电气工程学报, 2021, 16(2): 25-32 doi: 10.11985/2021.02.004

特邀专栏：高压电工装备绝缘

热老化交联聚乙烯绝缘状态评估和介电参数计算的新型电荷表征和分析方法*

黄炳融,1, 王威望,1, 李盛涛,1, 李欣原1, 蒋起航1, 聂永杰2, 邓云坤2

1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049

2.云南电网有限责任公司电力科学研究院 昆明 650217

Study on Dynamic Charge Characteristics of Thermal Aging XLPE Based on Direct Current Integral Charge Technique

HUANG Bingrong,1, WANG Weiwang,1, LI Shengtao,1, LI Xinyuan1, JIANG Qihang1, NIE Yongjie2, DENG Yunkun2

1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049

2. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217

收稿日期: 2021-02-22   修回日期: 2021-04-24  

基金资助: * 国家自然科学基金.  51707143
云南电科院一般.  YNKJXM20190701

Received: 2021-02-22   Revised: 2021-04-24  

作者简介 About authors

黄炳融,男,1999年生,硕士研究生。主要研究方向为XLPE电缆空间电荷。E-mail： beyondh@stu.xjtu.edu.cn

王威望,男,1987年生,博士,副教授。主要研究方向为电力设备绝缘、电工材料特性及机理、功能化纳米复合电介质。E-mail： weiwwang@xjtu.edu.cn

李盛涛,男,1963年生,博士,教授。主要研究方向为电介质理论与应用,特殊环境下电介质材料及器件,功能电介质。E-mail： sli@mail.xjtu.edu.cn

摘要

基于电流积分电荷量(DCIC-Q(t))技术研究了不同热老化时间下交联聚乙烯(XLPE)的动态电荷特性。对XLPE薄片试样施加电场,观察其电荷量随电场强度的变化规律,提出电荷量之比k作为判定空间电荷积累的依据;通过瞬时充电电荷Q0与电压的线性关系拟合得到XLPE电容,进一步计算获得介电常数;提出松弛时间τ与介电常数、电导率之间的关系,获得不同电场下电导率变化曲线。随着热老化时间的增加,XLPE绝缘动态电荷比值、介电常数以及电导率先略有增加,然后迅速上升。这说明短时间的热老化对XLPE的电性能影响不明显,但热老化时间的增加会导致电缆绝缘电气性能发生明显劣化。XLPE片状试样的研究为整体电缆老化评估提供试验依据。

关键词： DCIC-Q(t) ; XLPE ; 热老化 ; 动态电荷

Abstract

The dynamic charge characteristics of XLPE under different thermal aging times are studied using DCIC-Q(t) technique. The curves of dynamic charge under different applied voltage is obtained, and the concept of charge ratiok is put forward to judge the injection and accumulation of space charge. XLPE capacitance is obtained by fitting the linear relation between instantaneous chargeQ0 and voltage, and the variation rule between dielectric constant and thermal aging is further calculated and analyzed. The relationship between relaxation time and dielectric constant and conductivity is determined, and the variation curve of the conductance under different electric fields is obtained. The change of dynamic charge ratio, dielectric constant and conductivity of XLPE samples are analyzed, and it is found that with the thermal aging process, the three unchange at first and then increase quickly, indicating that the thermal aging of a short time has a little effect on the electrical performance of XLPE insulation, but the increase of aging time would degrade it. The XLPE lamellar experiment provides a theoretical basis for the whole cable aging evaluation model.

Keywords： DCIC-Q(t) ; XLPE ; thermal aging ; dynamic charge

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本文引用格式

黄炳融, 王威望, 李盛涛, 李欣原, 蒋起航, 聂永杰, 邓云坤. 热老化交联聚乙烯绝缘状态评估和介电参数计算的新型电荷表征和分析方法*. 电气工程学报[J], 2021, 16(2): 25-32 doi:10.11985/2021.02.004

HUANG Bingrong, WANG Weiwang, LI Shengtao, LI Xinyuan, JIANG Qihang, NIE Yongjie, DENG Yunkun. Study on Dynamic Charge Characteristics of Thermal Aging XLPE Based on Direct Current Integral Charge Technique. Journal of Electrical Engineering[J], 2021, 16(2): 25-32 doi:10.11985/2021.02.004

