基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正_王国栋.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211845基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正王国栋1周凯1李原1李诗雨2傅尧1（1.四川大学电气工程学院成都6100652.国网四川省电力公司乐山供电公司乐山614000）摘要为提高电缆绝缘材料电寿命评估的准确性，根据交联聚乙烯（XLPE）失效时间统计特性，对传统基于反幂定律的 XLPE 电寿命模型进行修正。首先对 XLPE 薄片样本进行电压耐久性实验，统计不同电场强度作用下 XLPE 失效时间。其次分析 XLPE 薄片样本失效时间统计特性，结果表明在相同电场强度作用下，XLPE 失效时间大致分布在三个时间区间内，不同时间区间对应不同绝缘失效过程，电场强度不同时，占主导地位的失效过程也不相同。最后用处于主导地位失效过程样本的失效时间代表该电场强度下 XLPE 薄片样本的电寿命，由此得到修正后的 XLPE电寿命模型。相较于传统电寿命模型，修正后的模型从失效时间统计特性的角度出发，确定了 E-t特性曲线中拐点的位置。关键词：交联聚乙烯失效时间韦伯分布统计特性反幂定律中图分类号：TM2150引言交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene,XLPE）是将聚乙烯（Polyethylene,PE）通过物理或化学手段交联而形成的半结晶聚合物1。凭借优异的绝缘性能与力学性能，XLPE 被广泛用作电力电缆绝缘材料2-3。自 20 世纪 80 年代起，XLPE 电缆在我国城市供电系统中得到推广与应用，至今已有 40 余年的历史4-6。XLPE 电缆在长期运行中受电、温度、水分等因素的影响致使绝缘性能逐渐下降，影响供电系统稳定性7。据统计，由绝缘老化引起的电缆故障在线路事故中占比高达 21.1%，在各因素中排名第二。随电缆运行年限进一步增加，电缆绝缘老化失效现象将更为严重，由此引起的电缆故障占比将进一步提高8。因此，分析 XLPE 失效特性，加强对 XLPE 寿命的研究，将对提高电网运行可靠性有重大意义。早期电缆多在较低电压等级下运行，热应力是导致绝缘失效的主要原因。随着电力系统的发展9，电缆输电电压等级不断提高，电应力在 XLPE 绝缘失效过程中起到了越来越大的作用，深入研究XLPE 电老化寿命很有必要10。由于外界环境与材料内部结构的差异，绝缘材料存在不同电老化形式。针对聚合物的不同老化形式，学者们提出不同电老化理论，较为常见的有电荷注入抽出理论11、光降解理论12、热电子理论13及局部放电理论14等。在电应力长期作用下，XLPE 分子结构遭到破坏，其绝缘性能也逐渐下降。若绝缘中含有气隙、微孔等缺陷，缺陷处还会产生电场畸变从而加速电老化过程。为深入研究 XLPE 电老化寿命，众多学者进行了大量研究。文献15对 XLPE 电缆绝缘切片进行交流耐压试验及直流电压试验，研究发现 XLPE 交流击穿电场强度随电压施加时间增加而减小，XLPE直流击穿电场强度随电压施加时间增加而增加；文献16中在不同温度下对 XLPE 及其纳米复合材料进行步进应力测试，结果表明 XLPE 及其纳米复合材料的寿命指数值 n 均随温度升高而下降；文献17通过改变步进应力试验中试验参数来获取 XLPE 绝缘寿命指数，证明了延长电压持续时间可提高试验国家自然科学基金资助项目（51877142）。收稿日期 2021-11-12改稿日期 2021-12-01第 38 卷第 4 期王国栋等基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正1043准确性；文献18对 XLPE 绝缘切片在不同电场强度下进行直流击穿试验，由相同电场作用下试样失效时间平均值绘制了 XLPE 直流 E-t 特性曲线；文献19搭建了 XLPE 加速电老化实验平台，在得到多组击穿数据的基础上对 XLPE 电寿命进行评估。