高壓直流電纜附件用EPDM與XLPE電氣性能匹配關系研究

劉淑軍，吳啟仁，李 棟，朱智恩，呂鵬遠，胡德芳，劉 宇，陳露露

（1.中國三峽新能源（集團）股份有限公司，北京 101199；2.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

高壓直流電纜系統是實現大電網柔性互聯、遠距離大容量輸電和新能源電力規模化利用的關鍵電力設備之一[1-4]。高壓直流電纜系統由電纜和附件組成，由于附件所用絕緣材料與電纜絕緣材料不同，屬于典型的多層介質復合絕緣，存在電導率匹配問題，直流電壓下材料內部的電場取決于電導率，而三元乙丙橡膠（EPDM）電導率較低，導致其內部電場強度是交聯聚乙烯（XLPE）的幾十倍乃至數百倍，遠超過其自身電氣強度，造成電纜附件的擊穿破壞[5-6]。

為了改善直流電纜附件的電場強度分布，何金良等[7]提出了兩種方案，一是從幾何結構上優化電場分布，優化預制橡膠應力錐錐面曲線設計；二是開發與電纜絕緣性能相匹配的附件絕緣材料。對應力錐錐面進行優化設計需要根據實際電纜參數確定，電場優化效果有限，因此優化附件絕緣材料成為解決電場分布不均勻問題的有效方案[8-9]。S DELPINO等[10]研究了XLPE/EPDM雙層絕緣的空間電荷性能，發現當外施場強低于電極注入的閾值場強時，界面電荷的極性取決于兩種介質的介電常數和電導率的匹配程度。王霞等[11]研究了溫度梯度場下SR/XLPE雙層介質中的界面電荷特性，發現當外施平均場強達到15 kV/mm時，雙層介質的界面電荷受到電極注入電荷的影響，不再遵從Maxwell-Wagner極化理論的描述。

雙層介質界面電荷的理論研究已取得諸多進展[12-14]，然而針對高壓直流電纜絕緣與附件絕緣匹配問題還鮮有報道。為解決三峽新能源柔性直流輸電工程實際問題，本文以商業化的北歐化工LS4258DCE電纜料為研究對象，制備3種高壓直流電壓用EPDM，測試XLPE/EPDM雙層介質的電導率、空間電荷和直流電氣強度，研究高壓直流電纜附件用EPDM與XLPE的匹配關系。

1 試驗

1.1 主要原材料

XLPE為北歐化工生產的LS4258DCE；EPDM為實驗室自主研發的高壓直流電纜用附件絕緣材料；EPDM生膠牌號為4045，中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司；煅燒高嶺土Translink 37，德國巴斯夫公司；輕質碳酸鈣，北京德科島金科技有限公司；滑石粉GY950，江陰市廣源超微粉有限公司；其余原材料為市售常規產品。

1.2 試樣制備

試樣配方：EPDM生膠100份；填料80份；氧化鋅5份；硬脂酸1份；炭黑1份；偶聯劑KH-550 2份；石蠟5份；石蠟油10份；防老劑2,2,4-三甲基-1,2-二氫化喹啉聚合體1.5份；交聯劑2.5-二甲基-2.5（叔丁基過氧）己烷3份；助交聯劑聚三烯丙基異三聚氰酸酯1.5份。

制備過程如下：①將EPDM膠粒和填料置于60℃的烘箱處理8 h以去除水分，原材料按照配方稱重；②密煉機開啟冷卻水，投入EPDM生膠和炭黑；③投入1/2的填料和操作油以及全部的助劑；④投入1/2的填料和操作油以及助交聯劑；⑤將密煉機混煉橡膠轉移到開煉機上混煉；⑥將橡膠置于自然環境中冷卻至室溫，放置12 h；⑦將橡膠和交聯劑投入密煉機；⑧將橡膠轉移到開煉機上混煉；⑨將制備好的EPDM絕緣橡膠置于自然環境中冷卻至室溫，放置12 h備用。采用煅燒高嶺土、輕質碳酸鈣和滑石粉制備的EPDM絕緣橡膠分別編號為EPDM-1#、EPDM-2#和EPDM-3#。

將XLPE和EPDM試樣在平板硫化機上進行硫化，為了消除壓制過程中的殘余應力以及交聯副產物，將制成的試樣在70℃的烘箱中進行退火并短路24 h，之后勻速降至室溫。

