不同氣壓下XLPE電纜水樹生長特性

朱博, 付偉強, 張濤, 朱亞琦, 何生坤

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.國網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

交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)絕緣電力電纜的特殊分子結構和交聯結構使其具有優異的機械及電氣性能,在全世界范圍內被廣泛應用[1]。水樹老化是導致XLPE電纜絕緣性能下降、運行壽命縮短的主要因素,探究水樹枝生長特性,判斷電纜內部水樹老化程度,逐漸成為電纜老化問題的關鍵,研究在不同條件下XLPE電纜的水樹老化特性、尋找水樹生長規律,對保障電力系統的安全運行有著重大意義[2-3]。

XLPE電纜在外電場和環境的共同作用下會發生熱氧老化,聚乙烯大分子鏈斷裂會產生H2、CO2、CO等氣體,在電纜內部產生局部高氣壓,會進一步加速水樹的生長,最終造成絕緣層開裂、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]。目前關于氣壓因素對XLPE水樹枝影響的研究已取得了初步進展,但其只關注于氣壓或局部氣壓對電樹枝的生長規律及老化特性[6-7],而關于氣壓對水樹枝影響的研究仍是空白。ZHOU Lijun等為探究氣壓對XLPE電纜電樹的溫度依賴影響,通過實驗發現在不同溫度下氣壓對電樹的引發和生長有著不同的影響。XLPE在低溫下處于玻璃態,氣體壓力抑制了電樹在生長期的發展;高溫下XLPE處于高彈態時,高溫高壓存在較多的缺陷和分支通道,這是流柱發展的根本原因,從而加速了局放的發展[8]。周利軍等研究發現:低溫XLPE處于玻璃態,局放初期材料的機械性能良好,氣壓的升高對局放引發和生長初期無影響。局放后期,劇增的局部放電使插針區域軟化,在氣壓作用下產生形變,電樹枝沿應力集中區迅猛發展。高溫 XLPE 處于高彈態,自由體積分數增加,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,樹枝引發后通道氣壓升高,導致載流子更容易產生流柱進一步促進樹枝狀缺陷[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, 研究發現,低溫下內壁氣壓對電樹引發無明顯作用,對生長有抑制作用。高溫下氣壓電樹的引發與生長起促進作用。分析認為內壁高氣壓導致大面積高溫軟化區產生形變是促進電樹枝生長的主要因素。高溫時XLPE力學模量的降低促進電樹枝的引發,內壁氣壓對分子鏈的拉伸和通道內氣壓增強流柱放電過程導致電樹枝的生長加劇[12-17]。岳剛等分別以XLPE短電纜和電纜絕緣層切片為試驗樣品,搭建試驗系統,研究了局部氣壓作用在絕緣層或絕緣材料微孔內時的局部放電及其絕緣老化特征,發現局部高氣壓使電樹枝通道內局部放電加劇,絕緣老化加速;微孔內的氣壓相較于絕緣層氣壓對電樹枝內局部放電的促進作用更加明顯[18]。綜上所述,眾多學者對于不同氣壓環境下XLPE電纜電樹枝引發生長特性及老化過程進行了充分研究,但均只關注于電樹枝老化一種老化形式,電纜實際運行時更容易在XLPE中產生水樹枝,水樹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枝和水樹枝可以相互促進生長,但目前針對氣壓和水樹枝引發生長的相關研究目前尚無報道,因此研究在不同氣壓下XLPE電纜的水樹老化特性和水樹生長機理,尋找氣壓對水樹生長的影響規律,準確檢測并評估XLPE電纜水樹老化程度,保證電纜安全運行具有重要意義[19-22]。

為研究氣壓對XLPE電纜水樹老化的影響及高氣壓下的水樹生長特性,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老化平臺,通過人工制造水針缺陷來模擬電纜絕緣電場應力缺陷,對不同氣壓下的XLPE電纜樣本進行2組不同時間的水樹老化實驗。宏觀測試:對老化后電纜進行極化去極化電流(polarization and depolarization current,PDC)測試并分析,依據測試結果計算得到老化后電纜的直流電導率、0.1 Hz介質損耗因數及老化因子,通過宏觀參數的變化規律分析電纜在不同氣壓環境下的老化情況。微觀測試:對電纜試樣進行切片,在顯微鏡下觀察水樹枝微觀形貌,通過掃描電鏡對水樹橫斷面進行觀測,對切片試樣采用紅外光譜分析。最后,通過匯總宏觀參數和微觀形貌參數,結合宏觀與微觀參數對電纜樣本進行水樹生長特性分析及電纜老化評估。

