余欣,錢藝華,張英,聶章翔,趙耀洪,吳吉
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080;2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡作業(yè)中心,廣東 廣州 510699)
電纜終端是電纜本體與其他電氣設(shè)備關(guān)鍵的連接設(shè)備,應(yīng)具有良好的密封性和絕緣性,以及在長期帶電運(yùn)行條件下穩(wěn)定的連接特性和電氣特性,并能夠經(jīng)受電氣系統(tǒng)中的過電壓。電纜戶外終端套管內(nèi)一般采用聚異丁烯、高粘度硅油或硅凝膠作為絕緣填充劑,應(yīng)力錐材料主要有硅橡膠和三元乙丙橡膠,自粘性橡膠絕緣帶主要用于密封和保護(hù)。當(dāng)電纜終端存在產(chǎn)品質(zhì)量或安裝工藝問題時,運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)材料性能劣化、密封失效、滲漏油等情況,從而使得終端的絕緣性能大大降低,嚴(yán)重時可導(dǎo)致絕緣擊穿、設(shè)備燒毀等重大事故[1-3]。為滿足電纜終端長期運(yùn)行的要求,除絕緣填充劑、應(yīng)力錐、各類帶材的性能需滿足設(shè)計(jì)要求外,內(nèi)部相接觸的各類絕緣和結(jié)構(gòu)材料均應(yīng)相容,不會因?yàn)橄嗷ソ佑|而產(chǎn)生過度劣化的傾向[4-6]。
2018年1月,廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司某供電局投運(yùn)2年的110 kV電纜線路充油終端A相導(dǎo)體出線桿處、應(yīng)力錐表面纏繞的某型號絕緣自粘帶與聚異丁烯絕緣油接觸處發(fā)生溶脹、開裂,絕緣油經(jīng)終端頂部導(dǎo)體壓接部位滲入導(dǎo)體線芯約2 L;另外兩相導(dǎo)體出線桿處帶材也出現(xiàn)不同程度的溶脹,尾端帶材已開始斷裂。對該廠家相同型號的運(yùn)行4年的另一批次產(chǎn)品進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象[7]。對于該型號電纜終端,帶材溶脹開裂將導(dǎo)致密封失效,絕緣油滲入電纜后,終端套管內(nèi)油位持續(xù)降低,嚴(yán)重時會引起發(fā)熱、絕緣擊穿等。絕緣油主要填充電纜終端套管的內(nèi)部空間,使得應(yīng)力錐等重要部件浸入其中,具有絕緣、散熱、防潮等作用,老化、雜質(zhì)、受潮等因素均會引起絕緣油性能劣化,導(dǎo)致電纜終端運(yùn)行異常,甚至擊穿爆炸。為進(jìn)一步分析帶材溶脹的原因并提出防治措施,本文對電纜終端內(nèi)絕緣帶材和液體絕緣填充劑的相容性開展試驗(yàn)研究,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對廣東電網(wǎng)范圍相應(yīng)批次的近百支戶外終端進(jìn)行開蓋檢查和更換,以避免批次性故障的發(fā)生。
本次試驗(yàn)樣品為電纜終端用絕緣自粘帶和聚異丁烯絕緣油,樣品信息見表1和表2。帶材1和油樣1取自發(fā)生溶脹的充油電纜終端,帶材2和油樣2取自未發(fā)生溶脹退運(yùn)終端,帶材3和油樣3為尚未使用的絕緣自粘帶和聚異丁烯絕緣油(樣品由電纜終端廠家提供),用于對比分析。
表2 聚異丁烯絕緣油樣品信息(同型號)Tab.2 Sample information of polyisobutylene insulating oil( the same type)
帶材1和帶材2取自運(yùn)行后戶外終端導(dǎo)體出線桿處繞包絕緣帶(如圖1所示),帶材1對應(yīng)終端的運(yùn)行時間為2 年,可明顯觀察到繞包絕緣帶已發(fā)生溶脹并軟化開裂,喪失了密封功能,絕緣油可通過裂口進(jìn)入電纜導(dǎo)體;帶材2對應(yīng)終端的運(yùn)行時間為4 年,繞包絕緣帶未發(fā)生溶脹,密封完好。
