侯帥，張逸凡，趙遠濤，周則威，俞國軍，傅明利

(1.南方電網科學研究院，廣州510663；2.直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州510663；3.寧波東方電纜股份有限公司，浙江寧波315803)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，社會用電量不斷增加，高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠運行是電力系統(tǒng)安全、國民經濟發(fā)展的重要保證[1-3]。高壓直流電纜作為直流輸電的關鍵設備，具有絕緣性能優(yōu)異、占地面積小等優(yōu)點，被越來越廣泛地應用于電力系統(tǒng)。高壓直流電纜通常以交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)作為主絕緣材料，與未交聯(lián)的聚乙烯相比，其分子結構從二維長鏈轉變?yōu)榛ハ嘟宦?lián)的三維結構，具有更加優(yōu)異的力學性能和電氣性能[4]。目前，在交聯(lián)聚乙烯電纜的生產過程中，最常采用的交聯(lián)方法是過氧化物(過氧化二異丙苯DCP)交聯(lián)法[5-7]，但該方法會在XLPE中殘留交聯(lián)副產物，主要包含枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮3種[8]。這些交聯(lián)副產物會隨著電纜的運行而逐漸分解成極性小分子。在外施電場的作用下，這些極性小分子雜質容易解離為正負離子對，并在電場的作用下向極性相反的電極遷移，形成異極性空間電荷，積聚在電纜絕緣內外層的邊緣[9-12]，進而導致絕緣內外邊緣界面處的電場畸變。在XLPE電纜的實際運行中，絕緣內外層溫度呈梯度分布，這將導致電纜絕緣內外界面處的場強畸變更為嚴重[13]。交聯(lián)副產物的存在，對XLPE電纜的長期運行產生不利的影響，會加速絕緣老化，引起局部放電，甚至造成電擊穿等電纜故障。因此，研究交聯(lián)副產物對電纜絕緣內空間電荷分布的影響尤為重要。

目前，對XLPE電纜進行脫氣處理，是去除交聯(lián)副產物的主要方法。國內外大量試驗研究表明，脫氣可以有效去除交聯(lián)副產物，提升交聯(lián)聚乙烯電纜的電氣性能[14-17]。蘇鵬飛等人研究了脫氣對XLPE擊穿強度的影響，發(fā)現脫氣處理能有效提高直流電纜絕緣擊穿場強[18]；George Chen等人研究了脫氣對聚乙烯微觀形態(tài)結構和內部空間電荷的影響，發(fā)現脫氣處理可以有效消除XLPE中的交聯(lián)副產物，并且發(fā)現XLPE內空間電荷量與交聯(lián)副產物有密切關聯(lián)[19]；葉璿等人研究了脫氣對復合介質空間電荷分布的影響，發(fā)現脫氣處理可以有效改善XLPE中的空間電荷分布[20]。目前的研究還多集中在以實驗室壓制的XLPE薄膜試樣為研究對象，使用真空干燥箱對樣品進行脫氣處理，分析脫氣對電纜絕緣性能的影響，但實驗室制備的XLPE樣品的脫氣與真實電纜絕緣的脫氣情況相差很大，目前還未有關于脫氣對真實電纜絕緣空間電荷特性影響的報道。特別是仍不清楚脫氣對實際運行電纜不同絕緣層空間電荷分布特性的影響。

另外，目前關于XLPE電纜絕緣的脫氣過程與脫氣標準還不完善，主要體現在兩個方面：一是交聯(lián)副產物含量的表征多使用相對定量，即以豐度或者含量百分比的方式來表征交聯(lián)副產物含量，無法直接使用交聯(lián)副產物的含量來準確表征電纜絕緣的脫氣完成度；二是對不同電壓等級XLPE電纜的脫氣時間不明確，對XLPE電纜中交聯(lián)副產物的可接受殘余量還沒有可參考的數據。