1 實驗設計及測量方法

1.1 XLPE電纜試樣制備

在進行電纜老化實驗前,需要對電纜進行預處理工作。制備不同氣壓和老化時間的對照組試樣,分組如表1所示。

表1 不同氣壓下老化的電纜試樣設置

本實驗選取的是WDZ-YJY-8.7/15 kV型電纜,預處理工作流程如下:將電纜的護套、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,剝去其兩端5 cm的絕緣層,裸露銅芯。在電纜兩端剝離10 cm的外半導電層,露出XLPE絕緣層,保證足夠的絕緣距離,防止發生沿面放電。以中間外半導電層區域15 cm為水樹培養區,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60個針孔。隨后,將電纜兩端絕緣層套上內徑為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,在中間扎過針孔缺陷的部分套上內徑為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,在熱縮管正上方預留孔位,用來放置電極和注入溶液。在老化前將試樣置于預制氣壓下24 h。

1.2 XLPE電纜水樹老化實驗

XLPE電纜樣本的預處理工作完成之后,對其進行水樹老化實驗,不同氣壓水樹老化實驗平臺示意圖如圖1所示。本文的水樹老化實驗電源均設置為有效值7.5 kV、頻率400 Hz的正弦交流電壓,由Tektronix AFG3022C型函數發生器發出一個400 Hz的小電壓信號,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電阻為保護電阻,可以限制擊穿和充放電時的回路電流,防止電流過大破壞電源從而保護設備,同時為了防止加壓時電纜距離地面太近而導致放電,將電纜支撐在離地10 cm左右的位置。實驗所用的銅電極由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。實驗均在室溫下進行,在老化過程中不可避免地會遇到老化溶液中的水分蒸發,并伴隨著溶質析出的情況,還要定期將析出的溶質重新收集回熱縮管的空腔中,并補充水分直至水位線到達之前的高度。

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

1.3 不同氣壓老化實驗平臺的搭建

為了模擬XLPE電纜運行過程中在電纜內部產生的高氣壓環境對電纜水樹枝引發和生長的影響,本文搭建了能夠調節短電纜樣本所處環境氣壓的加速水樹老化試驗平臺。圖1中的實驗裝置主要由氣泵、導氣管、氣動接頭、壓力罐、氣壓表等組成。壓力罐由無錫市凱宏達化工設備有限公司生產,最高可承受1.5 MPa的壓力,氣泵為ZB-0.11/7型空氣壓縮機,使用開關閥對氣體的流速進行控制,將氣泵中的氣體通過導氣管和氣動接頭注入壓力罐中。在壓力罐上方開兩個螺紋孔并接通兩根導線,并使用AB膠將導線與螺紋內壁緊密貼合,一根用來接通老化電源,另一根接地。

水樹老化裝置需置于氣壓實驗平臺中,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氣壓穩定。電纜試樣兩段銅芯裸露且銅芯連接高電壓,而整個壓力罐接地,故為防止發生短路,電纜試樣和絕緣支撐架固定在壓力罐內部,以保證試驗時電纜試樣與壓力罐不發生相對位移。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,打開開關閥并觀察氣壓表,直到罐內氣壓達到實驗所需時關閉閥門并把導氣管從氣動接頭上拔出。

1.4 XLPE電纜老化測量方法

本文研究搭建不同氣壓環境下XLPE電纜水樹老化及生長特性,在不同氣壓下對XLPE電纜進行水樹老化,通過PDC測量、頻域介電譜分析從宏觀角度判斷電纜老化程度,通過光學顯微鏡、掃描電鏡和紅外光譜等方式獲取樹枝狀缺陷的微觀形貌、斷面特征、元素及化學鍵特征,數據化對比分析不同氣壓下缺陷的演化規律,基于電物理、電化學、高分子材料學等理論分析氣壓因素對XLPE電纜樹枝狀老化的影響,為電纜的絕緣可靠性評估及電纜壽命的提升提供理論支撐。