1.3 測試方法

1.3.1 電導率測試

電導率測試系統如圖1所示，包括直流高壓發生器、高阻計、控溫屏蔽箱以及控溫屏蔽箱內的測試電極。直流高壓發生器的最大輸出電壓為60 kV，最大輸出電流為2 mA，紋波系數≤0.5%；保護電阻的阻值為1×108Ω；高壓電極直徑為100 mm，測量電極直徑為50 mm，保護電極內徑為54 mm、外徑為74 mm，測量電極與保護電極的間隙為2 mm。在40℃條件下，分別測試5、10、15、20、25、30 kV/mm場強下的電導電流。

圖1 電導率測試系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrical conductivity test system structure

絕緣材料電導率計算公式如式（1）所示。

式（1）中：σ為電阻率；t為試樣厚度；I為實測電流；U為施加電壓；S為內電極圓柱面面積，S=2.123 7×10-3m2。

1.3.2 空間電荷測試

采用激光壓力波法測量XLPE與EPDM的界面電荷分布，激光器脈沖波長為1 064 nm，能量為450 mJ，脈寬為3～8 ns，示波器帶寬為200 MHz，采樣速率為1 GSa/s。測試時EPDM接高壓電極，XLPE接地。在40℃條件下，向試樣施加-20 kV/mm的電場，分別測試10、600、1 800 s時的空間電荷分布。

1.3.3 電氣強度測試

直流擊穿試樣直徑均為150 mm的圓形試片，單層XLPE和EPDM試樣厚度為1 mm，XLPE/EPDM雙層試樣每層厚度為0.5 mm。采用擊穿強度測試儀測試材料的直流電氣強度，試驗選用直徑為10 mm的球形電極，在測試過程中試樣浸泡在硅油中，電壓增加速率為1 kV/s，直至試樣擊穿，采用威布爾統計分布對試驗數據進行處理。

試運行期間也發現了不足之處,參數設置錯誤導致的誤報警時有發生,后續初步打算簡化參數設置的內容。再根據臺站的需求增加一些常用的功能,使該軟件不斷優化,進一步滿足業務需求。

2 結果與分析

2.1 電導率

XLPE和EPDM絕緣的電導率與電場強度的關系符合式（2）[15]。

式（2）中：A為常數；E為外加電場強度；γ為電導率電場系數。

對式（2）兩邊取對數，采用雙對數坐標系繪制電導率與電場的關系，如圖2所示。對試驗結果進行線性擬合，擬合直線斜率即為電導率電場系數γ，擬合結果見表1。

圖2 XLPE和EPDM絕緣電導率與電場強度的關系Fig.2 Relationship between electrical conductivity and electric field intensity of XLPE and EPDM

從圖2和表1可以看出，XLPE和EPDM絕緣的電導率隨電場強度的升高而增大，其中XLPE的電導率電場系數大于EPDM。電場強度從5 kV/mm升高到30 kV/mm，XLPE的電導率增大了約1.5個數量級，EPDM的電導率增加了0.5～1個數量級，反映出XLPE對電場較為敏感。

表1 XLPE和EPDM絕緣電導率擬合參數Tab.1 Conductivity fitting parameters of XLPE and EPDM

2.2 空間電荷

圖3為在40℃、-20 kV/mm場強下XLPE與EPDM的界面電荷分布，圖3中的虛線表示電極的位置。從圖3(a)可以看出，在XLPE/EPDM-1#界面區域觀察到少量的正電荷，隨時間持續延長界面電荷密度增加，其值達到0.6 C/m3。在XLPE中存在負電荷的積累，而在EPDM中未檢測到信號。從圖3(b)可以看出，初始階段在XLPE/EPDM-2#界面處檢測到少量負電荷，界面電荷累積量比圖3(a)要少，隨著時間延長界面電荷基本恒定，界面電荷密度為0.2 C/m3。從圖3(c)可以看出，XLPE/EPDM-3#界面上積累大量的負電荷，在1 800 s以上的外加場下隨時間逐漸延長，界面電荷密度達到1.2 C/m3。在XLPE中積累負電荷，在EPDM中積累正電荷。由于兩種介質的電導率與電場不同，當電場發生變化時，電導率與介電常數的匹配關系發生變化，導致界面電荷積累量發生變化。由于XLPE和EPDM的空間電荷特性不同，介質中會產生注入電荷或雜質分離電荷，在外加電場下遷移到界面，界面的極性和電荷密度也會發生變化。

