劉 濤， 李 歡， 徐 磊， 楊章勇

(陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)電力電纜因其優(yōu)異的電氣性能、理化性能，以及質(zhì)量輕、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高壓直流輸電系統(tǒng)[1-3]。但在電纜運(yùn)行過程中XLPE的絕緣性能會(huì)受到多種因素的影響，突發(fā)故障時(shí)溫度的急劇升高是導(dǎo)致絕緣劣化甚至失效的一個(gè)主要原因。如中低壓電纜過載或短路時(shí)，短時(shí)間內(nèi)電纜絕緣的溫度能夠達(dá)到150 ℃[4]，而當(dāng)高壓電纜出現(xiàn)短路故障時(shí)，電纜絕緣的溫度甚至可達(dá)250 ℃[5]。就當(dāng)前我國220 kV XLPE電纜來說，絕緣層厚度約為27 mm，對(duì)應(yīng)國外電壓等級(jí)225 kV電纜絕緣厚度值(如日本23 mm、德國24 mm、荷蘭17 mm)相對(duì)偏大[6-7]。相對(duì)較大的絕緣厚度對(duì)于導(dǎo)熱性較差的XLPE來說，散熱成為了一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。當(dāng)焦耳熱和其他介電損耗產(chǎn)生的熱能無法向周圍釋放時(shí)，絕緣的失效就會(huì)發(fā)生，因此對(duì)于國內(nèi)現(xiàn)服役的XLPE電纜來說熱老化的影響必須加以重視。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響進(jìn)行了一系列的研究，筆者也針對(duì)熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣晶體結(jié)構(gòu)、介電性能、空間電荷分布特性等方面的影響做了一些工作。研究表明，熱老化過程中，在XLPE絕緣內(nèi)發(fā)生的氧化反應(yīng)會(huì)引發(fā)XLPE分子鏈的斷裂，進(jìn)一步導(dǎo)致XLPE結(jié)晶度和介電性能的下降。本文主要闡述XLPE電纜絕緣的熱老化機(jī)理，綜述了近年來在熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣微觀結(jié)構(gòu)、電荷輸運(yùn)特性和介電性能影響方面的研究進(jìn)展。

1 XLPE熱老化過程中的氧化反應(yīng)

在熱老化過程中，由氧化反應(yīng)所引發(fā)的熱氧降解會(huì)導(dǎo)致XLPE電纜絕緣聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和性能的逐步劣化，而聚合物熱氧降解的核心是自動(dòng)氧化反應(yīng)[8]。自動(dòng)氧化反應(yīng)過程大致分為以下幾個(gè)階段。

1.1 引發(fā)過程

在引發(fā)過程中，XLPE受到熱的作用或與氧發(fā)生反應(yīng)，XLPE大分子鏈的弱點(diǎn)部位發(fā)生斷裂，產(chǎn)生自由基[9]：

RH→R·+·H,

(1)

RH+O2→R·+·OOH,

(2)

其中RH為XLPE分子鏈,R·為自由基,·OOH為過氧化氫自由基。

1.2 增長(zhǎng)過程

在增長(zhǎng)過程中，自由基與氧發(fā)生反應(yīng)，生成過氧化自由基。過氧化自由基進(jìn)而與XLPE分子鏈反應(yīng)，捕獲分子鏈上的氫原子，生成過氧化氫物[9]：

R·+O2→ROO·,

(3)

ROO·+RH→ROOH+R·,

(4)

其中ROO·為過氧化自由基；ROOH為過氧化氫物。

在熱的作用下，過氧化氫物會(huì)分解產(chǎn)生新的自由基,新自由基與XLPE分子鏈發(fā)生反應(yīng)，又產(chǎn)生新的自由基和過氧化氫物。這樣新產(chǎn)生的自由基和過氧化氫物會(huì)投入到之前的反應(yīng)中，保持整個(gè)氧化反應(yīng)連續(xù)、自加速進(jìn)行[10]：

