交聯(lián)度對(duì)交聯(lián)聚乙烯時(shí)域介電特性的影響

張橋峰，周 凱，李康樂(lè)，李明志，汪先進(jìn)，王子健

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由聚乙烯(PE)交聯(lián)而成，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)中最常用的絕緣材料之一。交聯(lián)是改善PE性能的重要工序，能使XLPE的絕緣性能大幅提升[1-3]。但由于不同廠家交聯(lián)工藝、水平的差異，加之交聯(lián)過(guò)程中電纜絕緣層的受熱和冷卻難以做到完全均勻，使得XLPE絕緣的交聯(lián)程度存在差異[4-5]。即便是同一廠家生產(chǎn)的電纜，也難以保證其所有電纜的交聯(lián)度完全一致。加之早期電纜的入網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)要求較低等原因，造成目前部分XLPE電纜存在諸多質(zhì)量問(wèn)題。近年來(lái)，極化-去極化電流(polarization and depolarization current，PDC)法作為一種無(wú)損檢測(cè)方法逐漸應(yīng)用到電纜絕緣診斷中，因此，基于極化-去極化電流法研究交聯(lián)度對(duì)XLPE絕緣時(shí)域介電特性的影響，對(duì)于深入理解不同交聯(lián)度XLPE絕緣的質(zhì)量差異原因，更好地提升XLPE電纜的絕緣性能具有重要意義。

目前，學(xué)者們針對(duì)交聯(lián)度對(duì)XLPE材料性能的影響開(kāi)展了大量研究。朱曉輝等[6]研究了交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)XLPE結(jié)晶形態(tài)的影響，結(jié)果表明適度的交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間可獲得尺寸差異較小、晶粒均勻分布的結(jié)晶形態(tài)。王金鋒等[7]研究發(fā)現(xiàn)，XLPE試樣的結(jié)晶尺寸越小，數(shù)量越多，其耐水樹(shù)能力越強(qiáng)。胥智勇等[8]研究發(fā)現(xiàn)，提升XLPE的交聯(lián)度可以顯著提高絕緣的耐水樹(shù)枝能力，這是由于交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限制了水分沿電場(chǎng)方向擠壓形變的能力。周韞捷等[9]研究了交聯(lián)劑過(guò)氧化二異丙苯對(duì)XLPE擊穿特性的影響，發(fā)現(xiàn)XLPE的電氣強(qiáng)度隨交聯(lián)劑含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于XLPE的電氣強(qiáng)度與陷阱分布特性具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且主要受深陷阱的影響。周湶等[10]研究了交聯(lián)度對(duì)XLPE空間電荷的影響，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)反應(yīng)提高了XLPE空間電荷的注入閾值場(chǎng)強(qiáng)，且隨著交聯(lián)度的增大，注入閾值場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。李維康等[11]研究表明，交聯(lián)度越高，XLPE內(nèi)部的電荷注入越深，并且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，絕緣內(nèi)部積累的正電荷數(shù)量不斷增加。上述文獻(xiàn)主要從耐水樹(shù)枝能力、電氣強(qiáng)度、空間電荷的注入閾值和注入電荷量等方面研究了交聯(lián)度對(duì)XLPE絕緣性能的影響，而鮮有基于PDC法研究交聯(lián)度對(duì)XLPE時(shí)域介電特性的影響，尤其是交聯(lián)度對(duì)XLPE絕緣電導(dǎo)電流、界面極化電流、偶極子極化電流的影響以及不同交聯(lián)度XLPE中極化-去極化電流值反映的XLPE絕緣的信息，值得進(jìn)一步研究。

本研究基于PDC法研究交聯(lián)度對(duì)XLPE時(shí)域介電特性的影響，對(duì)不同交聯(lián)度XLPE絕緣的時(shí)域介電特性展開(kāi)分析和討論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 不同交聯(lián)度XLPE試樣的制備

