10 kV交流XLPE電纜加速熱老化后交直流絕緣特性分析

石逸雯， 周?chē)?guó)偉， 孟繁博， 張夢(mèng)甜， 洪澤林， 姚廣元， 陳向榮

(1．浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027； 2．國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，浙江 杭州 311121；3．國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009)

0 引 言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流負(fù)荷及分布式能源的大量接入，直流配電網(wǎng)技術(shù)得到快速發(fā)展[1]。然而新建直流配電線(xiàn)路成本高昂，因此，為充分利用原有交流輸電走廊，將交流交聯(lián)聚乙烯配電電纜改為直流運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，交流電纜線(xiàn)路改為直流運(yùn)行常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單極式、雙極式、三極式[2-3]。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)不同，單極式可提高輸送容量，但其接地極的建設(shè)較為困難；雙極式適用于交流線(xiàn)路的多端直流改造，且技術(shù)成熟；而三極式可以較大幅度地提升輸電容量，但該技術(shù)目前尚處在理論研究階段。因此，現(xiàn)有交流電纜改為直流運(yùn)行的實(shí)際工程中，主要采用雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4-5]。

目前，對(duì)于配電網(wǎng)中交流電纜改為直流運(yùn)行的參數(shù)設(shè)計(jì)已有較多研究。于競(jìng)哲等[6]基于空間電荷限制電流理論對(duì)不同運(yùn)行年限的10 kV交流交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電纜試樣進(jìn)行電導(dǎo)電流的測(cè)量，根據(jù)70 ℃時(shí)試樣的閾值場(chǎng)強(qiáng)仿真得到不同直流拓?fù)湎碌闹绷鬟\(yùn)行電壓。胡列翔等[7]對(duì)35 kV和66 kV交流電纜線(xiàn)路采用三線(xiàn)雙極式直流拓?fù)湎碌臏囟葓?chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行熱電耦合仿真，得出隨著交流電壓等級(jí)的升高，直流改造后電纜的最大輸送功率提升倍數(shù)降低。李忠華等[8]指出在直流電壓下絕緣內(nèi)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布取決于材料電導(dǎo)率，而電導(dǎo)率是溫度和場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)，當(dāng)負(fù)荷電流通過(guò)線(xiàn)芯產(chǎn)生的焦耳熱使電纜絕緣形成內(nèi)高外低的溫度梯度。劉士利等[9]通過(guò)仿真分析了66 kV交流XLPE電纜在直流電壓為+66 kV時(shí)絕緣溫差對(duì)電場(chǎng)分布的影響，當(dāng)線(xiàn)芯和絕緣層溫差小時(shí)，絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，當(dāng)溫差較大時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間加壓后，絕緣層中的電場(chǎng)分布出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。

由于10 kV交流XLPE電纜主絕緣中的雜質(zhì)含量較多[10]，在直流電場(chǎng)的作用下，空間電荷的注入和積累將會(huì)導(dǎo)致絕緣內(nèi)電場(chǎng)畸變，且溫度的梯度效應(yīng)會(huì)影響空間電荷的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響絕緣層中電場(chǎng)的分布[11-12]，引起絕緣材料的加速老化甚至擊穿。目前，多數(shù)10 kV交流配網(wǎng)XLPE電纜已經(jīng)投運(yùn)多年，長(zhǎng)時(shí)間的熱場(chǎng)作用使絕緣材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響電纜的絕緣性能[13-14]。而目前關(guān)于熱老化對(duì)10 kV交流配電XLPE電纜改為直流運(yùn)行后電纜絕緣電氣特性的影響研究還較少。

