趙維佳，李文鵬，2，閆轟達，史曉寧，張 翀，陳 新

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 先進輸電技術(shù)國家重點實驗室，北京 102209；2.西安交通大學 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）因其良好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)越的電氣和力學性能廣泛應用于直流輸電電纜線路中[1-3]。為適應工業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)狀、滿足電力供應日益增長的需求，電力電纜的輸電電壓和輸電容量面臨更大挑戰(zhàn)，對電纜絕緣材料的性能要求更加嚴格。

電纜絕緣材料的開發(fā)試驗主要分為實驗室材料改性、批量化生產(chǎn)、成纜以及型式試驗。材料改性方面，普遍采用的方法是摻雜添加劑[4-6]和納米金屬氧化物[7-9]、共混、接枝等。成纜試驗方面，沈耀軍等[10-11]通過對比預鑒定試驗前后200 kV等級的直流XLPE電纜絕緣中層切片的性能變化，發(fā)現(xiàn)預鑒定試驗后絕緣中層切片未發(fā)現(xiàn)明顯老化，但溫度達到30℃時預鑒定試驗后試樣短路過程中的平均體電荷密度明顯大于預鑒定試驗前試樣。

直流電力電纜型式試驗是通過感應電流將導體升溫至70℃，在耐壓為1.85U0（U0為電纜額定電壓），檢驗直流電力電纜是否達到標準要求，以保證電纜能夠滿足預期使用條件以及長期性能[10]。目前，大量研究集中在絕緣材料的改性方面，成纜試驗方面也有所涉及，但是型式試驗對電纜主絕緣徑向各處性能影響的研究較少。

本研究選取型式試驗后電纜主絕緣在內(nèi)、中、外層3處切片，通過紅外光譜（FTIR）、空間電荷、直流電氣強度試驗分析型式試驗后電纜絕緣徑向各處化學性能、電氣性能的變化，通過差示掃描量熱儀（DSC）測試結(jié)果對試樣進行等效熱歷史建模，分析絕緣徑向不同層性能差別產(chǎn)生的原因。

1 試驗

1.1 試樣制備

取型式試驗后的高壓直流電纜，對主絕緣進行車床環(huán)切，切片厚度為（200±5）μm。沿徑向選取主絕緣內(nèi)、中、外層的試樣，分別對應圖1中A、B、C 3處。

圖1 電纜絕緣取樣位置Fig.1 Sampling location of cable insulation

1.2 直流電氣強度測試

擊穿裝置采用直徑為25 mm，倒角為3 mm的柱柱電極。將試樣和電極浸入硅油中以防止空氣擊穿以及擊穿過程中試樣表面發(fā)生閃絡(luò)。試樣采用連續(xù)升壓的方式，記錄擊穿電壓。通過擊穿電壓與試樣厚度的比值計算得到直流電氣強度。每種試樣測試20次，并應用Weibull分布統(tǒng)計進行分析。

1.3 空間電荷測試

采用電聲脈沖法（PEA）測量型式試驗后電纜絕緣徑向內(nèi)、中、外層試樣的空間電荷。在室溫下，針對3種試樣依次分別施加20、30、50 kV/mm的電場強度，在每個場強下加壓30 min，短路30 min，記錄材料內(nèi)部空間電荷的分布情況。

1.4 FTIR測試

采用Nicolet FT-IR 6700型傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）對型式試驗后主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的分子結(jié)構(gòu)進行研究，波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，所有試樣各測量10次，結(jié)果取平均值。

1.5 DSC測試

為研究型式試驗的高溫高電場對絕緣試樣熱性能的影響，采用Q2000型DSC測試儀分析型式試驗后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的熱歷史。試驗采用氮氣保護，流速為20 mL/min。先利用RCS系統(tǒng)降溫至-50℃，待熱平衡后，以5℃/min的升溫速率升溫至180℃，記錄熱流-溫度曲線。

2 試驗結(jié)果

2.1 直流電氣強度

運用Weibull分析軟件處理不同試樣的測量數(shù)據(jù)，得到的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)（即特征電氣強度）如圖2所示。各層試樣的電氣強度均高于200 kV/mm。樣品擊穿測試數(shù)據(jù)的形狀參數(shù)均大于10，說明測試結(jié)果可重復性高，電氣強度值集中。絕緣外層的電氣強度略高于中層和內(nèi)層。

圖2 電纜絕緣試樣直流擊穿測試結(jié)果Fig.2 DC electric strength test results of cable insulation samples

