電熱聯(lián)合老化過(guò)程中的電纜絕緣理化特性研究

朱文衛(wèi)，王彥峰，范星輝，趙一楓，汪彥丞，劉剛

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

高壓電力電纜是電力系統(tǒng)中重要的輸電設(shè)備，交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)憑借其優(yōu)良的電、熱和機(jī)械特性被廣泛地用于高壓電纜的絕緣材料[1]。XLPE絕緣在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到電、熱以及機(jī)械等應(yīng)力的長(zhǎng)期作用，從而發(fā)生絕緣劣化現(xiàn)象，增加電纜線路發(fā)生故障的概率，嚴(yán)重危害電網(wǎng)的正常運(yùn)行[2-3]。因此，高壓交聯(lián)電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的絕緣性能變化情況一直都是電網(wǎng)運(yùn)行部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。

作為高分子聚合物，XLPE的理化特性與其絕緣性能密切相關(guān)。XLPE內(nèi)部存在結(jié)晶區(qū)和無(wú)定型區(qū)[4]，結(jié)晶區(qū)的XLPE大分子鏈在晶格內(nèi)排列緊密，使得載流子在無(wú)定型區(qū)的遷移比在結(jié)晶區(qū)容易[5]，當(dāng)XLPE的晶體結(jié)構(gòu)在老化過(guò)程中遭到破壞時(shí)，其介電強(qiáng)度隨之降低[6]。同時(shí)，有研究表明XLPE絕緣的結(jié)晶度與其斷裂伸長(zhǎng)率呈正相關(guān)[7]。電纜的絕緣性能在運(yùn)行過(guò)程中變化緩慢，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般采用加速老化的方式來(lái)等效其在運(yùn)行過(guò)程中的變化過(guò)程，老化方式主要分為熱老化、電老化以及電熱聯(lián)合老化。目前，針對(duì)電纜絕緣電或熱單因子老化的研究常見(jiàn)諸報(bào)道[8-9]，關(guān)于電、熱應(yīng)力聯(lián)合作用下電纜絕緣特性變化的研究還很少。此外，電纜絕緣老化試驗(yàn)多采用切片或短電纜作為研究對(duì)象[10-11]，這可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣試樣的老化狀況與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差，且在電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)中，大多采用恒溫老化箱對(duì)電纜本體進(jìn)行加熱，不能充分模擬電纜絕緣層在實(shí)際工況下的溫度分布對(duì)其絕緣性能的影響。

電纜絕緣在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)受到電、熱應(yīng)力的影響，因此，搭建符合電纜實(shí)際運(yùn)行工況的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)，并研究電纜絕緣在老化過(guò)程中理化特性的變化，有利于電網(wǎng)相關(guān)部門(mén)對(duì)在運(yùn)電纜進(jìn)行運(yùn)行策略調(diào)整和絕緣狀態(tài)評(píng)估。本文設(shè)置了恒溫和熱循環(huán)2種不同的熱處理方式，對(duì)長(zhǎng)度為30 m的退役高壓XLPE電纜進(jìn)行180日的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)。通過(guò)傅里葉紅外光譜、差示掃描量熱法、X射線衍射和交聯(lián)度試驗(yàn)，對(duì)老化試驗(yàn)前后電纜絕緣的理化特性進(jìn)行研究，對(duì)比分析不同熱處理方式下電纜絕緣的理化特性變化情況，為高壓XLPE電纜的絕緣狀態(tài)評(píng)估提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)電纜說(shuō)明

本次試驗(yàn)選擇運(yùn)行時(shí)間為7年的國(guó)產(chǎn)110 kV XLPE電纜，電纜的總長(zhǎng)度為120 m，按照老化試驗(yàn)的要求將其四等分，每段電纜長(zhǎng)度為30 m。根據(jù)電纜運(yùn)行記錄可知，電纜在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，電纜各層結(jié)構(gòu)完好，沒(méi)有嚴(yán)重破損，無(wú)進(jìn)水現(xiàn)象。電纜具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電纜參數(shù)Tab.1 Cable parameters

1.2 電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)

電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)試驗(yàn)電纜回路主要由銅排、試驗(yàn)電纜和終端組成。

圖1 電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of thermal-electrical aging test platform

