热缩母排套管在长期使用过程中的电气和力学性能分析

热缩母排套管在长期使用过程中的电气和力学性能分析

母排绝缘热收缩管能否在使用过程中长期保持优异的电气和力学性能，与材料的抗老化性能直接相关。随着运行年限的增长，两种电压等级的试样的拉伸强度均降低，介电常数和介质损耗增大，交流阻抗变小。长时间的自然老化使热缩套管的绝缘性能大大降低。

关键词：母排热缩套管；自然老化；电气性能；力学性能；
 

基于热缩材料优异的电气和力学性能，从 20 世纪 60 年代起热缩材料在中低压电缆附件和开关柜的母排套管上得到广泛应用。热缩材料又被称为高分子形状“记忆”功能材料，主要是指经高能射线处理或化学交联后，结晶或半结晶的线性高分子在分子链间产生新的连接键，进而发展成为三维网状结构而具有形状“记忆效应”的一类新型高分子功能材料。这种高分子材料在高弹态具有弹性，施加外力拉伸或扩张，迅速降温后材料会维持形变状态，但当温度升高到熔点以上，材料虽经扩张形变但具有“记忆效应”，形变很快消除，并恢复到原来状态，这就是交联高分子材料的“记忆效应”。

利用该原理可制造出扩张倍率大小可控的各种中低压电缆附件和开关柜母排用热缩绝缘套管。用于变电站的热缩材料主要包括母排绝缘热缩套管、复合绝缘包覆带、绝缘防护罩、电缆终端头以及爬距增长器等。但是随着使用年限的增长，热缩母排绝缘套管在运行过程中出现水汽引发间隙放电、运行温度过高引起放电、套管表面发粘渗油、部分套管起包等问题，这都与热缩材料的老化程度直接相关。

按老化评估类型将聚合物复合材料的老化分为大气自然老化和人工加速老化两类。聚合物复合材料的加速老化研究以湿热老化、腐蚀侵蚀和人工气候老化为主。大气自然老化虽时间跨度大，通常需要 10 年左右或更长的时间，但它是评估材料寿命最直接，也是最可靠的方法。

以经受不同年限自然老化的 10 kV 和 35 kV电压等级的母排热缩绝缘套管为试样，测试所取试样的拉伸强度(断裂强度、断裂延伸率)、介电常数、介质损耗角正切值、交流阻抗值、交流耐压强度等性能，以评估母排热缩绝缘套管的老化程度。

1 试样及测试方法

1.1 测试方法

拉伸强度按照 GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的测定 第 2 部分：模塑和挤塑塑料的试验方法》进行测试，试样选用哑铃型。试样尺寸：总长度L3≥75 mm，窄部分宽度b1=5 mm，厚度h≥2 mm，标距L0=（25±0.5）mm，采用万能拉力机进行试验测试。

介电性能采用德国 NovoControl 宽频介电阻抗谱分析仪 Concept 40，按照 GB/T 1409—2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》进行测试，测试频率范围设定为20~1 000 Hz，测试在室温、真空条件下进行，测试电压为1 kV交流电压。

耐压击穿特性按照 GB/T 1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》，采用绝缘材料电气强度试验仪进行测试。试验装置电极结构如图1所示，上下两电极为等直径电极，尺寸为ϕ25 mm，断面的边缘倒成半径R3=1.0 mm的圆弧。油杯中倒入变压器用绝缘油，使其能够将试样浸没，防止闪络现象的发生。试验升压方式采用短时快速升压法。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

热缩材料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性，称之为粘弹性。图 2 为热缩材料的拉伸力与形变关系曲线，从图 1 测得应力与应变关系可以得出热缩材料符合 Maxwell 粘弹性结构模型，即串联模型。

开始时刻为弹性形变起主导作用，逐渐粘性形变与弹性形变同时存在，直至应变达到临界值发生断裂。断裂强度和断裂延伸率的测试能够间接反应物质本体结构的变化规律，即老化规律。拉伸强度测试结果如图3所示。

从图3测试结果可知，10kV电压等级1～4号试样的运行年限不断增加，其相应的断裂强度随之逐渐下降。1 号试样为运行前，其断裂强度和断裂伸长率分别为 14.71 MPa 和 678%，4 号试样的运行年限为 9 年，其断裂强度和断裂伸长率分别下降到13.88 MPa 和 439%。35 kV 电压等级的 5～7 号试样与前 4 种试样的拉伸性能变化规律相同，但下降程度更为严重，运行前的5号试样与运行6年后的7号试样的断裂强度与断裂伸长率分别为 18.99 MPa、 820%和 13.85 MPa、360%，拉伸性能下降。其原因是经过运行的热缩材料其内部三维网状交联结构随着自然老化程度的加深而出现裂解，拉伸性能也随之下降。

