侯帥 傅明利 黎小林 賈磊 朱聞博 章彬 徐曙 伍國(guó)興

摘 要：

以進(jìn)口同級(jí)材料為對(duì)比，對(duì)國(guó)產(chǎn)220 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）交流電纜絕緣料開(kāi)展不同溫度下的熱氧老化實(shí)驗(yàn)，采用紅外光譜、差示掃描量熱法、凝膠含量、機(jī)械性能、電氣性能等測(cè)試對(duì)材料熱氧老化前后性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，材料化學(xué)成分、結(jié)晶性能以及交聯(lián)度受老化溫度影響較小，而機(jī)械和電氣性能變化明顯。隨著老化溫度升高，進(jìn)口料羰基指數(shù)增大更明顯，2種材料凝膠含量先增大后減小，其中進(jìn)口料老化前后凝膠含量均相對(duì)較低，更容易結(jié)晶。機(jī)械性能測(cè)試表明，進(jìn)口料熱氧老化性能相對(duì)更優(yōu)，且老化前后均表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。2種材料熱氧老化后介質(zhì)損耗因數(shù)均上升，但二者差異以及由此導(dǎo)致的絕緣層溫升不大。國(guó)產(chǎn)料的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電樹(shù)枝起始電壓更高，電樹(shù)枝生長(zhǎng)更為緩慢，且無(wú)論老化與否，國(guó)產(chǎn)料在耐電性能上均保持明顯優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯；電纜絕緣；熱氧老化；擊穿強(qiáng)度；電樹(shù)枝；機(jī)械性能

DOI：10.15938/j.emc.2024.04.013

中圖分類號(hào)：TM85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）04-0120-11

收稿日期： 2022-09-30

基金項(xiàng)目：南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目（SZKJXM20190588）

作者簡(jiǎn)介：侯 帥（1988—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娎|及其絕緣材料；

傅明利（1962—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦唠妷涸O(shè)備安全運(yùn)行、絕緣系統(tǒng)故障診斷和新型絕緣材料應(yīng)用技術(shù)；

黎小林（1963—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏狠斪冸娫O(shè)備技術(shù)等；

賈 磊（1982—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏狠斪冸娫O(shè)備與過(guò)電壓防雷技術(shù)等；

朱聞博（1989—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娎|運(yùn)行狀態(tài)感知與新型絕緣材料應(yīng)用等；

章 彬（1974—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娋W(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行管理等；

徐 曙（1986—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈叵码娎|隧道和綜合管廊運(yùn)維管理、輸電數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用等；

伍國(guó)興（1979—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽冸娫O(shè)備運(yùn)維管理等。

通信作者：侯 帥

Comparative study on thermal-oxidative aging properties of XLPE insulation for 220 kV cable

HOU Shuai1， FU Mingli1， LI Xiaolin1， JIA Lei1， ZHU Wenbo1， ZHANG Bin2， XU Shu2， WU Guoxing2

（1.Electric Power Research Institute， China Southern Power Grid， Guangzhou 510663， China; 2.Shenzhen Power Supply Bureau， Shenzhen 518000， China）

Abstract：

With the imported material of the same voltage level as a reference， thermal-oxidative aging tests were done at different temperatures for domestically produced 220 kV crosslinked polyethylene （XLPE） AC cable insulating material. The aging behavior of the two materials was systematically characterized by investigation of infrared spectroscopy， differential scanning calorimetry， gel content， mechanical properties and electrical properties. The results show that the chemical composition， crystallization properties and crosslinking properties of the two materials are less affected by aging temperature， while the changes of mechanical and electrical performances are more obvious. As the aging temperature increases， the carbonyl index of imported material increases more obviously， and the gel contents of the two materials increase first and then decrease. The gel content of the imported material is relatively lower regardless of aging， and it is easier to crystallize. The mechanical property test results indicate that the thermal-oxidative aging performance of imported material is relatively better and it shows relatively higher tensile strength and elongation at break under various aging conditions before and after aging. The dielectric loss factors of the two materials increase after thermal-oxidative aging， but the difference between the two materials and the consequent temperature rise of the insulating layer are not significant. The domestic material has higher breakdown strength， higher electrical tree initiation voltage and slower tree growing rate. And regardless of the degree of aging， the domestic material obviously maintains its advantages in electrical strength.