圖1 終端內(nèi)絕緣帶外觀Fig.1 Insulation tape appearance in terminal
油樣1和油樣2取自運(yùn)行后戶外終端,運(yùn)行4年未發(fā)生溶脹的戶外終端內(nèi)聚異丁烯絕緣油較為清澈透明;而運(yùn)行2 年發(fā)生溶脹的戶外終端內(nèi)油樣顏色則明顯發(fā)黃,說明已有部分反應(yīng)生成物進(jìn)入絕緣油內(nèi),影響了絕緣油性能。
紅外光譜是分子的振動光譜,是一種獲取分子結(jié)構(gòu)信息的方法。當(dāng)紅外光照穿過樣品時,由于分子結(jié)構(gòu)的差異(官能團(tuán)種類、數(shù)目、位置等的不同),樣品會對不同波長的紅外光產(chǎn)生選擇性的吸收,在不同波數(shù)處吸收峰的強(qiáng)度會產(chǎn)生明顯的差異,透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值隨紅外光波數(shù)變化的情況即為紅外光譜圖。通過比較吸收強(qiáng)度的變化,可以測定樣品中某一特征結(jié)構(gòu)含量的變化。紅外吸收帶的波數(shù)位置、波峰的數(shù)目和強(qiáng)度反映了分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可以用來鑒定未知物的結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團(tuán);紅外光譜吸收強(qiáng)度與分子組成或化學(xué)基團(tuán)含量相關(guān),可以用來測定某一特定官能團(tuán)的含量變化[8]。
聚異丁烯(Polyisobutylene,PIB)由異丁烯經(jīng)聚合制得,根據(jù)聚異丁烯聚合反應(yīng)過程和分子式(如圖2所示),油樣3主體成分中應(yīng)包含較多的CH2和CH3基團(tuán),對應(yīng)紅外光譜(如圖3所示,其中T表示透光率)中特征峰主要出現(xiàn)在2 953 cm-1、1 468 cm-1、1 385 cm-1、1 229 cm-1處,振動模式為飽和烷基CH3反對稱伸縮振動((2 960±5)cm-1)、CH2變角振動((1 465±5)cm-1)、CH3對稱變角振動(1 378 cm-1附近,表征CH3基團(tuán)存在),—C(CH3)2—的C—C伸縮振動((1 230±10)cm-1)。上述特征峰對應(yīng)頻率涵蓋在碳?xì)湔駝雍吞继颊駝犹卣黝l率范圍內(nèi),與聚異丁烯和異丁烯的分子結(jié)構(gòu)相對應(yīng)[9-10]。
圖2 聚異丁烯聚合反應(yīng)Fig.2 Polyisobutylene polymerization
圖3 油樣3紅外光譜結(jié)果Fig.3 Infrared spectrum results of oil sample 3
絕緣自粘帶基料為硫化橡膠,橡膠硫化過程中主要反應(yīng)為主鏈與硫磺之間的反應(yīng),材料結(jié)構(gòu)由線型高分子形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的體型高分子。圖4中,帶材3對應(yīng)紅外光譜在波長1 015 cm-1處出現(xiàn)非常明顯的強(qiáng)特征峰,同時在690 cm-1、670 cm-1處出現(xiàn)中等強(qiáng)度的特征峰,比較符合硫酸酯C—O—S基團(tuán)反對稱伸縮(主要為C—O伸縮,1 020~850 cm-1)和對稱伸縮(主要為S—O伸縮,830~690 cm-1)的特征[11-13],與橡膠材料的硫化過程相對應(yīng)。