高压XLPE电缆绝缘材料的理化性能分析_白雄雄.pdf

346 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用法，本文从5根退运110kV XLPE绝缘电缆截取电缆样段，采用新型取样方式对电缆样段进行处理，获得电缆绝缘材料薄膜试样，对试样进行理化分析试验，分别就电缆绝缘材料的击穿场强(breakdown field strength)、羰基指数(carbonyl index)、交联度(crosslinking degree)进行测试及计算，并进一步对三项理化性能参数进行分析，探讨其在表征电缆绝缘老化程度的有效性。2 实验及测试方式 2.1 试样准备表1为本文所取电缆样品信息，电压等级均为110kV，导体截面均为500mm2，YJLW03为交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚乙烯外护套纵向阻水电力电缆。1#5#电缆均为华南H城市退役电缆，敷设0 引言高速铁路、轨道交通等基建进程迅速推进，为电能供应提出了新的要求；架空线路因难以满足城市密集的人口、输电安全距离以及市政美化要求，逐渐被电力电缆所取代。交联聚乙烯（XLPE）电缆相较于传统充油电缆，安装维护简单、机械电气性能优良，自1980年代首次引入我国，应用范围不断扩大，敷设里程不断增加1,2。1 研究背景电缆的劣化直至寿终是一个多因子影响的过程，受到电应力、热、环境、机械损伤等多种老化因素的作用3,4，如何对电缆的老化程度进行检测一直是研究热点，相比于局部放电法、直流在线检测法、超低频介质损耗因数法等宏观电缆检测方作者简介：白雄雄，中国铁建电气化局集团北方工程有限公司，高级工程师；研究方向：铁路、城市轨道交通供电系统。收稿日期：2022-04-14；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述对不同投运年限的高压XLPE电缆绝缘环切试样进行工频击穿、傅立叶红外光谱测试、凝胶含量测试的理化分析试验。结果显示随着电缆投运年限的增加，电缆击穿强度有所下降，但仍远大于标准规定的数值，投运超过10年电缆击穿强度依然较高。随电缆投运年限的增加，羰基指数有显著升高，交联度呈现下降趋势。同时，负载率较低的电缆试验数据表明，电缆负载率对于绝缘材料热氧老化程度有一定影响，在衡量电缆绝缘材料老化程度时需要综合考虑电缆各项理化试验参数以及电缆负载率。关键词：交联聚乙烯，理化性能，击穿场强，羰基指数，交联度。中图分类号：TM75 文章编号：1674-2583(2023)01-0346-04 DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.149文献引用格式：白雄雄.高压XLPE电缆绝缘材料的理化性能分析J.集成电路应用,2023,40(01):346-349.高压XLPE电缆绝缘材料的理化性能分析白雄雄（中国铁建电气化局集团 北方工程有限公司，山西 030024）Abstract In this paper,through the three physical and chemical analysis tests of power frequency breakdown,Fourier infrared spectroscopy test,and gel content test of high-voltage XLPE cable insulation ring-cut samples of different operating years,The results show that with the increase of the cables operating years,the cable breakdown strength has declined,but it is still far great higher than the value specified in the standard.Cable breakdown strength is still high after being put into operation for more than 10 years.With the increase of the operating life of the cable,the carbonyl index increased significantly,and the degree of cross-linking showed a downward trend.At the same time,the cable test data with low load rate shows that the cable load rate has a certain influence on the thermal oxidative aging degree of the insulation material.When measuring the aging degree of the cable insulation