交/直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能研究

吳 俊，陳俊文

(1 南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，湖北武漢430074；2 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074)

在直/ 交流交聯(lián)聚乙烯電纜系統(tǒng)中，絕緣場層中的電場強度分布隨著材料介電常數(shù)的增大而減小，而交/直流交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)隨溫度的變化甚微，最大的場強一般出現(xiàn)在絕緣層的表面處，而且交/ 直流變化電場下介質(zhì)極化會導(dǎo)致聚乙烯電纜產(chǎn)生介電損耗并出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，加速了聚乙烯電纜的老化［1-2］。國外在上世紀中期就開始了交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能研究，先是美國的電氣公司采用過氧化物交聯(lián)法制備了電纜并將其投入使用，到了60 年代末期，在硅烷交聯(lián)法的電纜制備工藝方面也取得了重大突破，使得電纜問世后在各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用和研究［3］；國內(nèi)對交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能的研究起步較晚，直到上世紀80 年代末期，上海電力公司才完成第一條電纜線路的裝設(shè)，從而使國內(nèi)電纜的生產(chǎn)研發(fā)工作迅速發(fā)展［4］。

歐陽本紅等［5］針對電纜性能受到其絕緣交聯(lián)時過氧化物分解產(chǎn)生副產(chǎn)物的影響，對XLPE 電纜進行了脫氣處理，并對其進行紅外光譜分析，比較分析了脫氣處理前后的XLPE 電纜力學(xué)性能和介電性能，結(jié)果顯示交聯(lián)副產(chǎn)物的含量會在脫氣處理過程中顯著降低，XLPE電纜絕緣的極性基團數(shù)量在減少，降低了電導(dǎo)率，使得XLPE 電纜絕緣的拉伸強度得以提高；陳錚錚等［6］通過紅外光譜分析了造成直流與交流交聯(lián)聚乙烯電纜料絕緣特性差異的機理，結(jié)果顯示，直流電纜料比交流電纜料的空間電荷性能更好，在直流與交流交聯(lián)聚乙烯電纜料中羰基的含量不同，認為直流與交流交聯(lián)聚乙烯電纜料主鏈的完整程度是影響其絕緣性能的主要因素。

基于以上背景，本文采用試驗分析的方式，研究了交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能，從而延長交/直流交聯(lián)聚乙烯電纜的使用壽命。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能試驗所用的交聯(lián)聚乙烯為線性低密度聚乙烯［7］，熔融指數(shù)為3.6g/10min，密度為0.924g/cm3，試驗開始前需要將聚乙烯放在80℃的真空環(huán)境中干燥8h［8］。其它試驗原料：二甲基甲酰胺(分析純)、三氯甲烷(分析純)、二甲苯(化學(xué)純)，上海市華晨化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗樣品制備

先將交聯(lián)聚乙烯加入到氯仿中，并在室溫條件下采用超聲波技術(shù)將其分散2h，使之形成穩(wěn)定的混合物。再取適量交聯(lián)聚乙烯，將其加入到二甲苯溶液中，在95℃的加熱條件下促使聚乙烯溶解到二甲苯中。將交聯(lián)聚乙烯/ 氯仿混合物緩慢加入到交聯(lián)聚乙烯與二甲苯的混合溶液中，繼續(xù)將所有物質(zhì)在95℃的加熱條件下攪拌2h。經(jīng)過6h 的加熱處理，將混合溶液中的大部分溶劑除去，將交/ 直流交聯(lián)聚乙烯在120℃的真空條件下靜置24h，靜置過程中不斷調(diào)節(jié)環(huán)境中的真空度，從而使混合溶液中的溶劑徹底除去。待試驗樣品緩慢冷卻之后，置于干燥的容器內(nèi)待使用。為了保證試驗材料具有相同的加工歷史，純交/ 直流交聯(lián)聚乙烯樣品也要進行上述的處理步驟。

1.3 試驗樣品性能表征

1.3.1 觀察樣品形貌

采用發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試驗樣品的形態(tài)，先將圓柱狀的試驗樣品沉浸在液氮中，在液氮中持續(xù)一段時間后將其取出斷裂，將斷裂面進行噴金處理［9］，并采用X-射線能譜來研究試驗樣品斷裂面的元素組成情況［10］。

1.3.2 測量介電頻譜

交直流交聯(lián)聚乙烯電纜的介電頻譜測量通常都是在寬頻介電譜儀上進行的。測試過程中的頻率區(qū)間在0.1Hz到10MHz 之間［11］。測量過程中通常采用介電常數(shù)作為介電頻譜的測量參數(shù)，此外還包括介電損耗以及交流電導(dǎo)等參數(shù)［12］，給試驗樣品施加1V 的電壓，樣品的厚度大約為1mm。