XLPE的交聯(lián)度取決于交聯(lián)劑DCP的分解速度，在不同的交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間下DCP的分解速度存在較大差異[6]，故可通過(guò)控制交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間來(lái)制備不同交聯(lián)度的XLPE薄片試樣。具體制備方法如下：首先向明星電纜生產(chǎn)的低密度聚乙烯(LDPE)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的過(guò)氧化二異丙苯(DCP)，得到待交聯(lián)基料；將待交聯(lián)基料在120℃的真空壓膜機(jī)上預(yù)熱10 min，然后分別在120、145、146℃的交聯(lián)溫度下加壓（15 MPa）交聯(lián) 10、15、20 min，得到不同交聯(lián)度的A、B、C 3組XLPE圓片試樣，試樣半徑為120 mm，厚度為1 mm；將薄片試樣置于70℃、50 Pa的真空干燥箱中脫氣干燥處理48 h，以消除交聯(lián)副產(chǎn)物對(duì)PDC測(cè)試的影響[12]。

1.2 基于凝膠萃取法測(cè)定XLPE試樣的交聯(lián)度

按照GB/T 18474—2001，采用凝膠萃取法測(cè)定XLPE試樣的交聯(lián)度。將5 g XLPE試樣放入二甲苯溶劑中加熱萃取8 h，計(jì)算萃取后剩余物占試樣初始質(zhì)量的百分比即為XLPE樣品的交聯(lián)度[13]，計(jì)算公式如式（1）所示。

式（1）中：M表示盛裝樣本前篩網(wǎng)的質(zhì)量；M1表示樣本放入篩網(wǎng)后的總質(zhì)量；M2表示經(jīng)萃取溶解干燥后的篩網(wǎng)總質(zhì)量。為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前后都需對(duì)樣本進(jìn)行干燥處理，且每組樣本進(jìn)行5次測(cè)試（i=1，2，3，4，5），去掉最大值和最小值后取測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

1.3 XLPE試樣的PDC測(cè)試

PDC法旨在測(cè)量電介質(zhì)在有外加電壓作用和外加電壓消失后的響應(yīng)電流，以此來(lái)反映介質(zhì)的絕緣狀態(tài)。本研究中XLPE圓形薄片試樣的PDC測(cè)試回路如圖1所示，其中所加極化電壓為1 kV，極化和去極化時(shí)間均為180 s，完成1次PDC測(cè)試需要360 s。當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)a時(shí)，電流經(jīng)由保護(hù)電阻、高壓電極、測(cè)試電極、皮安表構(gòu)成閉合回路，此時(shí)測(cè)試得到XLPE薄片試樣的極化電流；當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)b時(shí)，試樣經(jīng)皮安表構(gòu)成放電回路，此時(shí)測(cè)試得到試樣的去極化電流。為避免泄漏電流對(duì)極化、去極化電流的干擾，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入屏蔽電極進(jìn)行屏蔽。測(cè)試結(jié)束后，存儲(chǔ)在皮安表緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)將自動(dòng)上傳至上位機(jī)。

2 結(jié)果和分析

2.1 XLPE試樣的交聯(lián)度測(cè)定結(jié)果

采用凝膠萃取法測(cè)得3組XLPE試樣的交聯(lián)度如表1所示。從表1可以看出，A組試樣交聯(lián)溫度為120℃，尚未達(dá)到交聯(lián)劑DCP的分解溫度，故其交聯(lián)度為0；隨著交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間的增加，交聯(lián)劑DCP逐漸發(fā)生分解，試樣的交聯(lián)度不斷提高[14]。當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為20 min，溫度為146℃時(shí)，試樣的交聯(lián)度為40%。

圖1 XLPE圓形薄片試樣的PDC測(cè)試回路Fig.1 PDC test circuit of XLPE round sheet sample

表1 不同交聯(lián)條件下XLPE試樣的交聯(lián)度Tab.1 Crosslinking degree of XLPE samples under different crosslinking conditions