2.2 介电性能

2.2.1 介电常数

不同运行年限热缩套管的介电常数（ε）与频率的关系如图 4 所示。

由图 4 可以看出，各组试样的ε随频率的指数升高而下降。选取测试频段中工频为 50 Hz，10 kV 电压等级试样的ε随着运行年限的增加从2.91升至3.18，35 kV电压等级试样的ε随着运行年限的增加从3.04升至3.3，说明两种电压等级试样的ε均随使用年限的增加而增大。其原因可能是随着运行年限的增加，热缩套管老化程度加重，材料分子链发生断裂，存在大量悬挂键、空位以及空洞等缺陷，在电场作用下，间隙中正负电荷分别向负正极方向移动，电荷结果聚积在界面的缺陷处，在界面两侧形成电偶极矩，即界面电荷极化。同时，内部添加的各种助剂有可能发生分解，也会产生界面极化，使材料的极化程度加大。另外试样中残留的极性小分子在电场中对极化也有影响，这些因素都造成复合材料介电常数的增加。

2.2.2 介质损耗因数

介质损耗因数（tanδ）是反映材料绝缘功率损耗大小的特性参数，仅取决于材料本身的结构特性。一般而言，tanδ越大的绝缘材料，其漏电损耗越大。高分子材料的介质损耗主要发生于极化损耗过程中。如果绝缘材料介质损耗过大就会发生热老化或者热击穿。

不同运行年限的热缩套管介质损耗因数与频率的关系如图5所示，由图5可以看出，介质损耗因数的变化规律与老化的关系与介电常数是一致的。即 tanδ随频率升高而略有下降，当自然老化时间增加时 tanδ随之增大，介质损耗的增大会使其运行温度过高，进一步加快热缩套管的老化，因此应严格监测其变化趋势，以指导设备的更换。

2.2.3 交流阻抗

从微观的导电机理来看，材料导电是载流子（电子、空穴、离子等）在电场作用下在材料内部定向迁移的结果。材料的导电性能主要取决于其具有的阻抗值。采用宽频介电阻抗谱仪对各组试样的交流阻抗进行了测定，测试结果如图 6 所示。从图6看出试样的交流阻抗与频率呈线性关系。随着运行年限的增加，当工频为 50 Hz 时，10 kV电压等级的热缩套管交流阻抗从初始 3.2×108 Ω下降至2.0×108 Ω，35 kV 电压等级热缩套管交流阻抗变化较小，从3.25×108 Ω下降至3.09×108 Ω。

2.2.4 电气强度

热缩材料的耐压击穿特性直接反映母排套管绝缘的好坏，试验采用绝缘材料电气强度试验仪进行交流耐压击穿实验。交流耐压结果见表1。

从表 1 可以看出，试样的电气强度随运行年限的增加而下降。其中 10 kV电压等级的热缩套管试样平均电气强度从初始的 34.13 MV/m 下降至23.60 MV/m，35 kV电压等级从28.18 MV/m下降到22.72 MV/m，下降趋势明显。

2.3 综合评估

10kV和35kV电压等级母排套管性能变化率计算公式分别如式（1）、（2）所示：

式中：P 为性能变化率，X4、X7为热缩套管自然老化后的性能，X1、X5为初始性能。热缩套管性能变化率结果见表2。

从表 2 可知，两种电压等级的热缩母排套管各方面性能随着挂网运行年限的增加均有所下降。其中运行6年后35 kV电压等级热缩套管的拉伸强度下降最严重，两种等级的母排套管介电常数略有增大，而运行 9 年后 10 kV 电压等级母排套管介质损耗增大的趋势和交流阻抗、电气强度下降的趋势均比较明显。

3 结 论

采用热缩绝缘材料作为母排套管，提高了变电站的绝缘防护能力和供电稳定性，但随着使用年限的增加，热缩材料由于自然老化而产生性能下降。

（1）10 kV 电压等级的母排绝缘套管在运行年限达到 9 年时，断裂伸长率下降 35.22%，介质损耗因数上升了194.6%，电气强度下降了30.85%；

（2）35 kV电压等级的母排绝缘套管在运行年限达到 6 年时，断裂伸长率下降 56.10%，介质损耗因数上升了130.66%，电气强度下降了19.38%。


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