2.2 空間電荷

空間電荷的主要來源包括：高電場下通過電極注入；絕緣材料中的雜質(zhì)在電場作用下發(fā)生電離。電極注入電荷與電極同極性，故稱為同極性電荷。雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電荷與電極極性相反（負電荷逆著電場向陽極移動；正電荷順著電場向陰極移動），故稱為異極性電荷。同極性電荷將減弱電極/絕緣界面的電場，增強絕緣中的電場；異性電荷將增強電極/絕緣界面的電場，減弱絕緣中的電場。兩種電荷均可使絕緣擊穿電壓下降，但由于電極/絕緣界面很薄，異極性電荷對絕緣擊穿電壓的影響相對更大[12]。

對型式試驗后電纜主絕緣徑向內(nèi)、中、外層試樣在室溫下施加20、30、50 kV/mm的場強，測得試樣加壓30 min的空間電荷積聚特性、短路30 min空間電荷消散特性分別如圖3(a)～(c)、圖3(d)～(f)所示。虛線分別代表2個電極的位置，其中左側(cè)為鋁電極（負電極），右側(cè)為半導電極（正電極）。對比圖3(a)～(c)可以看出，試樣加壓30 min后，在20 kV/mm場強下，僅在絕緣中層試樣靠近負電極位置處出現(xiàn)少量的異極性電荷聚集，絕緣內(nèi)層、外層試樣中幾乎沒有正電荷聚集。在30 kV/mm場強下，各層試樣在負電極位置處均出現(xiàn)聚集的異極性電荷，導致其在負電極上感應的負電荷增多，負電極電荷量峰值增大。其中，絕緣中層試樣異極性電荷的峰值分別約為內(nèi)層試樣和外層試樣的3倍和2倍，正電極處未見異極性電荷聚集。在50 kV/mm場強下，試樣在負電極處聚集的正電荷和負電極上感應的負電荷達到最大值，且正極附近出現(xiàn)異極性電荷。中層試樣的異極性空間電荷峰值和寬度均大于內(nèi)層和外層試樣，中層試樣的電場畸變率大于內(nèi)層和外層試樣。

圖3 電纜絕緣試樣的空間電荷測試結(jié)果Fig.3 Space charge test results of cable insulation samples

為研究空間電荷聚集對電場分布的影響，對試樣內(nèi)部的電場分布進行分析，采用畸變場強因子（field enhanced factor，F(xiàn)EF）表征電場的畸變程度，其定義如式（1）所示[13]。電場畸變率如表1所示，可以看出中層試樣的電場畸變率在各場強下均高于內(nèi)層試樣和外層試樣。

表1 電纜絕緣試樣的電場畸變率（單位：%）Tab.1 Electric field distortion rate of cable insulation samples

2.3 FTIR測試

型式試驗后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的FT‐IR圖譜如圖4所示。從圖4可以看出，XLPE絕緣內(nèi)、中、外層在3 640、1 720、1 640 cm-1處均有特征吸收峰，分別由羥基（OH）、羰基（C=O）、苯乙烯基的伸縮振動引起，表明試樣中殘留有苯乙酮、α-甲基苯乙烯、枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物[14]。定義1 720 cm-1處峰值與2 010 cm-1處峰值的比值為聚乙烯羰基指數(shù)（CI），3 640 cm-1處峰值與2 010 cm-1處峰值的比值為聚乙烯羥基指數(shù)（HI）[15]。

圖4 電纜絕緣試樣的FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectra of cable insulation samples

型式試驗后電纜主絕緣各層的CI、HI指數(shù)如圖5所示。從圖5可以看出，主絕緣各層位置的羥基指數(shù)變化較小，而羰基指數(shù)變化稍大，從小到大依次為外層試樣、內(nèi)層試樣、中層試樣。

圖5 羥基指數(shù)、羰基指數(shù)測試結(jié)果Fig.5 Test results of hydroxyl index and carbonyl index

2.4 DSC測試

圖6為型式試驗前后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣DSC測試的結(jié)晶過程曲線，表2為結(jié)晶過程提取的參數(shù)，其中，型式試驗前XLPE試樣只有1個熔融峰（Tm=103.1℃）；型式試驗后，電纜主絕緣內(nèi)、中、外層在低于Tm處均出現(xiàn)新的熔融峰。

圖6 電纜絕緣試樣的DSC測試結(jié)果Fig.6 DSC test results of cable insulation samples

表2 型式試驗前后電纜絕緣試樣熔融峰對比Tab.2 Comparison of the melting peaks of cable insulation samples before and after type test