因此，本文選取10 kV交流XLPE電纜為研究對(duì)象，在110 ℃條件下分別老化10天、25天和40天，然后采用車(chē)床和特質(zhì)刀具沿電纜軸向進(jìn)行環(huán)切得到薄片試樣。通過(guò)寬頻介電譜、交直流擊穿、直流電導(dǎo)率、空間電荷實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，研究了不同老化時(shí)間與不同測(cè)試溫度下交流配電XLPE電纜改為直流運(yùn)行后電纜絕緣的電氣特性和電場(chǎng)分布，為10 kV交流XLPE電纜改為直流運(yùn)行后相關(guān)參數(shù)的選取提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本文選取浙江藍(lán)天電纜有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為YJV22-8.7/15 kV-3×300 mm2的10 kV交流XLPE電纜樣段進(jìn)行110 ℃加速熱老化，分別老化了10、25和40天。熱老化結(jié)束后，采用車(chē)床和特質(zhì)刀具沿電纜軸向進(jìn)行環(huán)切，得到厚度約為0.14 mm的薄片試樣。

1.2 電氣測(cè)試

頻域介電譜：采用德國(guó)Novocontrol公司生產(chǎn)的寬頻介電譜儀，測(cè)量溫度為30、50和70 ℃，頻率1 Hz～1 MHz時(shí)試樣的介電特性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)加熱液氮使測(cè)量用腔體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度并保持恒定。

電流密度：采用三電極、Keithley 6517B靜電計(jì)和數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量直流電壓下的電導(dǎo)電流。為了減少外界噪聲的影響，同時(shí)保證測(cè)試溫度的穩(wěn)定，將三電極置于溫度恒定的烘箱中。測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)分別為3、5、8、10、15、20、30和40 kV/mm，每個(gè)溫度與場(chǎng)強(qiáng)下極化和去極化時(shí)間均為30 min。

擊穿實(shí)驗(yàn)：采用直徑25 mm為的球-板電極進(jìn)行測(cè)試，電極浸沒(méi)于變壓器油中以防止發(fā)生沿面閃絡(luò)。在30、50和70 ℃下，以1 000 V/s的升壓速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行10次擊穿實(shí)驗(yàn)，通過(guò)記錄擊穿電壓和擊穿點(diǎn)的厚度，計(jì)算擊穿場(chǎng)強(qiáng)。采用兩參數(shù)威布爾分布對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其公式為

(1)

式中：y為試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；α為尺度參數(shù)，對(duì)應(yīng)擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；β為表征數(shù)據(jù)的分散程度的形狀參數(shù)。

空間電荷：電聲脈沖法(pulse electro-acoustic，PEA)用于測(cè)試材料內(nèi)部的空間電荷分布。在高壓電極(Al)和半導(dǎo)體電極之間放入薄膜試樣，將硅油涂抹于電極與試樣之間，使材料與電極之間的良好接觸并進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)。試樣在30 kV/mm電場(chǎng)下極化30 min，采樣間隔10 s，分別測(cè)量溫度為30、50和70 ℃下試樣內(nèi)部空間電荷的分布。

1.3 電-熱耦合仿真

電纜直埋敷設(shè)是最常見(jiàn)的敷設(shè)方式，且雙極式在正負(fù)極線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，可靈活地轉(zhuǎn)換為單極式直流運(yùn)行。因此本文通過(guò)有限元仿真軟件建立了YJV22-8.7/15 kV-3×300 mm2型號(hào)的電纜在直埋敷設(shè)、雙極式運(yùn)行下的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)耦合仿真模型，研究了交流XLPE電纜改為直流運(yùn)行后溫度為70 ℃時(shí)，不同熱老化時(shí)間下材料電氣特性對(duì)電場(chǎng)分布的影響。電纜的主要尺寸參數(shù)和物理參數(shù)如表1所示。

電流流過(guò)電纜導(dǎo)體線(xiàn)芯產(chǎn)生焦耳熱，電導(dǎo)率受溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響[15]，即

γ(E,T)=Aexp(-φe/(kbT))sinh[(B|E|)/|E|]。

(2)

式中：γ為電導(dǎo)率；E為場(chǎng)強(qiáng)；T為熱力學(xué)溫度；A和B為常數(shù)；φ為活化能；e為電子電荷量；kb為玻爾茲曼常數(shù)。