使用穿心變壓器對(duì)每個(gè)試驗(yàn)電纜回路施加大電流，通過(guò)電流的熱效應(yīng)對(duì)電纜絕緣進(jìn)行加熱，熱處理分別以恒溫和熱循環(huán)方式進(jìn)行，其中熱循環(huán)方式能夠模擬電纜絕緣溫度由負(fù)荷波動(dòng)引起的變化。恒溫?zé)崽幚矸绞较码娎|導(dǎo)體溫度設(shè)置為90 ℃，熱循環(huán)處理方式下電纜導(dǎo)體最高溫度分別設(shè)置為60 ℃和90 ℃。熱循環(huán)過(guò)程中電纜導(dǎo)體電流和溫度變化曲線如圖2所示，其中，I1為升溫階段電流值；I2為恒溫階段電流值。1次完整的熱循環(huán)過(guò)程包括升溫、恒溫和降溫3個(gè)階段，時(shí)間分別設(shè)置為8 h、16 h和24 h。

圖2 熱循環(huán)處理下電纜導(dǎo)體電流和溫度的變化Fig.2 Changes of cable conductor current and temperature during thermal cycle

在每個(gè)試驗(yàn)回路的電纜表面布置熱電偶，根據(jù)測(cè)得的電纜表面溫度和導(dǎo)體電流實(shí)時(shí)計(jì)算電纜導(dǎo)體溫度[12-13]，同時(shí)根據(jù)獲得的溫度數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)回路的電流進(jìn)行控制。試驗(yàn)電壓由高壓發(fā)生器基于串聯(lián)諧振原理產(chǎn)生，電壓值設(shè)置為恒定1.5U0=95 kV(U0=63.5 kV)。電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為180日，老化試驗(yàn)后，在每個(gè)試驗(yàn)電纜回路的終端附近截取一段長(zhǎng)度為2 m的電纜短樣。

1.3 取樣與試樣編號(hào)

采用電纜環(huán)切機(jī)沿電纜圓周方向?qū)厝〉碾娎|短樣絕緣層進(jìn)行切割取樣，獲得1條厚度為0.4 mm的帶狀試樣，如圖3所示。選取距離電纜內(nèi)半導(dǎo)電層2 mm處的電纜絕緣試樣作為研究對(duì)象，根據(jù)各試樣的熱處理方式及導(dǎo)體最高溫度不同，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，見(jiàn)表2。

圖3 環(huán)切電纜絕緣層試樣Fig.3 Sample of ring cut cable’s insulation layer

表2 試樣編號(hào)Tab.2 The numbers of samples

1.4 試驗(yàn)

a)傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR spectrometer)試驗(yàn)：采用VERTEX 70型紅外光譜儀對(duì)各個(gè)試樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，波數(shù)范圍為600～3 600 cm-1，分辨率為4 cm-1，信噪比設(shè)置為55 000∶1。

b)差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)試驗(yàn)：采用DSC-214型差示掃描量熱儀在氮?dú)鈿夥障聦?duì)各個(gè)試樣的升溫和降溫?zé)崃髑€進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程中將5 mg試樣從30 ℃升溫至140 ℃，恒溫5 min后降至30 ℃，升溫和降溫速率均為10 ℃/min。

c)X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)試驗(yàn)：采用Bruker D8型X射線衍射儀對(duì)各個(gè)試樣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究。試驗(yàn)過(guò)程中，布拉格角2θ(θ為衍射角)的掃描范圍設(shè)置為5°～60°，掃描速度為10(°)/min，掃描步長(zhǎng)為0.131°。

c)交聯(lián)度試驗(yàn)：參照J(rèn)B/T 10437—2004《電線電纜用可交聯(lián)聚乙烯絕緣料》規(guī)定的方法對(duì)各個(gè)試樣的交聯(lián)度進(jìn)行測(cè)量。每次試驗(yàn)過(guò)程中取0.25 mg試樣，將其浸沒(méi)于二甲苯溶劑中，在110 ℃烘箱中萃取24 h，然后在150 ℃烘箱中真空干燥30 min，使試樣的質(zhì)量保持恒定，最后用電子天平測(cè)量萃取干燥后試樣的質(zhì)量；每組試樣分別取3個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，并以測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為該組試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FTIR試驗(yàn)結(jié)果與分析

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣的FTIR曲線如圖4所示。

圖4 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣的FTIR曲線Fig.4 FTIR curves of cable insulation samples before and after aging test