2ROOH→RO·+ROO·+H2O,

(5)

RO·+RH→R·+H2O,

(6)

ROO·+RH→R·+ROOH,

(7)

其中RO·為氧化自由基。

1.3 終止過程

在終止過程中，自由基、過氧化自由基相互碰撞而發(fā)生雙基耦合反應(yīng)[8]：

ROO·+ROO·→ROOR+O2,

(8)

ROO·+R·→ROOR,

(9)

R·+R·→R-R,

(10)

自由基R·自身相互反應(yīng)生成新的交聯(lián)鍵，因此在XLPE的熱老化過程中還會(huì)發(fā)生再交聯(lián)反應(yīng)[11]。

整個(gè)氧化循環(huán)反應(yīng)的過程如圖1所示，一個(gè)氧化循環(huán)的結(jié)束意味著一個(gè)R·至少變成了3個(gè)R·，R·的濃度在不斷增加，同時(shí)反應(yīng)的速度也在不斷加快，從而形成了自動(dòng)氧化反應(yīng)。

圖1 氧化循環(huán)反應(yīng)過程 圖2 不同溫度熱老化試樣的紅外光譜曲線

針對(duì)熱老化試樣，可以通過紅外光譜測(cè)試結(jié)果計(jì)算試樣的羰基指數(shù)，進(jìn)而表征試樣的熱老化程度及熱老化速率[13]。

圖2所示為100、130、160 ℃三個(gè)老化溫度下XLPE試樣的紅外光譜曲線，其中，1750～1700 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收峰為CO的特征吸收峰?？梢钥闯?，老化溫度越高，則羰基吸收峰強(qiáng)度越大，羰基吸收峰隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)速度越快。因此，老化溫度越高，老化過程中的氧化反應(yīng)速率越快。

2 重結(jié)晶過程和熱氧降解過程

為了延緩XLPE電纜絕緣在熱老化過程中的氧化反應(yīng)，電纜生產(chǎn)廠家會(huì)在絕緣中添加抗氧化劑，常用的抗氧化劑為鏈終止給體(CB-D)抗氧化劑[14]。其具體作用過程如下所示[8]：

AH+ROO·→ROOH+A·,

(12)

A·+ROO·→ROOA,

(13)

A·+A·→歧化或者耦合,

(14)

式中AH為CB-D抗氧化劑，它能阻斷ROO·與RH的反應(yīng)，使氧化反應(yīng)無法進(jìn)入自加速狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)[15-17]表明，熱老化過程中，XLPE電纜絕緣的性能呈現(xiàn)出先緩慢上升后快速下降的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[12]分別通過紅外光譜測(cè)試和氧化誘導(dǎo)期測(cè)試定性表征了XLPE電纜絕緣中抗氧化劑的含量隨老化時(shí)間的變化情況，發(fā)現(xiàn)抗氧化劑未被完全消耗時(shí)，XLPE的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能不僅未出現(xiàn)明顯的劣化，反而出現(xiàn)了小幅度的提升；當(dāng)抗氧化劑被完全消耗后，XLPE電纜絕緣的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能開始快速劣化。

在熱老化進(jìn)程中，XLPE電纜絕緣內(nèi)發(fā)生的主要有重結(jié)晶過程和熱氧降解過程。在老化初期，對(duì)應(yīng)物理老化階段，此階段由于抗氧化劑的存在，氧化反應(yīng)速率比較低，主要發(fā)生重結(jié)晶過程[14]。重結(jié)晶過程中，再交聯(lián)反應(yīng)使得XLPE試樣中因熱的作用而產(chǎn)生的自由基R·彼此結(jié)合，產(chǎn)生交聯(lián)鍵，提升試樣的交聯(lián)度[18]。熱老化過程中產(chǎn)生氧化自由基RO·及過氧化自由基，并通過歧化反應(yīng)產(chǎn)生醛、酯和羧酸等老化產(chǎn)物，與此同時(shí)，XLPE試樣中重結(jié)晶過程使得部分非晶區(qū)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶區(qū)，晶體結(jié)構(gòu)完善度提高，同時(shí)結(jié)晶度小幅上升[14]。相似的結(jié)果在文獻(xiàn)[15,19-20]中也有報(bào)道。如圖3所示為熱老化過程中XLPE結(jié)晶度的變化趨勢(shì)[15]，可以看出在80、100、120、140 ℃四個(gè)老化溫度下，熱老化前期XLPE的結(jié)晶度均出現(xiàn)了不同程度的增大，即為重結(jié)晶過程的結(jié)果。

