熱縮母排套管在長期使用過程中的電氣和力學(xué)性能分析

母排絕緣熱收縮管能否在使用過程中長期保持優(yōu)異的電氣和力學(xué)性能，與材料的抗老化性能直接相關(guān)。隨著運(yùn)行年限的增長，兩種電壓等級的試樣的拉伸強(qiáng)度均降低，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增大，交流阻抗變小。長時間的自然老化使熱縮套管的絕緣性能大大降低。

關(guān)鍵詞：母排熱縮套管；自然老化；電氣性能；力學(xué)性能；
 

基于熱縮材料優(yōu)異的電氣和力學(xué)性能，從 20 世紀(jì) 60 年代起熱縮材料在中低壓電纜附件和開關(guān)柜的母排套管上得到廣泛應(yīng)用。熱縮材料又被稱為高分子形狀“記憶”功能材料，主要是指經(jīng)高能射線處理或化學(xué)交聯(lián)后，結(jié)晶或半結(jié)晶的線性高分子在分子鏈間產(chǎn)生新的連接鍵，進(jìn)而發(fā)展成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而具有形狀“記憶效應(yīng)”的一類新型高分子功能材料。這種高分子材料在高彈態(tài)具有彈性，施加外力拉伸或擴(kuò)張，迅速降溫后材料會維持形變狀態(tài)，但當(dāng)溫度升高到熔點以上，材料雖經(jīng)擴(kuò)張形變但具有“記憶效應(yīng)”，形變很快消除，并恢復(fù)到原來狀態(tài)，這就是交聯(lián)高分子材料的“記憶效應(yīng)”。

利用該原理可制造出擴(kuò)張倍率大小可控的各種中低壓電纜附件和開關(guān)柜母排用熱縮絕緣套管。用于變電站的熱縮材料主要包括母排絕緣熱縮套管、復(fù)合絕緣包覆帶、絕緣防護(hù)罩、電纜終端頭以及爬距增長器等。但是隨著使用年限的增長，熱縮母排絕緣套管在運(yùn)行過程中出現(xiàn)水汽引發(fā)間隙放電、運(yùn)行溫度過高引起放電、套管表面發(fā)粘滲油、部分套管起包等問題，這都與熱縮材料的老化程度直接相關(guān)。

按老化評估類型將聚合物復(fù)合材料的老化分為大氣自然老化和人工加速老化兩類。聚合物復(fù)合材料的加速老化研究以濕熱老化、腐蝕侵蝕和人工氣候老化為主。大氣自然老化雖時間跨度大，通常需要 10 年左右或更長的時間，但它是評估材料壽命最直接，也是最可靠的方法。

以經(jīng)受不同年限自然老化的 10 kV 和 35 kV電壓等級的母排熱縮絕緣套管為試樣，測試所取試樣的拉伸強(qiáng)度(斷裂強(qiáng)度、斷裂延伸率)、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值、交流阻抗值、交流耐壓強(qiáng)度等性能，以評估母排熱縮絕緣套管的老化程度。

1 試樣及測試方法

1.1 測試方法

拉伸強(qiáng)度按照 GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測定 第 2 部分：模塑和擠塑塑料的試驗方法》進(jìn)行測試，試樣選用啞鈴型。試樣尺寸：總長度L3≥75 mm，窄部分寬度b1=5 mm，厚度h≥2 mm，標(biāo)距L0=（25±0.5）mm，采用萬能拉力機(jī)進(jìn)行試驗測試。

介電性能采用德國 NovoControl 寬頻介電阻抗譜分析儀 Concept 40，按照 GB/T 1409—2006《測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長在內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法》進(jìn)行測試，測試頻率范圍設(shè)定為20~1 000 Hz，測試在室溫、真空條件下進(jìn)行，測試電壓為1 kV交流電壓。

耐壓擊穿特性按照 GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》，采用絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗儀進(jìn)行測試。試驗裝置電極結(jié)構(gòu)如圖1所示，上下兩電極為等直徑電極，尺寸為?25 mm，斷面的邊緣倒成半徑R3=1.0 mm的圓弧。油杯中倒入變壓器用絕緣油，使其能夠?qū)⒃嚇咏]，防止閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。試驗升壓方式采用短時快速升壓法。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

熱縮材料對應(yīng)力的響應(yīng)兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性，稱之為粘彈性。圖 2 為熱縮材料的拉伸力與形變關(guān)系曲線，從圖 1 測得應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可以得出熱縮材料符合 Maxwell 粘彈性結(jié)構(gòu)模型，即串聯(lián)模型。

開始時刻為彈性形變起主導(dǎo)作用，逐漸粘性形變與彈性形變同時存在，直至應(yīng)變達(dá)到臨界值發(fā)生斷裂。斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率的測試能夠間接反應(yīng)物質(zhì)本體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，即老化規(guī)律。拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3測試結(jié)果可知，10kV電壓等級1～4號試樣的運(yùn)行年限不斷增加，其相應(yīng)的斷裂強(qiáng)度隨之逐漸下降。1 號試樣為運(yùn)行前，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為 14.71 MPa 和 678%，4 號試樣的運(yùn)行年限為 9 年，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率分別下降到13.88 MPa 和 439%。35 kV 電壓等級的 5～7 號試樣與前 4 種試樣的拉伸性能變化規(guī)律相同，但下降程度更為嚴(yán)重，運(yùn)行前的5號試樣與運(yùn)行6年后的7號試樣的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率分別為 18.99 MPa、 820%和 13.85 MPa、360%，拉伸性能下降。其原因是經(jīng)過運(yùn)行的熱縮材料其內(nèi)部三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)隨著自然老化程度的加深而出現(xiàn)裂解，拉伸性能也隨之下降。

