熱縮母排套管在長期使用過程中的電氣和力學性能分析

母排絕緣熱收縮管能否在使用過程中長期保持優異的電氣和力學性能，與材料的抗老化性能直接相關。隨著運行年限的增長，兩種電壓等級的試樣的拉伸強度均降低，介電常數和介質損耗增大，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。

關鍵詞：母排熱縮套管；自然老化；電氣性能；力學性能；
 

基于熱縮材料優異的電氣和力學性能，從 20 世紀 60 年代起熱縮材料在中低壓電纜附件和開關柜的母排套管上得到廣泛應用。熱縮材料又被稱為高分子形狀“記憶”功能材料，主要是指經高能射線處理或化學交聯后，結晶或半結晶的線性高分子在分子鏈間產生新的連接鍵，進而發展成為三維網狀結構而具有形狀“記憶效應”的一類新型高分子功能材料。這種高分子材料在高彈態具有彈性，施加外力拉伸或擴張，迅速降溫后材料會維持形變狀態，但當溫度升高到熔點以上，材料雖經擴張形變但具有“記憶效應”，形變很快消除，并恢復到原來狀態，這就是交聯高分子材料的“記憶效應”。

利用該原理可制造出擴張倍率大小可控的各種中低壓電纜附件和開關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、復合絕緣包覆帶、絕緣防護罩、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行過程中出現水汽引發間隙放電、運行溫度過高引起放電、套管表面發粘滲油、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。

按老化評估類型將聚合物復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度(斷裂強度、斷裂延伸率)、介電常數、介質損耗角正切值、交流阻抗值、交流耐壓強度等性能，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，標距L0=（25±0.5）mm，采用萬能拉力機進行試驗測試。

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）下電容率和介質損耗因數的推薦方法》進行測試，測試頻率范圍設定為20~1 000 Hz，測試在室溫、真空條件下進行，測試電壓為1 kV交流電壓。

耐壓擊穿特性按照 GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》，采用絕緣材料電氣強度試驗儀進行測試。試驗裝置電極結構如圖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，使其能夠將試樣浸沒，防止閃絡現象的發生。試驗升壓方式采用短時快速升壓法。

2 結果與討論

2.1 力學性能

熱縮材料對應力的響應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系曲線，從圖 1 測得應力與應變關系可以得出熱縮材料符合 Maxwell 粘彈性結構模型，即串聯模型。

開始時刻為彈性形變起主導作用，逐漸粘性形變與彈性形變同時存在，直至應變達到臨界值發生斷裂。斷裂強度和斷裂延伸率的測試能夠間接反應物質本體結構的變化規律，即老化規律。拉伸強度測試結果如圖3所示。

從圖3測試結果可知，10kV電壓等級1～4號試樣的運行年限不斷增加，其相應的斷裂強度隨之逐漸下降。1 號試樣為運行前，其斷裂強度和斷裂伸長率分別為 14.71 MPa 和 678%，4 號試樣的運行年限為 9 年，其斷裂強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律相同，但下降程度更為嚴重，運行前的5號試樣與運行6年后的7號試樣的斷裂強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。其原因是經過運行的熱縮材料其內部三維網狀交聯結構隨著自然老化程度的加深而出現裂解，拉伸性能也隨之下降。

2.2 介電性能

2.2.1 介電常數

不同運行年限熱縮套管的介電常數（ε）與頻率的關系如圖 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行年限的增加，熱縮套管老化程度加重，材料分子鏈發生斷裂，存在大量懸掛鍵、空位以及空洞等缺陷，在電場作用下，間隙中正負電荷分別向負正極方向移動，電荷結果聚積在界面的缺陷處，在界面兩側形成電偶極矩，即界面電荷極化。同時，內部添加的各種助劑有可能發生分解，也會產生界面極化，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，這些因素都造成復合材料介電常數的增加。

2.2.2 介質損耗因數

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

不同運行年限的熱縮套管介質損耗因數與頻率的關系如圖5所示，由圖5可以看出，介質損耗因數的變化規律與老化的關系與介電常數是一致的。即 tanδ隨頻率升高而略有下降，當自然老化時間增加時 tanδ隨之增大，介質損耗的增大會使其運行溫度過高，進一步加快熱縮套管的老化，因此應嚴格監測其變化趨勢，以指導設備的更換。

2.2.3 交流阻抗

從微觀的導電機理來看，材料導電是載流子（電子、空穴、離子等）在電場作用下在材料內部定向遷移的結果。材料的導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行了測定，測試結果如圖 6 所示。從圖6看出試樣的交流阻抗與頻率呈線性關系。隨著運行年限的增加，當工頻為 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度試驗儀進行交流耐壓擊穿實驗。交流耐壓結果見表1。

從表 1 可以看出，試樣的電氣強度隨運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運行年限的增加均有所下降。其中運行6年后35 kV電壓等級熱縮套管的拉伸強度下降最嚴重，兩種等級的母排套管介電常數略有增大，而運行 9 年后 10 kV 電壓等級母排套管介質損耗增大的趨勢和交流阻抗、電氣強度下降的趨勢均比較明顯。

3 結 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能力和供電穩定性，但隨著使用年限的增加，熱縮材料由于自然老化而產生性能下降。

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

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


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