基于电化微观特性XLPE电缆老化研究.doc

基于电化微观特性XLPE电缆老化研究 　　[摘 要]在实际运行中，电缆绝缘受到电、热、机械、环境等多种应力作用而发生老化。为了研究110kV交联聚乙烯（XLPE）电缆不同绝缘层的微观特性及其老化机理，采用脉冲电声、热失重分析分析了运行23、14年和备用20年的110kV XLPE电缆内、中、外绝缘层的老化状况。研究绝缘层的空间电荷分布、分子化学键、物质结构成分等微观特性的变化规律，并比较内、中、外绝缘层老化特性差异，对绝缘层的老化机理进行深入探究。结果表明，与中间绝缘层相比，电缆内、外绝缘层整体的空间电荷积累量增多14.86%，活化能下降3.68%，陷阱增多、化学键断裂和分子链结构氧化、破坏是电缆内、外绝缘层老化过程的主要微观表现。综合各试验结果分析，运行初期的电缆，在无氧条件下以聚乙烯分子交联反应占主导；运行后期的电缆或在有氧条件下以氧化降解反应占主导，该结果可指导电网中运行电缆的维护、检修工作。 　　[关键词]110kV交联聚乙烯电缆；空间电荷；活化能；微观特性 　　中图分类号：TV73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0112-02 　　0 引言 　　20世纪80年代以来，国内外电缆技术迅猛发展，传统的充油电缆逐渐被三层共挤生产工艺制造的交联聚乙烯XLPE电缆替代。与前者相比，后者具有无需供油、可防火、安装维护简单以及机械、电气性能优异等优良性能，应用范围日益。广东电网江门供电局目前在运的110kV交联聚乙烯电缆已达107公里，而由于老化导致的电缆缺陷占比32%，仅次于占比38%的外力机械破坏情况，因此急需确切了解电缆的老化状态。在实际运行中，电缆绝缘受到电、热、机械、环境等多种应力作用而发生老化，研究能表征绝缘老化的特征参数及其变化规律，对老化机理的揭示及电缆老化寿命评估有重要意义。 　　本文利用脉冲电声、热失重分析和傅里叶变换红外光谱试验分析了运行23年、14年和备用20年的110kV XLPE电缆内、中、外绝缘层的老化状况，研究老化过程中，绝缘层的空间电荷分布、分子化学键、物质结构成分等微观特性的变化规律，并比较内、中、外绝缘层老化特性的差异，对绝缘层的老化机理进行深入探究。 　　1 脉冲电声试验 　　1.1 样品预处理 　　实验选取实际运行23年、实际运行14年和备用20年的日本住友110kV XLPE电缆。以电缆铜芯中心为圆心，沿电缆轴切取厚度0.5mm的交联聚乙烯，分别得到不同运行状况下电缆内、中、外样品。 　　1.2 试验步骤 　　（1）使用脉冲电声装置测量电缆样品的空间电荷分布，上下电极分别采用半导体电极和铝电极，声耦合剂采用硅油，采用恒温循环水浴保证测试温度为20℃； 　　（2）测试条件设定为：高场强为30kV/mm，纳秒脉冲源幅值为1kV，脉宽为10ns； 　　（3）测量20min时电缆样品的空间电荷分布。 　　1.3 结果讨论 　　绝缘层内、中、外位置的电缆试样的空间电荷分布如图1所示。在正电极附近，运行14年的内层电缆试样出现少量同极性空间电荷，运行14年的中外层电缆试样、运行23年和备用20年的内中外层电缆试样均出现异极性空间电荷。文献研究表明，聚合物中的空间电荷与电极注入的电荷载流子、聚合物中的杂质小分子有关，同极性空间电荷源自于电极注入的电荷载流子，异极性空间电荷源自于杂质小分子的电离。因此运行14年的内层电缆试样的空间电荷分布以?极注入的电荷载流子的影响为主，其余电缆试样的空间电荷分布均受杂质小分子电离的影响。 　　为了消除因试样厚度不一而引起的差异，定量地分析电缆试样的空间电荷与老化状态、试样位置的关系，定义单位体积的平均空间电荷积累量为 　　（1） 　　其中，Q总为绝对空间电荷积累量，ρ（x）为试样的空间电荷密度，d为试样厚度，S为电极面积。 　　运行23年和备用20年内、中、外绝缘层试样的平均空间电荷积累量的变化趋势与其异极性空间电荷密度峰值的变化趋势具有良好的一致性，且其异极性空间电荷的数值相对较大，说明运行后期的电缆及备用电缆整体的空间电荷分布以异极性空间电荷影响为主，内部的陷阱缺陷以杂质小分子等化学缺陷占主导。 　　电缆试样的羰基指数由大到小依次为：运行23年运行14年备用20年，电缆实际运行时间的增加会加重绝缘层的氧老化程度。运行14年和备用20年的内外层试样的平均空间电荷积累量比中层位置高，说明运行初期的电缆，陷阱缺陷集中在内外层；运行23年电缆试样的平均空间电荷积累量由内至外逐渐增大，说明运行后期的电缆，其外层出现更多的物理、化学缺陷。与相应试样的内中位置相比，运行23年、运行14年和备用20年试样外层的异极性电荷密度均最高，说明在运行过程中，电缆外层的聚乙烯化学结构发生改变，产生更多的杂质极性小分子