2 宏觀參數測量分析

2.1 PDC測試方法

XLPE電纜試樣的幾何電容C0的計算方法為

(1)

式中:L為電纜絕緣層的縱向長度,m;R1為絕緣層內半徑,m;R2為絕緣層外半徑,m。

電纜的直流電導率表達式為

(2)

由此可得XLPE電纜絕緣的介質損耗因數頻域關系為

(3)

式中:tanδ(ω)為電纜的介質損耗因數;ε′(ω)為復介電系數的實部;ε″(ω)為復介電系數的虛部。

式(3)中等式右邊第一項表示電導損耗因數,第二項表示極化損耗因數。復極化率的實部ε′(ω)和虛部ε″(ω)可用電纜的去極化電流聯立下式進行求解。XLPE電纜絕緣的復極化率為

(4)

式中:χ(ω)為XLPE的復極化率;χ′(ω)為復極化率χ(ω)的實部;χ″(ω)為復極化率χ(ω)的虛部。將PDC測試得到的極化電流和去極化電流分解為3階指數衰減的函數,表達式為:

(5)

(6)

式中:I0為去極化電流的穩態值,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,能夠反映介質內的陷阱密度;τi為3種極化的時間常數,能夠反映介質內的陷阱深度;t為時間,s。

在電纜絕緣的三支路擴展德拜模型中,第一、第二支路的時間常數較小,且電纜在正常運行過程中,其時間常數幾乎不發生變化。但當電纜內部發生水樹老化時,代表電纜中金屬鹽、極性基團與水合離子極化的第三支路時間常數τ3的變化較大。由于電纜水樹老化的這種特殊性,可以用Q(τ2)和Q(τ3)的比值計算得到老化因子Af來表征電纜的老化程度,Q(τ2)代表了電纜絕緣內無定形區與晶區界面極化的影響,Q(τ3)代表了離子與水分子極化的影響,計算公式為

(7)

式中:Af為電纜的老化因子;Q(τ2)和Q(τ3)的表達式為:

(8)

(9)

老化因子Af可以判斷XLPE電纜的老化狀態。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、各國電纜的制作標準不同等都會影響老化因子的大小,因此各國對于老化因子的判據并不統一。

2.2 PDC測試結果及分析

使用0.1 mol/L的氯化鈉溶液在0.1、0.2、0.3 MPa 3個氣壓等級下對XLPE電纜進行水樹老化實驗,老化時長為14及28 d。老化結束后,對電纜進行PDC測試,繪出極化-去極化電流圖。不同氣壓環境下老化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,氣壓環境對電纜樣本的去極化電流影響不大,3個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,氣壓環境對電纜的去極化電流略有影響,隨著電纜周圍環境氣壓的升高,其去極化電流也有所增大。

將不同氣壓環境老化后電纜的直流電導率繪制成折線圖,結果如圖4所示?？梢钥闯?老化14 d后,3種氣壓環境下電纜的直流電導率相差不大;老化28 d后,隨著電纜周圍環境氣壓的升高,老化后的直流電導率也隨之變大。因此可以初步斷定,氣壓環境在前期對電纜的老化程度影響并不大,在老化28 d時才有顯著影響。電導率的這種變化趨勢可能是由于在老化初期XLPE分子鏈比較完整,將其破壞時所需能量較高,高氣壓環境給離子帶來的沖擊力及能量不足以更快地破壞分子鏈結構,導致水樹通道的生長速度變化較小,使直流電導率的增長幅度不大。老化28 d時,交聯聚乙烯分子鏈已經開始產生形變并斷裂,離子在高氣壓環境下所增加的動能足以破壞部分形變的分子鏈,導致電導率增長的速度較老化初期更快。不同氣壓環境老化后電纜的介質損耗因數如表2所示。