3 分析與討論

3.1 DSC等效熱歷史模型

為量化型式試驗對絕緣各層的影響，采用K KOBAYASHI等[16]提出的等效熱歷史模型，即材料的老化可以等效為溫度T與時間t的共同作用。由于XLPE由不同厚度不同熔點的結(jié)晶構(gòu)成，當某溫度T（T

圖7 P1與P2的示意圖[16]Fig.7 Schematic illustration of P1 and P2

式（2）～（7）中：t為熱處理時間；T為熱處理溫度；A1、A2分別為S1(T)、S2(T)的斜率；B1、B2分別為S1(T)、S2(T)的截距；C1、C2分別為TP1(T)、TP2(T)的斜率；D1、D2分別為TP1(T)、TP2(T)的截距。

根據(jù)式（2）～（7），可得到式（8）～（9）。

式（8）～（9）中，α、β、γ、δ、ε、ζ分別如式（10）～（15）所示。

XLPE材料的各參數(shù)取值如表3所示。由式（8）～（9）可推得型式試驗電纜絕緣試樣的等效熱歷史參數(shù)如表4所示。從表4可以看出，絕緣內(nèi)、中、外層的等效熱處理溫度約為70℃，與型式試驗施加溫度相符，表明此模型對型式試驗等效分析具有合理性。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，絕緣內(nèi)、中、外層的等效熱處理時間t差距較大，絕緣內(nèi)層試樣的等效熱處理時間約為絕緣中層的581倍，而絕緣中層與絕緣外層的差距較小?？梢岳斫鉃?，型式試驗相當于使絕緣中層和外層只經(jīng)受短時間的熱處理；當絕緣中層和外層熱處理結(jié)束時，絕緣內(nèi)層依然在隨后相當長的時間內(nèi)經(jīng)歷70℃的高溫。因此絕緣中層和外層的TP1、TP2差距較小，而內(nèi)層TP1最高、TP2最低，兩個熔融峰間距最大。

表3 XLPE等效熱歷史模型參數(shù)Tab.3 Equivalent thermal history model parameters of XLPE

表4 型式試驗后電纜絕緣樣品的等效熱歷史參數(shù)Tab.4 Equivalent thermal history parameters of cable insulation samples after type test

3.2 交聯(lián)副產(chǎn)物對電纜絕緣的影響

由型式試驗后試樣的直流電氣強度測試結(jié)果可知，型式試驗后主絕緣徑向不同位置試樣的電氣強度差距不大。絕緣不同位置試樣的羰基指數(shù)、羥基指數(shù)變化較小，表明型式試驗未對電纜絕緣造成明顯的劣化。羰基、羥基的形成可能是因為電纜難以做到充分脫氣，使得絕緣越靠近導體部分交聯(lián)副產(chǎn)物殘存較多，交聯(lián)劑過氧化二異丙苯（DCP）會分解形成苯乙酮、α-甲基苯乙烯、枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物。由于絕緣內(nèi)層的等效熱處理時間約為絕緣中層的581倍，型式試驗造成的溫度梯度加速了載流子由內(nèi)側(cè)向外側(cè)遷移，使得絕緣不同位置載流子遷移速率不同。由于溫度較高，載流子由絕緣內(nèi)層向絕緣中層遷移的速率快于中層向外側(cè)遷移的速率，因此載流子在絕緣中部聚集。在溫度的影響下，絕緣內(nèi)層的交聯(lián)副產(chǎn)物持續(xù)不斷的向中層擴散，使內(nèi)層交聯(lián)副產(chǎn)物濃度降低，中層濃度升高，表現(xiàn)為內(nèi)層羰基含量降低，中層羰基含量升高。由于大量極性官能團（羰基、羥基等）在中層聚集，使絕緣中層的異極性電荷數(shù)量明顯高于內(nèi)層和外層。

4 結(jié)論

（1）型式試驗后，電纜主絕緣徑向各處試樣的直流電氣強度差距較小，表明型式試驗未對電纜主絕緣造成明顯的劣化。

（2）將型式試驗對絕緣的影響進行熱歷史等效處理，得出絕緣的等效熱處理溫度差別較小，而等效熱處理時間沿徑向由內(nèi)到外逐漸縮短。

（3）由于電纜較難徹底脫氣，絕緣內(nèi)有大量交聯(lián)副產(chǎn)物殘留，根據(jù)熱歷史等效模型，絕緣中層、外層的熱處理時間較短，交聯(lián)副產(chǎn)物擴散較少；而絕緣內(nèi)層熱處理時間約為絕緣中層的581倍，交聯(lián)副產(chǎn)物不斷在中層聚集，從而造成中層的異極性電荷增多，電場畸變率增大。