电应力对绝缘材料性能的影响呈概率性分布，即使在相同实验条件下，试样绝缘失效时间也存在较大分散性10。为提高电缆绝缘材料电寿命评估准确性，加强对失效时间统计特性的研究很有必要，而目前对该点关注较少。本文对 XLPE 薄片样本进行电压耐久性实验，统计不同电场强度作用下XLPE 失效时间分布特性并据此对传统基于反幂定律的 XLPE 电寿命模型进行修正。1实验设置1.1电压耐久性实验平台设置研究用 XLPE 样本为由某电缆生产公司提供的200 mm200 mm1 mm 大小 XLPE 薄片，样本由真空压膜机压制而成，通过厚度计对不同样本以及同一样本不同部位进行厚度测量，测量结果表明样本厚度为(10.01)mm。实验前将样本裁成 55 mm55 mm1 mm 大小，并用无水乙醇擦拭其表面以消除表面杂质对实验结果的影响。XLPE 薄片电压耐久性实验平台如图 1 所示，实验平台由变压器、调压器、水阻及高压油杯构成，其中变压器与调压器提供实验所需高压，水阻阻值为 30 k，在样本击穿后起限制短路电流的作用，由变压器产生的高电压通过油杯施加至 XLPE 薄片样本上。油杯内为两圆盘形铜电极，电极直径为25 mm，厚度为 4 mm，边缘倒圆成半径为 2.5 mm的半圆。将 XLPE 薄片置于两电极之间并旋转油杯上的调距螺母以夹紧样本，随后使用游标卡尺对“电图 1XLPE 薄片样本电压耐久性实验平台Fig.1XLPE sheet sample voltage enduranc test platform极XLPE样本电极”三层结构进行厚度测量，其厚度应在(90.01)mm 范围内，以保证各样本在实验过程中承受相同压力。为避免实验过程中发生沿面闪络及局部放电，将电极与样本浸入昆仑 25 号变压器油中20。实验温度控制在 1520 之间。1.2电压耐久性实验电场强度选取电压耐久性实验电场强度由样本击穿强度确定，据标准 GB/T 1408.1，取 10 个样本进行工频击穿强度测试。测试采用等直径电极，电极直径为25 mm 且边缘倒圆成半径为 2.5 mm 的圆弧。被测样本尺寸为 55 mm55 mm1 mm，测试过程中保持升压速度为 0.5 kV/s 连续升压直至试样击穿。为避免闪络，样本及电极均浸入昆仑 25 号变压器油中。经 测 试，XLPE 薄 片 样 本 击 穿 强 度 E0为42.49 kV/mm，符合标准 JB/T 10437 中关于 XLPE 绝缘击穿强度有关规定。参考标准 GB/T 29311，电压耐久性实验起始电场强度应位于 0.8E00.9E0之间，因此选取 E=36 kV/mm 作为实验起始电场强度，其余 4 组实验电场强度分别为 33 kV/mm、32 kV/mm、30 kV/mm 以及 28 kV/mm。1.3微观形貌观测为研究 XLPE 内部结构对其电寿命的影响，使用日本电子公司（JEOL）JSM7500F 型扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）观察XLPE 薄片样本断面的微观结构，设置加速电压为15 kV，放大倍数为 2 000 倍。测试前将 XLPE 置于液氮中冷却 30 min 后脆断并对断面进行喷金处理。2实验结果2.1击穿强度测试结果XLPE 薄片样本击穿强度测试结果如图 2 所示。据标准 GB/T 29310，采用二参数韦伯分布对样本击穿数据进行分析。图 2样本击穿强度测试结果Fig.2The breakdown strength test results of samples1044电 工 技 术 学 报2023 年 2 月韦伯分布表达式为()1 expxF x=-|（1）式中，F(x)为样本累积失效概率；x 为自变量，在本文中可代表样本失效时间或击穿电场强度；为形状参数，值越大，表示数据分散性越小；为尺度参数，当 x 代表恒定电应力下样本失效时间时，表示样本累积失效概率为 63.2%时所对应的失效时间，当 x 代表样本短时击穿强度时，表示样本累积失效概率为 63.2%时所对应的电场强度，一般用代表样本的特征失效时间或击穿强度21。