本研究基于實際工程中應用的525 kV高壓直流XLPE電纜，在脫氣烘房中進行脫氣處理，然后采用氣相色譜-質譜法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)對不同脫氣時間的XLPE的交聯(lián)副產物殘余含量進行測量，獲得交聯(lián)副產物殘余量隨脫氣時間的變化規(guī)律，提出交聯(lián)副產物殘余量可接受的范圍。并采用電聲脈沖法(pulsed electro-acoustic, PEA)測量脫氣與未脫氣XLPE絕緣試樣的空間電荷和電場分布特性，研究了脫氣處理對XLPE電纜不同絕緣層的空間電荷特性的影響規(guī)律。本研究將為高壓直流XLPE電纜的脫氣工藝及副產物對其電性能的影響方面提供重要的實踐經驗和工程指導。

1 試驗方法

1.1 試驗預處理

本文所使用試樣為是某國產525 kV高壓直流XLPE絕緣電纜，絕緣材料采用北歐化工LS4258DCE，XLPE絕緣厚度為28 mm。在對電纜試樣進行脫氣處理之前，截取未脫氣電纜段，作為對照組，然后將剩余電纜段置于電纜脫氣烘房中，進行脫氣處理。其中，脫氣溫度設置為70 ℃。為獲得電纜段絕緣試樣在不同脫氣時間的交聯(lián)副產物殘余量，在脫氣過程中進行取樣，每隔5～15 d截取10 cm電纜進行測試分析，脫氣總時長為55 d。取樣后，利用電纜切片機沿絕緣徑向切取電纜絕緣內(2～4 mm)、中(12～14 mm)、外(24～26 mm)3層片狀試樣，試樣厚度為0.2 mm，每層切取5片試樣，試樣切取位置選取方式如圖1所示，不同試樣的切片位置及其編號如表1所示。

圖1 XLPE不同位置絕緣選取示意圖

表1 試樣切片位置及其編號

1.2 氣相色譜質譜法

使用氣相色譜-質譜儀(頂空固相微萃取)對XLPE電纜絕緣中的交聯(lián)副產物剩余含量進行測試。一般情況下，在XLPE電纜生產過程中，交聯(lián)副產物會從絕緣內部逐步擴散到絕緣的表面并揮發(fā)到空氣中。利用副產物的擴散特性，實驗前期對試樣進行如下處理：測試前，取0.5 g試樣剪碎置于樣品瓶中，分別加入5 mL三氯甲烷和5 mL正己烷的樣品浸泡溶液。使用超聲振蕩器進行振蕩30 min，利用三氯甲烷和正己烷萃取出試樣的交聯(lián)副產物(主要含甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇)，并且加入無水硫酸鈉以吸收溶液中的水分。最后將溶質過濾，留下含有交聯(lián)副產物的溶液進行氣相色譜實驗。

1.3 空間電荷測試

利用電聲脈沖法(PEA)空間電荷測試系統(tǒng)，測量脫氣與未脫氣電纜絕緣試樣的空間電荷特性，研究脫氣處理對XLPE電纜不同絕緣層試樣的空間電荷分布和電場分布的影響。

分別取未脫氣和脫氣55 d的電纜內、中、外層交聯(lián)聚乙烯絕緣，軸向切片制成0.2 mm厚的片狀試樣進行空間電荷測試?？臻g電荷的測試過程為：每種試樣均在20 kV/mm場強下進行3 600 s的加壓測試，之后進行1 800 s的短路測試，記錄試樣中的空間電荷變化。空間電荷的測試平臺為實驗室搭建的PEA全自動程控測量電極系統(tǒng)及其配套的高壓直流電源、高壓脈沖電源、示波器和信號采集與處理軟件系統(tǒng)，PEA測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 PEA測試系統(tǒng)原理圖

2 試驗結果與分析

2.1 脫氣試驗結果

利用氣相色譜-質譜法對a-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇的標準試樣進行標定，測量不同脫氣天數的高壓直流電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣內層、中層、外層試樣的交聯(lián)副產物a-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇殘余含量(質量分數，下同)隨脫氣時間(0、15、20、30、45、55 d)的變化規(guī)律，脫氣實驗結果如圖3所示。