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

表2 不同氣壓環境老化后電纜的介質損耗因數

由表2可知,老化14 d后,3種氣壓環境下電纜老化后的0.1 Hz tanδ值均在1.4×10-3左右,已經大于1.2×10-3,說明XLPE電纜絕緣層已經開始老化,但不同氣壓對電纜的老化程度影響不大,通過西林電橋測量的50 Hz tanδ值也能證明此結論。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,說明氣壓環境在老化前期對電纜的影響不大,而隨著老化時間加長,氣壓對電纜的水樹老化程度影響開始逐漸增大,隨著周圍環境氣壓的升高,電纜的老化程度呈上升趨勢。將不同氣壓環境老化后電纜的去極化電流代入式(7)～式(9)中,計算出不同氣壓環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有明顯的變化,老化28 d后,隨著周圍環境氣壓的升高,電纜的老化因子呈升高趨勢。結合電纜直流電導率、介質損耗因數和老化因子的變化趨勢,可以說明老化前期氣壓環境對電纜老化程度的影響并不是很大,而隨著老化時間的加長,電纜的老化程度隨周圍氣壓環境的升高呈增大趨勢。

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

通過對比不同氣壓環境老化后電纜的宏觀參數測試結果發現,前14 d內氣壓環境對電纜老化程度的影響不大,在老化14～28 d內,電纜的老化程度隨周圍氣壓環境的升高呈增大趨勢。

2.3 基于宏觀參數對電纜水樹老化程度的預測

本文使用皮爾遜相關系數法對電纜的微觀參數與宏觀參數的關聯程度進行分析,該方法可準確衡量兩組變量之間的關聯程度。皮爾遜相關系數適用于兩個變量標準差都不為0且兩個變量之間是線性關系,水樹密度分別與直流電導率、介質損耗因數和老化因子滿足上述關系,故可以采用皮爾遜相關系數評估其相關性,據此將宏觀參數與微觀參數相結合。為了建立XLPE電纜內部水樹微觀結構與宏觀參數的關聯性,采用皮爾遜相關系數法將電纜PDC測試所得的老化因子、直流電導率、0.1 Hz介質損耗因數3個評價指標與水樹密度進行相關性分析,衡量兩組數據之間的關聯程度[19-20]。兩個變量之間的相關系數計算方法為

(10)

為了得到不同氣壓環境下XLPE電纜的水樹枝生長預測模型,要將電纜的宏觀參數與水樹密度進行擬合,首先計算出電纜的水樹密度如表3所示。其次用式(10)計算出宏觀參數與水樹密度的相關系數,結果如表4所示。

表3 不同氣壓環境老化后電纜的水樹密度

表4 宏觀參數與水樹密度的相關性計算結果

根據表3可知,不同氣壓環境老化后電纜的3種宏觀參數與水樹密度的相關系數均大于0.9,可以認為三者與水樹密度均存在線性關聯。將電纜的宏觀參數與水樹密度進行多項式擬合,擬合結果如圖6所示。

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

由圖6(a)擬合結果可得,不同氣壓環境老化后電纜內部水樹密度與直流電導率的關系為

ρ=-4.63×10-3+1.152×10-4σ0。

(11)

由圖6(b)擬合結果可得,不同氣壓環境老化后電纜內部水樹密度與0.1 Hz介質損耗因數關系為

(12)

由圖6(c)擬合結果可得,不同氣壓環境老化后電纜內部水樹密度與老化因子的關系為

(13)

用表4中相關系數的比值作為其影響權重,計算得到不同氣壓環境老化后電纜的3種宏觀參數對水樹密度的影響權重分別為0.333、0.334、0.333。對式(10)～式(12)進行賦權處理,得到不同氣壓環境老化后XLPE電纜宏觀介電參數與水樹密度的數學表達式為

ρ=-1.298+3.836×10-5σ0-2.97×10-3×

(14)

通過式(14)可以看出,隨著σ0、tanδ0.1以及Af的增大,電纜的水樹密度ρ也會增加。水樹密度越大代表電纜水樹老化程度越深,內部微觀缺陷也越多,該式將電纜的宏觀參數與微觀形貌相結合,實現了對不同氣壓環境老化后XLPE電纜水樹老化程度的無損檢測。

統計了不同氣壓環境老化后電纜內部水樹生長體積和微孔面積,發現氣壓環境在老化前期對水樹的促進作用不大,到了老化中期開始對水樹生長起促進作用。產生這種現象的主要原因是,老化前期和老化中期高場強區位置不同,使電場力方向及大小有所改變,導致氣壓對離子運動速度的影響不同,且交聯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,導致水樹老化程度加深。