1 引言

交联聚乙烯(XLPE)电力电缆以其优秀的绝缘和耐热性能而被广泛应用于电力系统。然而,在电缆的实际运行中,电、热、机械应力、水分等因素[1,2,3,4]对电缆的介电特性、力学性能产生不良影响,使得其在服役期间发生热老化、局部放电老化、电树枝老化、水树枝老化[5]等。研究表明[6],电树枝一旦产生,就会迅速发展并穿透XLPE绝缘层,最终导致击穿,影响电力系统的正常运行。因此,如何准确地检测电缆的绝缘特性参数,从而评估其有效服役年限,已成为国内外学者重点关注的问题。

过去的研究已经表明,电缆的老化与载流子的注入与积聚有关[7,8],而以此建立的老化机理模型主要有三种,包括DMM(Dissado L A, Mazzanti G and Montanari G)空间电荷模型[9]、LEWIS等[10]提出的动力学模型以及CRINE等[11]提出的热力学模型。其中DMM空间电荷模型认为：空间电荷的产生使得聚合物内部发生电场畸变,最终引起老化并发生击穿。国内外学者对XLPE电缆老化的研究主要集中在两个方面：一是对XLPE绝缘理化、介电和力学性能的研究。FTIR分析发现,热老化后的XLPE在波数1 720 cm-1处出现羰基—C=O的吸收峰,且随着热老化时间的增加而增强[5]。但是,又有研究表明,在140 ℃热老化初期,纳米炭黑/XLPE聚合物介电常数和电导率并不会随着老化时间的增加而发生改变,但老化时间超过8周后,二者数值迅速增大[12];二是对XLPE空间电荷特性的研究。电声脉冲法是一种广泛使用的测量空间电荷分布的方法,通过对平板试样施加脉冲电压,使得试样内部的电荷受到洛伦兹力发生位移,并将位移产生的压力波通过压电元件转换为电信号[13]。

传统的老化XLPE空间电荷试验由于受到测试条件的限制,所采取的试样规格基本都是小尺寸的薄片,即无法用于对实际条件下的整体电缆测试。随着空间电荷测量技术的发展与改进,有学者提出了基于PEA法的整体同轴电缆空间电荷测试手段[14],然而受限于较小的输出信号以及衰减的压力波,PEA法的灵敏度和测量范围仍然存在很大的局限性。近几年,日本学者TAKADA等[15]提出了一种全新的空间电荷测试手段,名为电流积分电荷量技术(Direct current integrated charge,DCIC-Q(t))。有别于目前广泛使用的PEA法,DCIC-Q(t)不仅可以测试实验室中的薄片试样,还可以直接用于工程条件下的整体电缆。通过PEA法与DCIC-Q(t)技术的对比分析[16],发现DCIC-Q(t)虽然无法检测试样的空间电荷分布,但测试方法简单,可以同时获得样品空间电荷积聚、介电常数和电导率三项电气参数。再者,DCIC- Q(t)技术在低场强(1 kV及以下)仍有较高的灵敏度,测试效果稳定,受外界影响小。

本文基于DCIC-Q(t)技术,获取不同热老化时间下XLPE试样在4~40 kV/mm过程中的动态电荷特性,并进一步分析获得XLPE的空间电荷积聚情况、介电常数εr和电导率γ,与已有的方法进行比较,验证DCIC-Q(t)测量装置的准确性。

2 测试原理与分析方法

DCIC-Q(t)技术的测试原理如图1a所示。通过PC端控制高压直流电源的开关,导线传输向DCIC-Q(t)设备的积分电容Cint提供电流。积分电容Cint与电极之间的XLPE试样串联,因此流过XLPE薄片的电流等于流过积分电容Cint的电流,试样上的电荷对时间的积分就等同于积分电容Cint上电荷对时间的积分,如式(1)所示

$Q(t)=\int_{\ {{t}_{1}}}^{\ {{t}_{2}}}{I(t)\text{d}t}$

式中,t1和t2分别为高压源施加电压开始与结束的时刻;Q(t)为积分电容Cint和XLPE试样的动态电荷量。积分电容Cint可根据最高测试电压Umax、积分电容临界电压Uint(固定值,为3.5 V）以及被测试样电容Cs进行调整,存在如下关系