Keywords：crosslinked polyethylene; cable insulation; thermal-oxidative aging; breakdown strength; electrical tree; mechanical property

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）絕緣電纜具有質(zhì)量輕、性能好和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，從1 kV低壓電纜到110 kV以上高壓電纜都傾向于使用XLPE作為主絕緣材料［1-3］。然而高壓、超高壓電纜絕緣料市場(chǎng)主要被陶氏和北歐化工兩家公司占有［4］。由于進(jìn)口料價(jià)格高昂，且供貨不穩(wěn)定，影響國(guó)內(nèi)高壓電纜工程建設(shè)。因此，高壓電纜絕緣材料的自主研發(fā)與生產(chǎn)成為電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

國(guó)產(chǎn)高壓電纜絕緣料研制始于本世紀(jì)初，雖然起步晚，目前國(guó)內(nèi)已掌握了110 kV等級(jí)XLPE絕緣料的生產(chǎn)技術(shù)［5］。最早投運(yùn)的使用國(guó)產(chǎn)110 kV XLPE絕緣材料的電纜安全運(yùn)行已逾11年，應(yīng)用效果良好，且所有已投運(yùn)電纜均未出現(xiàn)故障。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)樹(shù)脂材料與生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)絕緣材料研發(fā)生產(chǎn)已趨于成熟穩(wěn)定，材料基本性能指標(biāo)也達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。隨著電網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)加快，我國(guó)220 kV及以上等級(jí)高壓電力電纜用絕緣材料研發(fā)也提上日程，目前青島漢河電纜公司和萬(wàn)馬高分子公司均完成了220 kV等級(jí)電纜XLPE絕緣材料的研發(fā)制造。然而目前該材料尚未投入實(shí)際工程應(yīng)用，電纜材料制品的運(yùn)行服役特性及相關(guān)數(shù)據(jù)十分匱乏，沒(méi)有充分展現(xiàn)國(guó)產(chǎn)料性能上的差異。如果能用客觀的數(shù)據(jù)充分表明國(guó)產(chǎn)料在服役特性上能夠達(dá)到國(guó)外材料水平，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立起保證材料長(zhǎng)期高質(zhì)量生產(chǎn)的品控機(jī)制和評(píng)價(jià)體系，將會(huì)把國(guó)產(chǎn)高壓電纜絕緣材料的應(yīng)用規(guī)模和研發(fā)水平推向新高度。目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)國(guó)產(chǎn)110 kV以下等級(jí)電纜料性能進(jìn)行分析［6-12］，但220 kV XLPE絕緣材料投產(chǎn)時(shí)間尚短，對(duì)該材料的性能對(duì)比研究相對(duì)較少，且大多聚焦于材料的初始電學(xué)、加工和機(jī)械性能，對(duì)老化前后的材料特性缺乏系統(tǒng)研究［10］。若以運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富的220 kV進(jìn)口料為參照，通過(guò)深入比較國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口料熱氧老化前后的各項(xiàng)性能，不僅能更有力地評(píng)價(jià)材料耐老化性能，還能進(jìn)一步獲知材料差距，推動(dòng)材料改進(jìn)，對(duì)國(guó)產(chǎn)220 kV XLPE電纜料的應(yīng)用也有重要工程實(shí)際意義。

本文針對(duì)進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)2種220 kV交流電纜絕緣料開(kāi)展不同溫度下的熱氧老化實(shí)驗(yàn)，采用紅外光譜、差示掃描量熱法、凝膠含量測(cè)定對(duì)材料老化程度進(jìn)行表征，測(cè)試2種材料機(jī)械性能和電氣性能在不同老化條件下的演變規(guī)律，對(duì)比2種材料性能的優(yōu)劣，可以為國(guó)產(chǎn)高壓電纜用XLPE絕緣材料的研發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)材料包括進(jìn)口220 kV XLPE電纜料（進(jìn)口料）、國(guó)產(chǎn)220 kV XLPE電纜料（國(guó)產(chǎn)料）。試樣制備：在110 ℃、60 r/min轉(zhuǎn)矩流變儀中加入絕緣料顆粒，混煉5 min，該過(guò)程模擬了電纜絕緣層制造過(guò)程中的材料擠出過(guò)程，可使交聯(lián)劑、抗氧劑及其他助劑均勻混合，混煉后得到2種未交聯(lián)共混物；稱取材料置于不同規(guī)格模具中，在110 ℃的平板硫化機(jī)中充分預(yù)熱，之后在15 MPa下熱壓成型，隨后放入175 ℃平板硫化機(jī)中交聯(lián)30 min，冷卻后制得固定尺寸試樣，試樣脫模后放入80 ℃真空烘箱中脫氣48 h，去除殘存的交聯(lián)反應(yīng)副產(chǎn)物。