圖3 XLPE/EPDM雙層介質的空間電荷分布Fig.3 Space charge distribution in XLPE/EPDM double layer dielectric

根據Maxwell-Wagner（MW）理論，界面電荷密度κ(t)與介電常數和電導率有關，如式（3）～（4）所示。

式（3）～（4）中：U0為施加電壓；tω為時間常數；ε1和ε2為相對介電常數；σ1和σ2為直流電導率；d1和d2為試樣厚度；t為時間。

利用MW理論可以判斷界面電荷的極性，計算界面電荷密度。由于XLPE和EPDM的介電常數差別不大，那么當EPDM-1#電導率小于XLPE時，界面電荷為正極性；EPDM-2#電導率近似等于XLPE，鮮有界面電荷積累；EPDM-3#電導率大于XLPE時，界面電荷為負極性；理論計算結果與測量結果基本一致。

2.3 電氣強度

式（5）中：P為電氣失效的累積概率；E為電氣強度；β為評估數據離散度的形狀參數；α為表征累積失效概率為63.2%時電氣強度的尺度參數。本文使用α參數的估計量來比較不同樣品的擊穿特性。

圖4為XLPE和EPDM的電氣強度威布爾分布。從圖4可以看出，XLPE的電氣強度為297 kV/mm，遠大于EPDM的電氣強度。表2給出了XLPE和EPDM的電氣強度威布爾分布參數。對于單層的EPDM而言，電導率越小，電氣強度越大，形狀參數越大，說明擊穿數據離散度小。

圖4 XLPE和EPDM電氣強度威布爾分布Fig.4 Electric strength Weibull distribution of XLPE and EPDM

表2 XLPE和EPDM電氣強度威布爾分布參數Tab.2 Electric strength Weibull distribution parameters of XLPE and EPDM

圖5為XLPE/EPDM雙層介質電氣強度威布爾分布，相應的威布爾分布參數見表3。從圖5和表3可以看出，XLPE/EPDM-1#、XLPE/EPDM-2#、XLPE/EPDM-3#3種雙層介質的電氣強度分別為89、103、110 kV/mm，原本電氣強度最大的EPDM-1#試樣，與XLPE組合成雙層試樣后，電氣強度變得最小；原本電氣強度最小的EPDM-3#試樣，與XLPE組合成雙層試樣后，電氣強度變得最大。

表3 XLPE/EPDM雙層介質電氣強度威布爾分布參數Tab.3 Electric strength Weibull distribution parameters of XLPE/EPDM double layer dielectric

圖5 XLPE/EPDM雙層介質電氣強度威布爾分布Fig.5 Electric strength Weibull distribution of XLPE/EPDM double layer dielectric

雙層介質電流密度符合式（6）所示關系。

式（6）中：j為電流密度；σ為材料的電導率；E為電氣強度。

而雙層復合電介質物理模型如圖6所示。

圖6 雙層復合電介質物理模型Fig.6 Double layer composite dielectric physics model

穩態下，每層介質中的電場分布如式（7）～（8）所示。

式（7）～（8）中：d1、σ1、E1和d2、σ2、E2分別為第1層和第2層介質的厚度、電導率和電場強度；U為額定電壓。

在電壓長期作用下，絕緣介質電場分布和介質電導率成反比，EPDM電導率越低，其內部電場強度越大，加上EPDM電氣強度遠小于XLPE，導致EPDM過早擊穿引起雙層介質擊穿，這就解釋了雙層介質的電氣強度小于單層介質。若要達到更好的匹配效果，要求雙層介質內部的電場強度之比等于二者的電導率之比。

3 結論

（1）XLPE和EPDM電導率與電場強度符合冪指數關系，電場從5 kV/mm升高到30 kV/mm，XLPE的電導率增大了約1.5個數量級，EPDM電導率增加了0.5～1個數量級，反映出XLPE對電場較為敏感。

（2）XLPE/EPDM雙層介質界面電荷與其電導率和介電常數有關，當EPDM電導率低于XLPE時，界面電荷為正極性；EPDM電導率近似等于XLPE，鮮有界面電荷積累；當EPDM電導率高于XLPE時，界面電荷為負極性。

（3）XLPE/EPDM雙層介質的電氣強度取決于其自身電導率和電氣強度，若要達到更好的匹配效果，要求雙層介質內部的電場強度之比等于二者的電導率之比。