交聯度對交聯聚乙烯時域介電特性的影響

張橋峰，周 凱，李康樂，李明志，汪先進，王子健

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

交聯聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由聚乙烯(PE)交聯而成，現已成為電力系統中最常用的絕緣材料之一。交聯是改善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工藝、水平的差異，加之交聯過程中電纜絕緣層的受熱和冷卻難以做到完全均勻，使得XLPE絕緣的交聯程度存在差異[4-5]。即便是同一廠家生產的電纜，也難以保證其所有電纜的交聯度完全一致。加之早期電纜的入網檢測技術要求較低等原因，造成目前部分XLPE電纜存在諸多質量問題。近年來，極化-去極化電流(polarization and depolarization current，PDC)法作為一種無損檢測方法逐漸應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度對XLPE絕緣時域介電特性的影響，對于深入理解不同交聯度XLPE絕緣的質量差異原因，更好地提升XLPE電纜的絕緣性能具有重要意義。

目前，學者們針對交聯度對XLPE材料性能的影響開展了大量研究。朱曉輝等[6]研究了交聯溫度和交聯時間對XLPE結晶形態的影響，結果表明適度的交聯溫度和交聯時間可獲得尺寸差異較小、晶粒均勻分布的結晶形態。王金鋒等[7]研究發現，XLPE試樣的結晶尺寸越小，數量越多，其耐水樹能力越強。胥智勇等[8]研究發現，提升XLPE的交聯度可以顯著提高絕緣的耐水樹枝能力，這是由于交聯形成的三維網狀結構限制了水分沿電場方向擠壓形變的能力。周韞捷等[9]研究了交聯劑過氧化二異丙苯對XLPE擊穿特性的影響，發現XLPE的電氣強度隨交聯劑含量的增加呈現先增大后減小的趨勢，這是由于XLPE的電氣強度與陷阱分布特性具有明顯的對應關系，并且主要受深陷阱的影響。周湶等[10]研究了交聯度對XLPE空間電荷的影響，發現交聯反應提高了XLPE空間電荷的注入閾值場強，且隨著交聯度的增大，注入閾值場強呈現先增大后減小的趨勢。李維康等[11]研究表明，交聯度越高，XLPE內部的電荷注入越深，并且隨著電場強度的增加，絕緣內部積累的正電荷數量不斷增加。上述文獻主要從耐水樹枝能力、電氣強度、空間電荷的注入閾值和注入電荷量等方面研究了交聯度對XLPE絕緣性能的影響，而鮮有基于PDC法研究交聯度對XLPE時域介電特性的影響，尤其是交聯度對XLPE絕緣電導電流、界面極化電流、偶極子極化電流的影響以及不同交聯度XLPE中極化-去極化電流值反映的XLPE絕緣的信息，值得進一步研究。

本研究基于PDC法研究交聯度對XLPE時域介電特性的影響，對不同交聯度XLPE絕緣的時域介電特性展開分析和討論。

1 實驗

1.1 不同交聯度XLPE試樣的制備

XLPE的交聯度取決于交聯劑DCP的分解速度，在不同的交聯溫度和交聯時間下DCP的分解速度存在較大差異[6]，故可通過控制交聯溫度和交聯時間來制備不同交聯度的XLPE薄片試樣。具體制備方法如下：首先向明星電纜生產的低密度聚乙烯(LDPE)中加入質量分數為2.0%的過氧化二異丙苯(DCP)，得到待交聯基料；將待交聯基料在120℃的真空壓膜機上預熱10 min，然后分別在120、145、146℃的交聯溫度下加壓（15 MPa）交聯 10、15、20 min，得到不同交聯度的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，以消除交聯副產物對PDC測試的影響[12]。

1.2 基于凝膠萃取法測定XLPE試樣的交聯度

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

式（1）中：M表示盛裝樣本前篩網的質量；M1表示樣本放入篩網后的總質量；M2表示經萃取溶解干燥后的篩網總質量。為提高測試結果的準確性，實驗前后都需對樣本進行干燥處理，且每組樣本進行5次測試（i=1，2，3，4，5），去掉最大值和最小值后取測試結果的平均值作為最終結果。

1.3 XLPE試樣的PDC測試

PDC法旨在測量電介質在有外加電壓作用和外加電壓消失后的響應電流，以此來反映介質的絕緣狀態。本研究中XLPE圓形薄片試樣的PDC測試回路如圖1所示，其中所加極化電壓為1 kV，極化和去極化時間均為180 s，完成1次PDC測試需要360 s。當高壓開關接觸點a時，電流經由保護電阻、高壓電極、測試電極、皮安表構成閉合回路，此時測試得到XLPE薄片試樣的極化電流；當高壓開關接觸點b時，試樣經皮安表構成放電回路，此時測試得到試樣的去極化電流。為避免泄漏電流對極化、去極化電流的干擾，實驗過程中加入屏蔽電極進行屏蔽。測試結束后，存儲在皮安表緩沖區的數據將自動上傳至上位機。

2 結果和分析

2.1 XLPE試樣的交聯度測定結果

采用凝膠萃取法測得3組XLPE試樣的交聯度如表1所示。從表1可以看出，A組試樣交聯溫度為120℃，尚未達到交聯劑DCP的分解溫度，故其交聯度為0；隨著交聯溫度和交聯時間的增加，交聯劑DCP逐漸發生分解，試樣的交聯度不斷提高[14]。當交聯時間為20 min，溫度為146℃時，試樣的交聯度為40%。

