費(fèi)益軍，張?jiān)葡觯苓h(yuǎn)翔

(1．江蘇省電力公司，江蘇南京210000; 2．清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

硅橡膠熱老化特性及其對電纜附件運(yùn)行可靠性的影響

費(fèi)益軍1，張?jiān)葡?，周遠(yuǎn)翔2

(1．江蘇省電力公司，江蘇南京210000; 2．清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

電力電纜大力發(fā)展，使得新型硅橡膠絕緣材料由于其優(yōu)良的機(jī)電熱性能得以廣泛應(yīng)用在超高壓電纜附件絕緣領(lǐng)域，但是絕緣故障時(shí)有發(fā)生，成為電纜輸電線路的薄弱環(huán)節(jié)。本文提出材料老化特性是影響超高壓電力電纜附件運(yùn)行可靠性的重要因素，對硅橡膠材料電樹老化性能進(jìn)行了深入研究，研究溫度對電樹起始電壓、形態(tài)的影響規(guī)律和電樹隨著時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。研究顯示硅橡膠電樹起始電壓隨溫度的升高明顯下降，電樹形態(tài)從樹枝狀、松枝狀向叢狀樹枝過渡，表明硅橡膠絕緣材料在電纜運(yùn)行溫度范圍內(nèi)存在明顯的熱破壞特性，對硅橡膠電纜附件絕緣可靠性造成不利的影響，而較高溫度的叢狀電樹的滯長特性則將成為電纜附件的長期性故障隱患。在特性研究的基礎(chǔ)上，對比分析了溫度對硅橡膠和聚乙烯電樹老化性能的差異，認(rèn)為當(dāng)前硅橡膠電纜附件故障頻發(fā)的主要原因之一是對硅橡膠老化特性缺乏了解，造成現(xiàn)有的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上冗余不足。

電纜附件;硅橡膠;電樹;老化;熱破壞

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，我國電網(wǎng)改造中大量使用高壓交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電力電纜代替架空輸電線路［1］。2009年的上海世博園主供電線路采用的XLPE電力電纜系統(tǒng)最高電壓等級已達(dá)到交流500kV［2］。2013年我國陸續(xù)建成的舟山±200kV五端柔性直流工程、南澳±160kV三端柔性直流工程及目前正在建設(shè)的大連和廈門±320kV兩端柔性直流工程均采用XLPE電纜［3］。XLPE電力電纜已經(jīng)呈現(xiàn)全面替代充油電纜及浸漬紙絕緣電纜的趨勢，并在更廣泛領(lǐng)域得以應(yīng)用。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力電纜在城市電網(wǎng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。截止2013年，國家電網(wǎng)公司在運(yùn)6～500kV電纜線路總長度為367600km，同比增加55159km，增長了17.7%。其中66kV及以上電纜線路總長度為16014km，同比增加1738km，增長了12.2%。江蘇省電力公司截止2012年年底，在運(yùn)220kV電纜131回，回路長度374.6km;在運(yùn)110kV電纜1454回，回路長度2541.8km。交聯(lián)聚乙烯電力電纜由于其良好的工藝結(jié)構(gòu)，耐酸堿、耐腐蝕能力較強(qiáng)，安裝敷設(shè)簡單，運(yùn)行維護(hù)工作量較少，不存在油的淌流問題?；谏鲜鲈?，江蘇省各主要城市電網(wǎng)中的110kV、220kV輸電線路均已采用交聯(lián)聚乙烯電力電纜。

