电缆中间接头硅橡胶绝缘的电气特性研究

0 引言

电缆中间接头是电力线路的重要组成部分，但受制作和安装工艺的影响，其故障发生概率明显高于电缆本体[1-2]。对近十年来全国电力电缆故障类型和数量的统计分析表明，电缆接头发生故障的概率约占电缆运行总体故障的63%，而中间接头击穿故障数约占电缆运行故障总数的31%[3-4]，严重影响电力系统的安全稳定运行。硅橡胶是一种高分子弹性材料，由于其优良的热学、力学以及电气性能，被广泛用于电缆接头绝缘[5-6]。长期的电、热联合作用会使硅橡胶分子链逐渐断裂，影响材料的电气特性，导致绝缘性能劣化。

目前，国内外学者针对影响硅橡胶绝缘电气性能的因素以及硅橡胶特性对电缆附件运行的影响等方面进行了大量研究。惠宝军等[7]研究了机械应力作用下硅橡胶的击穿特性，发现硅橡胶在拉伸情况下的击穿强度比原始状态的高，撤掉应力后，击穿强度比未拉伸试样的低。刘昌等[8]研究了机械应力对硅橡胶电缆附件运行可靠性的影响，发现电缆附件承受机械应力过大会破坏绝缘介质内部结构，在较低的电场强度下也可诱发电树枝，最终导致绝缘介质击穿；应力过小会导致电缆附件与电缆绝缘界面产生气隙缺陷，进而引发界面发生沿面放电。HAN D H等[9]将硅油涂覆在硅橡胶表面，通过测试接触角、表面电阻和泄漏电流来评估其疏水性恢复能力，发现涂覆硅油后硅橡胶的接触角和表面电阻增大，泄漏电流减小，疏水性恢复能力增加。

硅橡胶绝缘中的电树枝生长可影响其电气性能，电缆接头硅橡胶与交联聚乙烯界面存在气泡时会显著降低硅橡胶电树枝的起始电压[10]。而电压频率对硅橡胶电树枝生长特性有明显影响，随着频率的升高，硅橡胶电树枝的起始电压降低，且电树枝形状更加复杂[11]。硅橡胶电树枝生长形状也随环境温度的变化而发生明显变化，30℃时，主要为枝状树，90℃时发展为丛状树，相同时间下的电树枝引发概率明显降低[12]。但实际电缆中间接头在运行后，由于电、热、力联合作用，硅橡胶绝缘会逐渐老化，除树枝化现象外，其电气性能也将发生改变。因此，研究服役过程中不同阶段的硅橡胶绝缘电气性能变化规律，掌握中间接头的运行状况，对提高电缆中间接头的运维具有重要意义。

本研究以未服役以及服役不同时间的10 kV预制式硅橡胶电缆中间接头绝缘层为研究对象，通过对各试样进行红外光谱、电导-温度特性、击穿强度以及宽频介电谱测试，研究电缆中间接头服役过程中硅橡胶绝缘的电气性能变化规律。

1 试验

1.1 试样制备

选用同一生产批次、服役不同时间的10 kV预制式硅橡胶电缆中间接头绝缘层，将其剖成厚度为1 mm的试片，使用无水乙醇擦洗表面后，放置于干燥器皿中干燥24 h，用于性能测试，服役时间分别为0、2、3、5年的试样分别编号为1#、2#、3#、4#。

1.2 性能测试

红外光谱：采用Thermo Electron Nicolet 5700型傅里叶红外光谱仪对硅橡胶试样进行衰减全反射扫描，扫描波数为600～4 000 cm-1，分辨率为0.09 cm-1。

电导-温度特性：使用ZC36型高阻计，采用三电极系统测试硅橡胶试样的体积电阻率(ρv)，试样厚度为1 mm，测试温度分别为20、40、50、60、70 ℃，施加电压为1 kV。