圖3 熱老化中XLPE的結(jié)晶度變化趨勢(shì) 圖4 熱老化中XLPE內(nèi)自由體積的增大過程

老化中后期主要發(fā)生的是化學(xué)老化，此階段中由于抗氧化劑已被消耗完，氧化循環(huán)狀態(tài)進(jìn)入自加速，熱氧降解造成自由體積的進(jìn)一步增大及老化產(chǎn)物的快速增加[14]。如圖4所示為熱老化條件下，XLPE試樣中自由體積增大過程的示意[21]。

3 熱老化過程對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和介電性能的影響

3.1 微觀結(jié)構(gòu)

作為一種典型的半結(jié)晶聚合物，XLPE電纜絕緣的力、熱、介電等宏觀性能與晶體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。球晶作為XLPE的主要微觀形態(tài)是由多個(gè)片晶呈放射狀構(gòu)成。無定形區(qū)就是片晶與片晶之間的區(qū)域，在XLPE中約占65%。老化溫度的不同可能會(huì)在一定程度上影響熱氧降解過程對(duì)XLPE電纜絕緣的晶體結(jié)構(gòu)破壞方式。當(dāng)老化溫度低于XLPE的熔融溫度Tm時(shí)，XLPE為典型的半結(jié)晶聚合物；當(dāng)老化溫度高于Tm時(shí)，在老化過程中XLPE晶體會(huì)發(fā)生熔融，結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形區(qū)，此時(shí)XLPE則轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)聚合物。而半結(jié)晶聚合物和非晶態(tài)聚合物在結(jié)構(gòu)上的差異造成了晶體結(jié)構(gòu)破壞方式上的差異。

3.1.1 不同老化溫度下XLPE的晶體結(jié)構(gòu)變化

老化溫度低于Tm時(shí)，熱氧化被抗氧化劑抑制。此時(shí)，片狀晶體的一部分可能會(huì)產(chǎn)生熔融現(xiàn)象，熱氧降解主要影響XLPE試樣的非晶區(qū)，對(duì)結(jié)晶區(qū)的作用相對(duì)較弱[14]。氧化對(duì)結(jié)晶區(qū)造成的破壞主要體現(xiàn)在熱老化導(dǎo)致無定形區(qū)發(fā)生熱膨脹，O2會(huì)沿著片晶和無定形區(qū)的界面侵入球晶。隨著氧化進(jìn)程的逐漸深入，片晶上規(guī)則排列的分子鏈以及片晶之間的連接鍵先后發(fā)生斷裂，片晶的結(jié)構(gòu)進(jìn)而受到一定的破壞，如圖5所示[12]。

圖5 老化溫度低于Tm時(shí)XLPE晶體的破壞過程 圖6 老化溫度高于Tm時(shí)XLPE晶體的破壞過程

老化溫度高于Tm時(shí)，XLPE試樣中的球晶處于熔融狀態(tài)，此時(shí)，組成片晶的分子鏈由規(guī)則排列狀態(tài)轉(zhuǎn)化為無序分布狀態(tài)。XLPE在高于Tm的溫度下老化，可以促進(jìn)氧擴(kuò)散到分子鏈之間的空間，從而加速熱氧化反應(yīng)[22]?？寡趸瘎┮坏┍幌耐耆嚇釉瓉淼慕Y(jié)晶區(qū)就會(huì)由于熱氧降解的作用被嚴(yán)重破壞，在老化結(jié)束時(shí)XLPE試樣晶體結(jié)構(gòu)已趨于疏松，球晶的完整度受到破壞，如圖6所示[12]。