2.2 交聯(lián)度對(duì)XLPE時(shí)域介電特性的影響

2.2.1 極化-去極化電流的時(shí)域計(jì)算

XLPE絕緣材料是一種半結(jié)晶高聚物，由晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)組成。其中，晶區(qū)的分子鏈排列相對(duì)有序，無(wú)定形區(qū)的分子鏈排列相對(duì)無(wú)序，且分子間存在一定間隔[15-16]，故XLPE材料內(nèi)部的極化過(guò)程十分復(fù)雜。由于本研究選擇的PDC測(cè)試采樣時(shí)間間隔為0.15 s，故可忽略電子式極化和離子極化過(guò)程，主要考慮偶極子的極化過(guò)程、晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)之間的界面極化過(guò)程。

PDC測(cè)試曲線中的極化電流ip(t)和去極化電流id(t)如式（2）～（3）所示。

式（2）～（3）中：i1p(t)為極化過(guò)程中偶極子轉(zhuǎn)向極化產(chǎn)生的電流；i2(t)為流過(guò)絕緣的電導(dǎo)電流；i3(t)為極化過(guò)程中的界面極化電流；i1d(t)為去極化過(guò)程中偶極子松弛產(chǎn)生的電流。

根據(jù)擴(kuò)展Debye模型，偶極子極化過(guò)程的轉(zhuǎn)向和去極化過(guò)程中的松弛是可逆的，如式（4）所示。

將式（2）減去式（3），可得到式（5）。

由式（5）可知，極化電流與去極化電流的差值包括電導(dǎo)電流和界面極化電流兩部分，但界面極化電流將隨時(shí)間不斷衰減，而電導(dǎo)電流始終保持不變，故極化足夠長(zhǎng)時(shí)間后的電流穩(wěn)態(tài)值即為電導(dǎo)電流，如式（6）所示。

式（6）中，tf表示時(shí)間接近無(wú)窮大的時(shí)間點(diǎn)。

則界面極化電流為式（7）。

2.2.2 極化-去極化電流的測(cè)試結(jié)果及分析

A、B、C 3組薄片試樣的極化電流測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同交聯(lián)度XLPE試樣的極化電流Fig.2 Polarization current of XLPE samples with different crosslinking degree

從圖2可以看出，A組試樣（GA=0）的極化電流幅值大于B組（GB=20%）和C組（GC=40%）薄片試樣，說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)對(duì)XLPE絕緣的極化過(guò)程具有抑制作用。這可能是由于A組試樣中DCP未發(fā)生分解，XLPE薄片試樣內(nèi)部以淺陷阱為主。隨著交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間的增加，DCP逐漸分解產(chǎn)生交聯(lián)，試樣內(nèi)部陷阱轉(zhuǎn)為以深陷阱為主[9]。交聯(lián)使得XLPE由原有的線性分子結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以重構(gòu)。相比A組試樣，B、C組試樣的陷阱深度加深，導(dǎo)致入陷電荷的脫陷勢(shì)壘提高，減弱了極化過(guò)程中載流子的遷移。

從圖2還可以看出，C組薄片試樣的極化電流幅值小于B組試樣的極化電流，說(shuō)明交聯(lián)度越高，對(duì)XLPE絕緣極化過(guò)程中載流子遷移的抑制作用越強(qiáng)。這是由于隨著交聯(lián)度的進(jìn)一步升高，XLPE內(nèi)部交聯(lián)點(diǎn)不斷增多，XLPE分子鏈的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加牢固[8]。一方面，材料中的深陷阱密度增大、陷阱深度加深，提高了對(duì)載流子的捕獲概率；另一方面，在相同的電場(chǎng)作用下，已入陷的載流子在陷阱中由于脫陷勢(shì)壘的提高將會(huì)停留更長(zhǎng)的時(shí)間[17]。故總的載流子遷移過(guò)程受到阻礙，極化電流幅值變小。