2 交流特性

2.1 寬頻介電譜

不同老化時(shí)間的試樣在30、50和70 ℃時(shí)介電常數(shù)及介質(zhì)損耗如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部先增加后增速減慢，甚至在30 ℃有下降的趨勢(shì)。30和50 ℃時(shí)，隨著老化時(shí)間的增加，低頻區(qū)介質(zhì)損耗先增加后減小，高頻區(qū)介質(zhì)損耗逐漸增加。此外，隨著電場(chǎng)頻率的增加，未老化與老化10天試樣的介質(zhì)損耗均先減小后增大。隨著測(cè)試溫度的增加，不同老化時(shí)間試樣的介電常數(shù)實(shí)部均呈減小的趨勢(shì)，且介質(zhì)損耗隨頻率變化的波動(dòng)范圍有所增加，低頻處介質(zhì)損耗明顯增大，其最低點(diǎn)逐漸向高頻移動(dòng)。

2.2 交流擊穿

不同老化時(shí)間下XLPE試樣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的威布爾統(tǒng)計(jì)分布如圖2所示。由圖2可知，隨著老化時(shí)間的增加，XLPE試樣的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)先增大后減小，其中老化10天時(shí)交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大，老化40天后試樣的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均小于未老化試樣。隨著測(cè)試溫度的升高，同一老化時(shí)間的XLPE試樣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。30 ℃時(shí)，老化10天的XLPE試樣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)為158.54 kV/mm，50和70 ℃時(shí)其交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別減小至142.25和117.19 kV/mm。

3 直流特性

3.1 直流電導(dǎo)率

不同老化時(shí)間下XLPE試樣的電流密度如圖3所示。隨著老化時(shí)間的增加，不同電場(chǎng)強(qiáng)度下XLPE 試樣的電流密度先減小后增大，其中老化25天時(shí)，XLPE試樣的電流密度最小，老化40天時(shí)，XLPE試樣的電流密度有所增加。同時(shí)，隨著測(cè)試溫度的升高，電流密度也有所增加，且不同老化時(shí)間的XLPE試樣之間的電流密度差異更加明顯。由圖3可知，隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加，不同測(cè)試溫度和老化時(shí)間下，XLPE試樣均存在著兩個(gè)電導(dǎo)區(qū)域，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的高低將其分為歐姆區(qū)A和非歐姆區(qū)B，其中歐姆區(qū)的電流密度斜率約為1，非歐姆區(qū)的電流密度斜率大于2。這是因?yàn)楫?dāng)電極提供的載流子與介質(zhì)內(nèi)傳導(dǎo)的載流子數(shù)量不平衡時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)空間電荷限制電流(space charge limited current，SCLC)效應(yīng)，即流過(guò)介質(zhì)的載流子形成空間電荷積累，使其在傳導(dǎo)過(guò)程中不再符合歐姆定律。歐姆區(qū)與非歐姆區(qū)的拐點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)即為空間電荷開(kāi)始積累的閾值場(chǎng)強(qiáng)，如表2所示。隨著老化時(shí)間的增加，閾值場(chǎng)強(qiáng)先增大后減小，其中老化25天時(shí)閾值場(chǎng)強(qiáng)最大。同時(shí)，隨著測(cè)試溫度的增加，同一老化時(shí)間的XLPE試樣閾值場(chǎng)強(qiáng)有所減小。

表2 不同溫度及老化時(shí)間下XLPE試樣閾值場(chǎng)強(qiáng)

圖2 不同溫度及老化時(shí)間XLPE試樣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Fig.2 AC breakdown strength of XLPE sampleswith different temperatures and aging times

圖3 不同溫度及老化時(shí)間XLPE試樣電流密度分布Fig.3 Current density of XLPE samples with different aging times and temperatures

