熱老化交聯聚乙烯絕緣狀態評估和介電參數 計算的新型電荷表征和分析方法*

黃炳融 王威望 李盛濤 李欣原 蔣起航 聶永杰 鄧云坤

(1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049； 2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院 昆明 650217)

1 引言

交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜以其優秀的絕緣和耐熱性能而被廣泛應用于電力系統。然而，在電纜的實際運行中，電、熱、機械應力、水分等因 素[1-4]對電纜的介電特性、力學性能產生不良影響，使得其在服役期間發生熱老化、局部放電老化、電樹枝老化、水樹枝老化[5]等。研究表明[6]，電樹枝一旦產生，就會迅速發展并穿透XLPE絕緣層，最終導致擊穿，影響電力系統的正常運行。因此，如何準確地檢測電纜的絕緣特性參數，從而評估其有效服役年限，已成為國內外學者重點關注的 問題。

過去的研究已經表明，電纜的老化與載流子的注入與積聚有關[7-8]，而以此建立的老化機理模型主要有三種，包括DMM(Dissado L A, Mazzanti G and Montanari G)空間電荷模型[9]、LEWIS等[10]提出的動力學模型以及CRINE等[11]提出的熱力學模型。其中DMM空間電荷模型認為：空間電荷的產生使得聚合物內部發生電場畸變，最終引起老化并發生擊穿。國內外學者對XLPE電纜老化的研究主要集中在兩個方面：一是對XLPE絕緣理化、介電和力學性能的研究。FTIR分析發現，熱老化后的XLPE在波數1 720 cm?1處出現羰基—C=O的吸收峰，且隨著熱老化時間的增加而增強[5]。但是，又有研究表明，在140 ℃熱老化初期，納米炭黑/XLPE聚合物介電常數和電導率并不會隨著老化時間的增加而發生改變，但老化時間超過8周后，二者數值迅速增大[12]；二是對XLPE空間電荷特性的研究。電聲脈沖法是一種廣泛使用的測量空間電荷分布的方法，通過對平板試樣施加脈沖電壓，使得試樣內部的電荷受到洛倫茲力發生位移，并將位移產生的壓力波通過壓電元件轉換為電信號[13]。

傳統的老化XLPE空間電荷試驗由于受到測試條件的限制，所采取的試樣規格基本都是小尺寸的薄片，即無法用于對實際條件下的整體電纜測試。隨著空間電荷測量技術的發展與改進，有學者提出了基于PEA法的整體同軸電纜空間電荷測試手段[14]，然而受限于較小的輸出信號以及衰減的壓力波，PEA法的靈敏度和測量范圍仍然存在很大的局限性。近幾年，日本學者TAKADA等[15]提出了一種全新的空間電荷測試手段，名為電流積分電荷量技術(Direct current integrated charge，DCIC-Q(t))。有別于目前廣泛使用的PEA法，DCIC-Q(t)不僅可以測試實驗室中的薄片試樣，還可以直接用于工程條件下的整體電纜。通過PEA法與DCIC-Q(t)技術的對比分析[16]，發現DCIC-Q(t)雖然無法檢測試樣的空間電荷分布，但測試方法簡單，可以同時獲得樣品空間電荷積聚、介電常數和電導率三項電氣參數。再者，DCIC- Q(t)技術在低場強(1 kV及以下)仍有較高的靈敏度，測試效果穩定，受外界影響小。

本文基于DCIC-Q(t)技術，獲取不同熱老化時間下XLPE試樣在4～40 kV/mm過程中的動態電荷特性，并進一步分析獲得XLPE的空間電荷積聚情況、介電常數εr和電導率γ，與已有的方法進行比較，驗證DCIC-Q(t)測量裝置的準確性。

2 測試原理與分析方法

DCIC-Q(t)技術的測試原理如圖1a所示。通過PC端控制高壓直流電源的開關，導線傳輸向DCIC-Q(t)設備的積分電容Cint提供電流。積分電容Cint與電極之間的XLPE試樣串聯，因此流過XLPE薄片的電流等于流過積分電容Cint的電流，試樣上的電荷對時間的積分就等同于積分電容Cint上電荷對時間的積分，如式(1)所示