如圖7所示為不同老化溫度下，XLPE老化試樣中球晶的SEM照片[12]。圖7(a)為未老化XLPE試樣的SEM照片。可以看出未老化XLPE試樣中的球晶由片晶堆疊而成，球晶的直徑約為15～20 μm。圖7(b)為100 ℃熱老化2880 h試樣的SEM照片，此時(shí)XLPE試樣中的球晶結(jié)構(gòu)基本未被破壞，直徑約為10～15 μm。但部分球晶上出現(xiàn)了“花瓣?duì)睢钡娜毕?，這些缺陷產(chǎn)生的過程可以由圖5來進(jìn)行解釋。圖7(c)所示為160 ℃老化144 h試樣的SEM照片，可以看出，此時(shí)XLPE試樣中的球晶已經(jīng)受到了嚴(yán)重的破壞，具體表現(xiàn)為片晶之間的距離變大、片晶數(shù)量減少、球晶結(jié)構(gòu)的完整性不再[14]。圖7的結(jié)果可以很好地支撐圖5、圖6中關(guān)于不同溫度熱老化對(duì)XLPE晶體破壞過程的推斷。

圖7 不同溫度熱老化XLPE試樣中球晶的SEM照片

熱老化對(duì)XLPE晶體結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度的下降及晶體完善程度的下降。文獻(xiàn)[9]通過DSC法研究了XLPE老化試樣中晶體的熔融特性，發(fā)現(xiàn)老化會(huì)導(dǎo)致Tm的下降、結(jié)晶度的降低、晶體完善程度的下降。文獻(xiàn)[13]通過X射線衍射對(duì)XLPE老化試樣進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)熱老化會(huì)導(dǎo)致XLPE晶面間距增大，晶體結(jié)構(gòu)趨于疏松。文獻(xiàn)[23]通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)觀察到球晶結(jié)構(gòu)在老化過程中變得膨脹松散，無定形區(qū)面積增大。XLPE網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在老化進(jìn)程中會(huì)逐漸減少，最終喪失絕緣性能。與晶體結(jié)構(gòu)的破壞程度和片晶分布情況直接相關(guān)的XLPE的結(jié)晶度、熔融峰溫度和熔融焓隨著老化時(shí)間的增加會(huì)也發(fā)生變化，這些都可以從不同角度反映出XLPE絕緣材料的老化程度。在熱老化過程中，還觀察到球晶融合的現(xiàn)象，即多個(gè)球晶融合為尺寸更大的球晶，如圖8所示。這會(huì)引發(fā)球晶數(shù)量的減少，球晶尺寸的增大，可能會(huì)對(duì)XLPE電纜絕緣的性能帶來不利影響。

圖8 熱老化中XLPE球晶的融合現(xiàn)象

3.1.2 熱老化對(duì)XLPE交聯(lián)度變化的影響

除了破壞XLPE電纜絕緣的晶體結(jié)構(gòu)之外，熱老化還會(huì)導(dǎo)致XLPE電纜絕緣交聯(lián)度的變化。由于大分子鏈末端的斷裂，小分子鏈片段可能出現(xiàn)在非晶區(qū)。這些產(chǎn)生的片段可以形成結(jié)晶，并能夠起到促進(jìn)結(jié)晶的作用，即就是再交聯(lián)現(xiàn)象[22]。圖9所示為熱老化過程中XLPE電纜絕緣的交聯(lián)度變化過程，其中HCCV表示采用懸鏈?zhǔn)缴a(chǎn)線交聯(lián)生產(chǎn)的高壓XLPE電纜，VCV表示采用立塔式生產(chǎn)線交聯(lián)生產(chǎn)的高壓XLPE電纜。從圖中可以看出XLPE試樣的交聯(lián)度隨著老化時(shí)間的增加呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，其中，再交聯(lián)反應(yīng)可歸結(jié)于老化初期XLPE試樣交聯(lián)度增長(zhǎng)的原因，而熱氧降解導(dǎo)致的交聯(lián)鍵的破壞則是老化中后期XLPE試樣交聯(lián)度快速下降的原因。