電纜系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)緊湊、安裝工藝要求高、連接處使用環(huán)境惡劣等原因，對絕緣性能的要求較高，用于連接電纜與電纜及電纜與其他設(shè)備的電纜附件的擊穿故障率要遠(yuǎn)高于電纜本體。近年來，硅橡膠由于其高彈性、耐溫范圍廣、電氣性能優(yōu)異等特點(diǎn)，作為主絕緣材料在預(yù)制式超高壓電纜附件中得到了越來越多的應(yīng)用。目前，中國對于電纜附件的研究比較落后，且絕緣故障時(shí)有發(fā)生。近年來在北京、廣東、青海等地先后發(fā)生了多起硅橡膠電纜附件絕緣故障［4］，江蘇省電纜輸電線路也出現(xiàn)多起電纜附件故障。圖1是220kV秦碼2M16線2012年11月發(fā)生的硅橡膠電纜接頭故障現(xiàn)場。固體絕緣的擊穿過程，目前尚未明確，有研究提出擊穿是逐步累積發(fā)展的，為此開展了電樹老化機(jī)理的初步研究［5-8］。如何提高電纜附件的運(yùn)行可靠性，是當(dāng)前電網(wǎng)工作者的重要任務(wù)。

圖1 現(xiàn)場電纜接頭故障Fig．1Silicone rubber cable joint failure on site

在正常運(yùn)行條件下，電纜允許運(yùn)行的最高溫度為90℃，當(dāng)電纜處于過載或短路狀態(tài)，短時(shí)間內(nèi)電纜允許承受的溫度高達(dá)250℃。系統(tǒng)工作時(shí)由于載流量大，電纜絕緣實(shí)際上長期處于較高溫度運(yùn)行狀態(tài)，容易引起絕緣材料無法恢復(fù)的老化損傷，導(dǎo)致絕緣性能下降乃至絕緣故障。目前，溫度作用下硅橡膠絕緣老化破壞特性尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文在大量電纜現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上，對硅橡膠電樹老化性能進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了溫度對電樹起始電壓和形態(tài)的影響，通過對比分析溫度對硅橡膠和聚乙烯電樹老化性能的差異，對當(dāng)前硅橡膠電纜附件故障頻發(fā)的原因進(jìn)行了討論。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

本文利用經(jīng)典的針板電極試樣進(jìn)行硅橡膠電樹老化試驗(yàn)［9］，試品如圖2所示。選用電力電纜附件用的熱硫化液體硅橡膠，注入預(yù)埋電極的模具，制成了如圖2所示的預(yù)埋式針板電極硅橡膠電樹老化測試樣品，其中針板間距(3±0.1)mm，鋼針直徑250μm，針尖曲率半徑30μm。針尖預(yù)埋保證針尖附近無氣泡及應(yīng)力集中。

2.2 電樹老化觀測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測量系統(tǒng)包括顯微圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)和高壓試驗(yàn)系統(tǒng)，接線如圖3所示。

圖2 硅橡膠缺陷模擬試樣Fig．2Experiment sample with needle in SIR

圖3 電樹實(shí)時(shí)觀測測量系統(tǒng)Fig．3Optical observer measurement system of electrical treeing

進(jìn)行觀測溫度對電樹影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)開始前，將試樣及硅油(防止沿面放電、閃絡(luò)和電暈)放入烘箱，迅速加熱至所需溫度，然后一并放入實(shí)驗(yàn)容器，同時(shí)在容器外部安設(shè)電加熱帶以保持實(shí)驗(yàn)溫度恒定。完成上述準(zhǔn)備工作后，在試品上施加工頻電壓，以500V/s的速度均勻升壓，直到觀測到針尖處電樹長度達(dá)到約10μm時(shí)，記下電壓的有效值，將這個(gè)電壓值定義為此試品的起樹電壓數(shù)值。在每個(gè)溫度點(diǎn)保持實(shí)驗(yàn)條件不變，重復(fù)20次實(shí)驗(yàn)，獲得該溫度點(diǎn)下起樹電壓的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。電樹起始后，即將電壓保持在起樹電壓，觀測硅橡膠中電樹的生長特性。

3 溫度對硅橡膠電樹老化特性的影響

3.1 溫度對硅橡膠電樹起樹電壓的影響

選取25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃6個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，在工頻(50Hz)電壓下測量硅橡膠的起樹電壓。圖4為不同溫度下硅橡膠和聚乙烯材料的起樹電壓標(biāo)幺值分布圖，其中硅橡膠材料的起樹電壓基準(zhǔn)值為25℃時(shí)的9.7kV，聚乙烯材料的起樹電壓基準(zhǔn)值為40℃的6.4 kV。

