摘要：近25年以来，高压交联聚乙烯（XLPE）电缆越来越多的投入运行。但是早期的XLPE电缆由于制造工艺粗糙，自身防水性能不好，铺设和运行过程中，会在很大程度上受到热老化和电老化的影响，产生一些缺陷。这些微小的缺陷在潮湿环境中发展成水树，在电场作用下，水树进一步生长变成电树，电树则是不可逆的电缆永久性损害，常常使得电缆绝缘击穿，造成停电事故，对电力系统的安全运行面临着巨大的威胁。对于连接电网，作为输电网核心的至关重要的高压220kV电缆，及时了解并分析其绝缘状态，有着重要的现实意义。
关键词：220kV交联聚乙烯电缆；老化；理化；红外光谱；差式扫描量热
1、220kV电缆绝缘状态检测
1.1电导检测
一般情况下，绝缘电缆电导率极低，新电缆在10e-16S/m左右，采用常规的摇表或者泄漏电流，难以准确测量其电导率值，同时过高的电压可能对电缆造成二次损坏。为此，本文采用了精度较高的极化去极化电流检测法（PDC）来计算。本文采用的PDC测试系统如图1所示，先对被测电缆试样进行初始测量，其目的是为了确定在没有施加极化电压情况下的系统偏置，包括周围的干扰信号等。在测试过程中，10%的额定相电压即可。故所施加电压为1kV直流电压。同时，为使测试样本在施加电压下充分极化，设置的极化、去极化时间均为90s，所有的测试过程均在室温条件下进行。
PDC测试方法主要分为极化、去极化两个过程。极化过程，直流电压对电缆样本充电，去极化过程，样本则处于放电状态。两个过程中，电流均通过皮安表采集上传到工控机中，本实验采用Keithley6485，精度可达10fA。极化电流表达式为：
式中：C0为电力电缆的绝缘真空几何电容，U0为检测电压，σ0为样本电导率，ε0是真空介电常数，f（t）为样本介质响应函数。
t=tc（tc为充电时间）时，电缆被试品对地短接，此时流过绝缘层、屏蔽层的电流为去极化（松弛）电流。根据叠加定理可以等效为t=tc时刻起对XLPE绝缘施加电压-Uc，可得去极化电流表达式：
f（t）是一个单调递减的函数，当测试时间大于一定值后，可认为f（t）趋于零。联立公式（1）和（2）即可计算出电缆XLPE绝缘的直流电导率：
通过公式（3），计算获得此电缆的电导率大小为σ=1.74e-14S/m，认为该电缆存在轻微的绝缘老化。
1.2红外光谱分析
1.2.1试验原理
在研究电介质的化学及物理特性时，红外光谱（IIR）扮演了重要的角色。当待测样品处于频率变化的红外光中，样品的分子将会吸收部分频率的红外光，不同成分的分子会吸收不同频率的红外光，从而减弱了相应区域的透射光。此时，记录下红外光的百分透射比与波数的对应值，绘出相应的曲线，即可得到红外光谱。通过分析相应分子式的红外光谱吸收波长，来得到电缆绝缘的性能特性，进一步对电缆的老化状态做出诊断。
1.2.2试验步骤与数据分析
（1）从XLPE绝缘中外、中、内三侧，切出0.5mm、1.0mm厚度样本，用无水乙醇清洗，然后干燥24小时；（2）使用衰减全反射红外光谱仪测试样品的曝光面，进行红外光谱扫描。本次试验中，截取的是220kV运行10年后退运的老化XLPE电缆的切片，分别将绝缘层样本分成外侧、中侧、内侧三组，作对比分析。得到的红外光谱图如图2所示。