$\frac{{{C}_{\operatorname{int}}}}{{{C}_{\text{s}}}}=\frac{{{U}_{\max }}}{{{U}_{\operatorname{int}}}}$

根据测试试样XLPE电容的估算,按照上述取一定的裕度,保证积分电容承受的电压在合理范围内。选取的积分电容Cint为2.2 μF。

图1

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图1   DCIC-Q(t)基本测试原理与电流测试对比


Q(t)通过放大器,以电压的形式扩大信号,再进行模数转换,通过无线、光纤或者红外传输到PC端中。积分电荷与电压之间的转换如式(3)所示

${{V}_{q}}(t)=\frac{Q(t)}{{{C}_{\operatorname{int}}}}$

图1b给出了DCIC-Q(t)测试过程中的电流与电荷量随时间的变化曲线。高压直流电源向DCIC-Q(t)输入电压时,积分电容流过较大的瞬时充电电流Iini,其极板界面产生起始电荷量Q0与XLPE的介电常数关系如式(4)所示

${{Q}_{0}}={{C}_{\text{s}}}{{V}_{\text{app}}}={{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{\text{r}}}\frac{S}{d}{{V}_{\text{app}}}$

式中,${{C}_{\text{s}}}$为XLPE试样的电容;Vapp为高压直流电源所加的电压;${{\varepsilon }_{0}}$为真空介电常数;${{\varepsilon }_{\text{r}}}$为XLPE试样的介电常数。

$Q(t)={{Q}_{0}}+\int_{0}^{t}{{{I}_{\text{spac}}}\text{d}t+}={{Q}_{0}}+{{Q}_{\text{spac}}}+{{Q}_{\text{leak}}}$

电荷量Q(t)由式(5)给出。加压瞬间,XLPE平板试样流过一个极大的瞬时充电电流Iini,获得了初始电荷量Q0。瞬时充电电流迅速减少,并且由于XLPE介质的极化而产生一个随加压时间逐渐减小的吸收电流Iabs,与介质的松弛时间τ有关,在这个过程中积分电容Cint的电荷量非线性增加。在电场强度较高时,电极/试样界面会发生电荷注入,试样内部出现空间电荷积聚和消散,从而造成空间电荷电流Ispac的形成。空间电荷电流在高场或高温下与介质材料的吸收电流叠加,造成电流密度增加。因此,吸收电流和空间电荷电荷在文中做统一考虑。最后,空间电荷电流Ispac达到稳定。此时试样内部出现稳定的泄漏电流Ileak(或称传导电流Icond),Cint的电荷量线性增加,且电荷量与时间的斜率即为Ileak。

不同场强下电荷量随时间变化规律不同。当经过XLPE试样的电流小时,根据式(1)可知,电流对时间的积分可以忽略不计,电荷量随时间增加几乎没有变化,因此呈现出一条斜率接近为0的曲线;随着施加电压的上升,传导电流增大,电荷量随着时间变化而增加,XLPE内部开始出现空间电荷的注入与积聚。

3 试样和老化处理

采用J/Q sliver XLPE电缆绝缘切片机沿电缆轴向切割,制备厚度约为0.5 mm的XLPE试样,并将制得的试样置于蒸馏水中进行超声清洗,以清除试样表面的污染物。由于XLPE绝缘中球晶的熔融温度为100~115 ℃,在100 ℃条件下XLPE未达到熔融状态,为了实现加速老化的目的,故选取该温度点作为老化温度。将清洗后的XLPE试样置于DKN412C型鼓风恒温箱中进行100 ℃加速热老化。表1所示为在不同温度和时间条件下热老化处理的XLPE试样。