圖9 熱老化過程中XLPE電纜絕緣的交聯(lián)度變化情況

3.2 介電性能

3.2.1 熱老化對(duì)XLPE介電性能及空間電荷特性的影響

熱老化過程中，含酮基、酯基、醛基和羧酸等極性基團(tuán)的老化產(chǎn)物數(shù)量的增加[32]，會(huì)使得XLPE的低頻介電常數(shù)增大，如圖10(a)所示，在高頻下介電常數(shù)的增加相對(duì)不明顯。從圖10(a)中還可以發(fā)現(xiàn)，老化溫度越高，介電常數(shù)增大的幅度越大，這與不同溫度下老化產(chǎn)物含量的差異有關(guān)。圖10(b)所示為不同熱老化試樣的tanδ隨頻率f的變化規(guī)律?？梢钥闯?，熱老化使得tanδ在低頻范圍內(nèi)(10-1～102Hz)增長(zhǎng)明顯，而老化溫度越高，低頻損耗增大的幅度越大。低頻電介質(zhì)損耗的來源主要是絕緣電極附近的空間電荷積聚而引起的界面極化[25]。

(a)介電常數(shù) (b)介質(zhì)損耗角正切圖10 熱老化過程中XLPE介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的變化情況

文獻(xiàn)[22,26]的研究結(jié)果表明，在老化溫度小于Tm時(shí)，部分晶區(qū)熔化，再交聯(lián)需要一定的老化時(shí)間，才能對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生主導(dǎo)影響。相反，當(dāng)XLPE試樣在大于Tm的溫度下老化時(shí)，熱氧化反應(yīng)的降解過程很快成為主導(dǎo)，導(dǎo)致非晶相增加，大分子鏈在極化作用下更易相互作用，與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的極性基團(tuán)，導(dǎo)致介電常數(shù)和介電損耗急劇增加。另外，由于XLPE中空間電荷的局部積累，在低頻時(shí)介電常數(shù)隨老化時(shí)間的變化更為重要[27]。

由于XLPE的結(jié)晶度在熱老化條件下不斷降低，導(dǎo)致材料中陷阱密度和空間電荷密度的增加，而XLPE熱老化試樣在不同老化溫度下的空間電荷分布特性也具有一定的差異[28-31]。老化溫度低于熔融溫度Tm時(shí)，隨著加壓時(shí)間的增加，試樣中異極性電荷積聚量和電極上的感應(yīng)電荷量逐漸增大。而當(dāng)老化溫度高于熔融溫度Tm時(shí)，XLPE熱老化試樣中的空間電荷積累隨著老化時(shí)間的增加由異極性電荷向同極性電荷轉(zhuǎn)變。在老化末期，試樣中內(nèi)部靠近電極處同極性電荷顯著增加，在試樣中間還出現(xiàn)了異極性電荷積聚。隨著加壓時(shí)間的增加，電荷積聚量開始快速增大，如圖11所示[32]。此外，隨著老化程度的增加，同極性電荷會(huì)導(dǎo)致熱老化XLPE試樣中的電場(chǎng)發(fā)生畸變，試樣的直流電導(dǎo)率也會(huì)隨測(cè)量電場(chǎng)的增大而增大[33]。

