓環(huán)境在前期對(duì)電纜的老化程度影響并不大,在老化28 d時(shí)才有顯著影響。電導(dǎo)率的這種變化趨勢(shì)可能是由于在老化初期XLPE分子鏈比較完整,將其破壞時(shí)所需能量較高,高氣壓環(huán)境給離子帶來(lái)的沖擊力及能量不足以更快地破壞分子鏈結(jié)構(gòu),導(dǎo)致水樹(shù)通道的生長(zhǎng)速度變化較小,使直流電導(dǎo)率的增長(zhǎng)幅度不大。老化28 d時(shí),交聯(lián)聚乙烯分子鏈已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生形變并斷裂,離子在高氣壓環(huán)境下所增加的動(dòng)能足以破壞部分形變的分子鏈,導(dǎo)致電導(dǎo)率增長(zhǎng)的速度較老化初期更快。不同氣壓環(huán)境老化后電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)如表2所示。

圖4 不同氣壓環(huán)境老化后電纜的直流電導(dǎo)率Fig.4 DC conductivity of cables aged under different atmospheric pressure environments

表2 不同氣壓環(huán)境老化后電纜的介質(zhì)損耗因數(shù)

由表2可知,老化14 d后,3種氣壓環(huán)境下電纜老化后的0.1 Hz tanδ值均在1.4×10-3左右,已經(jīng)大于1.2×10-3,說(shuō)明XLPE電纜絕緣層已經(jīng)開(kāi)始老化,但不同氣壓對(duì)電纜的老化程度影響不大,通過(guò)西林電橋測(cè)量的50 Hz tanδ值也能證明此結(jié)論。老化28 d后,電纜的0.1 Hz tanδ值及50 Hz tanδ值隨氣壓的升高,均有明顯的上升趨勢(shì),說(shuō)明氣壓環(huán)境在老化前期對(duì)電纜的影響不大,而隨著老化時(shí)間加長(zhǎng),氣壓對(duì)電纜的水樹(shù)老化程度影響開(kāi)始逐漸增大,隨著周圍環(huán)境氣壓的升高,電纜的老化程度呈上升趨勢(shì)。將不同氣壓環(huán)境老化后電纜的去極化電流代入式(7)～式(9)中,計(jì)算出不同氣壓環(huán)境老化后電纜的老化因子如圖5所示。由圖可知,老化14 d后,電纜的老化因子隨氣壓的升高并沒(méi)有明顯的變化,老化28 d后,隨著周圍環(huán)境氣壓的升高,電纜的老化因子呈升高趨勢(shì)。結(jié)合電纜直流電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)和老化因子的變化趨勢(shì),可以說(shuō)明老化前期氣壓環(huán)境對(duì)電纜老化程度的影響并不是很大,而隨著老化時(shí)間的加長(zhǎng),電纜的老化程度隨周圍氣壓環(huán)境的升高呈增大趨勢(shì)。

圖5 不同氣壓環(huán)境老化后電纜的老化因子Fig.5 Aging factors of cables aged under different atmospheric pressure environments

通過(guò)對(duì)比不同氣壓環(huán)境老化后電纜的宏觀參數(shù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),前14 d內(nèi)氣壓環(huán)境對(duì)電纜老化程度的影響不大,在老化14～28 d內(nèi),電纜的老化程度隨周圍氣壓環(huán)境的升高呈增大趨勢(shì)。

2.3 基于宏觀參數(shù)對(duì)電纜水樹(shù)老化程度的預(yù)測(cè)

本文使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對(duì)電纜的微觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行分析,該方法可準(zhǔn)確衡量?jī)山M變量之間的關(guān)聯(lián)程度。皮爾遜相關(guān)系數(shù)適用于兩個(gè)變量標(biāo)準(zhǔn)差都不為0且兩個(gè)變量之間是線性關(guān)系,水樹(shù)密度分別與直流電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)和老化因子滿足上述關(guān)系,故可以采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)評(píng)估其相關(guān)性,據(jù)此將宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)相結(jié)合。為了建立XLPE電纜內(nèi)部水樹(shù)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀參數(shù)的關(guān)聯(lián)性,采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法將電纜PDC測(cè)試所得的老化因子、直流電導(dǎo)率、0.1 Hz介質(zhì)損耗因數(shù)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與水樹(shù)密度進(jìn)行相關(guān)性分析,衡量?jī)山M數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)程度[19-20]。兩個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法為

(10)

為了得到不同氣壓環(huán)境下XLPE電纜的水樹(shù)枝生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型,要將電纜的宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度進(jìn)行擬合,首先計(jì)算出電纜的水樹(shù)密度如表3所示。其次用式(10)計(jì)算出宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表4所示。