1.2 熱氧老化實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10437—2004中空氣熱老化測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將XLPE試樣懸掛于帶有鼓風(fēng)的熱氧老化箱中，基片轉(zhuǎn)速設(shè)為10 r/min。未老化試樣在室溫下放置相同時(shí)間后一同進(jìn)行測(cè)試，避免不同批次試樣制備或測(cè)試帶來(lái)的影響。高壓電力電纜用XLPE絕緣材料結(jié)晶熔融峰溫一般在105～115 ℃［13］。當(dāng)電纜發(fā)生過(guò)載時(shí)，在過(guò)載電流熱沖擊下，電纜絕緣溫度短時(shí)內(nèi)能達(dá)到150 ℃以上。為了較全面、系統(tǒng)地對(duì)比2種材料的熱氧老化性能，分別選取3個(gè)熱氧老化溫度，即熔融溫度之下（100 ℃）和短時(shí)過(guò)載溫度之上（160 ℃）以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的135 ℃，老化時(shí)間均為168 h。

1.3 性能測(cè)試與表征方法

1）紅外光譜：透射模式下，在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍對(duì)老化前后的XLPE試片進(jìn)行測(cè)試，分辨率為2 cm-1，試樣厚度為200 μm。

2）采用差示掃描量熱法（differential scanning calorimeter，DSC）表征老化前后XLPE結(jié)晶熔融特性。稱量8±0.5 mg試樣，放入鋁質(zhì)坩堝，加蓋置于DSC分析儀樣品池，測(cè)試過(guò)程以高純度氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣。首先由25 ℃加熱至150 ℃，消除材料的熱歷史影響，在150 ℃下恒溫5 min；隨后以-10 ℃/min速率降溫至25 ℃，期間測(cè)試材料結(jié)晶過(guò)程熱流變化；25 ℃下恒溫5 min后以10 ℃/min速率升溫至150 ℃，期間測(cè)試材料熔融過(guò)程熱流變化。

3）凝膠含量：依據(jù)JB/T 10437—2004標(biāo)準(zhǔn)，將0.3 g試樣裝在鋼絲網(wǎng)中，在110 ℃的二甲苯中加熱萃取12 h，根據(jù)萃取前后試樣質(zhì)量變化計(jì)算凝膠含量。

4）機(jī)械性能：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22078.1—2008和GB/T 2951.11—2008，制備5A型啞鈴試樣，采用電子拉力機(jī)測(cè)試試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，拉伸速度為250 mm/min，每種材料測(cè)試10個(gè)試樣，對(duì)其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率取平均值作為最終結(jié)果。

5）交流擊穿強(qiáng)度：為避免電極邊緣效應(yīng)，使用圖1所示環(huán)氧樹(shù)脂包封電極開(kāi)展測(cè)試。采用線性升壓方式對(duì)100 μm薄膜試樣加壓，升壓速率為0.5 kV/s，試樣擊穿時(shí)阻容分壓器顯示的電壓U即為擊穿電壓，利用公式E=U/d得到試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)每種材料取至少15個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行二參數(shù)Weibull分布統(tǒng)計(jì)處理，以63.2%累計(jì)失效概率對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)作為材料特征擊穿強(qiáng)度。

6）頻域介電譜：室溫下采用Novelcontrol Concept 40型寬頻介電譜儀對(duì)熱氧老化前后試樣進(jìn)行測(cè)試，頻段為1～106 Hz，試樣厚度為200 μm。

7）交流電樹(shù)枝特性：將XLPE制成10 mm×10 mm×3 mm規(guī)格，試樣置于100 ℃烘箱中預(yù)熱5 min，在測(cè)微尺下插入鎢針，針尖距離試樣底面3±0.1 mm；插針后在試樣底面均勻涂抹銀漆，置于80 ℃真空干燥箱中靜置24 h，消除插針導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試樣浸沒(méi)在二甲基硅油中，鎢針嵌入銅棒電極連接交流高壓，油槽中的銅板作為地電極與試樣底部的導(dǎo)電漆緊密接觸。電樹(shù)枝引發(fā)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以0.5 kV/s線性升壓，當(dāng)顯微鏡中觀測(cè)到針尖電樹(shù)枝長(zhǎng)度達(dá)到10 μm時(shí)，此刻電壓即為試樣的電樹(shù)枝起始電壓；電樹(shù)枝生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)在引發(fā)實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行，對(duì)10個(gè)已經(jīng)起樹(shù)的試樣（電樹(shù)枝長(zhǎng)度小于20 μm）并聯(lián)施加8 kV恒定電壓持續(xù)90 min，定期拍攝記錄樹(shù)枝形貌，以沿針尖方向的最大樹(shù)枝平行延展長(zhǎng)度記為電樹(shù)枝長(zhǎng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱氧老化對(duì)XLPE微觀結(jié)構(gòu)影響

2.1.1 熱氧老化對(duì)XLPE化學(xué)成分影響

在氧氣充足的環(huán)境中，XLPE熱老化以熱氧降解為主，老化過(guò)程中，被消耗的氧主要以C=O羰基和C-O單鍵2種形式存在于聚合物大分子上［14］。圖2為國(guó)產(chǎn)料、進(jìn)口料的紅外吸收光譜，可見(jiàn)熱氧老化后1 720 cm-1處C=O雙鍵伸縮振動(dòng)引起的吸收峰變化較為明顯，而C-O單鍵吸收峰較為分散且幅值變化微弱。