表1   XLPE试样老化条件

试样名称老化温度/℃热老化时间/h
F—0
L1100240
L2100840
L31001 440
L41002 160

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4 老化评估与介电参数变化

4.1 动态电荷评估XLPE热老化

图2为未老化试样F的动态电荷随时间变化曲线。采用DCIC-Q(t)技术测试XLPE试样的动态电荷特性。在25 ℃条件下,对厚度为0.5 mm的XLPE试样施加电压,电场强度从4 kV/mm到40 kV/mm,步长为4 kV/mm;测试时间为180 s,采样步长为2 s,并在测试前后放电5 s,以去除积分电容Cint内积累的电荷。如图2所示,在16 kV/mm以下,XLPE试样的电荷量为一条斜率为0的直线,电荷量随时间变化很小。随着电场强度的增加,电荷量开始随时间增加而增大,XLPE试样内部出现空间电荷的注入与积聚。图3给出了不同热老化时间下XLPE试样在高场下(28~40 kV/mm)的动态电荷曲线。如图3所示,未老化试样F和热老化试样L1、L2的电荷量曲线差别较小,说明热老化初期,在相同施加电压条件下,XLPE试样动态电荷变化规律相似,电荷特性表现差异很小。随着热老化时间的进一步增加,老化试样L3、L4的动态电荷量变化率曲线明显增加,且老化试样L4的电荷量变化率大于L3。根据试验结果分析发现短时热老化对XLPE试样动态电荷的影响较小;当老化时间达到1 440 h,XLPE试样动态电荷变化率增大,且随着老化时间会进一步增大。

图2

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图2   F试样电荷量随时间变化曲线


图3

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图3   不同热老化时间下XLPE试样动态电荷曲线


为了定量对比不同热老化时间下XLPE试样的电荷量积聚情况,提出了电荷量之比k的概念,如式(6)所示

$k=\frac{Q(t)}{{{Q}_{0}}}=+\frac{{{Q}_{\text{spac}}}}{Q(4\text{s})}+\frac{{{Q}_{\text{leak}}}}{Q(4\text{s})}$

将所有XLPE电荷量随时间变化的数据按照进一步处理,获得了在不同电场强度下的电荷量之比k,如图4所示。

图4

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图4   不同热老化时间下XLPE试样电荷量变化率曲线


以k=1.2作为空间电荷的注入阈值,当电荷量的比率超过1.2,说明XLPE试样内部有明显的空间电荷注入与积累。分析图4发现,随着电场强度的上升,所有试样电荷量之比k均表现出上升的趋势,且这种趋势在高场强时更为显著。空间电荷的注入和积聚量与XLPE试样的老化时间有明显的关系。在40 kV/mm电场强度下,电荷量之比k的大小顺序为：${{k}_{L2}}<{{k}_{F}}\approx {{k}_{L1}}<{{k}_{L3}}<{{k}_{L4}}$。在热老化初期,XLPE试样受热的作用,结晶度、交联度与熔融温度提高,电、热、机械等方面的性能小幅度提升。随着热老化时间的增加,进入化学老化阶段,此时XLPE内部结晶区受到严重破坏,向无定形态转变,结晶度和熔融温度下降,各方面的性能也急剧下 降[1, 3-5]。因此,随着热老化的进行,XLPE的空间电荷注入与积聚先是得到抑制,然后又随着分子链的断裂和结晶区的破坏,使得空间电荷进一步注入到XLPE试样内部。

用XLPE动态电荷分析空间电荷行为,可以直观地反映内部的电荷注入与积聚情况,为老化评估提供可靠的判据。

4.2 介电常数计算分析

图5给出了L1和L4初始电荷量Q(4s)与电压Uapp之间的关系。从图2和式(3)已经可以看出,两者是成正比的,且瞬时充电的初始电荷量与施加电压之间的比值即XLPE试样的电容。通过线性拟合,计算所有XLPE试样的电容,分别为72.83 pF、69.59 pF、70.29 pF、73.9 pF和75.24 pF。可以发现在热老化初期,XLPE的电容有小幅度的下降,随后又随着热老化时间的增加而上升。而在获取了电容参数后,电缆的介电常数也就很容易计算出来。

图5

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图5   XLPE初始电荷量与电压关系曲线


计算出的XLPE介电常数如图6所示。未老化XLPE的介电常数为2.37。而在热老化初期,介电常数有所下降,L1和L2的介电常数分别为2.27和2.29。当热老化进入后期,L3和L4的介电常数又迅速上升,达到了2.41和2.46。

图6

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图6   不同热老化XLPE试样介电常数


在热老化初期,XLPE中的抗氧剂使得氧化反应无法顺利进行,同时再交联反应形成了新的交联键,分子链之间的作用力增加。抗氧剂、交联剂的消耗减少了XLPE试样的杂质,使得介电常数有所下降。当老化进入后期,抗氧剂和交联剂被消耗完毕,氧化反应很快进入自加速状态,引发XLPE分子链之间的交联键和分子内化学键的大量裂解,羰基等老化副产物增加,因此介电常数在老化60天以后迅速上升。