此外,帶材3較為突出的特征峰出現(xiàn)位置還包括2 918 cm-1、2 850 cm-1處,與長鏈烷基有序排列時反對稱和對稱伸縮振動對應(yīng)波長相符,在2 952 cm-1、1 463 cm-1處特征峰與CH3反對稱伸縮振動和不對稱變角振動對應(yīng),說明帶材3中也存在CH2和CH3基團(tuán)。聚異丁烯和硫化橡膠均為高分子有機(jī)物,根據(jù)溶質(zhì)與溶劑的相似相溶原理,極性相似的二者互溶度較大,可以從分子結(jié)構(gòu)的層面上解釋浸潤于聚異丁烯絕緣油中的該型號絕緣自粘帶在電纜終端投運(yùn)一段時間后發(fā)生溶脹的原因[14-15]。
圖4 帶材3紅外光譜結(jié)果Fig.4 Infrared spectrum results of strip sample 3
橡膠分子硫化反應(yīng)實(shí)際就是分子間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的過程,在硫化過程中橡膠的主鏈線性高分子與混煉膠中的硫化劑和促進(jìn)劑進(jìn)行反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使膠料的物理機(jī)械性能和化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變。通過研究紅外譜圖中峰位置以及峰強(qiáng)度的變化,可以分析橡膠材料中基團(tuán)的變化情況[16-18]。根據(jù)圖5中帶材2的紅外光譜圖,其特征峰位置和形狀與帶材3類似,說明二者材料基料基本相同;但從峰值的高度來看,2種帶材表征CH2和CH3基團(tuán)的特征峰高度基本接近,但帶材2中表征硫酸酯C—O—S基團(tuán)的特征峰高度明顯高于帶材3,說明未發(fā)生溶脹的終端內(nèi)絕緣密封包帶相應(yīng)基團(tuán)含量更高,其硫化過程更為徹底,推測硫化不充分是帶材3較快發(fā)生溶脹的原因之一[19]。絕緣自粘帶硫化不充分時,材料內(nèi)部未完全形成較為致密的網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu),更容易與具有同類基團(tuán)的聚異丁烯絕緣油發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致電纜終端內(nèi)繞包于導(dǎo)體出線桿處或應(yīng)力錐外部的帶材溶脹、開裂;而硫化較為充分的絕緣自粘帶與聚異丁烯絕緣油相對較難發(fā)生反應(yīng),預(yù)計(jì)可在電纜終端設(shè)計(jì)壽命內(nèi)維持性狀較為穩(wěn)定。
圖5 帶材2紅外光譜結(jié)果Fig.5 Infrared spectrum results of strip sample 2
根據(jù)圖6中帶材1的紅外光譜圖,在波長2 953 cm-1、1 468 cm-1、1 365 cm-1、1 229 cm-1處出現(xiàn)特征峰,且對應(yīng)峰值與油樣3紅外光譜圖基本相同,結(jié)合帶材1來源于發(fā)生溶脹的終端內(nèi)絕緣密封包帶的情況,進(jìn)一步驗(yàn)證了該絕緣自粘帶樣品中含有聚異丁烯絕緣油成分。此外,在波長1 019 cm-1處出現(xiàn)較為明顯的特征峰,說明帶材1有硫酸酯C—O—S基團(tuán)存在,單從數(shù)值來看其對應(yīng)峰值明顯小于帶材2和帶材3。鑒于帶材1中混有聚異丁烯絕緣油,該數(shù)據(jù)無法直接用于對比基團(tuán)含量。
圖6 帶材1紅外光譜結(jié)果Fig.6 Infrared spectrum results of strip sample1