圖4中波數(shù)為720 cm-1、1 471 cm-1、2 856 cm-1和2 937 cm-1處存在明顯的紅外吸收峰，這是由于XLPE內(nèi)部特征基團(tuán)亞甲基(—CH2—)的伸縮振動(dòng)或彎曲振動(dòng)引起的。XLPE一般通過(guò)低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)與過(guò)氧化二異丙苯(dicumyl peroxide，DCP)交聯(lián)劑在高溫高壓條件下發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)制得。與此同時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生苯甲醇、苯乙酮和α-甲基苯乙烯等交聯(lián)副產(chǎn)物，分別對(duì)應(yīng)苯乙烯基、羰基和羥基官能團(tuán)，相應(yīng)的紅外吸收峰波數(shù)為1 600～1 680 cm-1、1 741 cm-1和3 371 cm-1。電纜絕緣在老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含有雙鍵、羰基等官能團(tuán)的熱氧老化產(chǎn)物，其中，波數(shù)為1 635 cm-1處的紅外吸收峰對(duì)應(yīng)不飽和基團(tuán)乙烯基，可用來(lái)衡量絕緣降解的程度[14]。

由圖4可知，相對(duì)于試驗(yàn)后的電纜絕緣各試樣，試樣A在波數(shù)為1 600～1 680 cm-1、1 741 cm-1和3 371 cm-1處存在較高的紅外吸收峰強(qiáng)度，表明實(shí)際運(yùn)行7年的電纜絕緣內(nèi)部仍殘留大量的交聯(lián)副產(chǎn)物。

為了進(jìn)一步分析電纜絕緣試樣在電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)過(guò)程中的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算各試樣的羰基指數(shù)(carbonyl index，CI)和不飽和基指數(shù)(unsaturated band index，UBI)[15]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：ACI、AUBI分別為CI、UBI的值；I1741、I1635、I1471分別為試樣在波數(shù)為1 741 cm-1、1 635 cm-1、1 471 cm-1處的吸光度。其中，波數(shù)為1 471 cm-1處的吸光度與亞甲基的剪式彎曲振動(dòng)有關(guān)，在老化試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯變化。

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的CI和UBI見(jiàn)表3。

表3 老化試驗(yàn)前后各試樣的CI和UBITab.3 CI and UBI of samples before and after aging test

由表3可知，與試樣A相比，試樣C和D的CI出現(xiàn)不同程度的減小，試樣B的CI輕微增大，試驗(yàn)后電纜絕緣各試樣的UBI均明顯減小。由試驗(yàn)電纜的運(yùn)行記錄可知，電纜在整個(gè)服役過(guò)程中以低負(fù)荷方式運(yùn)行，XLPE絕緣受到的熱應(yīng)力影響較小，其內(nèi)部仍殘留有交聯(lián)副產(chǎn)物。在經(jīng)過(guò)180日電熱聯(lián)合老化后，電纜絕緣未出現(xiàn)明顯的熱氧老化現(xiàn)象，同時(shí)其內(nèi)部殘留的交聯(lián)副產(chǎn)物在高強(qiáng)度的電熱應(yīng)力影響下充分揮發(fā)，各試樣的CI和UBI減小。相對(duì)于試樣B，試樣C的CI和UBI較未老化試樣減小，表明在相同熱處理方式下，較高溫度的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)電纜絕緣內(nèi)部可揮發(fā)性交聯(lián)副產(chǎn)物等雜質(zhì)的減少。與試樣C相比，試樣D的CI和UBI較大，CI和UBI的增大與電纜絕緣內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。試樣D為恒溫?zé)崽幚矸绞剑L(zhǎng)時(shí)間的高溫使得其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率加快，CI和UBI隨之增大。

2.2 DSC試驗(yàn)結(jié)果與分析

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的第1次升溫?zé)崃髑€如圖5所示。隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部片晶厚度小、較不完善的晶體開(kāi)始熔融，形成次級(jí)熔融峰，大部分較完善的晶體在更高的溫度下熔融，形成主熔融峰。

圖5 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣第1次升溫?zé)崃髑€Fig.5 The first heating flow curves of cable insulation samples before and after aging test