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

表1 不同交聯條件下XLPE試樣的交聯度Tab.1 Crosslinking degree of XLPE samples under different crosslinking conditions

2.2 交聯度對XLPE時域介電特性的影響

2.2.1 極化-去極化電流的時域計算

XLPE絕緣材料是一種半結晶高聚物，由晶區和無定形區組成。其中，晶區的分子鏈排列相對有序，無定形區的分子鏈排列相對無序，且分子間存在一定間隔[15-16]，故XLPE材料內部的極化過程十分復雜。由于本研究選擇的PDC測試采樣時間間隔為0.15 s，故可忽略電子式極化和離子極化過程，主要考慮偶極子的極化過程、晶區和無定形區之間的界面極化過程。

PDC測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)為極化過程中偶極子轉向極化產生的電流；i2(t)為流過絕緣的電導電流；i3(t)為極化過程中的界面極化電流；i1d(t)為去極化過程中偶極子松弛產生的電流。

根據擴展Debye模型，偶極子極化過程的轉向和去極化過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電流和界面極化電流兩部分，但界面極化電流將隨時間不斷衰減，而電導電流始終保持不變，故極化足夠長時間后的電流穩態值即為電導電流，如式（6）所示。

式（6）中，tf表示時間接近無窮大的時間點。

則界面極化電流為式（7）。

2.2.2 極化-去極化電流的測試結果及分析

A、B、C 3組薄片試樣的極化電流測試結果如圖2所示。

圖2 不同交聯度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，說明交聯反應對XLPE絕緣的極化過程具有抑制作用。這可能是由于A組試樣中DCP未發生分解，XLPE薄片試樣內部以淺陷阱為主。隨著交聯溫度和交聯時間的增加，DCP逐漸分解產生交聯，試樣內部陷阱轉為以深陷阱為主[9]。交聯使得XLPE由原有的線性分子結構逐步轉為三維網狀結構，導致試樣內部結構得以重構。相比A組試樣，B、C組試樣的陷阱深度加深，導致入陷電荷的脫陷勢壘提高，減弱了極化過程中載流子的遷移。

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，說明交聯度越高，對XLPE絕緣極化過程中載流子遷移的抑制作用越強。這是由于隨著交聯度的進一步升高，XLPE內部交聯點不斷增多，XLPE分子鏈的三維網狀結構更加牢固[8]。一方面，材料中的深陷阱密度增大、陷阱深度加深，提高了對載流子的捕獲概率；另一方面，在相同的電場作用下，已入陷的載流子在陷阱中由于脫陷勢壘的提高將會停留更長的時間[17]。故總的載流子遷移過程受到阻礙，極化電流幅值變小。

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

圖3 不同交聯度XLPE試樣的電導電流Fig.3 Conductivity current of XLPE samples with different crosslinking degree

圖4 不同交聯度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試樣交聯度的提高，電導電流幅值不斷減小。A組試樣的電導電流與B、C兩組試樣相差一個數量級，這說明交聯反應有效地提升了XLPE電纜絕緣的絕緣性能，同時也再次證明交聯反應能有效抑制載流子的遷移。根據圖4～5可以發現，隨著XLPE試樣交聯度的提高，偶極子極化電流和界面極化電流均不斷減小。尤其是當試樣的交聯度從20%升高至40%時（成倍增加），界面極化電流急劇減小，界面極化過程受到了嚴重阻礙。

根據擴展Debye模型[18]，不同類型的極化過程可以用多個R-C的串聯支路表示。為了進一步分析XLPE材料內部的極化過程，對XLPE試樣進行普遍的三支路Debye模型[19]等效，如圖6所示。其中，第一支路表示XLPE絕緣本體的極化現象；第二支路表示XLPE絕緣晶體與無定形區界面處的界面極化現象；第三支路表示XLPE中水樹等絕緣缺陷的老化現象。本次支路辨識采用矩陣束算法對去極化電流進行擬合[20]，最終擬合得到的支路參數如表2所示，其中τi表示時間常數，τi=Ri·Ci。

圖6 擴展Debye模型的三支路辨識Fig.6 Three branch identification of extended Debye model

表2 擴展Debye模型的三支路辨識結果Tab.2 Three branch identification results of extended Debye model

從表2可知，隨著XLPE材料交聯度的提高，第二支路的時間常數和電阻值迅速急劇增大。這是由于隨著交聯度的不斷增加，交聯形成的三維網狀結構更加緊密，導致載流子在XLPE材料中晶體與無定形區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，電荷需要更長的時間才能完成積聚和消散。因此，利用第二支路的電阻和時間常數可在一定程度上反映XLPE材料內部晶體與無定形區界面缺陷處電荷的極化過程，且交聯度越高，電荷在界面處的極化時間越長。

3 結論

（1）交聯反應對XLPE絕緣的極化過程具有抑制作用。當交聯度在0～40%變化時，交聯度越高，對極化過程的抑制作用越強。

（2）隨著交聯度的增加，XLPE絕緣的電導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）擴展Debye模型的第二支路電阻及其時間常數能在一定程度上反映XLPE材料內部晶體與無定形區缺陷處電荷的界面極化過程，且交聯度越高，電荷在界面處的界面極化時間越長。