擊穿強(qiáng)度是指材料在電場作用下,避免被破壞而所能承受的最高電場強(qiáng)度,是表征電介質(zhì)絕緣性能的基本參數(shù)之一。常溫下,聚異丁烯絕緣油黏度過大,在測量油杯中基本處于不流動的狀態(tài),攪拌時極易產(chǎn)生氣泡,無法直接按照GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測定法》中重復(fù)擊穿6次后取平均值,綜合考慮后本文采用了2種試驗(yàn)方法進(jìn)行對比測試[20]。
方法1,使用液體絕緣材料球形電極進(jìn)行擊穿耐壓測試,電極間距2.5 mm,只取第1次擊穿值。經(jīng)測試,油樣3的擊穿電壓為60 kV。
方法2,使用固體絕緣材料平板電極進(jìn)行擊穿耐壓測試,電極間距2.5 mm,只取第1次擊穿值。經(jīng)測試,油樣3的擊穿電壓為44.5 kV。
110 kV電纜附件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11017.3—2014《額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第3部分:電纜附件》中液體絕緣填充劑聚異丁烯的擊穿電壓(電極間距2.5 mm)要求為“≥35 kV”,但并未明確測試方法[21]。由于球形電極之間電場分布較為均勻,平板電極邊緣存在電場集中區(qū)域,前者測試結(jié)果大于后者,但數(shù)值均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),說明尚未使用的絕緣油性能滿足運(yùn)行要求。
溶脹是高分子聚合物在溶劑中體積發(fā)生膨脹的現(xiàn)象,自粘性橡膠絕緣帶為材料致密、表面光滑、邊緣清晰的帶狀結(jié)構(gòu),當(dāng)與聚異丁烯絕緣油不相容時會發(fā)生溶脹甚至軟化開裂。電纜附件中橡膠絕緣帶和聚異丁烯絕緣油2種材料應(yīng)相容,即在長期運(yùn)行過程中不應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重的相互作用,并導(dǎo)致材料有效性和穩(wěn)定性發(fā)生改變。目前電纜附件國家標(biāo)準(zhǔn)中僅提出相互接觸的2種材料應(yīng)相容,但未明確具體的試驗(yàn)方法,不同電纜附件廠家所采用的帶材耐絕緣油試驗(yàn)條件也存在差異。本文采用加速老化的方式來模擬電纜終端的運(yùn)行條件,驗(yàn)證材料是否滿足使用要求,并進(jìn)一步分析相容性試驗(yàn)條件和性能評價(jià)方法。
取尚未使用的聚異丁烯絕緣油與絕緣自粘帶樣品進(jìn)行相容性試驗(yàn),根據(jù)電纜終端安裝時實(shí)際用量比例和安裝方式,將一定量的絕緣帶材纏繞在玻璃管上,放置在盛有聚異丁烯絕緣油的燒杯中,并結(jié)合材料性能及電纜附件運(yùn)行要求選取加速老化試驗(yàn)條件。本文進(jìn)行了2組相容性試驗(yàn):一組參照電纜附件廠家提供的自粘性橡膠絕緣帶技術(shù)條件書中“浸入甲基硅油(168 h,120 ℃)自粘帶重量變化率”設(shè)置溫度和試驗(yàn)時間,并增加一段絕緣自粘帶用于質(zhì)量分析;另一組按照電纜導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度設(shè)置試驗(yàn)溫度90 ℃,持續(xù)時間168 h[22]。
在試驗(yàn)過程中每隔一天觀察絕緣自粘帶和聚異丁烯絕緣油的外觀變化情況。
a)120 ℃下加熱48 h后,絕緣自粘帶已明顯變軟變形,且部分溶解于聚異丁烯絕緣油中(如圖7所示),為避免后續(xù)無法進(jìn)行自粘帶質(zhì)量檢測,終止該組試驗(yàn)。
圖7 120 ℃老化48 h后絕緣帶情況Fig.7 Insulation tape condition after aging at 120 ℃ for 48 hours
b)90 ℃下加熱168 h后,纏繞玻璃管的絕緣自粘帶表面已經(jīng)發(fā)粘,尚未破裂(如圖8所示),說明電纜導(dǎo)體運(yùn)行溫度已達(dá)到該絕緣自粘帶與聚異丁烯絕緣油發(fā)生溶脹的條件,正常運(yùn)行情況下2種材質(zhì)可能發(fā)生溶脹,與該批次電纜戶外終端現(xiàn)場開蓋檢查情況相符。
