交/直流交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能研究

吳 俊，陳俊文

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

在直/ 交流交聯聚乙烯電纜系統中，絕緣場層中的電場強度分布隨著材料介電常數的增大而減小，而交/直流交聯聚乙烯電纜的介電常數隨溫度的變化甚微，最大的場強一般出現在絕緣層的表面處，而且交/ 直流變化電場下介質極化會導致聚乙烯電纜產生介電損耗并出現發熱現象，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域中都得到了廣泛的應用和研究［3］；國內對交/ 直流交聯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，從而使國內電纜的生產研發工作迅速發展［4］。

歐陽本紅等［5］針對電纜性能受到其絕緣交聯時過氧化物分解產生副產物的影響，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 電纜力學性能和介電性能，結果顯示交聯副產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量在減少，降低了電導率，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聚乙烯電纜料絕緣特性差異的機理，結果顯示，直流電纜料比交流電纜料的空間電荷性能更好，在直流與交流交聯聚乙烯電纜料中羰基的含量不同，認為直流與交流交聯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/ 直流交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能，從而延長交/直流交聯聚乙烯電纜的使用壽命。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

交/ 直流交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能試驗所用的交聯聚乙烯為線性低密度聚乙烯［7］，熔融指數為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(化學純)，上海市華晨化學試劑有限公司。

1.2 試驗樣品制備

先將交聯聚乙烯加入到氯仿中，并在室溫條件下采用超聲波技術將其分散2h，使之形成穩定的混合物。再取適量交聯聚乙烯，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。將交聯聚乙烯/ 氯仿混合物緩慢加入到交聯聚乙烯與二甲苯的混合溶液中，繼續將所有物質在95℃的加熱條件下攪拌2h。經過6h 的加熱處理，將混合溶液中的大部分溶劑除去，將交/ 直流交聯聚乙烯在120℃的真空條件下靜置24h，靜置過程中不斷調節環境中的真空度，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

采用發射掃描電子顯微鏡觀察試驗樣品的形態，先將圓柱狀的試驗樣品沉浸在液氮中，在液氮中持續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間在0.1Hz到10MHz 之間［11］。測量過程中通常采用介電常數作為介電頻譜的測量參數，此外還包括介電損耗以及交流電導等參數［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，將交直流交聯聚乙烯電纜試樣的尺寸設置為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

采用三電極系統電流計以及直流電源進行試驗樣品的直流電導測量，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構如圖1 所示。

圖1 試驗樣品的電極結構Fig.1 Electrode structure of test sample

試驗樣品的直流電導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測試前，需要在373K且真空環境中短路放電48h 左右［16］。

1.3.5 測試試驗樣品的力學性能

根據聚乙烯電纜的測試標準，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置為250mm/min。采用動態力學分析儀［17］分析試驗樣品的動態力學性能：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。

1.3.6 試驗樣品的熱失重分析

非等溫熱失重分析：取大約5mg 剪碎的交聯聚乙烯樣品，在充足的氮氣氛圍下以10℃/min 的速率，在25℃～650℃的范圍內分析并測量試驗樣品的熱重。

等溫熱失重分析：取大約5mg 剪碎的交聯聚乙烯樣品，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℃，并在恒溫環境中靜置120min，記錄試驗樣品的質量與測量時間之間的關系。

2 結果與討論

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

圖2 交聯聚乙烯電纜的介電常數與頻率的關系Fig. 2 Relationship between dielectric constant and frequency of XLPE cable

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

在圖2 和圖3 的試驗結果中可以看出，交流聚乙烯電纜的介電常數和介電損耗都是隨著測量頻率和交直流變化分數的變化而發生變化，但是不同電流變化幅度的交聯聚乙烯電纜之間存在著不同測量頻率之間的依賴關系。當交聯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生變化，所有測試的介電常數和介電損耗都是一致的。交聯聚乙烯電纜的電流大小從16% 開始，介電參數與測量頻率之間的變化具有較強的依賴性，并且在低頻測量區域內，存在介電常數和介電損耗都增加的現象。變化較大的介電常數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聚乙烯在不同領域中應用的線索。

在測量的低頻段區域中，交聯聚乙烯電纜的介電常數和介電損耗會隨著電流變化幅度的增加而增加，這種結果的出現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聚乙烯電纜的電流之間有效界面面積會以指數的形式增加，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象大大增強。

根據圖2 和圖3 的試驗結果，當電流變化幅度超過12% 時，可以看到非常明顯的介電彌散現象，這一現象的產生通過圖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

根據圖4 的曲線，交聯聚乙烯電纜都具有比較復雜的ε ε′ ′

- 圖形，說明在試驗過程中，交聯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′ ′- 圖形通常也表現為規則的半圓。

這里值得一提的是，當電流變化幅度達到24% 時，交聯聚乙烯電纜的介電常數和介電損耗都達到了最大值，如果電流變化幅度繼續增大，交聯聚乙烯電纜的介電常數和介電損耗開始逐漸減小。根據相關文獻記載，電流變化幅度大的情況下，不完善堆積的填料會產生比較小的孔洞，這一現象也是造成交聯聚乙烯電纜介電常數逐漸減小的主要原因。試驗過程中，采用混合法制備了交聯聚乙烯電纜。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聚乙烯電纜存在孔洞。因此交聯聚乙烯電纜介電常數的減小可能與試驗樣品中存在比較多的孔洞有關。

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

圖5 交聯聚乙烯電纜斷面的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，而出現的鎂元素是來自制備交聯聚乙烯電纜的原料。交聯聚乙烯電纜的介電參數在某一電流值處發生轉變，出現這一現象的原因有兩個，一是交聯聚乙烯電纜樣品中的孔洞數量小，二是由于空氣也具有一定的介電常數和介電損耗，這兩個方面的不足使交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能發生變化。

根據上述分析，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，電流就會發生聚集效應，造成交聯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，這也是交聯聚乙烯電纜介電性能在24%時發生轉變的一個原因。

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

在高頻區域中，交聯聚乙烯電纜的介電常數隨著電流變化幅度的增加而增加，而介電參數并沒有發生變化，但是當電流變化幅度超過24% 時，交聯聚乙烯電纜的介電常數增加速率開始急速減慢，如圖6 所示。

圖6 交聯聚乙烯電纜的介電常數與電流變化情況的關系Fig. 6 Relationship between dielectric constant and current variation of XLPE cable

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

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

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

在高頻率區域中，交聯聚乙烯電纜的電流變化繼續增加，直到超過24% 時，交聯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，試驗結果表明，電流變化幅度高時，雖然電流出現了團聚現象，但是可能存在表觀接觸電阻。

3 結束語

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