圖1 DCIC-Q(t)基本測試原理與電流測試對比

式中，t1和t2分別為高壓源施加電壓開始與結束的時刻；Q(t)為積分電容Cint和XLPE試樣的動態電荷量。積分電容Cint可根據最高測試電壓Umax、積分電容臨界電壓Uint(固定值，為3.5 V）以及被測試樣電容Cs進行調整，存在如下關系

根據測試試樣XLPE電容的估算，按照上述取一定的裕度，保證積分電容承受的電壓在合理范圍內。選取的積分電容Cint為2.2 μF。

Q(t)通過放大器，以電壓的形式擴大信號，再進行模數轉換，通過無線、光纖或者紅外傳輸到PC端中。積分電荷與電壓之間的轉換如式(3)所示

圖1b給出了DCIC-Q(t)測試過程中的電流與電荷量隨時間的變化曲線。高壓直流電源向DCIC-Q(t)輸入電壓時，積分電容流過較大的瞬時充電電流Iini，其極板界面產生起始電荷量Q0與XLPE的介電常數關系如式(4)所示

式中，Cs為XLPE試樣的電容；Vapp為高壓直流電源所加的電壓；0ε為真空介電常數；rε為XLPE試樣的介電常數。

電荷量Q(t)由式(5)給出。加壓瞬間，XLPE平板試樣流過一個極大的瞬時充電電流Iini，獲得了初始電荷量Q0。瞬時充電電流迅速減少，并且由于XLPE介質的極化而產生一個隨加壓時間逐漸減小的吸收電流Iabs，與介質的松弛時間τ有關，在這個過程中積分電容Cint的電荷量非線性增加。在電場強度較高時，電極/試樣界面會發生電荷注入，試樣內部出現空間電荷積聚和消散，從而造成空間電荷電流Ispac的形成。空間電荷電流在高場或高溫下與介質材料的吸收電流疊加，造成電流密度增加。因此，吸收電流和空間電荷電荷在文中做統一考慮。最后，空間電荷電流Ispac達到穩定。此時試樣內部出現穩定的泄漏電流Ileak(或稱傳導電流Icond)，Cint的電荷量線性增加，且電荷量與時間的斜率即 為Ileak。

不同場強下電荷量隨時間變化規律不同。當經過XLPE試樣的電流小時，根據式(1)可知，電流對時間的積分可以忽略不計，電荷量隨時間增加幾乎沒有變化，因此呈現出一條斜率接近為0的曲線；隨著施加電壓的上升，傳導電流增大，電荷量隨著時間變化而增加，XLPE內部開始出現空間電荷的注入與積聚。

3 試樣和老化處理

采用J/Q sliver XLPE電纜絕緣切片機沿電纜軸向切割，制備厚度約為0.5 mm的XLPE試樣，并將制得的試樣置于蒸餾水中進行超聲清洗，以清除試樣表面的污染物。由于XLPE絕緣中球晶的熔融溫度為100～115 ℃，在100 ℃條件下XLPE未達到熔融狀態，為了實現加速老化的目的，故選取該溫度點作為老化溫度。將清洗后的XLPE試樣置于DKN412C型鼓風恒溫箱中進行100 ℃加速熱老化。表1所示為在不同溫度和時間條件下熱老化處理的XLPE試樣。