首先通過(guò)羰基指數(shù)（carbonyl index，CI）對(duì)比評(píng)價(jià)2種材料的羰基含量變化［15］，結(jié)果如圖3所示，老化前2種材料CI基本一致，隨老化溫度升高，進(jìn)口料CI明顯增加。而國(guó)產(chǎn)料CI隨老化溫度變化不明顯，且各個(gè)溫度下老化后CI均低于進(jìn)口料。又根據(jù)1 078 cm-1處變化幅度較大的碳氧單鍵吸收峰來(lái)判斷，進(jìn)口料碳氧單鍵含量相對(duì)更大。以上現(xiàn)象說(shuō)明，進(jìn)口料老化后氧元素含量更大，進(jìn)口料老化過(guò)程中氧的消耗量和氧化反應(yīng)速率相對(duì)較大。

2.1.2 熱氧老化對(duì)XLPE結(jié)晶性能影響

進(jìn)口料與國(guó)產(chǎn)料結(jié)晶參數(shù)隨老化溫度變化曲線如圖4所示，其中結(jié)晶度的計(jì)算方法同文獻(xiàn)［16］。未老化國(guó)產(chǎn)料結(jié)晶峰溫、熔融峰溫和結(jié)晶度均低于進(jìn)口料，在不同溫度下老化之后，這一規(guī)律仍然基本保持。整體上，2種材料結(jié)晶性能參數(shù)隨老化溫度變化幅度均較小，且除了結(jié)晶峰溫之外，其他參數(shù)與老化條件之間沒(méi)有明確關(guān)聯(lián)規(guī)律。2種材料結(jié)晶性能上的差異，在老化尚未發(fā)生之前已經(jīng)存在，這主要?dú)w因于2種材料基礎(chǔ)樹(shù)脂大分子結(jié)構(gòu)上的差異［10］。

2.1.3 熱氧老化對(duì)XLPE交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響

老化過(guò)程中，大分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生改變會(huì)影響XLPE的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用凝膠含量來(lái)表征材料交聯(lián)度的變化，結(jié)果見(jiàn)表1，2種材料老化前后凝膠含量均大于80%，符合絕緣材料標(biāo)準(zhǔn)要求［17］，國(guó)產(chǎn)料的凝膠含量始終高于進(jìn)口料，這是國(guó)產(chǎn)料中交聯(lián)劑含量較高導(dǎo)致的［10］。隨著老化溫度的升高，2種材料的凝膠含量均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

XLPE材料在熱氧老化過(guò)程中不僅存在氧化降解反應(yīng)，同時(shí)也發(fā)生大分子鏈的再交聯(lián)反應(yīng)，2種反應(yīng)相互對(duì)抗，并共同影響XLPE的交聯(lián)程度。在較低老化溫度（100 ℃）下，交聯(lián)反應(yīng)占主導(dǎo)作用，試樣中殘余的未交聯(lián)活性成分繼續(xù)交聯(lián)，而老化的斷鏈作用相對(duì)較弱，導(dǎo)致材料交聯(lián)度升高。隨著老化溫度的升高，老化的斷鏈作用增強(qiáng)，因此，材料凝膠含量相對(duì)降低。

2.2 熱氧老化對(duì)XLPE機(jī)械性能影響

未老化的2種XLPE材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比如圖5所示，不同溫度老化后2種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與未老化時(shí)基本相同。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定220 kV電壓等級(jí)絕緣材料的拉伸強(qiáng)度不低于17 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率不低于500%［17］，2種材料的機(jī)械性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且在拉伸性能上有較大裕度，其中國(guó)產(chǎn)料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)較小。

XLPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以大致劃分為3個(gè)階段：彈性形變段、應(yīng)力屈服段和應(yīng)力強(qiáng)化段。由圖5可知，2種材料的彈性形變區(qū)段基本重合，只是國(guó)產(chǎn)料的屈服應(yīng)力相對(duì)較低，這是國(guó)產(chǎn)料結(jié)晶度較低導(dǎo)致的。在應(yīng)力強(qiáng)化階段2種材料具有明顯差異，國(guó)產(chǎn)料的應(yīng)力強(qiáng)化階段明顯向高應(yīng)力方向偏移，這主要是由于國(guó)產(chǎn)料具有相對(duì)更高的交聯(lián)密度和較多的大分子鏈纏結(jié)所導(dǎo)致的［18］。

