- 頭條熱-機械應力共同作用對電纜附件硅橡膠絕緣性能有怎樣的影響？2022-12-30 作者：周遠翔、張征輝 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新疆大學電氣工程學院、清華大學電機系、華北電力大學的周遠翔、張征輝、張云霄、朱小倩、黃猛，在2022年第17期《電工技術學報》上撰文，設計并開展了硅橡膠熱-力聯合老化試驗，老化溫度設為200℃，機械應力施加的拉伸伸長率為0%～50%，測試并分析了老化前后硅橡膠試樣的力學性能、電氣性能和微觀結構等性能的變化。
隨著我國國民用電量的快速增長和電壓等級的不斷提升，電力電纜憑借著運行可靠性高、節省土地資源等優點成為輸電線路中重要的組成部分。硅橡膠絕緣材料憑借其彈性高、力學性能好、電氣性能優異和易注塑成型等優點，在預制式電纜附件中間接頭和終端中得到了廣泛的應用。
在電力電纜系統中，電纜附件由于結構的復雜性和位置的特殊性，其故障率也遠遠高于電纜本體。電纜附件在實際的運行過程中環境條件比較復雜，因此造成故障的原因往往不是單一的。對于電纜附件來說，在機械應力和高溫環境中運行是一種比較常見的情況。
一方面在正常的運行情況下，電纜芯線運行的溫度可以達到70℃以上，一旦電纜線路發生過載或者短路，短時間內的運行溫度可以達到250℃，硅橡膠絕緣層處于較高運行溫度下會加速材料的老化，使其絕緣性能遭到破壞；另一方面，為了滿足電氣強度和安裝方便，需要保證電纜附件與主絕緣之間存在0.1～0.25MPa的界面壓力，使附件包覆在電纜接頭處。由于其始終處于擴張狀態，長期需要承受較大的機械應力，可能會進一步加劇對材料絕緣性能的劣化。
目前的研究主要是集中在單個物理場對硅橡膠絕緣性能的影響，機械應力與熱老化共同作用的材料特性變化及其影響規律研究較少。開展熱-力聯合老化對電纜附件硅橡膠絕緣性能影響規律的研究，可為電纜附件絕緣狀態評價提供理論依據，對于電力系統穩定運行具有重要的意義。
新疆大學電氣工程學院、清華大學電機系、華北電力大學的周遠翔、張征輝、張云霄、朱小倩、黃猛，在2022年第17期《電工技術學報》上撰文，設計并開展了硅橡膠熱-力聯合老化試驗，老化溫度設為200℃，機械應力施加的拉伸伸長率為0%～50%，測試并分析了老化前后硅橡膠試樣的力學性能、電氣性能和微觀結構等性能的變化。
圖1 拉伸試驗裝置示意圖
圖2 老化前后硅橡膠內部自由體積變化
他們結合硅橡膠物理結構特性，分析了老化前后硅橡膠物理網絡變化過程，進而討論了熱-力聯合老化對硅橡膠絕緣性能的影響機理，最后得出以下結論：
1)紅外光譜和交聯密度的測試結果表明在老化過程中硅橡膠會再次發生交聯反應，交聯密度先增大后減小。拉伸應力的存在會妨礙交聯反應的發生，交聯密度幅值的變化隨拉伸伸長率的增大而降低。同時在老化過程中拉伸應力會加速硅橡膠分子鏈各個基團的降解，使分子結構遭到破壞。
2)硅橡膠的拉伸強度和斷裂伸長率隨著老化時間的增加而降低，硬度變大。在老化過程中機械應力越大，拉伸強度和斷裂伸長率下降幅值越明顯，同時會加速硅橡膠的硬化，使其柔順性變差，高彈性喪失，加劇硅橡膠力學性能的劣化。
3)在老化前期硅橡膠會發生交聯反應，交聯密度增加，自由體積和載流子遷移率下降，導致擊穿場強增加和介質損耗降低；老化后期交聯體系破壞，降解反應加劇，載流子濃度和遷移率增加，自由體積增大，導致擊穿場強下降和介質損耗增加。在老化過程中隨著拉伸伸長率的增大，擊穿場強下降，相對介電常數和介質損耗逐漸增加。
本文編自2022年第17期《電工技術學報》，論文標題為“熱-力聯合老化對硅橡膠交聯網絡及力學和耐電特性的影響”。本課題得到國家自然科學基金和新能源電力系統國家重點實驗室開放課題資助項目的支持。