(a)100 ℃老化2880 h (b)160 ℃老化192 h圖11 熱老化XLPE試樣的PEA加壓曲線

總之，XLPE的熱老化過程對(duì)介電性能的影響可分為兩個(gè)階段：在老化初期，引入的抗氧化劑抑制了降解機(jī)制。此外，在XLPE中還可能發(fā)生再交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致某些部分再結(jié)晶從而減弱極化過程。在第二階段，隨著熱應(yīng)力的增加，熱氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用，分子鏈斷裂并生成更多的極性基團(tuán)，進(jìn)而導(dǎo)致低頻下介電常數(shù)和介電損耗顯著增加[32,34]。

3.2.2 熱老化對(duì)XLPE工頻擊穿特性的影響

熱老化過程中，隨著老化時(shí)間的增加，XLPE試樣的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)曲線呈現(xiàn)出先緩慢上升再快速下降的趨勢(shì)。老化溫度越高，則擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降速率與下降幅度就越大，如圖12所示。老化溫度越高，則老化末期擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降速率與下降幅度越大。

圖12 熱老化XLPE試樣的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)

部分學(xué)者研究了XLPE熱老化和陷阱參數(shù)之間的關(guān)系并進(jìn)行直流擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，陷阱參數(shù)會(huì)在一定程度上影響XLPE電纜絕緣中載流子的注入和遷移過程，進(jìn)而對(duì)XLPE電纜絕緣的介電性能產(chǎn)生影響[35-37]。

在XLPE熱老化早期，試樣的結(jié)晶度增大，部分無定形區(qū)向結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化，使得電極附近的深陷阱小幅增大，可以抑制進(jìn)一步的電荷注入。同時(shí)，由于較少的注入電荷，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度的增加和直流電導(dǎo)率的降低。隨著熱老化程度的持續(xù)升高，XLPE試樣結(jié)晶度下降，樣品中引入了更多的深陷阱，大量的電荷注入導(dǎo)致直流電導(dǎo)率升高，擊穿強(qiáng)度降低。

熱老化對(duì)XLPE試樣微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過電荷的注入、載流子的數(shù)量、載流子的輸運(yùn)和空間電荷積聚等幾方面來影響XLPE試樣的工頻擊穿特性。

(1)電荷的注入：擊穿實(shí)驗(yàn)過程中，電子和空穴經(jīng)電極注入至XLPE試樣內(nèi)部。未老化試樣表面的電子和空穴陷阱有效地降低了經(jīng)電極注入試樣內(nèi)部的電荷數(shù)目。老化溫度低于Tm時(shí)，熱老化對(duì)試樣的影響并不顯著，電極注入試樣內(nèi)的電荷數(shù)目也不明顯。當(dāng)老化溫度高于Tm時(shí)，老化后期試樣內(nèi)可觀察到明顯的同極性電荷積聚，因此在電場(chǎng)作用下經(jīng)電極注入XLPE試樣內(nèi)部的電荷數(shù)量大幅增加，可導(dǎo)致老化末期的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)大幅下降[38-39]。

(2)載流子的數(shù)量：氧化反應(yīng)使得XLPE試樣中酮、醛、酯基及羧酸等老化產(chǎn)物數(shù)量增加，老化產(chǎn)物的電離使得電極附近產(chǎn)生異極性電荷積累。因此，相比未老化試樣，熱老化試樣中具有更多的老化產(chǎn)物，老化產(chǎn)物在電場(chǎng)下的電離增大了熱老化試樣中的載流子濃度。而當(dāng)老化溫度高于Tm時(shí)，試樣中因老化產(chǎn)生的極性基團(tuán)數(shù)目高于低溫?zé)崂匣嚇?，再加上?jīng)電極注入的電子，高溫?zé)崂匣嚇又械妮d流子濃度高于低溫?zé)崂匣嚇印?/p>