击穿强度：将边长为150 mm、厚度为1 mm的方形试片浸泡在变压器油中，使用BJDC-50kV型电击穿试验仪逐级升高试样两端电压，直至试样发生击穿，升压速率为2 kV/s。每组试样选取3个试片，每个试片取5个击穿测试点，得到15个有效击穿场强值，进行Weibull分布分析。

宽频介电谱：使用Novocontrol Concept 80型测试系统对硅橡胶试样进行宽频介电谱的频谱和温谱测试，试样为直径为30 mm、厚度为1 mm的圆形薄片，测试频率为10-1～106Hz，温度为40～90℃。

2 结果与分析

2.1 硅橡胶绝缘的红外光谱

在红外光照射下，材料中的官能团具有相应的吸收波数，通过红外光谱的峰位和峰面积可以判断电介质中各官能团的种类以及相对含量[13]。图1为各硅橡胶绝缘试样的红外光谱图，各官能团的特征吸收峰面积计算值如表1所示。

图1 不同试样的红外光谱
Fig.1 Infrared spectra of different samples

表1 不同官能团的吸收峰面积
Tab.1 Absorption peak areas of different functional groups

从图1可以看出，在波数为802、1 020～1 095、1 261、2 964 cm-1附近出现明显的特征吸收峰，根据吸收峰出现的波数位置可以判断，依次为Si-(CH3)2、Si-O-Si、Si-CH3和C-H的吸收峰[14]。此甲基乙烯基硅橡胶[15-16]的主链由硅、氧原子交替组成(-Si-O-Si-)，侧链是与硅原子相连接的甲基、乙烯基等官能团。由表1可以发现，随着服役时间的增加，主链Si-O-Si和侧链Si-(CH3)2、Si-CH3的吸收峰面积都有不同程度减小，分子链上甲基的氧化也使得C-H的吸收峰面积明显减小[14]。表明电缆中间接头在运行过程中，由于电热联合作用和故障引起的短时热冲击，导致分子链断裂，破坏了硅橡胶的分子结构，使其主、侧链均出现老化乃至劣化，其中分子主链的Si-O键的峰面积减小最多，表明硅橡胶已经出现了劣化迹象。

2.2 硅橡胶绝缘的电导特性

体积电阻率(ρv)是表征材料导电性能的宏观参数，与体积电导率(γv)互为倒数关系(γv=1/ρv)。分别测试不同服役时间的硅橡胶绝缘在不同温度下的体积电阻率，将所得数据取对数后进行线性拟合，得到硅橡胶绝缘的电阻率-温度特性曲线，如图2所示。

图2 不同试样的电阻率-温度特性曲线
Fig.2 Resistivity-temperature characteristics of different samples

影响电介质体积电导率的主要因素是载流子浓度和迁移率，载流子的浓度或迁移率越大，电介质的体积电导率越大，体积电阻率越小[17]。载流子迁移率的大小则取决于束缚势垒μ（0即活化能），其值越大，载流子的迁移率越小，材料的体积电阻率越大。体积电阻率随温度的变化规律为式（1），对式（1）两边取对数得式（2）。

式（1）～（2）中，A、B为常数，其中B为lnρv～(1/T)直线的斜率，反映了束缚势垒μ0的大小，μ0表征载流子参与导电克服势垒所需要的能量如式（3）所示。

式（3）中，k为玻尔兹曼常数。

由式（3）[18-19]计算得到试样1#、2#、3#、4#的活化能分别为0.55、0.52、0.36、0.40 eV。

从图2可以看出，不同试样的体积电阻率都随着温度的升高单调递减。表明在低温时被束缚的载流子受热激发参与导电，使得硅橡胶内部载流子浓度升高，迁移率增大，因此硅橡胶绝缘的体积电阻率降低。