material,it is necessary to comprehensively consider the physical and chemical test parameters of the cable and the cable load rate.Index Terms XLPE,physicalandchemicalproperty,breakdown field strength,carbonyl index,crosslinking degree.Analysis of Physical and Chemical Properties of High Voltage XLPE Cable Insulation MaterialsBAI Xiongxiong(China Railway Construction Electrification Bureau Group North Engineering Co.,Ltd.,Shanxi 030024,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 347方式为排管敷设。3#电缆投运时保持轻载运行。1#、3#电缆故障类型是外力导致的电缆本体损伤。1#5#电缆运行环境相似，因此可以忽略环境因素造成的试验数据差异。本次电缆绝缘取样采用图1所示的新型环形切割取样方式，相较于传统电缆绝缘试样切割方式，环切取样方式：（1）保证试样厚度的均匀性（约0.2mm），（2）根据与导体间的距离明显得将电缆绝缘材料内层、中层、外层进行区分5,6，更精确研究老化因素对不对绝缘层的老化影响。电缆在运行过程中，在长期电热应力作用下，绝缘内层部分老化程度最高。因此本文采用环向切割后内层试样进行各项理化分析实验，各试样与导体间距离保持一致。2.2 实验方法 2.2.1 工频击穿试验介电击穿强度是衡量绝缘材料绝缘强度的最重要的指标之一，本文根据工频击穿试验按照GB/T1408.1-20067中的要求，采用直径为25mm的球-球电极，试样为10mm10mm0.2mm的环切薄膜试样，试验装置如图2所示。试验时，将整个试验装置完全浸于矿物绝缘油中，采用快速升压法，升压速率为1 000V/s，试样击穿后，记录试样击穿时的电压值，并精确测量击穿点处试样厚度，计算得到击穿场强。利用双参数威布尔分布统计获得形状参数及尺度参数。双参数威布尔分布累计概率函数如式（1）所示。（1）式中，t为可测变量，通常为击穿时间或者击穿电压，为形状参数，为尺度参数。2.2.2 傅立叶红外光谱分析材料中不同官能团对不同波长光线会产生选择性吸收，利用这一特性，当用红外光照射样品时，即可得到材料对不同波长的光的吸收度或透过率，进而得到材料的红外吸收光谱。根据吸收光谱中，特征吸收分的强度及面积，可对材料中某一官能团的相对含量进行判断。本文采用IR Prestige-21型红外光谱仪对试样进行扫描，波数范围为4004 000cm-1，扫描前试样用无水乙醇擦拭表面以保证试样表面清洁，试样厚度为0.2mm。利用红外光谱中与氧化有关的羰基吸收峰1 720cm-1处面积与不随氧化而变化的吸收峰2 010cm-1处面积的比值表示试样的热氧化程度，称为羰基指数8,9，其数值由式（2）确定。（2）式中，A为羰基指数，A1720为羰基吸收峰面积，A2010为不随氧化而变化的吸收峰面积，位置在2 010cm-1附近。2.2.3 凝胶含量测试高分子材料在交联后会形成一种无法被二甲苯溶液溶解的网络状凝胶物质，该凝胶物质占材料的质量分数，即为交联度。本文按照JB/T10437-200410中规定的方法，试验前将薄膜试样处理为碎屑状，称取0.3g左右的碎屑试样，将其装入钢丝网袋进行称重，然后将网袋完全浸没在二甲苯溶液中，利用油浴循环加热装置将二甲苯溶液加热至150，连续萃取12h，将钢丝袋取出，并在110表1 电缆样品基本信息（a）电缆绝缘试样环切方式示意图（b）环切试样成品图图1 电缆绝缘试样环切方式及成品示意图图2 工频击穿试验试验装置348 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用条件下真空干燥处理24h，最后称得网袋质量，按式（3）对试样的交联度进行计算。每组试样分别进行三次凝胶含量测试试验，并求取平均值作为试样交联度数值。（3）式中，W1为钢丝网袋质量；W2为试样和网袋质量；W3为萃取干燥后试样和网袋质量。3 试验结果与分析 3.1 工频击穿试验利用Matlab软件对1#-5#试样工频击穿场强数据进行威布尔统计处理，1#-5#试样的威布尔分布图形如图3所示，威布尔分布参数见下表2中，其中尺度参数为绝缘试样的特征击穿场强，表征绝缘材料的电气强度。从表2中可以看出，1#-5#试样的尺度参数均大于80kV/mm，远高于GB/T12706-2008中所规定的22kV/mm，表明1#-5#退役电缆绝缘试样依然拥有较好的绝缘强度。从运行年限与试样击穿场强之间的关系分析，运行年限超过10年的#1、#2、#3电缆试样特征击穿场强平均值为94.3kV/mm，小于运行年限小于10年的#4、#5试样特征击穿场强平均值100.5kV/mm。