根據(jù)式（6）、（3）、（7）計(jì)算得到XLPE絕緣的電導(dǎo)電流、偶極子松弛電流、界面極化電流分別如圖3～5所示。

圖3 不同交聯(lián)度XLPE試樣的電導(dǎo)電流Fig.3 Conductivity current of XLPE samples with different crosslinking degree

圖4 不同交聯(lián)度XLPE試樣的偶極子松弛電流Fig.4 Dipole relaxation current of XLPE samples with different crosslinking degree

圖5 不同交聯(lián)度XLPE試樣的界面極化電流Fig.5 Interface polarization current of XLPE samples with different crosslinking degree

從圖3可以看出，隨著XLPE試樣交聯(lián)度的提高，電導(dǎo)電流幅值不斷減小。A組試樣的電導(dǎo)電流與B、C兩組試樣相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)有效地提升了XLPE電纜絕緣的絕緣性能，同時(shí)也再次證明交聯(lián)反應(yīng)能有效抑制載流子的遷移。根據(jù)圖4～5可以發(fā)現(xiàn)，隨著XLPE試樣交聯(lián)度的提高，偶極子極化電流和界面極化電流均不斷減小。尤其是當(dāng)試樣的交聯(lián)度從20%升高至40%時(shí)（成倍增加），界面極化電流急劇減小，界面極化過(guò)程受到了嚴(yán)重阻礙。

根據(jù)擴(kuò)展Debye模型[18]，不同類型的極化過(guò)程可以用多個(gè)R-C的串聯(lián)支路表示。為了進(jìn)一步分析XLPE材料內(nèi)部的極化過(guò)程，對(duì)XLPE試樣進(jìn)行普遍的三支路Debye模型[19]等效，如圖6所示。其中，第一支路表示XLPE絕緣本體的極化現(xiàn)象；第二支路表示XLPE絕緣晶體與無(wú)定形區(qū)界面處的界面極化現(xiàn)象；第三支路表示XLPE中水樹(shù)等絕緣缺陷的老化現(xiàn)象。本次支路辨識(shí)采用矩陣束算法對(duì)去極化電流進(jìn)行擬合[20]，最終擬合得到的支路參數(shù)如表2所示，其中τi表示時(shí)間常數(shù)，τi=Ri·Ci。

圖6 擴(kuò)展Debye模型的三支路辨識(shí)Fig.6 Three branch identification of extended Debye model

表2 擴(kuò)展Debye模型的三支路辨識(shí)結(jié)果Tab.2 Three branch identification results of extended Debye model

從表2可知，隨著XLPE材料交聯(lián)度的提高，第二支路的時(shí)間常數(shù)和電阻值迅速急劇增大。這是由于隨著交聯(lián)度的不斷增加，交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加緊密，導(dǎo)致載流子在XLPE材料中晶體與無(wú)定形區(qū)界面缺陷處的遷移變得更加困難，在相同的極化電壓作用下，電荷需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成積聚和消散。因此，利用第二支路的電阻和時(shí)間常數(shù)可在一定程度上反映XLPE材料內(nèi)部晶體與無(wú)定形區(qū)界面缺陷處電荷的極化過(guò)程，且交聯(lián)度越高，電荷在界面處的極化時(shí)間越長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）交聯(lián)反應(yīng)對(duì)XLPE絕緣的極化過(guò)程具有抑制作用。當(dāng)交聯(lián)度在0～40%變化時(shí)，交聯(lián)度越高，對(duì)極化過(guò)程的抑制作用越強(qiáng)。

（2）隨著交聯(lián)度的增加，XLPE絕緣的電導(dǎo)電流和界面極化電流不斷減小，材料的電氣絕緣性能不斷提升。

（3）擴(kuò)展Debye模型的第二支路電阻及其時(shí)間常數(shù)能在一定程度上反映XLPE材料內(nèi)部晶體與無(wú)定形區(qū)缺陷處電荷的界面極化過(guò)程，且交聯(lián)度越高，電荷在界面處的界面極化時(shí)間越長(zhǎng)。