结合活化能数据可以看出，与未服役的1#试样相比，随服役时间的增加，试样的体积电阻率和活化能减小。这是因为硅橡胶的导电性与其微观组成结构密切相关[17]，其导电载流子主要来源于硅橡胶绝缘在交联过程中残存的微量副产物、硅橡胶绝缘中加入的白炭黑（SiO2）和运行过程中分子链断裂产生的游离基和小分子。它们在电场作用下易发生电离[19-20]，形成离子电导，充当导电载流子，使得载流子浓度增大，体积电阻率降低。且硅橡胶绝缘在长期运行过程中，电、热联合作用以及“热胀冷缩”的呼吸效应使分子间作用力减小，对载流子的束缚力减弱，部分分子链断裂，势垒能级降低，载流子更易成功跃迁参与导电，导致体积电阻率降低。

2.3 硅橡胶绝缘的击穿特性

击穿强度的大小决定了电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，电缆中间接头处的电场较为集中，更易造成绝缘击穿。为了研究硅橡胶绝缘的击穿特性，对各组试样进行击穿强度测试，并对数据进行Weibull分布分析[21]。图3为各组试样击穿强度数据的Weibull分布图，其特征参数如表2所示。其中，尺寸参数E0为击穿概率为63.2%时的击穿强度，可用来反映材料的本征绝缘性能优劣；形状参数β可用来反映击穿数据的分散程度，β的数值越大，击穿强度数据的分散性越小[17]。

图3 不同试样击穿强度的Weibull分布图
Fig.3 Weibull distribution of breakdown strength of different samples

表2 不同试样击穿强度的Weibull分布参数
Tab.2 Weibull distribution parameters of breakdown strength of different samples

从图3和表2可以看出，未服役的1#试样具有较高的击穿强度和较小的数据分散性，随着服役时间延长，击穿强度逐渐下降且数据分散性增大，表明运行过程中的电、热老化作用显著降低了硅橡胶绝缘的击穿强度。主要原因有3个方面：①分子链的断裂导致硅橡胶绝缘内部交联网状结构部分被破坏，分子结构变得松散无序，链段活动能力增强[20]，同时电荷更易迁移，使得击穿路径变短；②断链产生的游离基和小分子等易发生电离，产生更多自由电子；③电热联合作用使SiO2填料与硅橡胶分子链间的作用力逐渐减弱，界面缺陷增多，造成电荷积聚量增大，更易形成电场畸变，从而导致击穿强度下降。

2.4 硅橡胶绝缘的介电谱

2.4.1 硅橡胶绝缘的介电频谱

对不同服役时间的硅橡胶绝缘进行宽频介电谱扫描，根据实验数据做出各试样在40℃下的相对介电常数(εr)和介质损耗因数（tanδ）随频率的变化曲线，如图4所示。

图4 40℃下不同试样相对介电常数和介质损耗因数随频率的变化曲线
Fig.4 Variation of the relative dielectric constant and dielectric loss factor of different samples with frequency at 40℃

从图4(a)可以看出，在10-1～106Hz的频率范围内硅橡胶试样的相对介电常数较平稳，但随着服役时间的增加，试样的相对介电常数逐渐增大。一般情况下，电介质介电常数的变化由内部的各种极化现象引起。硅橡胶属于弱极性电介质，其极化方式主要为电子位移极化，建立或消失的时间极短，约为10-15～10-16s，因此在测试频率范围内硅橡胶绝缘的相对介电常数基本不变。

硅橡胶分子间存在SiO2晶体，与分子链形成复合界面，由于在运行过程中长期处于扩张状态，其内应力将随时间延长出现应力松弛现象[22]，且随运行温度的升高，松弛造成分子链间作用力减弱。在电、热联合作用下，分子链会发生解聚反应（主链断裂、氧化）[23]，原有的交联结构部分被破坏，导致主链的不对称性增加，偶极距增大；同时，多个短支链响应电场运动，表现为偶极基团松弛特征；此外，在运行过程中，SiO2粒子与硅橡胶基体界面的作用力逐渐减小[13]，在外电场作用下转向极化更易发生，导致分子极化率增高，介电常数变大。因此硅橡胶绝缘的相对介电常数随着服役时间的延长而增大。

