喇先寿 陈俊德 包育林
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摘要：为了探究热击穿对高压电缆接头绝缘性能的影响，本文研究了高压电缆接头材料的温度检测及其热老化机制。采用CC2530F256微控制器探究了电缆接头电流与温度测试技术；分析了不同老化温度下老化时间对材料拉伸强度的影响；研究了加速热老化时间对电缆失效的作用。结果表明，老化温度和老化时间的增加提高了电缆的拉伸强度，老化时间的增长降低了电缆的绝缘性能。随后，从分子角度揭示了绝缘材料表面产生了物化反应，这是高压电缆接头处失效的主要原因。本文通过对电缆接头材料的温度检测及其热老化机制研究，为后期电缆失效防护的工作提供了理论支撑和技术支持，对相关工程应用具有一定的参考意义。
关键词：绝缘材料；温度检测；热老化；电缆接头
1引言
高压电缆附件作为电缆网络中最重要的零部件，在电缆网络工作运行过程中故障频发。在大电流、大电压等苛刻工况下长期工作时，电缆自身较易引起过负荷运行，导致电缆绝缘击穿等故障，产生火灾或是形成断电的现象[1, 2]。研究表明，温度对电缆运行状态的影响相对较大，对此，可进一步通过测试电力电缆接头表面的温度，准确评估其绝缘老化情况、迅速找到问题并消除潜在的危险，加强电网工作的可靠安全性[3-5]。因此，对电力电缆接头表面温度进行实时捕获，成为当下避免电缆失效等火灾事故发生的主流研究方向。近年来，随着计算机电子技术革命的大兴发展，在线监测系统包括两方面，即数据传输手段与测温技术。当前，流行的电力电缆温度监测办法包含以下几种：即分布式光纤温度监测系统、光纤光栅温度监测系统、红外热像仪温度监测系统、感温电缆式温度监测系统和点式电缆温度监测系统，电力电缆的相关数据传输方式包含有线传输、无线传输和人工巡线等方法[6-8]。
本文以高压电缆及接头绝缘材料为研究对象，通过加速热老化试验来研究了绝缘材料的热老化温度、时间对拉伸结合强度的影响，分析了加速热老化时间对电缆绝缘失效时间影响的内在联系，最后，对高压电缆及接头的热老化机进行了分析讨论。
2试验
2.1系统设计
电力电缆在正常工作过程中，随着电流的通过会产生大量的热量，使得电缆表面的温度急剧上升。对此，一般认为其载荷量会受电缆最大工作温度的影响。为提高电缆的工作稳定性和实时在线监测电力电缆的载流量与温度，电缆接头电流与温度检测系统设计采用CC2530F256微控制器。该系统主要有电缆接头温度检测装置、电流检测装置、数据传输系统及监控中心数据处理系统。
2.2试样制备
选用YJV32 8.7/15V 340cm聚氯乙烯护套电缆作为本次的实验样本，采用电缆绝缘切片机（J/Q sliver XLPE）沿电缆轴向方向切割约为0.6mm厚度的XLPE基材，将所制得的基材试样放置于蒸馏水中进行超声波清洗，以清除试样表面的污垢和残余物。待清洗结束后，讲试样放置于70℃，100℃，130℃的老化温度下测试；每个温度条件下对应的老化时间为10h、20h和30h，来进行试样的相关性能表征。
2.3性能表征
采用万能拉伸试验机进行老化后电缆试样的结合强度的表征，依照GB/T 2951.11-2008进行测试。选用课题组自主研制的SDR－1型电缆热辐射炉进行试验。采用同惠电子股份有限公司研制的绝缘电阻测试仪（TH2683A）研究其绝缘性能，评估失效的时间和失效线芯的瞬时温度。
3 实验结果分析与讨论
3.1 试样拉伸强度性能分析