2.2 介電性能

2.2.1 介電常數(shù)

不同運(yùn)行年限熱縮套管的介電常數(shù)（ε）與頻率的關(guān)系如圖 4 所示。

由圖 4 可以看出，各組試樣的ε隨頻率的指數(shù)升高而下降。選取測試頻段中工頻為 50 Hz，10 kV 電壓等級試樣的ε隨著運(yùn)行年限的增加從2.91升至3.18，35 kV電壓等級試樣的ε隨著運(yùn)行年限的增加從3.04升至3.3，說明兩種電壓等級試樣的ε均隨使用年限的增加而增大。其原因可能是隨著運(yùn)行年限的增加，熱縮套管老化程度加重，材料分子鏈發(fā)生斷裂，存在大量懸掛鍵、空位以及空洞等缺陷，在電場作用下，間隙中正負(fù)電荷分別向負(fù)正極方向移動，電荷結(jié)果聚積在界面的缺陷處，在界面兩側(cè)形成電偶極矩，即界面電荷極化。同時，內(nèi)部添加的各種助劑有可能發(fā)生分解，也會產(chǎn)生界面極化，使材料的極化程度加大。另外試樣中殘留的極性小分子在電場中對極化也有影響，這些因素都造成復(fù)合材料介電常數(shù)的增加。

2.2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)

介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）是反映材料絕緣功率損耗大小的特性參數(shù)，僅取決于材料本身的結(jié)構(gòu)特性。一般而言，tanδ越大的絕緣材料，其漏電損耗越大。高分子材料的介質(zhì)損耗主要發(fā)生于極化損耗過程中。如果絕緣材料介質(zhì)損耗過大就會發(fā)生熱老化或者熱擊穿。

不同運(yùn)行年限的熱縮套管介質(zhì)損耗因數(shù)與頻率的關(guān)系如圖5所示，由圖5可以看出，介質(zhì)損耗因數(shù)的變化規(guī)律與老化的關(guān)系與介電常數(shù)是一致的。即 tanδ隨頻率升高而略有下降，當(dāng)自然老化時間增加時 tanδ隨之增大，介質(zhì)損耗的增大會使其運(yùn)行溫度過高，進(jìn)一步加快熱縮套管的老化，因此應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測其變化趨勢，以指導(dǎo)設(shè)備的更換。

2.2.3 交流阻抗

從微觀的導(dǎo)電機(jī)理來看，材料導(dǎo)電是載流子（電子、空穴、離子等）在電場作用下在材料內(nèi)部定向遷移的結(jié)果。材料的導(dǎo)電性能主要取決于其具有的阻抗值。采用寬頻介電阻抗譜儀對各組試樣的交流阻抗進(jìn)行了測定，測試結(jié)果如圖 6 所示。從圖6看出試樣的交流阻抗與頻率呈線性關(guān)系。隨著運(yùn)行年限的增加，當(dāng)工頻為 50 Hz 時，10 kV電壓等級的熱縮套管交流阻抗從初始 3.2×108 Ω下降至2.0×108 Ω，35 kV 電壓等級熱縮套管交流阻抗變化較小，從3.25×108 Ω下降至3.09×108 Ω。

2.2.4 電氣強(qiáng)度

熱縮材料的耐壓擊穿特性直接反映母排套管絕緣的好壞，試驗采用絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗儀進(jìn)行交流耐壓擊穿實驗。交流耐壓結(jié)果見表1。

從表 1 可以看出，試樣的電氣強(qiáng)度隨運(yùn)行年限的增加而下降。其中 10 kV電壓等級的熱縮套管試樣平均電氣強(qiáng)度從初始的 34.13 MV/m 下降至23.60 MV/m，35 kV電壓等級從28.18 MV/m下降到22.72 MV/m，下降趨勢明顯。

2.3 綜合評估

10kV和35kV電壓等級母排套管性能變化率計算公式分別如式（1）、（2）所示：

式中：P 為性能變化率，X4、X7為熱縮套管自然老化后的性能，X1、X5為初始性能。熱縮套管性能變化率結(jié)果見表2。

從表 2 可知，兩種電壓等級的熱縮母排套管各方面性能隨著掛網(wǎng)運(yùn)行年限的增加均有所下降。其中運(yùn)行6年后35 kV電壓等級熱縮套管的拉伸強(qiáng)度下降最嚴(yán)重，兩種等級的母排套管介電常數(shù)略有增大，而運(yùn)行 9 年后 10 kV 電壓等級母排套管介質(zhì)損耗增大的趨勢和交流阻抗、電氣強(qiáng)度下降的趨勢均比較明顯。

3 結(jié) 論

采用熱縮絕緣材料作為母排套管，提高了變電站的絕緣防護(hù)能力和供電穩(wěn)定性，但隨著使用年限的增加，熱縮材料由于自然老化而產(chǎn)生性能下降。

（1）10 kV 電壓等級的母排絕緣套管在運(yùn)行年限達(dá)到 9 年時，斷裂伸長率下降 35.22%，介質(zhì)損耗因數(shù)上升了194.6%，電氣強(qiáng)度下降了30.85%；

（2）35 kV電壓等級的母排絕緣套管在運(yùn)行年限達(dá)到 6 年時，斷裂伸長率下降 56.10%，介質(zhì)損耗因數(shù)上升了130.66%，電氣強(qiáng)度下降了19.38%。


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