4.3 电导率计算分析

DCIC-Q(t)技术除了可以分析电缆的动态电荷和介电常数以外,还能计算电导率随电场变化情况。当XLPE试样内部没有空间电荷的注入与积聚时,电荷量之比k≈1。而当试样内部有电荷的注入,则式(6)可以等效成与介质的松弛时间τ的等式,如式(7)所示

$k=\frac{Q(t)}{{{Q}_{0}}}=\frac{Q(180\text{s})}{Q(4\text{s})}=1+\frac{{{t}_{\text{m}}}}{\tau }$

式中,${{t}_{\text{m}}}$为加压测试时间,180 s;松弛时间τ与XLPE试样的极化有关,为介电常数与电导率的比值,如式(8)所示

$\tau =\frac{{{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{\text{r}}}}{\gamma }$

式中,γ为XLPE试样的电导率,S/m。将式(8)代入式(7)中并变形,即可得到电导率与电荷量之比k之间的关系式

$\gamma =\frac{(k-1){{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{\text{r}}}}{{{t}_{\text{m}}}}$

图7为根据式(9)计算得出的不同热老化时间下XLPE试样电导率随电场变化曲线。在4 kV/mm电场强度作用下,所有热老化XLPE电导率均很小,在10-14~2×10-14 S/m区间。随着电场强度的升高,电导率增大,但是增大的幅度与热老化时间有关。未老化XLPE试样F和老化试样L1、L2在20 kV/mm以前变化幅度较小,基本保持在2×10-14 S/m以下。此时XLPE绝缘电导处于线性欧姆区,电导率受电场强度的影响小。当施加电压继续增加,电场强度增大,XLPE绝缘的电导率有所上升,在40 kV/mm时达到了4×10-14 S/m,为低电场时的两倍。总体而言,热老化初期XLPE试样的电导率变化较小。

图7

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图7   不同电场强度下热老化XLPE试样电导率


对于老化天数分别为60天和90天的L3、L4试样,热老化逐渐进入后期阶段。随着电场强度的增加,L3和L4的电导率很快上升,幅度十分明显。当电场强度为40 kV/mm时,L3和L4的电导率达到了8×10-14 S/m,相比低电场条件下增大了3倍。

热老化过程中,XLPE内部分子链发生裂解,电缆加工残余的交联剂过氧化二异丙苯(DCP)受热分解,生成α-甲基苯乙烯、枯基醇和苯乙酮等交联副产物[17]。但是在热老化初期,抗氧剂的存在抑制了氧化反应的进行,且再交联反应使得XLPE分子结构更加致密[18],所以经过短时热老化处理的XLPE与未老化XLPE相比,电导率变化不明显。但是随着热老化的继续进行,抗氧剂消耗完毕,XLPE绝缘材料内部的热裂解反应程度加剧,材料化学结构破坏的程度增大,分子内部的结晶区减少,无定形区增加,产生大量的小分子片段,使得XLPE绝缘材料的电导率增大,绝缘性能下降[18]。

5 结论

试验通过DCIC-Q(t)获取了不同热老化时间的XLPE动态电荷特性、介电常数和电导率特性,得出以下结论。

(1) 在低场强下,XLPE动态电荷不随时间而上升,试样内部没有空间电荷的注入与积聚。随着场强的不断提高,热老化后期的XLPE试样率先突破空间电荷注入的阈值,电荷量之比k迅速增大,电导率也迅速增大;而热老化初期XLPE试样的电荷量之比和电导率虽然也随着电场强度的上升而增大,但变化幅度较小。

(2) 随着热老化时间的增加,电荷量之比、介电常数和电导率均有相同的变化趋势,即先保持不变后增大,这和XLPE在热老化过程中的分子链交联与断裂有关。

(3) 长时间的热老化劣化了XLPE的电性能,引起介电常数和电导率的上升以及空间电荷的大量注入积聚,降低了直流击穿场强,最终导致XLPE绝缘击穿。

(4) DCIC-Q(t)技术获取了XLPE试样的电气参数,分析热老化对XLPE绝缘的影响规律,可为整体电缆的研究作依据。

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