陈嘉
（江苏省常州技师学院）
交联聚乙烯（Cross-linked Polyethylene，XLPE）因其具有优越的绝缘性能，且安装容易、运行简单，被广泛应用于电力系统中，是城市电网的主要电缆绝缘类型。然而，在实际运行过程中，由于受到电、热、辐照及应力的影响，电缆会产生老化[1]。电缆绝缘的热老化是电缆失效的重要原因之一，在电应力长期作用下，XLPE分子结构遭到破坏，其绝缘性能逐渐下降[2-3]。
因此，深入研究长期电热应力作用下的XLPE电缆绝缘的耐久性，对实际工程具有重要意义。本文采用同一批次制造的90kV的XLPE电缆绝缘，将其分别置于不同时长的电、热和电热应力下，一段时间后将绝缘层剥离，然后对剥皮进行耐久性试验，并将其与无应力历史（即未老化）电缆样品的状态相比较。评估了不同电热应力下的 XLPE 电缆绝缘的耐久性能的变化，为国产电缆绝缘材料的研发以及电缆绝缘老化状态监测提供理论基础和试验依据。
1.1 材料
所有用于耐久性试验的材料除应力历史不同外，均为厚度150μm的XLPE绝缘剥皮，具体见图1。XLPE是由两家不同的公司生产的，可以通过表1名称栏中的小写字母“a”和“b”来区分；
材料名称是根据它们所属电缆的应力历史的首字母缩写来构造的，如US是unstress的缩写，ETS是electrothermal-stress的缩写，以及全寿命周期的使用应力SA电缆剥皮。由于试验所用材料由同一批交联聚乙烯制成，因此绝缘剥皮之间性能的差异，仅来自电缆的制造过程以及电缆的电热应力历史。
图1 试验样品图
在耐久性试验之前，在环境323K条件下对剥皮进行48h的热调节，目的是去除挥发性副产物，以确保结果的可重复性。
1.2 试验方法
耐久性试验A和B在两种不同的条件下进行，如表1所示。在条件A下进行多次耐久性试验，用下标表示相关样本集的个数，字母顺序与实际试验的顺序相对应。在70kV/mm的交流电场和363K的温度下进行第一个试验A；
试验B保持相同的温度，但电场强度为55kV/mm ，每次测试中使用的材料以及它们的应力历史如表2所示。
表1 耐久性试验条件
表2 耐久性试验中所用材料及其所属电缆的应力历史
在线缆产品失效分析中，威布尔失效函数分布用途最广，而且线缆产品遵循威布尔失效形式[4]。采用极值威布尔统计量进行统计分析，双参数威布尔分布的累积密度函数表达式为：
式中，t为被测变量，通常为击穿时间或击穿电压；
F(t)为在电压或时间小于或等于t时发生失效的概率；
α为定义被测变量t特征值的刻度参数，值为正；
β为形状参数，为正数。
在计数资料中经常使用百分数，样品百分数不可能总是一样，它们围绕着总体百分数上下波动，因此要对样品百分数的可信程度加以估计，求出置信区间[5]，第p个百分位数的90%置信区间的界限由下列公式确定：
式中，tl(p)和tu(p)是第p百分位置信区间的下限和上限。
将计算的置信区间表用于本研究中，根据每次试验中的总样本数量和失效的样本数量，估计90%置信极限。本研究中，每种材料使用4个样本（n=4），一旦其中3个样本不合格（r=3），试验即终止。因子Zl(p)和Zu(p)的值从置信区间图中提取，p=0.1%，1.0%，5.0%，10%，30%和95%的百分位数，α(63.2%)的界限也包括在n=4和r=3中，如表3所示。
表3 n=4和r=3的置信区间的因子zl(p)和zu(p)取值
针对寿命分布的置信区间估计，对工业生产有一定的价值[6]。区间将真实数量的任何特定百分位以90%的概率包围起来。试样的数量越多，上下曲线越接近。用下面的公式计算形状参数β的置信区间：
式中，βl和βu分别是区间的下限和上限；
n=4和r=3时的因子Wl和Wu分别为0.456和4.67。
1.3 样品处理
用来自同一家材料供应商的交联聚乙烯树来制作超高压（EHV）电缆模型。90kV电缆绝缘厚度为14mm，结构如图1a所示。这些电缆经过电热应力处理后，用特殊设计的冷冻刀将绝缘剥皮（剥皮厚度为150μm）削皮，剥皮被削成宽度为8cm的一卷，如图1b所示，并完全密封在铝制袋内，以供研究；
并且将其储存在278K左右的温度，以防止其发生进一步的变化；
然后选取从内部半导体屏中2～4mm（或尽可能接近这些边缘）处的样本，用以研究剥皮的特性。
经过调节过程后，用于耐久性试验的A和B样品被放置在电极之间，并浸入硅油中，如图2所示。为了避免气泡滞留在试样与电极界面之间，将整个托盘置于真空状态，直至观察不到气泡，然后将托盘移至高压实验台上。通过控制器控制温度在363K，直到4个样本中有3个失败，才从高压装置中取出样本。
击穿时间由高压断路器记录，其精度为1/100h。一旦一个样本失效，所有样本的电源都被切断。使用欧姆表对样品进行识别，然后将其与高压钻机隔离，这样就可以通过将电压提高到所需值来重新接通电源，即将失效的试件保留在图2所示的托盘中，直到所有材料的三个试件都失效。
1.4 电极设计
高压电极为圆柱形黄铜，半径为2.5cm，高度为3.0cm，边缘为圆形，以减少发生在极不均匀电场中的电晕放电。底部电极是一个厚度为5mm的铝板，其中最多可以放置4个高压电极。通过在黄铜电极上方放置厚度为5mm的有机玻璃板，并将该板拧到电极上，从而将其压到XLPE样品上，以确保良好的接触，如图2所示。