表3 不同氣壓環(huán)境老化后電纜的水樹(shù)密度

表4 宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度的相關(guān)性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3可知,不同氣壓環(huán)境老化后電纜的3種宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,可以認(rèn)為三者與水樹(shù)密度均存在線性關(guān)聯(lián)。將電纜的宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同氣壓環(huán)境老化后電纜宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度的擬合曲線Fig.6 Fitting curve between macroscopic parameters of cables and water tree density after agingin different atmospheric pressure environments

由圖6(a)擬合結(jié)果可得,不同氣壓環(huán)境老化后電纜內(nèi)部水樹(shù)密度與直流電導(dǎo)率的關(guān)系為

ρ=-4.63×10-3+1.152×10-4σ0。

(11)

由圖6(b)擬合結(jié)果可得,不同氣壓環(huán)境老化后電纜內(nèi)部水樹(shù)密度與0.1 Hz介質(zhì)損耗因數(shù)關(guān)系為

(12)

由圖6(c)擬合結(jié)果可得,不同氣壓環(huán)境老化后電纜內(nèi)部水樹(shù)密度與老化因子的關(guān)系為

(13)

用表4中相關(guān)系數(shù)的比值作為其影響權(quán)重,計(jì)算得到不同氣壓環(huán)境老化后電纜的3種宏觀參數(shù)對(duì)水樹(shù)密度的影響權(quán)重分別為0.333、0.334、0.333。對(duì)式(10)～式(12)進(jìn)行賦權(quán)處理,得到不同氣壓環(huán)境老化后XLPE電纜宏觀介電參數(shù)與水樹(shù)密度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ρ=-1.298+3.836×10-5σ0-2.97×10-3×

(14)

通過(guò)式(14)可以看出,隨著σ0、tanδ0.1以及Af的增大,電纜的水樹(shù)密度ρ也會(huì)增加。水樹(shù)密度越大代表電纜水樹(shù)老化程度越深,內(nèi)部微觀缺陷也越多,該式將電纜的宏觀參數(shù)與微觀形貌相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同氣壓環(huán)境老化后XLPE電纜水樹(shù)老化程度的無(wú)損檢測(cè)。

統(tǒng)計(jì)了不同氣壓環(huán)境老化后電纜內(nèi)部水樹(shù)生長(zhǎng)體積和微孔面積,發(fā)現(xiàn)氣壓環(huán)境在老化前期對(duì)水樹(shù)的促進(jìn)作用不大,到了老化中期開(kāi)始對(duì)水樹(shù)生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是,老化前期和老化中期高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)位置不同,使電場(chǎng)力方向及大小有所改變,導(dǎo)致氣壓對(duì)離子運(yùn)動(dòng)速度的影響不同,且交聯(lián)聚乙烯分子鏈在老化前期不易斷裂,老化中期鍵能下降,易受到氣壓影響使分子鏈斷裂加劇,導(dǎo)致水樹(shù)老化程度加深。

3 微觀參數(shù)測(cè)量分析

為了判斷電纜內(nèi)部水樹(shù)生長(zhǎng)情況及生長(zhǎng)特性,需要對(duì)XLPE電纜片狀試樣進(jìn)行微觀檢測(cè)。通過(guò)對(duì)不同條件下老化后電纜的切片試樣進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀測(cè)、掃描電子顯微鏡觀測(cè)、紅外光譜測(cè)試,統(tǒng)計(jì)電纜內(nèi)部水樹(shù)枝的生長(zhǎng)情況,分析不同條件對(duì)XLPE電纜水樹(shù)枝生長(zhǎng)的影響機(jī)理并探究其生長(zhǎng)特性。將宏觀測(cè)試結(jié)果與微觀檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合,得到不同條件下XLPE電纜水樹(shù)枝生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型。

3.1 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果

為了定量描述水樹(shù)枝大小,選擇將針尖周圍的水樹(shù)枝近似看作半個(gè)橢球體,將水樹(shù)枝向左及向右最長(zhǎng)分支的長(zhǎng)度作為橢球體的a軸和b軸,向下最長(zhǎng)分支的長(zhǎng)度作為橢球體的c軸,用半個(gè)橢球的體積作為水樹(shù)枝的體積,來(lái)衡量水樹(shù)枝的生長(zhǎng)情況。水樹(shù)模型的體積公式為

(15)