由圖5可知，在試樣主熔融峰的左側(cè)位置均存在次級(jí)熔融峰，結(jié)合運(yùn)行記錄可知，次級(jí)熔融峰的存在可能與脫氣處理時(shí)試樣內(nèi)部次級(jí)結(jié)晶的生成有關(guān)。在老化試驗(yàn)過(guò)程中，試樣B導(dǎo)體經(jīng)受的最高溫度為60 ℃，其內(nèi)部次級(jí)結(jié)晶生成的片晶厚度較小，使得次級(jí)熔融峰向低溫區(qū)移動(dòng)。試樣的熱處理溫度越高，次級(jí)結(jié)晶生成的片晶厚度越大，次級(jí)熔融峰越接近主熔融峰。

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的第1次降溫?zé)崃髑€如圖6所示。XLPE絕緣所經(jīng)受的熱歷史在第1次升溫過(guò)程中被消除，試樣在降溫過(guò)程中的熱流曲線呈現(xiàn)明顯的放熱峰，即結(jié)晶峰。由圖6可知，老化試驗(yàn)后各試樣的結(jié)晶峰形狀未發(fā)生明顯改變，表明180日的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)未對(duì)電纜絕緣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。各試樣結(jié)晶峰的位置存在差異，這與其內(nèi)部XLPE大分子鏈結(jié)構(gòu)的完善程度有關(guān)。

根據(jù)各試樣的第1次升溫和降溫?zé)崃髑€可提取出熔融溫度Tm、片晶厚度LB、熔程ΔTm及半結(jié)晶峰寬ΔT，具體參數(shù)見(jiàn)表4。各參數(shù)計(jì)算公式為[16]：

圖6 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣第1次降溫?zé)崃髑€Fig.6 The first cooling flow curves of cable insulation samples before and after aging test

(3)

ΔTm=Tim-Tfm,

(4)

ΔT=Tic-Tc.

(5)

式(3)—(5)中：Tm0為厚度無(wú)限大的晶體熔融溫度，Tm0=414.6 K；ΔHm0為單位體積XLPE晶體的熔融熱焓，ΔHm0=2.88×108J/m3；σe為晶體單位面積的表面能，σe=9.3×10-2J/m2；LB為試樣的片晶厚度，m；Tim為試樣的起始熔融溫度，K；Tfm為試樣的終止熔融溫度，K；Tic為試樣的起始結(jié)晶溫度，K；Tc為試樣的結(jié)晶峰峰值對(duì)應(yīng)的溫度，K。

表4 老化試驗(yàn)前后各試樣的DSC參數(shù)Tab.4 DSC parameters of samples before and after aging test

由表4可知，與試樣A相比，試樣B的熔融溫度和片晶厚度均減小，這是由于其在老化試驗(yàn)中熱處理的最高溫度為60 ℃，XLPE分子鏈活動(dòng)性有限，次級(jí)結(jié)晶的完善程度低。試樣C的熔融溫度和片晶厚度減小，試樣D與之相反，這表明相較于熱循環(huán)處理方式，XLPE結(jié)晶區(qū)的大分子鏈在90 ℃恒溫?zé)崽幚矸绞较掠谐浞值臅r(shí)間進(jìn)行位置調(diào)整，鏈段進(jìn)一步規(guī)整堆砌形成片晶，晶粒不斷完善，片晶厚度增加，熔融溫度相應(yīng)增大。

試樣B的熔程較未老化試樣增大，這是由于在60 ℃電熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，電纜絕緣內(nèi)部次級(jí)結(jié)晶形成的晶體較小，使其熔程加寬。試樣C的熔程最小，圖5中試樣C的主熔融峰較尖銳。在老化試驗(yàn)過(guò)程中，試樣C導(dǎo)體的最高溫度為90 ℃，一方面使得其內(nèi)部存在的不完善晶體出現(xiàn)熔融，另一方面使得XLPE分子鏈的活動(dòng)性增強(qiáng)，此時(shí)次級(jí)結(jié)晶形成的片晶厚度較試樣B大，因此，試樣C的熔程變小。試樣D的熔程增大，這是由于在恒溫?zé)崽幚矸绞较拢沙跁r(shí)間較長(zhǎng)的次級(jí)結(jié)晶得以發(fā)展，并形成較小的晶體，從而使其熔程加寬，電纜絕緣的結(jié)晶特性趨于穩(wěn)定。

