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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(yùn)行可靠性高、節(jié)省土地資源等優(yōu)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(xué)性能好、電氣性能優(yōu)異和易注塑成型等優(yōu)點，在預(yù)制式電纜附件中間接頭和終端中得到了廣泛的應(yīng)用。

在電力電纜系統(tǒng)中，電纜附件由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和位置的特殊性，其故障率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電纜本體。電纜附件在實際的運(yùn)行過程中環(huán)境條件比較復(fù)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(jī)械應(yīng)力和高溫環(huán)境中運(yùn)行是一種比較常見的情況。

一方面在正常的運(yùn)行情況下，電纜芯線運(yùn)行的溫度可以達(dá)到70℃以上，一旦電纜線路發(fā)生過載或者短路，短時間內(nèi)的運(yùn)行溫度可以達(dá)到250℃，硅橡膠絕緣層處于較高運(yùn)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(qiáng)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(kuò)張狀態(tài)，長期需要承受較大的機(jī)械應(yīng)力，可能會進(jìn)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(jī)械應(yīng)力與熱老化共同作用的材料特性變化及其影響規(guī)律研究較少。開展熱-力聯(lián)合老化對電纜附件硅橡膠絕緣性能影響規(guī)律的研究，可為電纜附件絕緣狀態(tài)評價提供理論依據(jù)，對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院、清華大學(xué)電機(jī)系、華北電力大學(xué)的周遠(yuǎn)翔、張征輝、張云霄、朱小倩、黃猛，在2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，設(shè)計并開展了硅橡膠熱-力聯(lián)合老化試驗，老化溫度設(shè)為200℃，機(jī)械應(yīng)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(xué)性能、電氣性能和微觀結(jié)構(gòu)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(nèi)部自由體積變化

他們結(jié)合硅橡膠物理結(jié)構(gòu)特性，分析了老化前后硅橡膠物理網(wǎng)絡(luò)變化過程，進(jìn)而討論了熱-力聯(lián)合老化對硅橡膠絕緣性能的影響機(jī)理，最后得出以下結(jié)論：

1)紅外光譜和交聯(lián)密度的測試結(jié)果表明在老化過程中硅橡膠會再次發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)密度先增大后減小。拉伸應(yīng)力的存在會妨礙交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，交聯(lián)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(yīng)力會加速硅橡膠分子鏈各個基團(tuán)的降解，使分子結(jié)構(gòu)遭到破壞。

2)硅橡膠的拉伸強(qiáng)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(jī)械應(yīng)力越大，拉伸強(qiáng)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(xué)性能的劣化。

3)在老化前期硅橡膠會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)密度增加，自由體積和載流子遷移率下降，導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)增加和介質(zhì)損耗降低；老化后期交聯(lián)體系破壞，降解反應(yīng)加劇，載流子濃度和遷移率增加，自由體積增大，導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)下降和介質(zhì)損耗增加。在老化過程中隨著拉伸伸長率的增大，擊穿場強(qiáng)下降，相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗逐漸增加。

本文編自2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“熱-力聯(lián)合老化對硅橡膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及力學(xué)和耐電特性的影響”。本課題得到國家自然科學(xué)基金和新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題資助項目的支持。