式中:L1為水樹(shù)枝向左生長(zhǎng)的寬度最大值,mm;L2為水樹(shù)枝向右生長(zhǎng)的寬度最大值,mm;L3為水樹(shù)枝向下生長(zhǎng)的長(zhǎng)度最大值,mm;V為水樹(shù)枝模型的體積,mm3。

使用光學(xué)顯微鏡對(duì)第一組片狀試樣的水樹(shù)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)到在0.1、0.2、0.3 MPa氣壓條件下老化28 d后電纜的水樹(shù)微觀形貌如圖7所示。

圖7 不同氣壓環(huán)境老化28 d后水樹(shù)枝圖Fig.7 Water tree diagram after aging for 28 days under different atmospheric pressures

將統(tǒng)計(jì)出的水樹(shù)枝長(zhǎng)度和寬度代入式(15),計(jì)算出不同氣壓環(huán)境老化后電纜水樹(shù)枝的體積,并繪制成箱體圖,如圖8所示。

圖8 不同氣壓環(huán)境老化后水樹(shù)體積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Statistical results of water tree volume after aging in different atmospheric pressure environments

根據(jù)圖8統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,0.1 MPa氣壓下電纜老化后水樹(shù)平均體積從14 d的0.035 5 mm3增長(zhǎng)到了28 d的0.135 mm3;0.2 MPa氣壓下電纜老化后水樹(shù)平均體積從14 d的0.037 1 mm3增長(zhǎng)到了28 d的0.162 mm3;0.3 MPa氣壓下電纜老化后水樹(shù)平均體積從14 d的0.038 4 mm3增長(zhǎng)到了28 d的0.194 mm3?？梢钥闯?老化14 d后,氣壓條件對(duì)電纜水樹(shù)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用并不大,隨著氣壓的提升,0.2和0.3 MPa氣壓下水樹(shù)體積的增長(zhǎng)幅度僅有4.36%和8.16%。老化28 d后,氣壓條件對(duì)電纜水樹(shù)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用較大,隨著氣壓的提升,0.2和0.3 MPa氣壓下水樹(shù)體積的增長(zhǎng)幅度達(dá)到了20.04%和43.33%。說(shuō)明電纜在水樹(shù)老化前期,氣壓條件對(duì)水樹(shù)的生長(zhǎng)影響不大,到了老化中期,氣壓環(huán)境對(duì)XLPE電纜的水樹(shù)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。

3.2 掃描電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果

將電纜試樣切成1 mm厚的切片,切片能夠明顯看到針孔且在染色后能在顯微鏡下觀察到針尖的水樹(shù)區(qū)域,通過(guò)液氮脆斷后置于掃描電鏡下觀察斷面形貌,找到水樹(shù)孔洞區(qū)拍攝。0.3 MPa下XLPE電纜水樹(shù)老化28 d掃描電鏡圖如圖9所示,圖中可在斷面中明顯看到水樹(shù)微孔,通過(guò)測(cè)量可知水樹(shù)孔洞直徑在1～2 μm之間且孔洞分布較為密集。

圖9 0.3 MPa,28 d電纜水樹(shù)孔洞掃描電鏡圖Fig.9 0.3 MPa,28 d cable water tree hole scanning electron microscopy

將第二組片狀試樣進(jìn)行SEM觀測(cè),并標(biāo)注微孔的長(zhǎng)軸及短軸的長(zhǎng)度,選擇5個(gè)典型微孔并使用下式計(jì)算其面積,即

S=πab。

(16)