由th=ΔT/b(th為結(jié)晶時(shí)間，b為降溫速率)可知，當(dāng)降溫速率b一定時(shí)，半結(jié)晶峰寬ΔT的數(shù)值越小，試樣的結(jié)晶速率越快[17-18]。結(jié)晶速率可用來(lái)表征XLPE在晶核生成以及晶粒生長(zhǎng)階段的總速率，其與試樣的組成以及XLPE大分子結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)。由表4可知，老化試驗(yàn)后電纜絕緣各試樣的半結(jié)晶峰寬減小，即結(jié)晶速率增大。結(jié)合FTIR試驗(yàn)結(jié)果可知，在180日的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)后，試樣內(nèi)部的雜質(zhì)減少，同時(shí)其XLPE大分子結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯降解，仍具有較好的完整性，使得試驗(yàn)后電纜絕緣各試樣的結(jié)晶速率增大。

2.3 XRD試驗(yàn)結(jié)果與分析

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的XRD曲線如圖7所示。由圖7可知，試樣的XRD曲線在衍射角為21.22°和23.63°處均存在較明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)XLPE中正交晶型(110)晶面和(200)晶面的衍射峰[19]。老化試驗(yàn)前后，各試樣衍射峰的衍射強(qiáng)度和形狀存在差異，衍射峰的位置未發(fā)生偏移，同時(shí)XRD曲線中未出現(xiàn)新的衍射峰，表明在180日高強(qiáng)度的電熱應(yīng)力影響下，電纜絕緣試樣的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但未有新的結(jié)晶相生成。

圖7 老化試驗(yàn)前后電纜絕緣試樣X(jué)RD曲線Fig.7 XRD curves of cable insulation samples before and after aging test

為了定量分析老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化情況，從圖7中提取出試樣的結(jié)晶度和晶粒尺寸。試樣的結(jié)晶度可以通過(guò)Hinrichsen方法計(jì)算得到[20]，即對(duì)各個(gè)試樣的XRD曲線進(jìn)行高斯分峰擬合，如圖8所示。

圖8 基于Hinrichsen法的結(jié)晶峰與無(wú)定形峰高斯擬合Fig.8 Gaussian fitting of crystal peaks and amorphous peaks based on Hinrichsen method

試樣在不同衍射峰下的晶粒尺寸可以通過(guò)Scherrer方程計(jì)算得到[21]。具體計(jì)算過(guò)程如下：

(6)

(7)

式中：χ為試樣的結(jié)晶度；S1為試樣無(wú)定型峰的面積；S2為試樣主結(jié)晶峰的面積；S3為試樣次級(jí)結(jié)晶峰的面積；D(h,k,l)為垂直于(h,k,l)晶面方向的晶粒尺寸；λ為試驗(yàn)時(shí)X射線的波長(zhǎng)，取λ=0.154 nm；β為由于晶粒細(xì)化引起的衍射峰(h,k,l)的寬化，此處取衍射峰峰值高度一半處的寬度，即半峰寬(單位rad)；K為常數(shù)，當(dāng)β取衍射峰的半峰寬時(shí)，取K=0.89。

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的XRD參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 老化試驗(yàn)前后各試樣的XRD參數(shù)Tab.5 XRD parameters of samples before and after aging test

由表5可知，相比試樣A，老化試驗(yàn)后電纜絕緣各試樣的結(jié)晶度出現(xiàn)不同程度的減小。結(jié)合圖5可知，未老化電纜絕緣試樣在生產(chǎn)和運(yùn)行中經(jīng)受的復(fù)雜熱歷史，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)次級(jí)結(jié)晶，結(jié)晶度較高，與主結(jié)晶相比，XLPE次級(jí)結(jié)晶形成的晶體結(jié)構(gòu)較不完善。在老化試驗(yàn)過(guò)程中：完善程度低的晶體結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期高強(qiáng)度的電熱應(yīng)力下出現(xiàn)降解，試樣的結(jié)晶度減?。恍碌拇渭?jí)結(jié)晶在相應(yīng)的熱處理溫度下形成并繼續(xù)生長(zhǎng)，試樣的結(jié)晶度增大。因此，在電、熱應(yīng)力的聯(lián)合作用下各試樣間的結(jié)晶度出現(xiàn)明顯差異。相比試樣A，試樣C、D的晶粒尺寸增大。結(jié)合結(jié)晶度的變化可知，熱循環(huán)處理方式下電纜絕緣試樣的結(jié)晶度較小，晶粒尺寸較大，說(shuō)明其內(nèi)部晶粒較松散，晶體結(jié)構(gòu)間距較大；恒溫?zé)崽幚矸绞较码娎|絕緣試樣的結(jié)晶度和晶粒尺寸增大，表明其內(nèi)部晶粒較緊密，結(jié)晶排列的分散程度較小，晶體結(jié)構(gòu)較好。試樣B主結(jié)晶的晶粒尺寸沒(méi)有明顯變化，次級(jí)結(jié)晶的晶粒尺寸增大，這與其在老化試驗(yàn)過(guò)程中承受的最高溫度較低有關(guān)。