圖4 溫度對硅橡膠、聚乙烯起樹電壓的影響Fig．4Effects of temperature on electrical tree initiation voltages in silicone rubber and PE

圖4中，隨著溫度的升高，硅橡膠起樹電壓呈單調(diào)下降趨勢，溫度較低時(shí)下降的速度較快，隨著溫度升高降幅趨緩。25℃時(shí)起樹電壓為9.7kV，100℃時(shí)為6.7kV，150℃時(shí)為5.3kV。從25℃到100℃，起樹電壓降低了33%，溫度每升高1℃，起樹電壓降低0.44%;從100℃到150℃降低了21%，溫度每升高1℃，起樹電壓降低0.42%。

圖4也給出了聚乙烯的起樹電壓隨溫度變化的趨勢，聚乙烯試樣制作除材料有所不同外，針尖預(yù)埋條件為:同樣采用預(yù)埋技術(shù)，針尖曲率半徑為2μm，直徑為30μm，針尖距離地電極為(1±0.1)mm。隨著溫度的上升，聚乙烯起樹電壓從40℃時(shí)的6.4 kV下降到100℃的6.0 kV，僅下降了7%，溫度每升高1℃，起樹電壓降低0.12%。當(dāng)溫度大于100℃時(shí)，起樹電壓則明顯下降，從100℃時(shí)的6.0kV下降至120℃的3.7kV，下降了38%，溫度每升高1℃，起樹電壓降低1.9%。

硅橡膠與聚乙烯的電樹起始電壓均受溫度影響，但影響特性不同。隨著溫度從20℃升高到150℃，溫度每升高1℃硅橡膠起樹電壓下降約0.42%～0.44%，從室溫開始就表現(xiàn)出明顯的熱破壞特性。而對于聚乙烯材料，在100℃之前，隨著溫度升高，起樹電壓沒有明顯變化，表明在此溫度范圍內(nèi)，聚乙烯無明顯的熱破壞特征。只有溫度超過100℃時(shí)，聚乙烯才體現(xiàn)出明顯的熱破壞特性。

因此，以硅橡膠為絕緣材料的電纜附件，處于將近90℃的運(yùn)行溫度中，其內(nèi)部電場控制必須考慮熱破壞特性這一因素，否則容易引發(fā)熱破壞，導(dǎo)致電纜附件故障。

3.2 溫度對硅橡膠電樹形態(tài)的影響

電樹起始后，隨著電壓作用時(shí)間的延長，硅橡膠材料中電樹將會發(fā)展成為樹枝狀、松枝狀和叢狀三種典型的電樹形態(tài)［10］，如圖5所示。其中樹枝狀電樹僅有少量的樹枝通道，如圖5(a)所示，樹枝的顏色較淺，通道的分叉較少;松枝狀電樹如圖5(b)所示，樹枝的顏色較深，生長速度快，樹枝具有較為明顯的粗大主通道即“枝干”，枝干通道上引發(fā)出多條分枝并在分枝上生長出密集的針狀“松葉”;叢狀電樹如圖5(c)所示，電樹起始后，針尖處短時(shí)間內(nèi)引發(fā)出大量新的樹枝通道，集聚在針尖附近形成了較為茂密的叢狀電樹。松枝狀電樹生長快，容易導(dǎo)致絕緣材料在短時(shí)間內(nèi)擊穿，叢狀電樹雖然長得茂密，但有明顯的滯長現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)不容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象，具有潛伏性。

圖5 典型硅橡膠電樹形態(tài)Fig．5Typical forms of electrical trees in silicone rubber

在溫度和起樹電壓數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對電樹形態(tài)進(jìn)行了觀察與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?，溫度較低時(shí)起樹電壓較高，但是起樹電壓的分散性較大，電樹多呈樹枝型和松枝型，隨著溫度的升高，起樹電壓明顯降低，分散性呈下降趨勢，電樹形態(tài)向松枝型、叢狀型轉(zhuǎn)化，當(dāng)溫度高于100℃后，起樹電壓已經(jīng)降至室溫起樹電壓的2/3左右，但是分散性明顯降低，且電樹形態(tài)全部為叢狀電樹，不再出現(xiàn)樹枝狀、松枝狀形態(tài)。

