趙維佳，李文鵬，2，閆轟達(dá)，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(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的電氣和力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于直流輸電電纜線路中[1-3]。為適應(yīng)工業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)狀、滿足電力供應(yīng)日益增長(zhǎng)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(duì)電纜絕緣材料的性能要求更加嚴(yán)格。

電纜絕緣材料的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)主要分為實(shí)驗(yàn)室材料改性、批量化生產(chǎn)、成纜以及型式試驗(yàn)。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(yàn)方面，沈耀軍等[10-11]通過(guò)對(duì)比預(yù)鑒定試驗(yàn)前后200 kV等級(jí)的直流XLPE電纜絕緣中層切片的性能變化，發(fā)現(xiàn)預(yù)鑒定試驗(yàn)后絕緣中層切片未發(fā)現(xiàn)明顯老化，但溫度達(dá)到30℃時(shí)預(yù)鑒定試驗(yàn)后試樣短路過(guò)程中的平均體電荷密度明顯大于預(yù)鑒定試驗(yàn)前試樣。

直流電力電纜型式試驗(yàn)是通過(guò)感應(yīng)電流將導(dǎo)體升溫至70℃，在耐壓為1.85U0（U0為電纜額定電壓），檢驗(yàn)直流電力電纜是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，以保證電纜能夠滿足預(yù)期使用條件以及長(zhǎng)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(yàn)方面也有所涉及，但是型式試驗(yàn)對(duì)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(yàn)后電纜主絕緣在內(nèi)、中、外層3處切片，通過(guò)紅外光譜（FTIR）、空間電荷、直流電氣強(qiáng)度試驗(yàn)分析型式試驗(yàn)后電纜絕緣徑向各處化學(xué)性能、電氣性能的變化，通過(guò)差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試結(jié)果對(duì)試樣進(jìn)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(yàn)

1.1 試樣制備

取型式試驗(yàn)后的高壓直流電纜，對(duì)主絕緣進(jìn)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(duì)應(yīng)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(qiáng)度測(cè)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(guò)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(guò)擊穿電壓與試樣厚度的比值計(jì)算得到直流電氣強(qiáng)度。每種試樣測(cè)試20次，并應(yīng)用Weibull分布統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

1.3 空間電荷測(cè)試

采用電聲脈沖法（PEA）測(cè)量型式試驗(yàn)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(duì)3種試樣依次分別施加20、30、50 kV/mm的電場(chǎng)強(qiáng)度，在每個(gè)場(chǎng)強(qiáng)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(cè)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(duì)型式試驗(yàn)后主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，所有試樣各測(cè)量10次，結(jié)果取平均值。

1.5 DSC測(cè)試

為研究型式試驗(yàn)的高溫高電場(chǎng)對(duì)絕緣試樣熱性能的影響，采用Q2000型DSC測(cè)試儀分析型式試驗(yàn)后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣的熱歷史。試驗(yàn)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，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(yàn)結(jié)果

2.1 直流電氣強(qiáng)度

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

圖2 電纜絕緣試樣直流擊穿測(cè)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(lái)源包括：高電場(chǎng)下通過(guò)電極注入；絕緣材料中的雜質(zhì)在電場(chǎng)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(fù)電荷逆著電場(chǎng)向陽(yáng)極移動(dòng)；正電荷順著電場(chǎng)向陰極移動(dòng)），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(chǎng)，增強(qiáng)絕緣中的電場(chǎng)；異性電荷將增強(qiáng)電極/絕緣界面的電場(chǎng)，減弱絕緣中的電場(chǎng)。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(duì)絕緣擊穿電壓的影響相對(duì)更大[12]。

對(duì)型式試驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)，測(cè)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(gè)電極的位置，其中左側(cè)為鋁電極（負(fù)電極），右側(cè)為半導(dǎo)電極（正電極）。對(duì)比圖3(a)～(c)可以看出，試樣加壓30 min后，在20 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，僅在絕緣中層試樣靠近負(fù)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(méi)有正電荷聚集。在30 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，各層試樣在負(fù)電極位置處均出現(xiàn)聚集的異極性電荷，導(dǎo)致其在負(fù)電極上感應(yīng)的負(fù)電荷增多，負(fù)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(jiàn)異極性電荷聚集。在50 kV/mm場(chǎng)強(qiáng)下，試樣在負(fù)電極處聚集的正電荷和負(fù)電極上感應(yīng)的負(fù)電荷達(dá)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(chǎng)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(cè)試結(jié)果Fig.3 Space charge test results of cable insulation samples

為研究空間電荷聚集對(duì)電場(chǎng)分布的影響，對(duì)試樣內(nèi)部的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，采用畸變場(chǎng)強(qiáng)因子（field enhanced factor，F(xiàn)EF）表征電場(chǎng)的畸變程度，其定義如式（1）所示[13]。電場(chǎng)畸變率如表1所示，可以看出中層試樣的電場(chǎng)畸變率在各場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)畸變率（單位：%）Tab.1 Electric field distortion rate of cable insulation samples

2.3 FTIR測(cè)試

型式試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)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(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of hydroxyl index and carbonyl index

2.4 DSC測(cè)試

圖6為型式試驗(yàn)前后電纜主絕緣內(nèi)、中、外層試樣DSC測(cè)試的結(jié)晶過(guò)程曲線，表2為結(jié)晶過(guò)程提取的參數(shù)，其中，型式試驗(yàn)前XLPE試樣只有1個(gè)熔融峰（Tm=103.1℃）；型式試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果Fig.6 DSC test results of cable insulation samples

表2 型式試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣熔融峰對(duì)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(yàn)對(duì)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(shí)間t的共同作用。由于XLPE由不同厚度不同熔點(diǎn)的結(jié)晶構(gòu)成，當(dāng)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(shí)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(yàn)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(yàn)施加溫度相符，表明此模型對(duì)型式試驗(yàn)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(shí)間t差距較大，絕緣內(nèi)層試樣的等效熱處理時(shí)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。可以理解為，型式試驗(yàn)相當(dāng)于使絕緣中層和外層只經(jīng)受短時(shí)間的熱處理；當(dāng)絕緣中層和外層熱處理結(jié)束時(shí)，絕緣內(nèi)層依然在隨后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(gè)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(yàn)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(duì)電纜絕緣的影響

由型式試驗(yàn)后試樣的直流電氣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知，型式試驗(yàn)后主絕緣徑向不同位置試樣的電氣強(qiáng)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(yàn)未對(duì)電纜絕緣造成明顯的劣化。羰基、羥基的形成可能是因?yàn)殡娎|難以做到充分脫氣，使得絕緣越靠近導(dǎo)體部分交聯(lián)副產(chǎn)物殘存較多，交聯(lián)劑過(guò)氧化二異丙苯（DCP）會(huì)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(shí)間約為絕緣中層的581倍，型式試驗(yàn)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(kuò)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(tuán)（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(yàn)后，電纜主絕緣徑向各處試樣的直流電氣強(qiáng)度差距較小，表明型式試驗(yàn)未對(duì)電纜主絕緣造成明顯的劣化。

（2）將型式試驗(yàn)對(duì)絕緣的影響進(jìn)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(shí)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(shí)間較短，交聯(lián)副產(chǎn)物擴(kuò)散較少；而絕緣內(nèi)層熱處理時(shí)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(chǎng)畸變率增大。