3 微觀參數測量分析

為了判斷電纜內部水樹生長情況及生長特性,需要對XLPE電纜片狀試樣進行微觀檢測。通過對不同條件下老化后電纜的切片試樣進行光學顯微鏡觀測、掃描電子顯微鏡觀測、紅外光譜測試,統計電纜內部水樹枝的生長情況,分析不同條件對XLPE電纜水樹枝生長的影響機理并探究其生長特性。將宏觀測試結果與微觀檢測結果相結合,得到不同條件下XLPE電纜水樹枝生長預測模型。

3.1 光學顯微鏡觀測結果

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

(15)

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

使用光學顯微鏡對第一組片狀試樣的水樹區域進行觀測,觀測到在0.1、0.2、0.3 MPa氣壓條件下老化28 d后電纜的水樹微觀形貌如圖7所示。

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

將統計出的水樹枝長度和寬度代入式(15),計算出不同氣壓環境老化后電纜水樹枝的體積,并繪制成箱體圖,如圖8所示。

圖8 不同氣壓環境老化后水樹體積統計結果Fig.8 Statistical results of water tree volume after aging in different atmospheric pressure environments

根據圖8統計結果可知,0.1 MPa氣壓下電纜老化后水樹平均體積從14 d的0.035 5 mm3增長到了28 d的0.135 mm3;0.2 MPa氣壓下電纜老化后水樹平均體積從14 d的0.037 1 mm3增長到了28 d的0.162 mm3;0.3 MPa氣壓下電纜老化后水樹平均體積從14 d的0.038 4 mm3增長到了28 d的0.194 mm3?？梢钥闯?老化14 d后,氣壓條件對電纜水樹生長的促進作用并不大,隨著氣壓的提升,0.2和0.3 MPa氣壓下水樹體積的增長幅度僅有4.36%和8.16%。老化28 d后,氣壓條件對電纜水樹生長的促進作用較大,隨著氣壓的提升,0.2和0.3 MPa氣壓下水樹體積的增長幅度達到了20.04%和43.33%。說明電纜在水樹老化前期,氣壓條件對水樹的生長影響不大,到了老化中期,氣壓環境對XLPE電纜的水樹生長有促進作用。

3.2 掃描電子顯微鏡觀測結果

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區域,通過液氮脆斷后置于掃描電鏡下觀察斷面形貌,找到水樹孔洞區拍攝。0.3 MPa下XLPE電纜水樹老化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微孔,通過測量可知水樹孔洞直徑在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行SEM觀測,并標注微孔的長軸及短軸的長度,選擇5個典型微孔并使用下式計算其面積,即

S=πab。

(16)

式中:a為橢圓形微孔的長軸,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,3種氣壓環境下生長的水樹枝微孔面積相差不大;而老化持續到28 d后,隨著氣壓的增加,水樹枝的微孔面積也隨之增加。在水樹生長前期(0～14 d),針尖缺陷處的電場強度高,離子在電場力的作用下向針尖下方進行擴散運動,使老化前期的水樹枝主要集中在針尖下方。此時,氣壓環境對水樹枝的生長以及水樹通道的擴張影響不大,主要是因為老化初期交聯聚乙烯分子鏈力學模量保持良好,還未受到水分及離子的沖擊,氣壓條件對離子運動的促進作用不足以破壞分子鏈。且此時高場強點都集中在針孔缺陷下方,離子受電場力后的運動軌跡大致相同。即使增加了外部氣壓,溶液中的離子半徑不變,擴散速度略有增加,但與強電場力作用下的運動速度相比并沒有顯著提升,所以老化前期的氣壓環境對水樹通道的擴張作用幾乎沒有影響。但到了老化中期(14～28 d),“珍珠串”型水樹長度發展到了200～300 μm,此時水樹枝已經向四周進行擴散,不再只沿著針孔缺陷方向生長。這時高場強區不再集中在針尖下方,而是在各個水樹枝的末端,此時離子受到的電場力方向范圍較廣,水樹的生長方式轉變為向兩側發展為主。且在老化中期,水樹通道末端的交聯聚乙烯分子鏈形變嚴重,更容易發生斷裂。隨著周圍氣壓的提升,溶液中的水分和離子進入缺陷的速度加快,其受到電場力作用后的沖擊力也越大,產生的能量大于水樹末端分子鏈的鍵能后使其斷裂,導致水樹末端生長速度加快,在宏觀上表現為水樹體積的增加以及水樹通道和微孔寬度的擴張。