1.3.3 測量試驗樣品的交流介電強度

試驗樣品的交流介電強度根據(jù)ASTM D 149-1997 在 交 流 介 電 強 度 測 試 儀［13-14］上 完 成 樣 品 的 測定，將交直流交聯(lián)聚乙烯電纜試樣的尺寸設(shè)置為100×100×250±10μm。在測量過程中，將試驗樣品置于上下放置的兩個球形電極中［15］，并將其全部浸入到硅油中。每一種試驗樣品都要經(jīng)過20 次測試，測試過程中的升壓速率為2kV/s。

1.3.4 測量試驗樣品的直流電導(dǎo)

采用三電極系統(tǒng)電流計以及直流電源進行試驗樣品的直流電導(dǎo)測量，試驗樣品尺寸為55×100μm。試驗樣品的表面通常要噴涂一層金電極，使試驗樣品與電極之間保持一定的歐姆接觸。測量過程中試驗樣品的電極結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 試驗樣品的電極結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrode structure of test sample

試驗樣品的直流電導(dǎo)在測量比較低的電流時，需要消除電極的電磁噪音，因此，測試工作通常在屏蔽箱中完成。所有的試驗樣品在直流電導(dǎo)測試前，需要在373K且真空環(huán)境中短路放電48h 左右［16］。

1.3.5 測試試驗樣品的力學(xué)性能

根據(jù)聚乙烯電纜的測試標(biāo)準(zhǔn)，將1mm 厚度的試驗試樣放在試驗機上測試拉伸性能，測試過程中的拉伸速度設(shè)置為250mm/min。采用動態(tài)力學(xué)分析儀［17］分析試驗樣品的動態(tài)力學(xué)性能：在振幅為0.03%、振動頻率為10Hz 的條件下，采用懸臂梁模式將試驗樣品的溫度降到123K，再以5K/min 的速率將試驗樣品的溫度升高到該樣品的熔融溫度范圍內(nèi)。

1.3.6 試驗樣品的熱失重分析

非等溫?zé)崾е胤治觯喝〈蠹s5mg 剪碎的交聯(lián)聚乙烯樣品，在充足的氮氣氛圍下以10℃/min 的速率，在25℃～650℃的范圍內(nèi)分析并測量試驗樣品的熱重。

等溫?zé)崾е胤治觯喝〈蠹s5mg 剪碎的交聯(lián)聚乙烯樣品，在充足的氮氣氛圍下以100℃/min 的速率，將試驗樣品的溫度快速升高到400℃，并在恒溫環(huán)境中靜置120min，記錄試驗樣品的質(zhì)量與測量時間之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

不同電流變化幅度的交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)實部以及介電損耗與頻率的關(guān)系如圖2 和圖3 所示，不同電流變化幅度的交聯(lián)聚乙烯電纜的Cole-Cole 曲線如圖4所示。

圖2 交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系Fig. 2 Relationship between dielectric constant and frequency of XLPE cable

圖3 交聯(lián)聚乙烯電纜的介電損耗與頻率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between dielectric loss and frequency of XLPE cable

在圖2 和圖3 的試驗結(jié)果中可以看出，交流聚乙烯電纜的介電常數(shù)和介電損耗都是隨著測量頻率和交直流變化分數(shù)的變化而發(fā)生變化，但是不同電流變化幅度的交聯(lián)聚乙烯電纜之間存在著不同測量頻率之間的依賴關(guān)系。當(dāng)交聯(lián)聚乙烯電纜的電流變化幅度低于12% 時，其介電性能不會隨著測量頻率的變化而發(fā)生變化，所有測試的介電常數(shù)和介電損耗都是一致的。交聯(lián)聚乙烯電纜的電流大小從16% 開始，介電參數(shù)與測量頻率之間的變化具有較強的依賴性，并且在低頻測量區(qū)域內(nèi)，存在介電常數(shù)和介電損耗都增加的現(xiàn)象。變化較大的介電常數(shù)顯示出電流在改變交流聚乙烯介電性能的有效性，可以更容易地找到交聯(lián)聚乙烯在不同領(lǐng)域中應(yīng)用的線索。

在測量的低頻段區(qū)域中，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)和介電損耗會隨著電流變化幅度的增加而增加，這種結(jié)果的出現(xiàn)可以采用界面極化機理來解釋。在低電流條件下，電流變化幅度與交聯(lián)聚乙烯電纜的電流之間形成的界面面積比較小，同樣情況下是可以忽略不計的，隨著電流變化幅度的不斷增大，電流變化幅度與交聯(lián)聚乙烯電纜的電流之間有效界面面積會以指數(shù)的形式增加，而且電流之間的絕緣厚度也會不斷減小，從而造成兩者之間界面空間的電荷極化現(xiàn)象大大增強。

根據(jù)圖2 和圖3 的試驗結(jié)果，當(dāng)電流變化幅度超過12% 時，可以看到非常明顯的介電彌散現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生通過圖4 來說明。