圖3 交聯(lián)副產物剩余量隨脫氣時間的變化規(guī)律

圖3(a)—(c)所示為XLPE內、中、外層試樣交聯(lián)副產物剩余含量隨脫氣時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，電纜XLPE絕緣試樣中3種主要交聯(lián)副產物枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮的剩余含量均隨著脫氣時間的增加而減少，并且在脫氣時間達到30 d后，交聯(lián)副產物的剩余含量趨于穩(wěn)定。同時發(fā)現，脫氣穩(wěn)定后，交聯(lián)副產物剩余含量與XLPE絕緣層的位置密切相關，由絕緣外層向內層，3種交聯(lián)副產物剩余含量依次增大，表明絕緣內層的交聯(lián)副產物更難以脫去。因此，本研究以內層試樣交聯(lián)副產物的剩余含量作為電纜絕緣脫氣處理是否完成的特征參量。

根據圖3(d)的結果，在70 ℃下脫氣處理30 d后，內層試樣的副產物α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇總含量(質量分數)低于3 mg/g。同時由圖3(a)—(c)可知，枯基醇是幾種交聯(lián)副產物中較難脫去的，脫氣30 d后其質量分數約為2 mg/g。A.Smedberg等報道了類似的結論，他們通過對110 kV電纜(XLPE絕緣厚度為18 mm)進行脫氣，其主要副產物為枯基醇和乙酰苯，認為在70 ℃脫氣21 d后，外層試樣的枯基醇和乙酰苯的含量分別約為2 mg/g和1 mg/g時，交聯(lián)副產物達到可接受水平[24]。因此，本研究認為交聯(lián)聚乙烯電纜內層絕緣的交聯(lián)副產物總含量低于3 mg/g，且枯基醇含量低于2 mg/g時，認為電纜脫氣已充分，剩余交聯(lián)副產物含量達到可接受的水平。

2.2 空間電荷特性

采用電聲脈沖法分別對脫氣55 d和未脫氣的XLPE電纜內不同位置的交聯(lián)聚乙烯絕緣切片試樣進行空間電荷測試。在3 600 s加壓結束時，XLPE試樣的空間電荷分布如圖4所示。

圖4 XLPE試樣加壓3 600 s后的空間電荷分布

由圖4可知，脫氣處理前后，XLPE電纜絕緣試樣在測試場強20 kV/mm下均表現出了不同程度的異極性空間電荷積聚現象。內層試樣異極性電荷積聚程度最大，脫氣處理后，電荷積聚量減少，但與中外層相比，電荷含量仍然較高，這與其難以脫氣充分，交聯(lián)副產物剩余含量較高有關。中層試樣與內層的相比，異極性電荷積聚量有明顯降低，說明電纜絕緣中交聯(lián)副產物的含量與絕緣位置密切相關。中層試樣在脫氣處理后，電荷積聚量明顯減少。外層試樣的及異性電荷積聚量最少，與其交聯(lián)副產物含量最少相對應。從空間電荷測試結果來看，交聯(lián)副產物含量對于XLPE電纜絕緣的空間電荷特性有重要影響，且隨絕緣位置由內到外逐漸減少。同時發(fā)現，脫氣處理能有效降低空間電荷積聚量。

為量化脫氣處理與試樣位置對空間電荷異極性積聚的影響，本文選取加壓結束時的空間電荷數據進行空間電荷平均體密度的計算，計算方法如式(1)所示。

(1)

式中：q(t,Ep)為空間電荷平均體密度；x0為陰極與介質的界面處坐標；x1為介質厚度中點坐標；qp(x,t,Ep)為空間電荷密度；t為加壓時間，此處為3 600 s；Ep為外施電場。本研究選取內層試樣靠近陰極一側的異極性電荷積聚情況，原因是陰極一側機械波衰減速率慢、色散小，聲耦合更良好。具體計算結果如表2所示。

表2 XLPE試樣的平均空間電荷體密度

由表2可知，脫氣處理后，XLPE電纜不同位置絕緣的平均電荷體密度均降低，即脫氣大幅減少了異極性電荷的積聚情況。其中，外測試樣的脫氣后的平均電荷體密度少量增加，這與脫氣外側試樣積聚了微量同極性電荷有關。