不同溫度下熱氧老化168 h后材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率平均值變化如圖6所示。經(jīng)100和135 ℃老化后，2種XLPE機(jī)械性能仍滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且2種材料拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長(zhǎng)率變化率≤±20%［17］。經(jīng)160 ℃老化168 h后，2種XLPE材料的拉伸強(qiáng)度變化率分別增加到32.46%、29.46%，斷裂伸長(zhǎng)率變化率分別增加至29.5%、27.91%，說(shuō)明材料發(fā)生明顯老化，機(jī)械性能受損嚴(yán)重。相比之下，無(wú)論老化條件如何，進(jìn)口料均表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

2.3 熱氧老化對(duì)XLPE交流電氣性能影響

2.3.1 熱氧老化對(duì)XLPE擊穿強(qiáng)度影響

熱氧老化前后2種材料特征交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比如圖7所示，圖中誤差棒為二參數(shù)Weibull分布特征值的95%置信區(qū)間。在不同條件下，國(guó)產(chǎn)料的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)始終優(yōu)于進(jìn)口料。在160 ℃老化過(guò)程中，進(jìn)口料的100 μm厚圓形老化試樣在老化箱中先后經(jīng)歷變脆、嚴(yán)重龜裂、斷裂脫落等過(guò)程，導(dǎo)致試樣完全損毀無(wú)法測(cè)試。相比之下，國(guó)產(chǎn)料未見(jiàn)龜裂和脆化現(xiàn)象，因此，其160 ℃下的擊穿強(qiáng)度依然保留在較高水平，甚至高于135 ℃下老化的進(jìn)口料試樣。進(jìn)口料經(jīng)過(guò)熱氧老化后的擊穿強(qiáng)度下降十分嚴(yán)重，但是這一現(xiàn)象并不能真實(shí)反應(yīng)該材料電學(xué)性能隨熱氧老化演變規(guī)律。老化過(guò)程中材料的機(jī)械性能顯著下降，對(duì)于進(jìn)口料，雖然其機(jī)械性能較好，但凝膠含量低，熱固性相對(duì)較差，因此，處于高溫且存在循環(huán)空氣的條件下，100 μm厚的薄片試樣會(huì)發(fā)生反復(fù)形變，疊加熱氧老化作用，導(dǎo)致機(jī)械性能受損過(guò)于嚴(yán)重，其真實(shí)電學(xué)性能已經(jīng)無(wú)法測(cè)得。

2.3.2 熱氧老化對(duì)XLPE介電性能影響

熱氧老化前后2種XLPE材料的相對(duì)介電常數(shù)（εr）和介質(zhì)損耗角正切（tanδ）對(duì)比如圖8、圖9所示。老化前，2種材料的εr和tanδ基本不隨頻率而改變，2種材料εr基本一致，國(guó)產(chǎn)料tanδ更小，國(guó)產(chǎn)料的初始介電性能相對(duì)更優(yōu)。由圖8可見(jiàn)，隨老化溫度升高，2種材料εr均有微弱上升。與未老化試樣相比，2種XLPE試樣老化后50 Hz下的εr變化幅度較小，但老化后XLPE的εr在低頻下出現(xiàn)明顯隨頻率降低而上升的趨勢(shì)。這是由于XLPE為非極性分子，本身不存在固有偶極矩，極化形式主要以電子位移極化為主，老化后分子鏈斷裂并與氧結(jié)合，產(chǎn)生羰基和醚鍵等極性分子結(jié)構(gòu)，極性分子鏈段的出現(xiàn)使材料在低頻下建立了電子位移極化以外的偶極子轉(zhuǎn)向松弛極化，從而使εr升高，而隨著頻率的升高，松弛極化難以建立，εr又出現(xiàn)了變小的趨勢(shì)［19-20］。

由圖9可知，隨著老化溫度升高，在不同的頻率范圍下，2種XLPE材料的tanδ都有不同程度增加，但2種材料之間對(duì)比時(shí)，差異并不明顯。此外，2種材料100 ℃老化后tanδ變化遠(yuǎn)不如135和160 ℃老化后變化明顯。結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，這是由于100 ℃老化過(guò)程中材料內(nèi)主要發(fā)生再交聯(lián)反應(yīng)，僅有較少的分子鏈斷裂，幾乎沒(méi)有新的極化形式和泄露電流產(chǎn)生；而135和160 ℃老化過(guò)程中，材料內(nèi)同時(shí)發(fā)生再交聯(lián)和氧化降解，且此時(shí)氧化降解占優(yōu)勢(shì)地位，此時(shí)分子鏈斷裂并與氧氣結(jié)合，在分子中引入非對(duì)稱極性化學(xué)鍵［21］，產(chǎn)生了新的松弛極化損耗分量，且降解產(chǎn)生的低分子物還會(huì)促使材料中電導(dǎo)損耗增大，最終使介質(zhì)損耗因數(shù)升高，尤其在低頻下，當(dāng)介質(zhì)損耗以電導(dǎo)損耗為主時(shí)，材料的tanδ增大尤為明顯。