圖6 溫度對形成不同形態(tài)電樹對應(yīng)的起樹電壓的影響Fig．6Effects of temperature on electrical tree initiation voltages with different electrical tree formations

從電樹形態(tài)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，樹枝型電樹和松枝型電樹出現(xiàn)的概率逐漸減少，叢狀電樹出現(xiàn)的概率增大。每種形態(tài)的起始電壓與總體趨勢相同，呈現(xiàn)隨溫度升高而降低的趨勢，且松枝狀電樹的起始電壓始終高于叢狀電樹的起始電壓，沒有交叉。

電樹在硅橡膠內(nèi)部的發(fā)展，會經(jīng)過起始期-生長期-滯長期之后進(jìn)入下一個(gè)生長期-滯長期循環(huán)，直到電樹通道接近對面電極，電樹長度快速增加直至擊穿［7］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電樹呈現(xiàn)叢狀形態(tài)，往往處于滯長期階段，宏觀參數(shù)變化不明顯，難于診斷。而電纜運(yùn)行在不超過90℃的較高溫度范圍，容易在較低的電壓條件下就在電纜附件中硅橡膠內(nèi)部出現(xiàn)電樹，而且根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，該電樹容易呈現(xiàn)叢狀形態(tài)，具有滯長特性，可潛伏較長時(shí)間，成為電纜附件的故障隱患。

4 硅橡膠熱破壞特性對絕緣可靠性的影響

目前不同電壓等級電力電纜及其附件均有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。以220kV電纜及其附件為例，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 18890.2-2002和GB/Z 18890.3-2002分別對電纜和附件用絕緣材料聚乙烯和硅橡膠的短時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度提出要求，均為不小于22kV·mm－1。由此可見，在電纜的應(yīng)用中，對硅橡膠電氣擊穿性能的要求與聚乙烯的相同。而硅橡膠的短時(shí)擊穿特性能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也由于其優(yōu)良的電、熱和機(jī)械性能，近年來作為新型內(nèi)絕緣材料在電纜附件中得到廣泛的應(yīng)用。

然而，由圖4的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期運(yùn)行在將近90℃的較高溫度范圍，聚乙烯具有較好的溫度特性，相形之下硅橡膠電樹老化呈現(xiàn)出明顯的熱破壞特性。這意味著，在結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)那闆r下，由于熱破壞特性的影響，硅橡膠在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的絕緣可靠性下降。因此，在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮硅橡膠在長期老化過程中的熱破壞特性，否則其絕緣可靠性會出現(xiàn)冗余不足。設(shè)計(jì)上缺乏足夠的試驗(yàn)和理論依據(jù)，是目前硅橡膠絕緣電纜附件故障頻發(fā)的原因之一。

5 結(jié)論

(1)在電纜運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，聚乙烯電樹老化在溫度低于100℃的范圍內(nèi)沒有明顯的熱破壞特征，而硅橡膠則具有明顯的熱破壞特性。

(2)隨著溫度的增加，電樹形態(tài)呈叢狀電樹發(fā)展的趨勢。

(3)較高溫度范圍內(nèi)的硅橡膠中叢狀形態(tài)電樹滯長特性是電纜中長期性潛伏故障隱患。

(4)硅橡膠電纜附件故障頻發(fā)的原因是對硅橡膠老化過程中熱破壞特征不了解，造成現(xiàn)有的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上冗余不足。

［1］應(yīng)啟良(Ying Qiliang)．交聯(lián)聚烯烴、特別是交聯(lián)聚乙烯材料及絕緣技術(shù)發(fā)展前景(The insulation technology development prospect of XLPO，especially XLPE material)［J］．電線電纜(Electric Wire＆Cable)，1999，(4):2-5．

［2］陳海波(Chen Haibo)．500kV世博輸變電工程啟動調(diào)試方案研究(Study on startup and commissioning scheme of 500kV world expo transmission andtransformation project)［J］．華東電力(East China Electric Power)，2010，1(4):475-479．