2.4 交聯(lián)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

XLPE絕緣的基體材料LDPE在高溫高壓條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)后，大部分聚乙烯分子鏈的線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[22]。由于電纜絕緣試樣中具有該結(jié)構(gòu)的凝膠無(wú)法被二甲苯溶劑所溶解[23]，因此試樣中的凝膠含量可以等效為其交聯(lián)度，即

(8)

式中：m1為進(jìn)行萃取前試樣的質(zhì)量；m2為萃取干燥后試樣的質(zhì)量。

老化試驗(yàn)前后電纜絕緣各試樣的交聯(lián)度如圖9所示。在老化試驗(yàn)過(guò)程中，試樣的交聯(lián)度變化情況與其內(nèi)部化學(xué)鍵在電熱應(yīng)力影響下發(fā)生的斷裂和重組行為有關(guān)[24]。

圖9 老化試驗(yàn)前后各試樣的交聯(lián)度Fig.9 Cross-linking degrees of samples before and after aging test

由圖9可知，與未老化試樣相比，老化試驗(yàn)后電纜絕緣各試樣的交聯(lián)度出現(xiàn)不同程度的增大。由FTIR試驗(yàn)結(jié)果可知，在180日的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)過(guò)程中，XLPE大分子鏈段未出現(xiàn)明顯降解。因此，試樣的交聯(lián)度在老化試驗(yàn)后增大，這與電纜絕緣內(nèi)部殘留的交聯(lián)劑在高強(qiáng)度電熱應(yīng)力影響下發(fā)生的二次交聯(lián)反應(yīng)有關(guān)。圖9中試樣B的交聯(lián)度最大，這是由于其承受的溫度較低，且XLPE分子鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的溫度耐受能力，因此在老化試驗(yàn)過(guò)程中電纜絕緣試樣的交聯(lián)結(jié)構(gòu)受到的破壞較小；與試樣C相比，試樣D的交聯(lián)度較小，表明相對(duì)于熱循環(huán)處理方式，90 ℃恒溫?zé)崽幚矸绞綄?duì)電纜絕緣XLPE分子鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞程度較嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文主要研究了恒溫、熱循環(huán)處理方式下的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)對(duì)XLPE絕緣理化特性的影響，得出以下結(jié)論：

a)電纜絕緣在經(jīng)過(guò)180日的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)后，各試樣的羰基指數(shù)、不飽和基指數(shù)以及半結(jié)晶峰寬減小，晶粒尺寸和交聯(lián)度增大，說(shuō)明在老化試驗(yàn)過(guò)程中，電纜絕緣的理化結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)劣化，甚至有所改善。

b)與恒溫?zé)崽幚矸绞较啾龋瑹嵫h(huán)處理方式下電纜絕緣的溫度變化使得其結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，次級(jí)結(jié)晶生成的晶體結(jié)構(gòu)完善程度較低，片晶厚度變小，結(jié)晶度和熔融溫度減小，晶粒尺寸增大。

c)在熱循環(huán)處理方式下，較高溫度的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)有利于電纜絕緣內(nèi)部殘留交聯(lián)副產(chǎn)物等揮發(fā)性雜質(zhì)的減少以及結(jié)晶區(qū)中片晶的生長(zhǎng)變厚，較低溫度的電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)促進(jìn)電纜絕緣二次交聯(lián)過(guò)程。

d)適當(dāng)提高運(yùn)行初期電纜絕緣層溫度并保持負(fù)荷穩(wěn)定，對(duì)于改善電纜絕緣理化特性具有積極效應(yīng)。