3.2 直流擊穿

圖4是不同老化時(shí)間下XLPE試樣直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的威布爾統(tǒng)計(jì)分布。由圖4可知，隨著老化時(shí)間的增加，不同溫度下XLPE試樣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，其中老化25天后直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)增大的變化。30 ℃時(shí)未老化試樣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)為484.61 kV/mm，而50 ℃時(shí)未老化試樣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降至266.33 kV/mm，70 ℃時(shí)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步下降為154.04 kV/mm。隨著測(cè)試溫度的增加，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)有所下降，且不同老化時(shí)間的XLPE試樣之間直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的差別有所減小，30 ℃時(shí)最大直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)與最小場(chǎng)強(qiáng)之間相差124.82 kV/mm，而70 ℃時(shí)，兩者之間的差值縮小為46.84 kV/mm。可見(jiàn)，測(cè)試溫度升高時(shí)，老化對(duì)直流擊穿所產(chǎn)生的影響有所減少。

3.3 空間電荷

不同老化時(shí)間的XLPE試樣空間電荷分布如圖5所示。從圖5中可以看出，極化溫度為30 ℃時(shí)，未老化的XLPE試樣內(nèi)部有異極性空間電荷的積累，老化10天時(shí)，試樣內(nèi)部空間電荷積累量減少，但陽(yáng)極和陰極的電荷密度峰值有所增加，老化25天后試樣內(nèi)部及兩極處的電荷密度下降，空間電荷積累現(xiàn)象不明顯，老化40天后，陰極附近出現(xiàn)同極性空間電荷積累，陽(yáng)極電荷密度峰值有所增加，而陰極電荷密度減少。極化溫度為50 ℃時(shí)，與未老化試樣相比，老化10天的XLPE試樣內(nèi)部異極性空間電荷積累量明顯增加，老化25天時(shí)樣的空間電荷積累量減少，老化40天后陰極側(cè)出現(xiàn)同極性空間電荷積累。當(dāng)極化溫度為70 ℃時(shí)，未老化和老化40天后試樣陽(yáng)極處的電荷密度峰值有所下降且向陰極方向偏移。因此，空間電荷積累量隨著測(cè)試溫度的升高而增加；隨著老化時(shí)間的增加，空間電荷逐漸由異極性轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑯O性。

3.4 電場(chǎng)仿真

本文選取70 ℃作為交流電纜改為直流運(yùn)行后的工作溫度[16]，雙極式直流運(yùn)行時(shí)，三相中有兩相分別作為正負(fù)極使用，本文選取±10 kV為正負(fù)極的直流運(yùn)行額定電壓，另一相作為接地極使用，其中僅流過(guò)較小的不平衡電流，可以忽略其發(fā)熱[17]。此時(shí)實(shí)體電纜的熱場(chǎng)分布如圖6所示，可見(jiàn)，越靠近纜芯的絕緣層溫度越高，且絕緣層中溫度出現(xiàn)梯度分布。

XLPE電纜在交、直流運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)的絕緣特性不同，交流電壓使絕緣層電場(chǎng)呈容性分布；而直流電壓下絕緣層電場(chǎng)呈阻性分布，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度與電導(dǎo)率呈反比。不同老化時(shí)間的XLPE絕緣電導(dǎo)率會(huì)影響電纜內(nèi)部的電場(chǎng)分布如圖7所示。當(dāng)XLPE絕緣未發(fā)生老化時(shí)，電纜絕緣層最大場(chǎng)強(qiáng)為2.25 MV/m，熱老化10天和25天后絕緣層最大場(chǎng)強(qiáng)分別為2.37和2.40 MV/m，熱老化40天后絕緣場(chǎng)強(qiáng)2.27 MV/m，電纜絕緣層均為靠近纜芯部分的電場(chǎng)高，遠(yuǎn)離纜芯部分的電場(chǎng)低。

圖4 不同溫度及老化時(shí)間XLPE試樣直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)Fig.4 DC Breakdown strength of XLPE samples with different temperatures and aging times

圖5 不同溫度及老化時(shí)間下XLPE試樣中空間電荷分布Fig.5 Space charge distributions of XLPE samples with different temperatures and aging times