(3)載流子的輸運(yùn)：XLPE是一種半結(jié)晶的聚合物，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)，XLPE大分子鏈通過規(guī)則折疊而形成片晶，再通過片晶的緊密堆疊形成致密的球晶。在熱氧降解階段，無論是低溫?zé)崂匣€是高溫?zé)崂匣?，均?huì)使得XLPE試樣中的部分結(jié)晶區(qū)向無定形區(qū)轉(zhuǎn)化，結(jié)晶度出現(xiàn)下降，結(jié)晶區(qū)對(duì)載流子的輸運(yùn)的阻礙作用下降。熱老化初期，熱裂解作用使得XLPE分子鏈間的弱連接鍵斷裂，引發(fā)XLPE絕緣中的自由體積重排。隨著老化的時(shí)間進(jìn)一步增加，XLPE中的交聯(lián)鍵開始發(fā)生斷裂，在電場(chǎng)作用下載流子的自由行程增大，從而積聚足夠的能量引發(fā)XLPE分子鏈斷裂，XLPE試樣在更低的場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)生擊穿。

(4)空間電荷的影響：在工頻交流電壓下，XLPE試樣內(nèi)也會(huì)存在空間電荷[40-42]。而由于外施交流電壓的極性頻繁地發(fā)生反轉(zhuǎn)，XLPE試樣內(nèi)空間電荷的積累會(huì)滯后于電壓極性的改變[43-45]。當(dāng)電壓極性為負(fù)時(shí)，電壓達(dá)到閾值后電極開始向XLPE試樣內(nèi)注入負(fù)電荷，這些電荷與之前正極性電壓下試樣內(nèi)積累的正電荷復(fù)合產(chǎn)生電致發(fā)光[9]，其余的負(fù)電荷被電極附近及試樣內(nèi)部陷阱捕獲。待至下一個(gè)正半周，注入的正電荷又可以與試樣內(nèi)積累的負(fù)電荷復(fù)合產(chǎn)生電致發(fā)光，對(duì)XLPE分子鏈造成破壞?；瘜W(xué)老化階段，熱老化使得XLPE試樣中空間電荷積聚量大幅增加，因此可加劇由電荷復(fù)合引發(fā)的電致發(fā)光，使得XLPE試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降[46-48]。而當(dāng)老化溫度高于Tm時(shí)，XLPE試樣的空間電荷注入閾值場(chǎng)強(qiáng)降低。在擊穿實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)過電極可向熱老化試樣中注入大量的同極性電荷。同極性空間電荷的存在在極性反轉(zhuǎn)的過程中會(huì)引發(fā)高場(chǎng)強(qiáng)[49]，進(jìn)而引發(fā)擊穿。因此，老化溫度越高，則老化末期擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降速率與下降幅度越大。

4 結(jié)束語

國內(nèi)外關(guān)于熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣性能的影響已經(jīng)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究，但是目前的理論仍存在一定的不足。不同熱老化條件下的老化特性及老化機(jī)理差異研究尚淺，且熱老化條件下XLPE中缺陷結(jié)構(gòu)發(fā)展和宏觀性能劣化間的關(guān)聯(lián)性缺乏更加深入的研究。而XLPE電纜絕緣的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間有著密切的關(guān)系，研究熱老化條件下XLPE微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的劣化過程并準(zhǔn)確建立二者之間的關(guān)聯(lián)性，有助于更好地研究和理解XLPE電纜絕緣在熱老化條件下乃至服役過程中的劣化機(jī)理。如今，在特高壓直流加快發(fā)展的趨勢(shì)下，XLPE電纜絕緣性能的研究與提升將會(huì)越來越重要。在未來的研究中，進(jìn)一步探索XLPE微觀缺陷結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系，可以更好地為運(yùn)行電纜狀態(tài)評(píng)估提供理論依據(jù)。同時(shí)，細(xì)化在熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣宏觀性能影響方面的研究，并探索改善介電性能的方法，這對(duì)輸電線路運(yùn)行可靠性的提升具有重要意義。