圖4 交流聚乙烯電纜的ε ′ - ε ′曲線Fig. 4 ε ′ - ε ′Curve of AC polyethylene cable

根據(jù)圖4 的曲線，交聯(lián)聚乙烯電纜都具有比較復(fù)雜的ε ε′ ′

- 圖形，說明在試驗過程中，交聯(lián)聚乙烯電纜存在多個介電松弛時間。然而非介電彌散體系存在比較單一的松弛時間，ε ε′ ′- 圖形通常也表現(xiàn)為規(guī)則的半圓。

這里值得一提的是，當(dāng)電流變化幅度達到24% 時，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)和介電損耗都達到了最大值，如果電流變化幅度繼續(xù)增大，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)和介電損耗開始逐漸減小。根據(jù)相關(guān)文獻記載，電流變化幅度大的情況下，不完善堆積的填料會產(chǎn)生比較小的孔洞，這一現(xiàn)象也是造成交聯(lián)聚乙烯電纜介電常數(shù)逐漸減小的主要原因。試驗過程中，采用混合法制備了交聯(lián)聚乙烯電纜。由于交直流具有較大的電流沖擊力，溶劑在交聯(lián)聚乙烯電纜制備過程中不容易完全除去，遺留的溶劑會使交聯(lián)聚乙烯電纜存在孔洞。因此交聯(lián)聚乙烯電纜介電常數(shù)的減小可能與試驗樣品中存在比較多的孔洞有關(guān)。

根據(jù)X 射線光電子能譜來證實交聯(lián)聚乙烯電纜樣品中殘存有溶劑，交聯(lián)聚乙烯電纜斷面的X 射線能譜分析如圖5 所示。

圖5 交聯(lián)聚乙烯電纜斷面的X 射線能譜分析Fig. 5 X-ray energy spectrum analysis of cross section of XLPE cable

在圖5 中可以看出，交聯(lián)聚乙烯電纜的斷面處有氯原子存在，主要來自氯仿中，而出現(xiàn)的鎂元素是來自制備交聯(lián)聚乙烯電纜的原料。交聯(lián)聚乙烯電纜的介電參數(shù)在某一電流值處發(fā)生轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有兩個，一是交聯(lián)聚乙烯電纜樣品中的孔洞數(shù)量小，二是由于空氣也具有一定的介電常數(shù)和介電損耗，這兩個方面的不足使交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能發(fā)生變化。

根據(jù)上述分析，電流變化幅度越大，在基體中分散越困難，尤其是電流超過24% 時，電流就會發(fā)生聚集效應(yīng)，造成交聯(lián)聚乙烯電纜的電流與電流變化幅度之間的有效面積減少，弱化了界面極化的強度，這也是交聯(lián)聚乙烯電纜介電性能在24%時發(fā)生轉(zhuǎn)變的一個原因。

在電流沒有規(guī)律分布的基礎(chǔ)上，交直流團簇的體積CV與組成團簇的電流鏈路數(shù)目fN以及單位長度電纜的電流平均體積Vf成正比，即：∝。

在高頻區(qū)域中，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)隨著電流變化幅度的增加而增加，而介電參數(shù)并沒有發(fā)生變化，但是當(dāng)電流變化幅度超過24% 時，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)增加速率開始急速減慢，如圖6 所示。

圖6 交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)與電流變化情況的關(guān)系Fig. 6 Relationship between dielectric constant and current variation of XLPE cable

圖6 這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能與交聯(lián)聚乙烯電纜本身帶有微小的介電常數(shù)以及電流變化規(guī)律有關(guān)，根據(jù)電子顯微鏡和X 射線電子能譜儀的測試可以看出，交聯(lián)聚乙烯電纜的表面通常會帶有一層鈍化的氧化物結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 交聯(lián)聚乙烯電纜的X 射線能譜分析Fig. 7 X-ray energy spectrum analysis of XLPE cable

從圖7 試驗結(jié)果可以看出，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電常數(shù)并沒有表現(xiàn)出逾滲行為。電流變化超過24% 時，交聯(lián)聚乙烯電纜表面的電流團聚現(xiàn)象會造成有效界面的面積減少，增加了氧化層的厚度。

在高頻率區(qū)域中，交聯(lián)聚乙烯電纜的電流變化繼續(xù)增加，直到超過24% 時，交聯(lián)聚乙烯電纜的介電性能才開始隨著電流變化幅度的增加而減小，試驗結(jié)果表明，電流變化幅度高時，雖然電流出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，但是可能存在表觀接觸電阻。

3 結(jié)束語

本文提出了交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣介電性能研究，針對交聯(lián)聚乙烯電纜，采用了多種方式測試了其絕緣介電性能，結(jié)果顯示，交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜是一種介電彌散體系，電流變化幅度大時，交/ 直流交聯(lián)聚乙烯電纜表現(xiàn)出很明顯的介電彌散特征。