图2 耐久性试验设置的高压电极
2.1 高电和热应力下的耐久性试验A
在70kV/mm的电场和363K的温度下进行的耐久性试验的具体结果如图3所示。图中用实线及90%置信区间（虚线）表示具有最长电热史的ETS2a样品的威布尔分布，用填充三角形表示ETS2a的数据。填充符号表示在363K温度下经历5000h应力的电缆材料，未填充的符号表示没有经历过热应力的材料。可以观察到所有的填充符号都在材料的90%置信度区间内；
但是也有例外：如3000h电热应力下的材料ETS3a（用“x”符号表示）的第一次失效是在区间范围内，而其他两次失效则不在区间范围内；
除了电应力材料E_S2a的第一次失效外，无应力历史或者仅有电应力历史的电缆材料的耐久寿命都在90%置信区间之外。因此，热应力历史似乎是导致电缆剥皮耐久寿命降低的主要原因。在ARTEMIS方案中，XLPE绝缘电缆的电场水平没有显著影响，3000h电热应力下的样品（ETS3b）的数据表明，这一时间不足以影响材料的性能。一般而言，图3中的失效可以分为具有相似统计属性的两组类别：一组是填充符号，另一组是空心符号。填充符号组（由连续线圆指示）包括5000h以上363K热应力的失效样本，空心符号组（按虚线圈分组）包括无应力历史或仅有电应力历史的失效电缆样品。
图3 不同电热历史下电缆剥皮失效时间的威布尔图
图4比较了有电热应力历史的电缆和无应力历史电缆的耐久寿命，结果表明，电热电缆的应力历史显著降低了绝缘材料的抗电应力能力，是导致材料寿命减短的主要原因。图中包含两个不同寿命数据的电缆剥皮，这些电缆要么有过电热应力历史，要么无应力历史；
图3中的填充三角形表示在电热应力下材料的失效，其与重复试验下的耐久性数据结合使用，形成电热应力下材料的失效概率集。两组材料具有非常相似的形状参数，在图中表示为β，但特征值α是明显不同的。这表明，在ARTEMIS方案期间，相对于未受应力的材料，有电热应力历史的材料，其耐久能力发生明显的变化。
图4 试验a中有电热应力历史和无应力历史材料的失效比较
图5绘制了在耐久性测试A下每个材料集的特征值α与相应的90%置信区间，在黑色竖线的左手边，无论是无应力历史或者单电应力历史的材料，都具有非常相似的特征值；
黑线的右侧是具有热应力历史和电热应力历史的材料，它们的特征值通常小于左边。两组用黑色线圈出的材料特性，它们的特征值与无应力历史的材料相似，在总体趋势之外；
一些材料的置信区间很窄，这说明在这些样本集合中，产生失效的特征只具有很小范围的样本变化，这样的集合（ETS3b）往往具有较短的生命周期，反映出其包含着许多相同类型的严重缺陷。相反，其他集合则不同于一般趋势，因此它们几乎没有产生任何的失效特征。
图5 参数α的90%置信极限
2.2 低电高热应力耐久性试验b
在场强为55kV/mm的电场和363K的温度下，五组不同应力历史的剥皮分别是：无应力历史US b，电应力历史E_S2a，电热应力历史ETS2a和使用应力SA，这些材料的失效情况如图6b所示。一方面，它们在1.8x107s的时间内共发生了8次失效，但由于是在接通电压后立即发生的，图6b中只显示了7个；
非应力材料是唯一没有在1.8x107s内失效的材料；
另一方面，热应力历史材料、电热应力历史和使用应力材料的4个试件中有2个失效，无论这三种材料经历怎样不同的电应力，但它们都经历过363K温度下的热应力。因此，材料的应力历史对其耐久寿命的影响与高温下耐久性试验A的结果一致。
图6 方框及其形状表明已发生的所有样本失效
如图6所示，具有热和电热应力历史的材料比其他材料更早失效。盒子是由第25和第75百分位决定的；
形状由第5百分位和第95百分位决定。在70kV/mm、55kV/mm的电场下和363K的高温下的耐久性试验A和B表明，电缆剥皮的应力历史确实会降低材料的耐久性，特别是在热应力历史或电热应力历史情况时，这些结果也与之前的耐久性试验数据一致。在耐久性试验中，只有电应力历史的剥皮耐久性没有显著下降。由图6可知，应力历史对耐久性的影响由轻到重依次为无应力；
电应力；
热应力；
电热/使用应力。该排名表明，电和热应力本身对XLPE绝缘的降解比两者结合时要小，由于制造电缆的基树脂以及整个过程都是相同的，因此，耐久性测试数据的差异只能归因于电缆受力过程中材料的内在变化。
本文研究了长期电、热应力对XLPE耐久性能的影响。在55kV/mm和70kV/mm的交流电场下，以及热力学温度均为363K的条件下对不同应力历史的电缆剥皮进行研究，通过威布尔分析获得耐久数据，结果表明电缆应力确实降低了剥皮的耐久能力，不同的应力历史则表现出不同的破坏时间。结论如下：
1）在电和电热应力的前5000h，只有经历了热成分（363K）的电缆显示出在70kV/mm和363K下寿命的显著下降；
2）在相同的电缆应力周期内，分别在293K和363 K热应力环境下，不同电场的试验样品在从0到最大28 kV /mm范围内的耐久性没有显著差异。
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