#4电缆试样的运行年限最小，其特征击穿场强在5个试样中为最大值，#2电缆试样运行年限最大，其特征击穿场强仅大于#1电缆试样。电缆在长期运行过程中，绝缘材料中会产生老化产物，这些杂质的存在会降低材料的绝缘强度11,12。从表2中可以看出，电缆绝缘试样击穿场强随电缆投运时间的增加呈减小趋势，击穿场强可有效表征电缆绝缘材料的老化程度。3.2 傅立叶红外光谱分析图4为1#-5#绝缘试样的红外吸收光谱图，根据式（3）可计算各试样的羰基指数，数值如表3。从图4可以看出，1#、2#电缆试样的羰基吸收峰明显大于其他试样，表明1#、2#、3#电缆热氧老化程度高于其他试样。从表3中羰基指数计算数值分析，运行年限超过10年的1#、2#、3#电缆绝缘试样羰基指数平均数为2.41，大于运行年限小于10年的4#、5#电缆绝缘试样羰基指数平均数0.31，1#电缆绝缘试样羰基指数数值远大于其他试样，表明1#电缆绝缘材料热氧老化较严重。从傅立叶红外光谱分析测试结果可以分析得到：电缆绝缘材料羰基指数随电缆投运年限的增加有增大的趋势，可有效表征电缆绝缘材料的热氧老化程度，但从3#电缆绝缘试样测试结果可以看出，虽然其投运年限较长，但绝缘试样羰基指数较低，这可能是因为5#电缆负载率表2 威布尔分布尺度参数及形状参数统计 图4 1#-5#试样红外光谱图图3 1#-5#试样击穿场强威布尔分布图Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 349较低，电缆绝缘材料受到热氧老化的影响较少，因此羰基指数数值较低，因此，利用羰基指数判断电缆绝缘老化程度时，需要结合电缆负载率情况。3.3 凝胶含量测试在电缆运行的早期阶段（前10年），交联聚乙烯绝缘会在残余交联剂过氧化二异丙苯（DCP）的作用下继续发生缓慢的交联作用，致使交联度有增加的趋势，随着电缆投运年限的增加，电缆热氧老化程度加深，材料发生热降解，导致交联度下降13。表4所示为1#-5#试样交联度测试结果，从表中可以看出，投运年限小于10年的4#、5#试样交联度平均值较大，为81.9%，投运年限大于10年的1#、2#、3#试样交联度平均值较小，为79.5%。同时，可以看出，3#试样交联度大于1#、2#试样，这可能是因其较低的电缆负载率所致。综合分析，投运年限较短的电缆绝缘材料交联度大于投运年限较长的电缆，交联度可以作为衡量电缆绝缘老化程度的一个重要指标。综上所述，高压XLPE电缆绝缘材料击穿强度随着电缆投运年限的增加有下降的趋势，但仍远大于相关标准中规定的22kV/mm，傅立叶红外光谱测试与交联度测试结果表明：随着电缆投运年限的增加，绝缘材料热氧老化程度加深，氧化产物的增加以及热降解的劣化作用下，电缆绝缘材料的羰基指数有增加的趋势，交联度有下降的趋势。4 结语电缆绝缘材料的老化是电、热、机械等多因子作用的结果，本文对高压XLPE电缆绝缘材料进行环向切片，理化分析试验结果表明，随着电缆投运年限的增加，绝缘材料击穿强度有所下降，但同时也发现，投运时间超过10年的电缆，击穿场强仍远大于标准中规定的22kV/mm，电缆绝缘材料仍保有较大的绝缘强度。羰基指数与交联度与电缆绝缘材料的热氧老化过程密切，试验结果表明，随着电缆投运年限的增加，电缆绝缘材料羰基指数有明显得增加，交联度有减小的趋势，绝缘材料热氧老化程度加深。传统的电缆绝缘材料老化程度评估往往根据力学特性进行判断，本文的研究结果表明，电缆绝缘材料理化性能分析参数，也可有效衡量电缆绝缘材料的老化程度。随着投运年限的增加，绝缘材料击穿强度下降、交联度下降，羰基指数有显著变化，这些特征量的综合应用可更有效对电缆绝缘的老化进行评估。同时，热氧老化与电缆的负载率有关，因此利用羰基指数、交联度评估电缆绝缘老化状态时，应充分考虑电缆负载率高低的影响。另外，对于运行中电缆，可定期采用此办法对电缆运行状况进行取样分析，综合评价电缆状态，为电缆维保提供数据支持。参考文献1 曹晓珑,刘英.我国电力电缆及其敷设技术现状J.电力设备,2007(04):110-112.2 朱永华,高小庆,杨娟娟,贾欣.等温松弛电流法在高压交联聚乙烯绝缘交流电缆状态评估中的应用J.高电压技术,2016,42(02):513-521.3 陈文教.高压XLPE电缆剩余寿命评估研究D.广东：华南理工大学,2015.4 张成,李洪飞,杨延滨,王卫东,任成燕,黄兴溢,江平开.交联聚乙烯电缆老化、诊断及修复研究进展J.绝缘材料,2020,53(07):1-11.5 霍小晶.配电电缆绝缘状态评分方法及其材料实验分析验证D.陕西:西安交通大学,2017.6 张运周,冯冰,李明,罗潘,廖雁群,徐曼.退役110kV XLPE电缆绝缘材料聚集态结构分析J.绝缘材料,2016,49(07):20-26.7 中国国家标准化管理委员会.GB/T1408.1-2006，绝缘材料电气强度试验方法，第1部分：工频下试验M.北京：中国标准出版社，2006.8 Y Zhang,Hou Z,Wu K,et al.Influence of Oxygen Diffusion on Thermal Ageing of Cross-Linked 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