表1 XLPE試樣老化條件

4 老化評估與介電參數變化

4.1 動態電荷評估XLPE熱老化

圖2為未老化試樣F的動態電荷隨時間變化曲線。采用DCIC-Q(t)技術測試XLPE試樣的動態電荷特性。在25 ℃條件下，對厚度為0.5 mm的XLPE試樣施加電壓，電場強度從4 kV/mm到40 kV/mm，步長為4 kV/mm；測試時間為180 s，采樣步長為2 s，并在測試前后放電5 s，以去除積分電容Cint內積累的電荷。如圖2所示，在16 kV/mm以下，XLPE試樣的電荷量為一條斜率為0的直線，電荷量隨時間變化很小。隨著電場強度的增加，電荷量開始隨時間增加而增大，XLPE試樣內部出現空間電荷的注入與積聚。圖3給出了不同熱老化時間下XLPE試樣在高場下(28～40 kV/mm)的動態電荷曲線。如圖3所示，未老化試樣F和熱老化試樣L1、L2的電荷量曲線差別較小，說明熱老化初期，在相同施加電壓條件下，XLPE試樣動態電荷變化規律相似，電荷特性表現差異很小。隨著熱老化時間的進一步增加，老化試樣L3、L4的動態電荷量變化率曲線明顯增加，且老化試樣L4的電荷量變化率大于L3。根據試驗結果分析發現短時熱老化對XLPE試樣動態電荷的影響較小；當老化時間達到1 440 h，XLPE試樣動態電荷變化率增大，且隨著老化時間會進一步增大。 為了定量對比不同熱老化時間下XLPE試樣的電荷量積聚情況，提出了電荷量之比k的概念，如式(6)所示

圖2 F試樣電荷量隨時間變化曲線

圖3 不同熱老化時間下XLPE試樣動態電荷曲線

將所有XLPE電荷量隨時間變化的數據按照進一步處理，獲得了在不同電場強度下的電荷量之比k，如圖4所示。

圖4 不同熱老化時間下XLPE試樣電荷量變化率曲線

以k=1.2作為空間電荷的注入閾值，當電荷量的比率超過1.2，說明XLPE試樣內部有明顯的空間電荷注入與積累。分析圖4發現，隨著電場強度的上升，所有試樣電荷量之比k均表現出上升的趨勢，且這種趨勢在高場強時更為顯著。空間電荷的注入和積聚量與XLPE試樣的老化時間有明顯的關系。在40 kV/mm電場強度下，電荷量之比k的大小順序為：。在熱老化初期，XLPE試樣受熱的作用，結晶度、交聯度與熔融溫度提高，電、熱、機械等方面的性能小幅度提升。隨著熱老化時間的增加，進入化學老化階段，此時XLPE內部結晶區受到嚴重破壞，向無定形態轉變，結晶度和熔融溫度下降，各方面的性能也急劇下 降[1,3-5]。因此，隨著熱老化的進行，XLPE的空間電荷注入與積聚先是得到抑制，然后又隨著分子鏈的斷裂和結晶區的破壞，使得空間電荷進一步注入到XLPE試樣內部。

用XLPE動態電荷分析空間電荷行為，可以直觀地反映內部的電荷注入與積聚情況，為老化評估提供可靠的判據。

4.2 介電常數計算分析

圖5給出了L1和L4初始電荷量Q(4s)與電壓Uapp之間的關系。從圖2和式(3)已經可以看出，兩者是成正比的，且瞬時充電的初始電荷量與施加電壓之間的比值即XLPE試樣的電容。通過線性擬合，計算所有XLPE試樣的電容，分別為72.83 pF、69.59 pF、70.29 pF、73.9 pF和75.24 pF。可以發現在熱老化初期，XLPE的電容有小幅度的下降，隨后又隨著熱老化時間的增加而上升。而在獲取了電容參數后，電纜的介電常數也就很容易計算出來。

圖5 XLPE初始電荷量與電壓關系曲線

計算出的XLPE介電常數如圖6所示。未老化XLPE的介電常數為2.37。而在熱老化初期，介電常數有所下降，L1和L2的介電常數分別為2.27和2.29。當熱老化進入后期，L3和L4的介電常數又迅速上升，達到了2.41和2.46。

圖6 不同熱老化XLPE試樣介電常數

在熱老化初期，XLPE中的抗氧劑使得氧化反應無法順利進行，同時再交聯反應形成了新的交聯鍵，分子鏈之間的作用力增加。抗氧劑、交聯劑的消耗減少了XLPE試樣的雜質，使得介電常數有所下降。當老化進入后期，抗氧劑和交聯劑被消耗完畢，氧化反應很快進入自加速狀態，引發XLPE分子鏈之間的交聯鍵和分子內化學鍵的大量裂解，羰基等老化副產物增加，因此介電常數在老化60天以后迅速上升。