从图4(b)可以看出，在101～106Hz频率范围内介质损耗因数相对平稳，而在10-1～101Hz低频率范围内，各试样的介质损耗因数随着频率的减小逐渐升高，随着服役时间的延长，试样的介质损耗因数逐渐增大。

电介质在外电场作用下的介质损耗主要有电导损耗和偶极基团响应电场运动产生的松弛损耗。在低频段，各种极化均来得及建立，单位体积的介质损耗与恒定电场下相近，全由电导损耗贡献。由前文分析可知，硅橡胶绝缘在运行过程中，由于分子链断裂形成的游离基和小分子，在电场作用下易发生电离，形成离子电导，导致极低频率下损耗大幅增加，而在高频段，松弛极化来不及建立，损耗值基本不变。

2.4.2 硅橡胶绝缘的介电温谱

图5和6分别为硅橡胶绝缘在40～90℃内相对介电常数和介质损耗因数随频率的变化曲线。

图5 试样在不同温度下相对介电常数随频率的变化曲线
Fig.5 Variation of the relative dielectric constant of the samples with frequency at different temperatures

从图5可以看出，各试样的相对介电常数随温度的变化规律基本相同，随着温度的升高，相对介电常数逐渐减小。这是由于温度越高，分子热运动的无序作用越强[15]，妨碍了链端单元、分子链段沿电场方向的定向排列，极化率降低，介电常数下降。服役5年的4#试样在相同温度条件下的相对介电常数明显大于未运行的1#试样。这是因为长期运行过程中，电、热场作用力破坏了分子链段的对称性而产生宏观偶极距，同时使体系内出现了不同层次结构的链段运动单元和端基，且部分侧链和交联键断裂，破坏了分子链结构，使介质极性增强[13]，这些因素都会导致分子极化率增加，介电常数增大。

图6 试样在不同温度下介质损耗因数随频率的变化曲线
Fig.6 Variation of the dielectric loss factor of the samples with frequency at different temperatures

从图6可以看出，各试样的介质损耗因数相对平稳，在101～106Hz没有损耗峰出现，当温度逐渐升高时，试样在低频段的损耗值迅速上升。这是因为弱极性的硅橡胶内部不存在极性基团，因此不会出现高频率的松弛损耗。而随温度的升高，材料内杂质离子等载流子运动引起的电导大幅增加[24]，产生的电导损耗随之增大，其主要贡献在低频段，导致低频段的介质损耗随温度的升高而增大。4#试样比1#试样的介质损耗高，主要与运行过程中材料老化产生的杂质离子、短支链和分子结构中少量的极性基团密切相关。

3 结论

（1）红外光谱测试表明，随着运行时间延长，硅橡胶绝缘内各分子基团的特征吸收峰面积减小，分子链发生断裂，表明硅橡胶已经出现了劣化迹象。

（2）硅橡胶绝缘材料的导电性与其微观结构密切相关，长期的电、热老化作用使其内部载流子浓度增大，活化能减小，势垒能级降低，对载流子的束缚力减弱，载流子更易成功跃迁参与导电，使硅橡胶绝缘的体积电阻率下降。

（3）随着服役时间的增加，硅橡胶绝缘内部交联网状结构部分被破坏，分子链断裂产生的游离基、小分子以及SiO2填料与分子链间作用力的减弱，共同劣化了硅橡胶绝缘的击穿强度，且数据分散性增大。

（4）介电频谱和温谱的测试结果表明，随服役时间的增加，热氧化降解生成的链段的不对称性和多层次结构的运动单元增加，杂质离子和分子间作用力的减弱导致介电常数增大，低频的介质损耗增大，高温下分子热运动的无序作用使介电常数减小，介质损耗增大。