式中:a為橢圓形微孔的長(zhǎng)軸,μm;b為橢圓形微孔的短軸,μm;S為微孔的面積,μm2。

繪制成箱型圖如圖10所示。由圖可知,老化14 d時(shí),3種氣壓環(huán)境下生長(zhǎng)的水樹(shù)枝微孔面積相差不大;而老化持續(xù)到28 d后,隨著氣壓的增加,水樹(shù)枝的微孔面積也隨之增加。在水樹(shù)生長(zhǎng)前期(0～14 d),針尖缺陷處的電場(chǎng)強(qiáng)度高,離子在電場(chǎng)力的作用下向針尖下方進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),使老化前期的水樹(shù)枝主要集中在針尖下方。此時(shí),氣壓環(huán)境對(duì)水樹(shù)枝的生長(zhǎng)以及水樹(shù)通道的擴(kuò)張影響不大,主要是因?yàn)槔匣跗诮宦?lián)聚乙烯分子鏈力學(xué)模量保持良好,還未受到水分及離子的沖擊,氣壓條件對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)作用不足以破壞分子鏈。且此時(shí)高場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)都集中在針孔缺陷下方,離子受電場(chǎng)力后的運(yùn)動(dòng)軌跡大致相同。即使增加了外部氣壓,溶液中的離子半徑不變,擴(kuò)散速度略有增加,但與強(qiáng)電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)速度相比并沒(méi)有顯著提升,所以老化前期的氣壓環(huán)境對(duì)水樹(shù)通道的擴(kuò)張作用幾乎沒(méi)有影響。但到了老化中期(14～28 d),“珍珠串”型水樹(shù)長(zhǎng)度發(fā)展到了200～300 μm,此時(shí)水樹(shù)枝已經(jīng)向四周進(jìn)行擴(kuò)散,不再只沿著針孔缺陷方向生長(zhǎng)。這時(shí)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)不再集中在針尖下方,而是在各個(gè)水樹(shù)枝的末端,此時(shí)離子受到的電場(chǎng)力方向范圍較廣,水樹(shù)的生長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橄騼蓚?cè)發(fā)展為主。且在老化中期,水樹(shù)通道末端的交聯(lián)聚乙烯分子鏈形變嚴(yán)重,更容易發(fā)生斷裂。隨著周圍氣壓的提升,溶液中的水分和離子進(jìn)入缺陷的速度加快,其受到電場(chǎng)力作用后的沖擊力也越大,產(chǎn)生的能量大于水樹(shù)末端分子鏈的鍵能后使其斷裂,導(dǎo)致水樹(shù)末端生長(zhǎng)速度加快,在宏觀上表現(xiàn)為水樹(shù)體積的增加以及水樹(shù)通道和微孔寬度的擴(kuò)張。

圖10 不同氣壓環(huán)境老化后水樹(shù)微孔面積Fig.10 Micropore area of water tree after aging under different atmospheric pressures

3.3 紅外光譜分析

對(duì)水樹(shù)區(qū)域進(jìn)行紅外光譜掃描,得到不同氣壓環(huán)境老化14 d后電纜水樹(shù)區(qū)域的紅外光譜如圖11所示。

圖11 不同氣壓環(huán)境老化14 d后電纜水樹(shù)區(qū)域的紅外光譜Fig.11 Infrared spectra of watertrees aged for 14 days under different atmospheric pressures

本文采用ASTM D6645-01推薦的方法,選擇將2 019 cm-1處的合頻振動(dòng)峰作為內(nèi)標(biāo)峰,就能夠排除厚度對(duì)吸收峰峰值的影響,含水指數(shù)的計(jì)算公式為

(17)

式中:A3 370為波數(shù)3 370 cm-1處O-H鍵伸縮振動(dòng)峰的吸光度,%;A2 019為波數(shù)2 019 cm-1處合頻振動(dòng)峰的吸光度,%。

本文使用的紅外光譜儀測(cè)得數(shù)據(jù)為透光率,需要將其轉(zhuǎn)換為吸光度,計(jì)算公式為

(18)

式中:Ai為吸光度,%;Ti為透光率,%。

為了量化電纜的水樹(shù)老化程度,將波數(shù)3 370 cm-1及2 019 cm-1處的透光率代入式(17)及式(18)中,計(jì)算出不同氣壓環(huán)境老化后電纜的含水指數(shù)如表5所示。

表5 不同氣壓環(huán)境老化后電纜的含水指數(shù)

從表5中可以看出,在老化14 d后,隨著氣壓的提升,電纜的含水指數(shù)有少許增長(zhǎng);到了老化28 d時(shí),電纜的含水指數(shù)有明顯的提升。