4.3 電導率計算分析

DCIC-Q(t)技術除了可以分析電纜的動態電荷和介電常數以外，還能計算電導率隨電場變化情況。當XLPE試樣內部沒有空間電荷的注入與積聚時，電荷量之比k≈1。而當試樣內部有電荷的注入，則式(6)可以等效成與介質的松弛時間τ的等式，如式(7)所示

式中，tm為加壓測試時間，180 s；松弛時間τ與XLPE試樣的極化有關，為介電常數與電導率的比值，如式(8)所示

式中，γ為XLPE試樣的電導率，S/m。將式(8)代入式(7)中并變形，即可得到電導率與電荷量之比k之間的關系式

圖7為根據式(9)計算得出的不同熱老化時間下XLPE試樣電導率隨電場變化曲線。在4 kV/mm電場強度作用下，所有熱老化XLPE電導率均很小，在10?14～2×10?14S/m區間。隨著電場強度的升高，電導率增大，但是增大的幅度與熱老化時間有關。未老化XLPE試樣F和老化試樣L1、L2在20 kV/mm以前變化幅度較小，基本保持在2×10?14S/m以下。此時XLPE絕緣電導處于線性歐姆區，電導率受電場強度的影響小。當施加電壓繼續增加，電場強度增大，XLPE絕緣的電導率有所上升，在40 kV/mm時達到了4×10?14S/m，為低電場時的兩倍。總體而言，熱老化初期XLPE試樣的電導率變化較小。

圖7 不同電場強度下熱老化XLPE試樣電導率

對于老化天數分別為60天和90天的L3、L4試樣，熱老化逐漸進入后期階段。隨著電場強度的增加，L3和L4的電導率很快上升，幅度十分明顯。當電場強度為40 kV/mm時，L3和L4的電導率達到了8×10?14S/m，相比低電場條件下增大了3倍。

熱老化過程中，XLPE內部分子鏈發生裂解，電纜加工殘余的交聯劑過氧化二異丙苯(DCP)受熱分解，生成α-甲基苯乙烯、枯基醇和苯乙酮等交聯副產物[17]。但是在熱老化初期，抗氧劑的存在抑制了氧化反應的進行，且再交聯反應使得XLPE分子結構更加致密[18]，所以經過短時熱老化處理的XLPE與未老化XLPE相比，電導率變化不明顯。但是隨著熱老化的繼續進行，抗氧劑消耗完畢，XLPE絕緣材料內部的熱裂解反應程度加劇，材料化學結構破壞的程度增大，分子內部的結晶區減少，無定形區增加，產生大量的小分子片段，使得XLPE絕緣材料的電導率增大，絕緣性能下降[18]。

5 結論

試驗通過DCIC-Q(t)獲取了不同熱老化時間的XLPE動態電荷特性、介電常數和電導率特性，得出以下結論。

(1) 在低場強下，XLPE動態電荷不隨時間而上升，試樣內部沒有空間電荷的注入與積聚。隨著場強的不斷提高，熱老化后期的XLPE試樣率先突破空間電荷注入的閾值，電荷量之比k迅速增大，電導率也迅速增大；而熱老化初期XLPE試樣的電荷量之比和電導率雖然也隨著電場強度的上升而增大，但變化幅度較小。

(2) 隨著熱老化時間的增加，電荷量之比、介電常數和電導率均有相同的變化趨勢，即先保持不變后增大，這和XLPE在熱老化過程中的分子鏈交聯與斷裂有關。

(3) 長時間的熱老化劣化了XLPE的電性能，引起介電常數和電導率的上升以及空間電荷的大量注入積聚，降低了直流擊穿場強，最終導致XLPE絕緣擊穿。

(4) DCIC-Q(t)技術獲取了XLPE試樣的電氣參數，分析熱老化對XLPE絕緣的影響規律，可為整體電纜的研究作依據。