不同熱老化時(shí)間下電纜絕緣層的電場(chǎng)差值如表3所示。由表3可知，未老化時(shí)電纜絕緣層的電場(chǎng)差值為0.06 MV/m，熱老化10天時(shí)電纜絕緣層的差值增加為0.28 MV/m，熱老化25天時(shí)差值最大，為0.34 MV/m，熱老化40天后再次減小為0.10 MV/m。可見(jiàn)，隨著熱老化時(shí)間的增加，電纜絕緣層的電場(chǎng)差值呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。

4 分析與討論

4.1 熱老化對(duì)電纜絕緣交、直流電氣特性影響

XLPE是一種半結(jié)晶聚合物，由長(zhǎng)條片狀晶體和分子鏈堆疊而成的非晶區(qū)構(gòu)成[18-19]。在熱場(chǎng)的作用下XLPE分子鏈發(fā)生斷裂，從而使得XLPE內(nèi)非晶區(qū)與晶區(qū)的界面增大，陷阱數(shù)量增多，同時(shí)隨著老化時(shí)間的增加，XLPE內(nèi)產(chǎn)生了羰基等極性基團(tuán)，增加了分子極性，因此在電場(chǎng)作用下界面極化與偶極子轉(zhuǎn)向極化均得到加強(qiáng)。長(zhǎng)期熱老化后，交聯(lián)副產(chǎn)物進(jìn)一步揮發(fā)，因此30和50 ℃時(shí)，低頻下XLPE試樣隨著老化時(shí)間的增加，其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和介質(zhì)損耗先增大后減小。同時(shí)，溫度升高極性基團(tuán)運(yùn)動(dòng)速率加快，因此介質(zhì)損耗最小值向高頻方向移動(dòng)；但與此同時(shí)，介質(zhì)內(nèi)載流子熱運(yùn)動(dòng)更為劇烈，無(wú)序性增強(qiáng)，極性基團(tuán)等沿電場(chǎng)方向的取向難度增加，因此極化強(qiáng)度減弱，試樣的介電常數(shù)實(shí)部有所減小。熱老化對(duì)介質(zhì)的影響在低頻區(qū)域體現(xiàn)的更為明顯，隨著溫度的升高，載流子更易越過(guò)勢(shì)壘，低頻區(qū)70 ℃時(shí)介質(zhì)損耗較30和50 ℃時(shí)有所增加，且70 ℃時(shí)復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和介質(zhì)損耗均隨老化時(shí)間的增加而增大。

圖6 電纜絕緣熱場(chǎng)分布Fig.6 Cable insulation thermal field distribution

圖7 電纜絕緣層電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution of cable insulation layer

表3 不同老化時(shí)間的電纜絕緣層的電場(chǎng)差值

在熱場(chǎng)的作用下，XLPE試樣非晶區(qū)分子鏈重排，分子鏈的折疊和運(yùn)動(dòng)會(huì)在局部留下“交錯(cuò)點(diǎn)”，此時(shí)載流子的傳輸通道受阻[21]，如圖8所示，這導(dǎo)致老化10天后XLPE試樣的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)小幅增加；載流子移動(dòng)變得困難，相當(dāng)于引入了深陷阱，深陷阱更易捕獲空間電荷，因此老化10天時(shí)空間電荷積累量增多，電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，同時(shí)空間電荷入陷和脫陷所產(chǎn)生的能量會(huì)對(duì)XLPE薄弱的無(wú)定形區(qū)造成破壞，使得其直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)有所下降。深陷阱強(qiáng)化了材料內(nèi)部的電場(chǎng)，提高了電荷的中和能力，因此熱老化25天時(shí)空間電荷積累量減少，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)小幅回升。熱老化40天后，無(wú)定形區(qū)中XLPE大分子鏈斷裂，且交聯(lián)副產(chǎn)物揮發(fā)，分子鏈間交錯(cuò)而成的物理陷阱和老化形成的化學(xué)陷阱減少，載流子通道增加，宏觀上體現(xiàn)為電流密度的增大，此時(shí)試樣的交流和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)均有所下降。