从图2可以看出：光谱2917cm-1和2848cm-1的位置出现较强的吸收峰，该部分为主链-（CH2）n-的键不对称伸缩振动峰、对称伸缩振动峰，XLPE层中侧的吸收峰略大于外侧和内侧的吸收峰，这一现象可能与电缆XLPE层不同位置的老化程度不同有关。外侧易受到外界运行环境的影响，内侧与缆芯距离较近，受到电场和发热因素影响较多，这两个位置的老化程度相对于中侧的老化程度较高。而随着老化程度的加剧，主链和侧链上的-CH2-键会发生断裂，导致–CH2–键的含量减少。XLPE层中侧的-CH2–键吸收峰大于外侧和内侧，说明退运电缆的XLPE层外侧和内侧相对于中侧均发生了老化断键。图中，1470cm-1和719cm-1附近的吸收峰比较明显，分别为-（CH2）n-键的不对称弯曲振动峰、面内摇摆弯曲振动峰。而在1366cm-1处也会产生一个峰值略低的吸收峰，为-（CH2）n-键的对称弯曲振动峰。XLPE层内侧在1470cm-1处的吸收峰要高于中侧和外侧，说明内侧的-CH2–键断裂程度高于中侧和外侧。1370cm-1处的吸收峰通常可以用来表征孤立的甲基-CH3在分子中的数目，甲基的数目越多，峰值越强，这里的峰值三者相差不大。在970cm-1附近，外侧的光谱吸收峰要明显高于内侧和中侧，该试验现象有待进一步研究。719cm-1处亚甲基链-（CH2）n-（n>4）平面摇摆弯曲振动峰，内侧要高于外侧和中侧，说明内侧老化后，XLPE层发生了断链降解。
1.3差示扫描量热分析
绝缘材料的聚集态结构对其力学性能、击穿性能等有重要影响。为了进一步了解退运电缆在聚集态结构上发生的变化，取XLPE层外、中、内侧切片进行DSC实验，分析其熔点、结晶度、晶片厚度、结晶速率在老化过程中的变化情况。
1.3.1测试原理
差示扫描量热分析（DSC）通过测量样本在不同温度下，由于发生量变或质变所引起的热变化，即吸热或放热，以此来推断材料可能发生的结构变化。发生吸热的反应过程有：晶体熔化、蒸发、升华、化学吸附等；发生放热的反应过程有：气体吸附、氧化降解、结晶等。而结晶形态的转变、化学分解、氧化还原反应等过程则可能是吸热，也可能是放热。DSC曲线的横坐标为温度T或时间t，纵坐标为样品吸热或放热速率。本文使用的是美国TA公司生产的调制型差示扫描量热仪，型号为Q2000，扫描温度范围为-80~550°C，灵敏度为0.2μw，扫描速率为0.01~200°C/min，最大可称量100mg。本研究中主要使用该设备测量待测样本的熔点、结晶度、片晶厚度、结晶速率等变化情况。
1.3.2电缆测试样本制作
本文中进行差示扫描量热测试时，需要将所有的电缆样本切片制为厚约1~2mm，长和宽不超过5mm，质量为5~8mg的薄片。退运电缆XLPE层内中外侧的熔融和结晶过程不完全相同，虽然曲线的形状没有发生变化，但是在相同温度下热流的数值不同，且峰值的大小不同。说明在运行10年的过程中，结缘材料的聚集形态发生了改变。本文主要考察电缆绝缘样本的结晶度，结晶度计算公式如下：
式中，Hm为材料的熔融热焓，ΔH0为XLPE完全结晶时的熔融热焓，一般取287.3J/g。内侧样本的结晶度与外侧相比有所降低，已有研究表明，在电热老化的作用下，材料的内部片晶会逐渐变薄，进而使得结晶度有所下降。也就是说，退运电缆XLPE层内侧所受电热老化的程度比外侧高一些。
2、结语
随着用户对于用电质量要求的不断提高，电缆作为重要的电能输送载体，更好地保证其健康状况有着积极的意义，通过对其绝缘状况的检测分析，准确地评估其使用寿命，对于及时、合理地进行电缆维护、更换能起到重要的指导作用。本文只是简单地对几种绝缘检测方法进行了了解。
参考文献：
［1］金尚儿．长期运行的110kVXLPE电缆的绝缘状态评估［D］．广州：华南理工大学，2016．
［2］杜岩，姜红，李晓白，等．傅里叶变换红外光谱法检验塑料吸管的研究［J］．上海塑料，2014．
论文作者:谢国维
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/1
标签：电缆论文; 样本论文; 结晶度论文; 光谱论文; 电压论文; 测试论文; 电导率论文; 《电力设备》2018年第18期论文;