將微觀檢測(cè)結(jié)果和宏觀測(cè)試結(jié)果相結(jié)合,可以得出,氣壓環(huán)境對(duì)XLPE電纜的水樹(shù)生長(zhǎng)有一定影響。在老化前期,交聯(lián)聚乙烯分子鏈的力學(xué)模量保持良好,高氣壓對(duì)水樹(shù)的促進(jìn)作用十分有限。到了老化中期,高場(chǎng)強(qiáng)位置從針孔處轉(zhuǎn)變?yōu)樗畼?shù)通道末端,并且此時(shí)交聯(lián)聚乙烯分子鏈已經(jīng)發(fā)生了形變,氣壓對(duì)離子擴(kuò)散速度的提升導(dǎo)致分子鏈斷裂速度加劇,對(duì)水樹(shù)枝的生長(zhǎng)產(chǎn)生了促進(jìn)作用。從微觀角度分析,水樹(shù)的生長(zhǎng)與XLPE的分子鏈取向有關(guān),取向是指在電場(chǎng)力作用下,XLPE材料的非晶區(qū)分子鏈會(huì)逐漸沿著某個(gè)方向作定向排列。在外界未加電場(chǎng)作用前, XLPE材料的分子鏈總是趨于無(wú)序排列,此時(shí)的XLPE分子鏈表現(xiàn)出各向異性,無(wú)取向行為發(fā)生。在外加電場(chǎng)作用后,針尖及其附近的場(chǎng)強(qiáng)均已超過(guò)臨界取向場(chǎng)強(qiáng)值,故均已發(fā)生局部取向。XLPE材料的分子鏈主要以共價(jià)鍵力和范德華力為主,范德華力的鍵能較小,極易在外力作用下發(fā)生斷裂,而共價(jià)鍵力則剛好相反。當(dāng)水分子沿XLPE材料的針孔缺陷侵入非晶區(qū)的分子鏈時(shí),會(huì)在交界面處形成麥克斯韋應(yīng)力,XLPE分子鏈上的范德華力受到幅值不斷變化的麥克斯韋應(yīng)力的作用產(chǎn)生機(jī)械疲勞而更容易斷裂,并且局部取向的程度取決于麥克斯韋應(yīng)力的大小。麥克斯韋應(yīng)力越大,局部取向程度越大, XLPE分子鏈的范德華力越容易被破壞,水樹(shù)沿局部取向方向的生長(zhǎng)通道越長(zhǎng),故水樹(shù)生長(zhǎng)(沿取向方向)速率越快。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)XLPE電纜的水樹(shù)老化問(wèn)題,通過(guò)水樹(shù)老化實(shí)驗(yàn)、PDC電流測(cè)試和切片試樣的微觀檢測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)不同氣壓環(huán)境下電纜的水樹(shù)枝生長(zhǎng)特性進(jìn)行詳細(xì)研究,得出以下結(jié)論:

1)宏觀參數(shù)結(jié)果表明,老化14 d后,氣壓環(huán)境對(duì)電纜老化程度影響不大;老化28 d后,隨著氣壓升高,電纜老化程度也隨之增大。老化前期和老化中期高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)位置不同,使電場(chǎng)力方向及大小有所改變,導(dǎo)致氣壓對(duì)離子運(yùn)動(dòng)速度的影響不同,且交聯(lián)聚乙烯分子鏈在老化前期不易斷裂,老化中期鍵能下降,易受到氣壓影響使分子鏈斷裂加劇,導(dǎo)致水樹(shù)老化程度的加深。同時(shí),氣壓因素對(duì)水樹(shù)老化的影響與時(shí)間相關(guān)。根據(jù)老化因子可知,氣壓從0.1到0.3 MPa,老化14 d的試樣老化因子增加了1.6%,而老化28 d的試樣老化因子增加了7.1%,可以認(rèn)為在老化前期,水樹(shù)處于引發(fā)階段,此階段氣壓作用不明顯,而在水樹(shù)生長(zhǎng)階段,氣壓升高明顯可促進(jìn)水樹(shù)生長(zhǎng)。

2)通過(guò)紅外光譜測(cè)試結(jié)果計(jì)算了電纜的含水指數(shù),能夠表征XLPE電纜內(nèi)部水樹(shù)老化程度,并對(duì)水樹(shù)體積和含水指數(shù)進(jìn)行擬合,驗(yàn)證了其與水樹(shù)體積呈線性相關(guān)關(guān)系。在老化前期,交聯(lián)聚乙烯分子鏈的力學(xué)模量保持良好,高氣壓對(duì)水樹(shù)的促進(jìn)作用十分有限。到了老化中期,高場(chǎng)強(qiáng)位置從針孔處轉(zhuǎn)變?yōu)樗畼?shù)通道末端,并且此時(shí)交聯(lián)聚乙烯分子鏈已經(jīng)發(fā)生了形變,氣壓對(duì)離子擴(kuò)散速度的提升導(dǎo)致分子鏈斷裂速度加劇,對(duì)水樹(shù)枝的生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)作用。

3)將不同條件下老化后電纜的宏觀參數(shù)與水樹(shù)密度進(jìn)行擬合,得到基于直流電導(dǎo)率、0.1 Hz介質(zhì)損耗因數(shù)及老化因子的水樹(shù)密度預(yù)測(cè)模型,提供了一種對(duì)XLPE電纜水樹(shù)老化程度無(wú)損檢測(cè)的新方法。水樹(shù)密度越大代表電纜水樹(shù)老化程度越深,內(nèi)部微觀缺陷也越多,該方法將電纜的宏觀參數(shù)與微觀形貌相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同氣壓環(huán)境老化后XLPE電纜水樹(shù)老化程度的無(wú)損檢測(cè)。