表1所示为三种不同温度下老化时间对试样结合强度与的影响，结果表明，当老化时间增加时，70℃、100℃和130℃下试样的拉伸强度变大，试样在70℃和100℃刚开始阶段拉伸强度变化不大；70℃时，样拉伸强度随老化时间的增加而增加，在老化温度为100℃时，在刚开始拉伸阶段，试样的拉伸强度的变化速率相对较大，当老化时间增加时，拉伸强度变化较小。充分表明此时引起了材料内部结构的改变，当老化时间继续增加时，其呈阶段性发展，即保持一段时间的平稳之后又会形成大的波动。通常，在100℃下试样在经过20h的老化处理后，材料自身的理化性质已经产生了较为明显的改变，在测试的5个试样中，2个试样在试验中被拉断，换句话说，此时材料的定长拉伸强度已趋近同一老化条件下的拉伸性。在130℃下老化大于10h时，其内部的高弹性能已经丧失，试样的表面脆性相对较大，容易折断，在拉伸试验过程中，在达到规定断裂长前试样就产生断裂，同时，材料表面存在较大的贯穿性裂纹。
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3.2 不同加速温度老化后电缆绝缘失效时间性能分析
图1为在70℃、100℃和130℃加速热老化时间对电缆绝缘失效时间的影响。可以明显地看到，在70℃和100℃时，当加速热老化时间增加时，电缆受热绝缘失效时间整体呈降低趋势，且大致为线性走势，当加速热老化温度不断变大时，两者的线性关系变弱，电缆受热绝缘失效时间的减小趋势也变小。在加速热老化温度为130℃时，随加速热老化时间的增加，电缆受热绝缘失效时间先降低后上升，大致为抛物线走势。究其本质，在电缆试样加速热老化刚开始阶段，材料表面的物理化学性质相对较为稳定，随加速热老化时间的增加，电缆受热绝缘失效性能下降。而当热老化温度增加至130℃后，随老化时间的增加，热辐射现象加剧，材料表层产生了明显的软化和炭化现象，材料的理化性质均产生了改变。产生的炭化物质隔开了周围和电缆线芯里层的热交换性能，达到了降低老化温度的效果，因而在130℃下热老化过程加剧时，电缆受热绝缘失效时间增大。
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3.3 热老化机制性能分析
热老化通常是指在热能的影响下，绝缘介质材料的产生了化学结构的变化，降低了材料自身的绝缘性能的现象，所以其也叫作化学老化[9]。通常情况下，随着服役环境温度的升高，化学反应速度会产生加快现象。在长时间高温下，绝缘材料自身的有机分子会发生氧化反应，其也叫做自氧化游离基连锁反应，例如当聚乙烯氧化时，C-H键中H首先发生脱离。热老化会同步降低绝缘材料的电学性能和力学性能，降低材料的绝缘寿命，这其中变化最大的还是材料的拉伸结合强度、伸长率、拉伸强度等物理机械特性的改变[10-11]。例如，通常情况下，XLPE材料的拉伸率会从初始的400%～600%降低到100%时失效。热老化的主要原因如下：高压电缆接头在地下长期工作时，其所处的环境相对封闭，散热较为困难，使得接头处积累了大量的热量，同时，接头处自身通电也会产生热量，在电缆在正常工作时，接头处温度高达100℃，然而在满负荷工作时，其内部芯线温度为90℃，接头温度则会增加40℃，为140℃上下，随着温度的继续增加时，氧化现象加剧，接头处的氧化膜此时会变多，导致接触电阻变大，在接头继续工作时，接头的绝缘材料碳化后为绝缘性能降低，产生失效现象。
4结论
本文研究了高压电缆温度检测及对电缆老化程度的影响。结果表明，老化温度和老化时间对电缆接头处的老化性能影响较大。当试样老化温度和时间增加时，其拉伸结合性能提升，同时，随着加速热老化时间的增长，绝缘失效现象较为严重。当加速热老化温度升高时，绝缘失效时间和热老化时间的线性变化关系减弱。从微观材料的角度分析，通常情况下，当温度和时间增加时，高压电缆绝缘材料其表面的水分、杂质原子和低分子产物的材料产生挥发现象，随着时间的继续增加，材料内部的分子结构发生变化，导致材料的理化性能均发生改变，逐渐降低了材料的绝缘性能。
参考文献
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