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

3.3 紅外光譜分析

對水樹區域進行紅外光譜掃描,得到不同氣壓環境老化14 d后電纜水樹區域的紅外光譜如圖11所示。

圖11 不同氣壓環境老化14 d后電纜水樹區域的紅外光譜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處的合頻振動峰作為內標峰,就能夠排除厚度對吸收峰峰值的影響,含水指數的計算公式為

(17)

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

本文使用的紅外光譜儀測得數據為透光率,需要將其轉換為吸光度,計算公式為

(18)

式中:Ai為吸光度,%;Ti為透光率,%。

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

表5 不同氣壓環境老化后電纜的含水指數

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

將微觀檢測結果和宏觀測試結果相結合,可以得出,氣壓環境對XLPE電纜的水樹生長有一定影響。在老化前期,交聯聚乙烯分子鏈的力學模量保持良好,高氣壓對水樹的促進作用十分有限。到了老化中期,高場強位置從針孔處轉變為水樹通道末端,并且此時交聯聚乙烯分子鏈已經發生了形變,氣壓對離子擴散速度的提升導致分子鏈斷裂速度加劇,對水樹枝的生長產生了促進作用。從微觀角度分析,水樹的生長與XLPE的分子鏈取向有關,取向是指在電場力作用下,XLPE材料的非晶區分子鏈會逐漸沿著某個方向作定向排列。在外界未加電場作用前, XLPE材料的分子鏈總是趨于無序排列,此時的XLPE分子鏈表現出各向異性,無取向行為發生。在外加電場作用后,針尖及其附近的場強均已超過臨界取向場強值,故均已發生局部取向。XLPE材料的分子鏈主要以共價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生斷裂,而共價鍵力則剛好相反。當水分子沿XLPE材料的針孔缺陷侵入非晶區的分子鏈時,會在交界面處形成麥克斯韋應力,XLPE分子鏈上的范德華力受到幅值不斷變化的麥克斯韋應力的作用產生機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力的大小。麥克斯韋應力越大,局部取向程度越大, XLPE分子鏈的范德華力越容易被破壞,水樹沿局部取向方向的生長通道越長,故水樹生長(沿取向方向)速率越快。

4 結 論

本文針對XLPE電纜的水樹老化問題,通過水樹老化實驗、PDC電流測試和切片試樣的微觀檢測相結合的方式對不同氣壓環境下電纜的水樹枝生長特性進行詳細研究,得出以下結論:

1)宏觀參數結果表明,老化14 d后,氣壓環境對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強區位置不同,使電場力方向及大小有所改變,導致氣壓對離子運動速度的影響不同,且交聯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,導致水樹老化程度的加深。同時,氣壓因素對水樹老化的影響與時間相關。根據老化因子可知,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%,可以認為在老化前期,水樹處于引發階段,此階段氣壓作用不明顯,而在水樹生長階段,氣壓升高明顯可促進水樹生長。

2)通過紅外光譜測試結果計算了電纜的含水指數,能夠表征XLPE電纜內部水樹老化程度,并對水樹體積和含水指數進行擬合,驗證了其與水樹體積呈線性相關關系。在老化前期,交聯聚乙烯分子鏈的力學模量保持良好,高氣壓對水樹的促進作用十分有限。到了老化中期,高場強位置從針孔處轉變為水樹通道末端,并且此時交聯聚乙烯分子鏈已經發生了形變,氣壓對離子擴散速度的提升導致分子鏈斷裂速度加劇,對水樹枝的生長產生促進作用。

3)將不同條件下老化后電纜的宏觀參數與水樹密度進行擬合,得到基于直流電導率、0.1 Hz介質損耗因數及老化因子的水樹密度預測模型,提供了一種對XLPE電纜水樹老化程度無損檢測的新方法。水樹密度越大代表電纜水樹老化程度越深,內部微觀缺陷也越多,該方法將電纜的宏觀參數與微觀形貌相結合,實現了對不同氣壓環境老化后XLPE電纜水樹老化程度的無損檢測。