圖8 90 ℃老化168 h后絕緣帶情況Fig.8 Insulation tape condition after aging at 90 ℃ for 168 hours
自然狀態(tài)下的絕緣粘帶取出后用分別用乙醇、甲苯和石油醚清洗后,放入真空干燥箱中2 h后稱重,試驗(yàn)前后質(zhì)量分別為3.59 g和2.16 g,質(zhì)量損失為1 430 mg,質(zhì)量損失率高達(dá)39.8%,說明試驗(yàn)過程中有嚴(yán)重的質(zhì)量損失。
該廠家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《自粘性橡膠絕緣帶技術(shù)條件》中要求浸入甲基硅油120 ℃、168 h后自粘帶質(zhì)量變化率不超出±1 mg/cm3,按照樣品外形推算單位體積的質(zhì)量損失率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求值,廠家并未按照技術(shù)條件對外購自粘性橡膠絕緣帶進(jìn)行入廠質(zhì)量檢測,相應(yīng)電纜戶外終端使用了不合格的帶材,導(dǎo)致運(yùn)行一段時間后密封失效發(fā)生滲漏油。
對比相容性試驗(yàn)前后聚異丁烯絕緣油外觀情況,老化前、90 ℃老化168 h、120 ℃老化48 h這3種不同的油樣外觀如圖9所示(從左至右)。老化前的原始油樣較為清澈透明,與上文中取自未發(fā)生溶脹終端的油樣2外觀類似;90 ℃老化168 h后油樣顏色有一定程度的加深,說明在導(dǎo)體正常運(yùn)行溫度條件下該絕緣自粘帶與聚異丁烯會發(fā)生反應(yīng),部分產(chǎn)物進(jìn)入絕緣油中導(dǎo)致顏色發(fā)生變化;120 ℃老化48 h后絕緣油已明顯發(fā)黑,存在大量的絕緣帶碎屑,說明絕緣自粘帶與聚異丁烯的反應(yīng)隨著溫度的升高更為劇烈。經(jīng)開蓋檢查發(fā)現(xiàn)相應(yīng)批次戶外終端因運(yùn)行條件的不同帶材溶脹程度存在差異,電纜線路負(fù)荷越大,終端內(nèi)溫度越高,相應(yīng)的帶材溶脹程度越嚴(yán)重。
圖9 相容性試驗(yàn)前后絕緣油外觀Fig.9 Insulating oil appearance before and after compatibility test
將90 ℃、168 h和120 ℃、48 h相容性試驗(yàn)后獲得聚異丁烯絕緣油分別編號為油樣4和油樣5,與油樣1、油樣2、油樣3共同進(jìn)行連續(xù)擊穿測試。本次試驗(yàn)使用平板電極,電極間距2.5 mm,每個試樣擊穿6次,2次擊穿等待時間150 s。油樣注入油杯后在60 ℃烘箱靜置2 h后取出封口,冷卻至接近室溫,隨后按照設(shè)置條件進(jìn)行連續(xù)擊穿電壓測試,結(jié)果見表3。
表3 不同油樣連續(xù)擊穿電壓測試結(jié)果Tab.3 Test results of continuous breakdown voltage for different oil samples
根據(jù)表1中的測試結(jié)果,油樣1和油樣2首次擊穿電壓均為連續(xù)試驗(yàn)過程中的最大擊穿電壓,但之后幾次數(shù)值無一致變化趨勢;油樣3、油樣4和油樣5的首次擊穿電壓均不是連續(xù)試驗(yàn)過程中的最大擊穿電壓;5種油樣的連續(xù)6次擊穿電壓值有升有降,未表現(xiàn)出明顯的特征。分析認(rèn)為聚異丁烯絕緣油黏度較大,150 s的擊穿等待時間雖然已達(dá)到GB/T 507—2002中“2次擊穿暫停時間不小于2 min”的要求,但仍不足以使上一次的擊穿通道完全被油填滿恢復(fù)絕緣性能,再次加壓后擊穿過程會在相對薄弱的位置發(fā)生,放電路徑具有隨機(jī)性,不能代表絕緣油本身擊穿性能,6次擊穿電壓平均值與油樣實(shí)際狀態(tài)關(guān)聯(lián)性不明顯。