2.3.3 電樹(shù)枝引發(fā)特性

高壓電力電纜絕緣厚度較大，實(shí)際情況下大多數(shù)絕緣破壞均起始于電樹(shù)枝老化，為進(jìn)一步探究熱氧老化對(duì)2種XLPE材料耐電性能的影響，對(duì)經(jīng)過(guò)熱氧老化前后的XLPE試樣進(jìn)行耐電樹(shù)枝性能對(duì)比分析。熱氧老化前后2種材料特征電樹(shù)枝起始電壓（tree initiation voltage，TIV）如圖10所示，圖中誤差棒為TIV二參數(shù)Weibull分布特征值的95%置信區(qū)間。整體上，國(guó)產(chǎn)料TIV始終高于進(jìn)口料。隨熱氧老化溫度升高，2種材料的TIV均降低。相比未老化時(shí)，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)料試樣在160 ℃老化后分別降低22.9%和23.1%?？梢?jiàn)，2種材料并未呈現(xiàn)160 ℃老化后擊穿強(qiáng)度那樣大的差距。這也進(jìn)一步證實(shí)，進(jìn)口料擊穿性能在160 ℃熱氧老化后的急劇下降是機(jī)械性能損傷所引起的，并非熱氧老化導(dǎo)致的本征性的電學(xué)性能衰減。

圖11為2種材料不同條件下老化后測(cè)得的電樹(shù)枝典型形貌，整體上2種材料電樹(shù)枝形貌相似，呈混合狀結(jié)構(gòu)，相比之下，國(guó)產(chǎn)料的電樹(shù)枝破壞區(qū)域較為集中，進(jìn)口料電樹(shù)枝分布范圍更廣，破壞范圍更大。圖12為2種材料熱氧老化前后電樹(shù)枝平均長(zhǎng)度隨時(shí)間變化趨勢(shì)對(duì)比圖，可見(jiàn)，無(wú)論老化與否以及老化條件如何，國(guó)產(chǎn)料的電樹(shù)枝生長(zhǎng)速率均小于進(jìn)口料，國(guó)產(chǎn)料的耐電樹(shù)枝老化能力整體上優(yōu)于進(jìn)口料。其中，135 ℃老化后國(guó)產(chǎn)料試樣電樹(shù)枝生長(zhǎng)速率在前期顯著偏低，宏觀上，這是由于電樹(shù)枝形貌分散性以及生長(zhǎng)過(guò)程的強(qiáng)隨機(jī)性導(dǎo)致的，由圖11（c）可以看出，國(guó)產(chǎn)料試樣電樹(shù)枝大多呈現(xiàn)局部較為稠密的叢狀結(jié)構(gòu)，樹(shù)枝前端局部叢狀結(jié)構(gòu)將會(huì)屏蔽和削弱此處電場(chǎng)，進(jìn)而抑制電樹(shù)枝的快速發(fā)展。微觀上，導(dǎo)致電樹(shù)枝形貌轉(zhuǎn)變的原因可能在于該溫度下老化后材料結(jié)晶度明顯增大（見(jiàn)圖4），通常對(duì)同一種材料而言，結(jié)晶度越大，針尖或樹(shù)枝進(jìn)入結(jié)晶區(qū)概率越高，更容易導(dǎo)致電樹(shù)枝發(fā)展為局部叢狀結(jié)構(gòu)，最終使得135 ℃下老化后試樣電樹(shù)枝生長(zhǎng)減緩，直至持續(xù)加壓一段時(shí)間后，局部放電累計(jì)破壞作用使得電樹(shù)枝足以突破局部叢狀結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)屏蔽作用，電樹(shù)枝才恢復(fù)快速生長(zhǎng)。

3 討 論

3.1 熱氧老化性能歸一化分析

XLPE熱氧老化性能評(píng)價(jià)通常以某一關(guān)鍵性能參數(shù)隨老化而偏離初始值的程度來(lái)評(píng)價(jià)，要求這個(gè)性能參數(shù)既能反映絕緣材料運(yùn)行中承擔(dān)的主要作用，也要在老化過(guò)程中呈現(xiàn)規(guī)律性明顯劣化，不同材料應(yīng)該根據(jù)其具體工作場(chǎng)合選取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了對(duì)比評(píng)價(jià)2種高壓XLPE絕緣材料的熱氧老化性能，對(duì)前文測(cè)得的老化前后結(jié)晶參數(shù)、凝膠含量、機(jī)械性能、電樹(shù)枝特性、介電性能、交流擊穿強(qiáng)度等分別進(jìn)行歸一化處理，如圖13所示?？梢?jiàn)結(jié)晶性能和凝膠含量參數(shù)隨老化條件變化沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性，且變化幅度?。ā?0%），因此，結(jié)晶參數(shù)和交聯(lián)度參數(shù)不適宜用作評(píng)價(jià)老化性能的標(biāo)準(zhǔn)。