［3］楊黎明，朱智恩，楊榮凱，等(Yang Liming，Zhu Zhi’en，Yang Rongkai，et al．)．柔性直流電纜絕緣料及電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(Insulation material and structure design of HVDC flexible cables)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power System)，2013，37 (15):117-124．

［4］聶瓊，周遠(yuǎn)翔，陳錚錚，等(Nie Qiong，Zhou Yuanxiang，Chen Zhengzheng，et al．)．頻率對硅橡膠起樹電壓及電樹枝形態(tài)的影響(Influence of frequency on tree initiation voltage and electrical tree shape in Silicone rubber)［J］．高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2009，35(1):141-145．

［5］Danikas M，Tanaka T．Nanocomposites-a review of electrical treeing and breakdown［J］．Electrical Insulation Magazine，IEEE，2009，25(4):19-25．

［6］謝安生，李盛濤，鄭曉泉，等(Xie Ansheng，Li Shengtao，Zheng Xiaoquan，et al．)．外施電壓頻率對XLPE電纜絕緣中電樹枝生長特性的影響(Influence of frequency of voltage applied on the propagation characteristics of electrical trees in XLPE cable insulation)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2006，25(3):33-36．

［7］聶瓊(Nie Qiong)．高壓電纜附件用硅橡膠的電樹老化特性研究(Study on electrical tree ageing characteristics of Silicone rubber used in HV cable accessories)［D］．北京:清華大學(xué)(Beijing:Tsinghua U-niversity)，2009．

［8］Tanaka T．Space charge injected via interfaces and tree initiation in polymers［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，8(5):733-743．

［9］Kitchin D W，Pratt O S．Treeing in polyethylene as a prelude to breakdown［J］．Transactions of the American Institute of Electrical Engineers，Part III(Power Apparatus and Systems)，1958，77(3):180-185．

［10］周遠(yuǎn)翔，侯非，聶瓊，等(Zhou Yuanxiang，Hou Fei，Nie Qiong，et al．)．溫度對硅橡膠電樹枝老化特性的影響(Temperature effects on electrical tree aging characteristics of Silicone rubber)［J］．高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2012，38(10): 2640-2646．

Thermo characteristics of Silicone rubber and its effects on operational reliability of extra-high voltage cable accessories

FEI Yi-jun1，ZHANG Yun-xiao2，ZHOU Yuan-xiang2
(1．State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210000，China; 2．State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

With fast development of power cable，Silicone rubber(SIR)，as an advanced internal insulating material，has been widely used in high voltage cable accessories due to its excellent insulation and mechanical performance，but there is still a lot of insulation failure．It was reported that material aging properties are main reason which influences the operational reliability of extra-high voltage cable accessories．In this paper，electrical tree aging characteristics was analyzed including the effects of temperature on electrical tree initiation voltage and tree shape in SIR．It was found that the electrical tree initiation voltage was declined badly with the temperature rise．And electrical tree shape transits from the branch tree and pine tree to bush tree．It was shown that there is thermo destruction under cable operating temperature which causes bad influence on cable operational reliability．Long hysteresis characteristics of bush tree in SIR may become hidden danger of long-term operating cable accessories．The difference of PE and SIR in temperature characteristics was discussed．It was considered that thermo destruction is the main reason of the problem above and the lacking understand of SIR aging characteristics is the main reason of frequent failure in high voltage cable accessories which causes insufficient allowance of architectural design of cable accessories．．

cable accessories;silicone rubber;electrical tree;aging;thermo destruction

TM301.2

A

1003-3076(2014)12-0030-05

2014-10-31

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB239501)、國家自然科學(xué)基金(51377089)、國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(EPRIGYJSKF(2013)2441)資助項(xiàng)目

費(fèi)益軍(1978-)，男，江蘇籍，高級工程師，從事輸電領(lǐng)域的技術(shù)與管理研究工作;張?jiān)葡?1990-)，男，福建籍，博士研究生，從事電力電纜材料及結(jié)構(gòu)的研究工作。