圖8 XLPE試樣微觀形態(tài)示意圖Fig.8 Schematic diagram of XLPE sample microscopic morphology

溫度升高使載流子的遷移速率增加，且獲得更多的能量撞擊分子鏈，同時(shí)試樣內(nèi)部空間電荷發(fā)生更為頻繁的中和現(xiàn)象，內(nèi)部熱量的積累導(dǎo)致試樣的直流和交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)有所下降。且隨著溫度的升高，直流與交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的比值也逐漸減小，如表4所示，30 ℃時(shí)不同熱老化時(shí)間下直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)平均為交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的2.91倍，而50和70 ℃時(shí)比值下降為1.95和1.66倍，因此交流電纜改為直流運(yùn)行后需要考慮運(yùn)行溫度的影響。

表4 不同溫度及老化時(shí)間下直流與交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)比值

4.2 熱老化對(duì)電纜絕緣直流電場(chǎng)分布的影響

直流場(chǎng)下電纜絕緣的電導(dǎo)率受溫度和場(chǎng)強(qiáng)的影響而產(chǎn)生連續(xù)變化，電荷將在絕緣層中沿電導(dǎo)率梯度形成空間分布，進(jìn)而影響絕緣層的電場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[11]指出，溫度系數(shù)α將影響電纜絕緣中電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，即

(3)

其中k與溫度系數(shù)有關(guān)，有

(4)

式中：Ts為內(nèi)屏蔽層溫度；Ti為絕緣層溫度；r為各部分到纜芯圓點(diǎn)的距離；U為所加的直流電壓。

文獻(xiàn)[22]指出，絕緣材料的活化能越小，電導(dǎo)率受溫度的影響越小；且試樣的活化能越小，絕緣中的電場(chǎng)差值越大。根據(jù)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可計(jì)算出試樣的活化能，即

(5)

式中：γ為電導(dǎo)率；a為陷阱間距；e為電子電荷量；n為載流子密度；v0為載流子振動(dòng)頻率；φ為活化能；kb為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

繪制lnγ與1/T關(guān)系曲線(xiàn)，得到Arrhenius圖，其中曲線(xiàn)斜率即為載流子在試樣內(nèi)遷移時(shí)所需的活化能，如圖9所示。隨著老化時(shí)間的增加，XLPE試樣的活化能先減小后增加，此時(shí)電纜絕緣層的電場(chǎng)差值也呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。

圖9 不同老化時(shí)間XLPE試樣活化能曲線(xiàn)Fig.9 Activation energy curves of XLPE samples with different aging times

5 結(jié) 論

1)隨著熱老化時(shí)間的增加，XLPE試樣的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部先增加后增速減慢，高頻區(qū)介質(zhì)損耗逐漸增加，交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)先增加后減小，熱老化10天時(shí)交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大。隨著測(cè)試溫度的增加，不同老化時(shí)間試樣的介電常數(shù)實(shí)部有所減小，介質(zhì)損耗增加。

2)交流配電XLPE電纜熱老化后電流密度先減小后增加，空間電荷積累閾值場(chǎng)強(qiáng)則呈相反變化趨勢(shì)，且試樣內(nèi)積累的空間電荷積累逐漸由異極性轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑯O性。熱老化10天時(shí)空間電荷積累量最大，直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)最小。隨著測(cè)試溫度的增加，同一老化時(shí)間XLPE試樣的直流電導(dǎo)率增加，閾值場(chǎng)強(qiáng)減小。

3)直流電壓下，隨著絕緣試樣活化能減小，絕緣中直流電場(chǎng)差值越大。熱場(chǎng)的持續(xù)作用改善了材料內(nèi)部空間電荷的積聚，有助于均勻電纜絕緣層的電場(chǎng)分布，因此有利于交流電纜直流運(yùn)行的安全穩(wěn)定，為實(shí)際工程中的交流XLPE電纜改為直流運(yùn)行提供借鑒。