油樣1、油樣4和油樣5中已混入絕緣帶溶脹后的產(chǎn)物或碎屑,絕緣油明顯變色,此時絕緣油不再是均勻電介質(zhì),加壓過程中易產(chǎn)生電場畸變,嚴(yán)重影響擊穿性能。當(dāng)采用連續(xù)擊穿的試驗(yàn)方式時,首次擊穿電壓數(shù)值應(yīng)更能代表絕緣油的整體耐壓水平。鑒于擊穿試驗(yàn)往往需要多次試驗(yàn)降低數(shù)值分散性帶來的誤差,對于此類黏度高流動性差的絕緣油,應(yīng)重新取樣或在下一次加壓前應(yīng)采取攪拌、除氣手段使得液體呈現(xiàn)較為均勻狀態(tài)。
擊穿電壓是絕緣油的重要電氣性能參數(shù),隨著充油電纜終端運(yùn)行時間的增加,絕緣油擊穿性能隨老化程度的增加一般呈逐漸下降趨勢,當(dāng)存在水分或雜質(zhì)時,其擊穿性能會顯著降低。油樣1和油樣2首次擊穿電壓值分別為24.2 kV和37.8 kV,均低于尚未使用的油樣3首次擊穿電壓,且絕緣帶材發(fā)生溶脹的終端內(nèi)取出油樣擊穿場強(qiáng)明顯低于未發(fā)生溶脹的運(yùn)行后終端;結(jié)合第1.2節(jié)分析,該溶脹情況已經(jīng)導(dǎo)致絕緣油性能明顯劣化。油樣4和油樣5的首次擊穿電壓顯著低于尚未使用和取自退運(yùn)終端的油樣,絕緣油劣化程度超過運(yùn)行2年的發(fā)生溶脹終端,本文相容性試驗(yàn)中所采用的加速老化溫度為90 ℃和120 ℃,分別老化168 h和48 h后發(fā)生不同程度的溶脹,與絕緣油變色嚴(yán)重、明顯含有碎屑的狀態(tài)一致。
相容性試驗(yàn)結(jié)果表明溫度是影響老化程度的關(guān)鍵參數(shù),經(jīng)后續(xù)大范圍開蓋檢查,不同運(yùn)行條件的充油終端中帶材溶脹程度也存在差異。充油終端內(nèi)帶材與絕緣油不相容導(dǎo)致運(yùn)行后帶材溶脹,產(chǎn)生碎屑、產(chǎn)物等雜質(zhì),導(dǎo)致絕緣油變色、擊穿強(qiáng)度降低。
a)發(fā)生溶脹的電纜終端所使用的橡膠絕緣自粘帶與聚異丁烯絕緣油不相容,運(yùn)行過程中發(fā)生反應(yīng)無法維持原有形態(tài)和性能,導(dǎo)致電纜終端密封失效發(fā)生滲漏油;同時絕緣油擊穿性能下降,無法滿足充油電纜終端安全運(yùn)行要求,需整體更換該批次帶材的充油終端。
b)硫化不完全會導(dǎo)致橡膠材料更容易與聚異丁烯絕緣油反應(yīng)導(dǎo)致溶脹,紅外光譜法可用于分析未知材料的特征基團(tuán)類別和含量,從分子結(jié)構(gòu)層面研究不同物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的原因和變化情況。
c)除帶材、絕緣油外,電纜附件中應(yīng)力錐、套管等不同結(jié)構(gòu)材料在長期運(yùn)行過程中均存在相互反應(yīng)的可能,但目前尚無適用的相容性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),有必要進(jìn)一步研究樣品處理方式及加速老化溫度、時間等關(guān)鍵參數(shù),并將相容性試驗(yàn)納入廠家質(zhì)檢和用戶品控環(huán)節(jié)。
d)現(xiàn)有GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測定法》并不完全適用于高黏度的電纜附件絕緣油,此類絕緣油的擊穿電壓試驗(yàn)宜使用油球形電極,并采取攪拌、脫氣等適當(dāng)措施維持樣品加壓前的均勻狀態(tài),相應(yīng)電器設(shè)備、試樣杯等裝置可參照國家標(biāo)準(zhǔn)選用。