在去壓實驗過程中，XLPE絕緣試樣內的積聚電荷逐漸衰減。衰減速率可以表征試樣內部的陷阱分布和載流子遷移率。本研究選取XLPE絕緣試樣在20 kV/mm場強下去壓時間300～600 s中的空間電荷數據，依據式(2)計算電荷衰減率。

v=Δq(t,Ep)/Δt=|q(600,Ep)-q(300,Ep)|/300

(2)

式中：v為電荷衰減率；Δq(t,Ep)為空間電荷平均體密度增量；t為加壓時間；Ep為外施電場；Δt為加壓時間增量。

圖5所示為XLPE電纜內、中、外層絕緣試樣的電荷衰減率變化規(guī)律。結果表明，脫氣處理后，不同位置的絕緣試樣電荷衰減速率均明顯降低。同時，絕緣試樣從內至外，電荷衰減速率依次降低，但是脫氣與未脫氣試樣之間的差異略有減小。說明由于脫氣處理降低了交聯(lián)副產物剩余量，導致異極性空間電荷積聚降低，從而降低了XLPE絕緣的電荷衰減速率。

圖5 XLPE試樣的電荷密度衰減率

2.3 電場分布特性

空間電荷積聚會改變絕緣內部的電場分布，異極性電荷的積聚會增強界面上的電場強度，降低絕緣內部的電場強度。局部場強過高會導致XLPE電纜絕緣老化，甚至擊穿。根據麥克斯韋方程式可計算得到XLPE內部的電場分布情況，如式(3)所示。

(3)

式中：D表示電位移；S為閉合曲面；ρ為空間電荷體密度；v為閉合曲面體積。

XLPE試樣內層、中層和外層的電場分布如圖6所示。

圖6 XLPE試樣內部電場分布

由圖可知，由于內層脫氣不充分，試樣在脫氣處理前后交聯(lián)副產物的含量均比較高，因此在電極與試樣界面處出現了明顯的電場畸變，這與2.2節(jié)中內層試樣的異極性電荷嚴重積聚的現象相對應。中層未脫氣試樣內部同樣存在電場畸變的現象，但是相較于內層試樣，畸變程度有所降低。在脫氣處理后，試樣的電場基本無畸變，說明脫氣處理使中層試樣的電場分布得到了很大改善。外層試樣由于在脫氣前后交聯(lián)副產物含量均較低，因此電場畸變的情況在脫氣處理前后均不明顯。整體來看，內層試樣的電場畸變程度最嚴重，也說明交聯(lián)副產物對XLPE絕緣試樣的電場分布有重要的影響，而脫氣處理可以明顯地改善由于交聯(lián)副產物存在而引起的電場畸變現象。

以XLPE試樣中最大場強與平均場強的比值作為最大電場畸變率，計算得到XLPE試樣的電場畸變率如圖7所示。由圖7可知，脫氣前后相比，內層試樣的最大的電場畸變率從約為初始場強的2.1倍降低為初始場強的1.4倍。同樣，中層樣品內最大電場畸變率從初始場強的1.38倍降到1.07倍。而外層樣品的電場畸變率脫氣前后均較小，且變化不大，表明電纜絕緣外層的交聯(lián)副產物在脫氣前可能已經有了揮發(fā)。另外，從不同位置來看，XLPE絕緣最大電場畸變率由內層到外層依次降低，這與交聯(lián)副產物脫氣處理后的剩余含量相對應。整體看，脫氣處理可以明顯改善電場的畸變情況。

圖7 XLPE試樣的電場畸變率

2.4 脫氣對XLPE絕緣空間電荷特性影響

電介質內部空間電荷可分為兩種類型：同極性電荷和異極性電荷。同極性電荷一般來源于同側極板以電子或空穴的形式的電荷注入；異極性電荷一般來源于介質內的雜質解離。研究表明，交聯(lián)聚乙烯電纜生產中的雜質主要來自于DCP交聯(lián)劑在交聯(lián)過程中產生的副產物，主要包括枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮3種副產物。