由图 2 可知，XLPE 薄片样本特征击穿强度 E0=42.49 kV/mm。样本击穿强度测试结果形状参数=40.59，表明 XLPE 击穿强度分散性较小。2.2电压耐久性实验结果在不同电场强度下进行 5 组实验以研究 XLPE薄片样本 E-t 特性，每组取 12 个样本进行实验。图 3 为击穿点在已击穿样本内分布情况示意图，图中“加压区域”即为样本与电极紧密接触的部分。实验中发现部分击穿点出现在电极边缘附近，为避免边缘效应对实验结果的影响，击穿点位于该处样本的失效时间不计入统计。对其余样本击穿点位置进行观察发现，击穿点在加压区域中的分布无明显规律。由于电应力作用下 XLPE 总是在绝缘薄弱的地方发生绝缘失效22，而绝缘弱点在材料内部分布则是随机的，因此击穿点的分布具有随机性。图 3击穿点分布示意图Fig.3Breakdown point distribution diagram样本在不同电场强度下失效时间的韦伯分布如图 4 所示。其中第 1 组实验（E=36 kV/mm）共进行2 h，按失效时间升序对样本进行编号，12 个样本中111号样本在0.7 h内击穿，而 12号样本在加压 2 h后仍未发生击穿。后续实验结果表明，其余 4 组实验中也有类似图 4不同电场强度下 XLPE 样本失效时间韦伯分布Fig.4Weibull distribution of failure time of XLPEsamples under different electric field intensities情况发生，即各组实验中均存在样本未击穿现象，为提高研究效率，当每组实验持续时间 ttol与已击穿样本失效时间最大值 tmax之比大于 3 时即停止该组实验。在上述对失效时间数据处理过程中仅对已击穿样本进行分析，未击穿样本暂不考虑。如图 4 所示，XLPE 薄片样本失效时间随外施电场强度降低而增加。同时可以发现，无论电场强度大小如何，形状参数均小于 1。形状参数的大小反映了数据分散程度，小于 1 表明样本失效时间分散性较大。表 1 记录了不同电场强度下已击穿样本失效时间最大值 tmax、每组实验持续时间 ttol以及 ttol与 tmax的比值。由二者比值大小可以判定，尽管在本研究中未观测到所有样本击穿时间，但若时间允许，未击穿样本绝缘失效时间必远高于同组实验中其余样本失效时间。表 1电压耐久性实验参数Tab.1Voltage enduranc test parameters电场强度 E/(kV/mm)已击穿样本失效时间最大值 tmax/h实验持续时间 ttol/httol与 tmax比值360.6523.08330.9555.26324.02307.46301301 0007.69284231 5003.55在实验过程中还发现，尽管实验时间不断延长，但未击穿样本数量仍随电场强度的下降而不断上升，即未击穿样本个数占同组样本总数的比例随电场强度降低而增大，击穿样本个数占同组样本总数比例随电场强度降低而减小，未击穿样本与击穿样本数量占比与电场强度的关系如图 5 所示。第 38 卷第 4 期王国栋等基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正1045图 5击穿样本及未击穿样本占比与电场强度的关系Fig.5The relationship between the proportion of brokensamples and unbroken samples and electric field intensity3电寿命模型3.1基于失效时间统计特性的 XLPE 电寿命模型XLPE 电寿命与外施电场强度间的关系遵循反幂定律23为ntCE-=（2）式中，t 为样本失效时间；E 为电场强度；C 为常数。当寿命指数 n 为常数时，材料 E-t 特