此外，可見(jiàn)2種材料介質(zhì)損耗特性劣化是多種參數(shù)中最明顯的，XLPE作為電纜絕緣層使用時(shí)，電壓越大，介質(zhì)損耗的影響越顯著，因此高壓XLPE絕緣電力電纜必須考慮tanδ增大對(duì)電纜傳輸容量的影響。傳輸容量I與tanδ的關(guān)系為

I=2π2r3cEmaxρΔθρT1－12ωεrε0U0tanδ。（1）

為了分析tanδ增大對(duì)電纜運(yùn)行造成影響的程度，以導(dǎo)體截面為2 500 mm2的YJLW02-Z型220 kV XLPE絕緣電力電纜作為估算模型，已知其傳輸量為1 781 A，線芯滿載損耗為34.73 W/m，未老化時(shí)絕緣損耗為1.244 W/m，可見(jiàn)絕緣介質(zhì)損耗遠(yuǎn)小于滿載線芯損耗。與未老化XLPE材料相比，老化后XLPE材料tanδ會(huì)增大數(shù)倍，假設(shè)電纜傳輸容量不變，將不同條件老化后的tanσ變化倍數(shù)代入式（1），便可得到絕緣層介質(zhì)損耗增大后的線芯最高溫度，結(jié)果如表2所示，以此可判斷絕緣材料老化后tanδ變大引起的絕緣層溫升情況。

由表2可知，2種材料溫升情況相差微弱，雖然tanδ隨老化因子強(qiáng)化而顯著上升，但由此導(dǎo)致的介質(zhì)損耗相對(duì)于電纜線芯損耗依然小得多，即便是在電纜滿載的情況下，其所導(dǎo)致的線芯最大溫度也只是達(dá)到了95.6 ℃，結(jié)合測(cè)得的XLPE結(jié)晶參數(shù)可知，該溫度尚未達(dá)到材料熔點(diǎn)，不足以對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對(duì)于嚴(yán)重?zé)嵫趵匣腦LPE絕緣電纜而言，適當(dāng)限定長(zhǎng)期工作最大載流量即可規(guī)避由此帶來(lái)的問(wèn)題。雖然材料介電損耗參數(shù)變化最明顯，但導(dǎo)致的影響有限，僅是降低輸電效率，不足以對(duì)電纜安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，故認(rèn)為tanδ的變化不適合作為熱氧老化特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

除以上參數(shù)外，2種材料機(jī)械性能參數(shù)變化最明顯（約30%），其次是擊穿和電樹(shù)枝等耐電性能參數(shù)。前文論述已經(jīng)說(shuō)明，材料160 ℃老化后擊穿場(chǎng)強(qiáng)的劇烈劣化，根源在于材料機(jī)械性能的喪失。而電樹(shù)枝引發(fā)和生長(zhǎng)的相關(guān)特性變化幅度均比機(jī)械性能變化幅度低（≤25%）。由此可知，宜選擇機(jī)械性能作為衡量材料熱氧老化性能的判據(jù)。最終，由2種材料斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度的歸一化分析可知，在不同老化條件之下，國(guó)產(chǎn)料均體現(xiàn)出更顯著的性能衰減，這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)料的耐熱氧老化性能相對(duì)較差，在熱氧老化性能上仍有改善空間。此外，結(jié)合圖11試樣老化前后的顏色變化也能看出，2種材料未老化及100、135 ℃老化后試樣顏色變化不明顯，而160 ℃老化試樣顏色變黃嚴(yán)重，且國(guó)產(chǎn)料顏色發(fā)黃尤為顯著（接近褐色），一般聚合物材料黃變?cè)絿?yán)重，說(shuō)明材料熱氧老化越嚴(yán)重，這也驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)料熱氧老化性能相對(duì)稍差的結(jié)論。

結(jié)合羰基指數(shù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熱氧老化后，2種XLPE材料內(nèi)羰基含量與其機(jī)械性能的變化并未表現(xiàn)出相關(guān)性，雖然老化后進(jìn)口料羰基含量顯著高于國(guó)產(chǎn)料，但進(jìn)口料機(jī)械性能及其變化率仍低于國(guó)產(chǎn)料，這說(shuō)明羰基指數(shù)不能準(zhǔn)確表征材料的熱氧老化程度。原因在于：羰基含量只能表征材料老化后產(chǎn)物的化學(xué)成分以及老化過(guò)程氧化反應(yīng)速率，但聚合物材料的機(jī)械性能受材料凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和化學(xué)成分共同影響，而羰基指數(shù)又僅是材料化學(xué)成分的量度之一，因此，羰基指數(shù)僅能輔助材料老化機(jī)理的分析。