本研究對脫氣處理前后的XLPE試樣在不同場強下進行了空間電荷測試。結果表明，XLPE電纜絕緣內部的異極性電荷積聚量與外施電場強度正相關；脫氣試樣相較于未脫氣試樣，內部的異極性電荷積聚量大大降低、電荷的衰減率和電場畸變率也明顯降低。這表明在電場的作用下，枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮這類極性小分子副產物可能發(fā)生了解離，形成正負離子對，在介質內部形成電荷缺陷。當雜質離子遷移到電極與介質界面上時，由于抽出受限[21]，導致界面附近形成異極性空間電荷積聚。未脫氣介質中交聯(lián)副產物較多，異極性電荷密度更高，在和電極注入的同極性電荷疊加后依然能夠在宏觀上顯示出異極性，因此，XLPE電纜絕緣內部的異極性電荷積聚量與外施電場強度正相關且脫氣試樣相較于未脫氣試樣，內部的異極性電荷積聚量大大降低。

同時，由于分子擴散運動的存在，外層介質會自發(fā)向外界逸散交聯(lián)副產物，在電纜絕緣中形成從外到內濃度不斷升高的交聯(lián)副產物濃度梯度，從而導致場外層試樣的異極性電荷積聚情況大大減弱。因此，即使在未脫氣試樣中，同場強下從外至內依然可以觀察到明顯的異極性電荷積聚量的梯度差異。進行脫氣處理后，試樣的交聯(lián)副產物剩余含量已較未脫氣大為降低，積聚的異極性電荷相應減少，但是濃度梯度依然存在。在外層脫氣試樣中，交聯(lián)副產物的濃度已足夠小，使得解離出的雜質形成的負極性電荷濃度已不足以復合電極注入的同極性電荷，導致試樣處于輕微的同極性積聚狀態(tài)。

脫氣與未脫氣的XLPE電纜絕緣試樣的電荷密度衰減率不同，與絕緣內部的載流子遷移率有關。交聯(lián)副產物解離產生的離子對在試樣中形成電荷缺陷，即陷阱中心。交聯(lián)副產物在介質中引入的缺陷勢壘較淺[19]，稱為淺陷阱。淺陷阱對電荷的束縛作用較弱，其中的電荷容易在外力作用下脫離陷阱，因此淺陷阱通常被認為是電荷的輸運通道。在宏觀層面上，交聯(lián)副產物濃度高的試樣具有更大的電荷密度衰減率。

此外，根據高斯定律，空間電荷積聚會改變XLPE電纜絕緣內部的電場分布。積聚在極板與介質界面處的異極性電荷會大大加劇界面處的電場強度，在預設的實驗參數下，電場強度畸變值最大可達到原始電場的2.1倍。局部場強會導致絕緣劣化，引起局部放電甚至導致絕緣擊穿。此外，交聯(lián)副產物還會在介質內部引入缺陷，導致XLPE絕緣擊穿場強降低。因此對電纜進行脫氣處理是有必要的。

3 結論

本文采用氣相色譜-質譜法和電聲脈沖法研究研究了脫氣處理對XLPE電纜不同絕緣層的空間電荷特性的影響規(guī)律，結論如下。

1)脫氣試驗中，XLPE絕緣中的內層試樣不易脫氣充分，交聯(lián)副產物剩余含量最多。因此以內層試樣交聯(lián)副產物剩余量作為脫氣過程的特征量，發(fā)現70 ℃下脫氣30 d后，交聯(lián)副產物殘余量基本不再隨脫氣時間變化。認為當內層副產物α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇總質量分數低于3 mg/g，其中枯基醇含量低于2 mg/g時XLPE絕緣脫氣充分。

2)與未脫氣XLPE試樣相比，脫氣試樣的異極性空間電荷積聚量大幅下降，其異極性空間電荷來自于交聯(lián)副產物的解離，且場強越高，該現象越強烈。脫氣處理能減少XLPE中的交聯(lián)副產物，改善異極性電荷積聚。

3)電纜絕緣從內向外，異極性電荷積聚量依次降低，對應于交聯(lián)副產物剩余量逐漸減少；脫氣試樣相較于未脫氣試樣，具有更低的電場畸變率和電荷密度衰減率。