XLPE絕緣材料熱氧降解及抗氧劑作用機(jī)理如圖14所示，可見(jiàn)抗氧劑并不能抑制材料中氧元素含量的增加，只會(huì)改變材料中自由基的形式。由此推測(cè)，國(guó)產(chǎn)料在較低氧元素含量下表現(xiàn)出更快的性能老化，并非源于材料中抗氧劑的功效較差或過(guò)早消耗，主要原因可能是國(guó)產(chǎn)料大分子中含有更多的弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如叔碳原子或不飽和鍵等，弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)過(guò)多會(huì)使材料在有限的氧消耗量下，即可發(fā)生更多的大分子熱降解，從而導(dǎo)致其熱氧老化性能相對(duì)較差。此外，若材料中叔碳原子或不飽和鍵含量較多，還會(huì)導(dǎo)致大分子支化度增大、規(guī)整性變差，使分子更不容易結(jié)晶，這一推測(cè)也與材料的結(jié)晶性能測(cè)試結(jié)果相符。在以上化學(xué)成分綜合影響下，國(guó)產(chǎn)料最終表現(xiàn)為熱氧老化性能相對(duì)較差。

3.2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口220 kV絕緣材料性能特點(diǎn)

本文不僅研究了國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口220 kV絕緣材料性能隨熱氧老化條件的變化規(guī)律，同時(shí)也較全面地提供了多個(gè)條件下2款材料的機(jī)械性能和電氣性能參數(shù)，為對(duì)比評(píng)價(jià)2種材料的性能特點(diǎn)提供了較豐富的數(shù)據(jù)支持。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)料的交聯(lián)度較高，而結(jié)晶性度較低。國(guó)產(chǎn)料的主要性能優(yōu)勢(shì)在于擊穿強(qiáng)度高、耐電樹(shù)枝性能好，在經(jīng)過(guò)熱氧老化后，其在上述耐電性能上的優(yōu)勢(shì)仍然大幅保持，而進(jìn)口料的主要性能優(yōu)勢(shì)則在于機(jī)械性能和耐熱氧老化性能。國(guó)產(chǎn)220 kV絕緣材料的進(jìn)一步改進(jìn)以及更高電壓等級(jí)絕緣材料的研發(fā)應(yīng)從基礎(chǔ)樹(shù)脂角度入手，減少基礎(chǔ)樹(shù)脂中的化學(xué)鍵弱點(diǎn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高材料的機(jī)械性能和熱氧老化性能。

4 結(jié) 論

針對(duì)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口料2種220 kV XLPE絕緣材料，分別在100、135和160 ℃熱氧老化168 h后進(jìn)行較為全面的性能測(cè)試，在不同老化條件下，系統(tǒng)地對(duì)比了材料性能及其演變規(guī)律。結(jié)論如下：

1）2種材料凝膠含量隨著老化溫度升高先增大后減小，進(jìn)口料老化前后凝膠含量均相對(duì)較低，且具有相對(duì)更高的結(jié)晶度。無(wú)論老化條件如何，進(jìn)口料均表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

2）2種材料熱氧老化后介質(zhì)損耗因數(shù)均顯著上升，但二者相差不大，且由其增大導(dǎo)致的絕緣層損耗溫升可控。國(guó)產(chǎn)料的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電樹(shù)枝起始電壓更高，電樹(shù)枝生長(zhǎng)更為緩慢，且無(wú)論老化條件如何，國(guó)產(chǎn)料耐電性能上的優(yōu)勢(shì)都能保持。

3）采用歸一化分析對(duì)比2種材料各項(xiàng)性能參數(shù)隨老化條件的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶、交聯(lián)等性能受老化溫度升高影響較小，而機(jī)械和電氣性能下降明顯，其中機(jī)械性能參數(shù)下降尤為明顯，宜作為高壓電纜XLPE絕緣材料熱氧老化壽命評(píng)估中壽終標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4）220 kV國(guó)產(chǎn)XLPE絕緣材料老化前后耐電性能均顯著優(yōu)于同級(jí)別進(jìn)口料，但其機(jī)械性能和熱氧老化性能遜色于進(jìn)口料，國(guó)產(chǎn)料進(jìn)一步性能改進(jìn)以及未來(lái)更高電壓等級(jí)絕緣料研發(fā)應(yīng)對(duì)材料大分子中的弱鍵化學(xué)基團(tuán)予以充分關(guān)注。

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（編輯：邱赫男）