交聯工藝對XLPE電氣性能影響研究

摘 要：為探究交聯工藝對交聯聚乙烯（XLPE）電纜電氣性能影響，通過X射線衍射實驗、多物理場仿真分析與電氣性能實驗對交聯工藝進行研究。在制備六種不同交聯度的XLPE樣片基礎上，通過X射線衍射實驗得到樣片結晶度，通過高壓實驗平臺得到樣片的擊穿強度與體積電阻率，通過仿真模擬XLPE電纜在生產過程中的偏心度變化。實驗結果表明，交聯條件為150 ℃/20 min和180 ℃/10 min的XLPE樣片交聯度適中，電氣性能較好，絕緣偏心度值較低。分析認為，樣片的電氣性能與交聯度有關，隨著交聯度上升，樣片電氣性能更為優異，但交聯度過大時，局部材料結構不均勻，因此電氣性能下降。綜合分析認為，交聯條件為150 ℃/20 min和180 ℃/10 min的交聯工藝更為適合。

關鍵詞：交聯聚乙烯（XLPE）；晶體尺寸；電氣性能；多物理場仿真；偏心度

中圖分類號：TM215.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.001

0" " 引言

近年來，我國國民經濟快速發展，電力行業作為重要的國民經濟支柱，也隨之發展迅速，前景十分可觀。目前長距離交流輸電電壓等級已經達到1 000 kV，長距離直流輸電電壓等級也達到了±1 100 kV，作為電力安全可靠傳輸的重要保障部分，交聯聚乙烯（XLPE）電纜被大規模投入使用，電力系統對于XLPE電纜絕緣性能的要求也逐漸提高[1]。

研究XLPE電纜絕緣材料的絕緣性能，對高電壓行業的進步具有重要的意義。本文通過改變交聯工藝的反應條件（交聯溫度和時間）來探究其生成的XLPE交聯度與其絕緣性能的關系，進而研究XLPE電纜交聯工藝的最佳條件。當交聯度不適合時，XLPE絕緣性能難以滿足電纜長期工作要求。

絕緣偏心度是XLPE電纜的重要參數之一，絕緣偏心度的大小會影響XLPE電纜的絕緣性能。交聯工藝中不同的溫度選擇與交聯反應不同的時間會影響XLPE電纜的絕緣偏心度，因此，優化交聯工藝的交聯條件，可有效提高其絕緣性能，延長XLPE電纜工作壽命，保障輸配電系統安全穩定運行。

XLPE絕緣材料的體積電阻率和交流擊穿場強可以從不同方面反映其絕緣性能，XLPE電纜絕緣性能隨著體積電阻率與交流擊穿場強的增大而增大，故測量不同交聯條件下的XLPE樣片的體積電阻率和交流擊穿場強對于分析其絕緣性能具有重要的意義。

從微觀結構方面看，XLPE交聯度越大，晶體尺寸越小，晶體尺寸適中時，XLPE絕緣材料的絕緣性能最好。所以，可以通過測量XLPE樣片在不同交聯條件下晶體尺寸大小，表征其絕緣性能的好壞。

1" " 實驗

1.1" " 不同交聯度XLPE樣片制備

樣片制備所用的交聯方式為過氧化物交聯，所需要的原料及使用的設備包括平板硫化機、耐高溫手套、方形鋼板、耐高溫塑料薄片、高純銅板、交聯聚乙烯絕緣料（包含LDPE、氧化劑DCP和抗氧化劑）[2]。交聯模壓設定為15 MPa，模壓不同的交聯時間（10、15、20 min）使試樣發生不同程度的交聯，然后在室溫下加壓15 MPa，冷卻時間10 min。制備得到XLPE樣片實物圖如圖1所示。

1.2" " 交聯度及晶體尺寸測試

實驗儀器為X射線衍射儀，由四部分構成：X射線發生器、測角儀、X射線探測儀和X射線系統控制裝置[3]。X射線衍射源波長為0.154 18 nm；常用管壓為40 kV，管流設定為40 mA；掃描速率為10（°）/min，掃描范圍為10°～30°。

實驗設計參考標準GB/T 23413—2009，實驗樣片按照1.1節所示步驟壓制，厚度為0.1 mm，直徑為10 cm。實驗前，需對樣片真空干燥1 h以確保其適合進行X射線衍射分析，并保持溫度為室溫，設定10-5 Pa的真空度。實驗需保持樣片表面光滑平整，避免造成衍射強度不均勻，并設置X射線衍射儀的掃描范圍和步進角度，確保在2θ（θ為衍射角）范圍內進行掃描。進行實驗儀器的校準，確保X射線衍射儀工作狀態正常。啟動X射線源并等待其穩定后，開始X射線衍射掃描，記錄樣片在不同角度下的衍射圖譜。

晶體尺寸計算所需謝樂公式為：

D=（1）

式中：D為垂直于觀測晶面的晶粒尺寸；K為一個常數，通常取值為0.89；λ為X射線波長；B為衍射峰的半峰寬（FWHM）；θ為衍射角。

1.3" " 交流擊穿實驗

實驗設備采用150 kV工頻耐壓實驗平臺和高壓電壓表；XLPE樣片直徑為10 cm，厚度為0.1 mm；擊穿測試電極為半球形，高壓電極為上電極，接地電極為下電極，直徑均為20 mm，光滑無毛刺，電極系統放置于無雜質變壓器油中。按照順序對不同交聯條件的XLPE樣片進行交流電壓擊穿實驗，以分析交聯工藝對XLPE試樣交聯度和63.2%概率擊穿場強的影響。因絕緣擊穿實驗對XLPE樣片的損害較大，每個樣片僅隨機取3個點進行實驗。考慮到數據處理時威布爾分布所需數量問題，同一交聯條件的樣片需要壓制3片[4]。

實驗線路的連接如圖2所示，高壓電極連接在實驗裝置的高壓端，接地電極在接地端。在XLPE樣片上隨機取一點，固定在實驗裝置中。固定后靜置5 min，除去絕緣油中殘留的氣泡。以1 kV/s的升壓速度升壓，直至樣片至擊穿。樣片擊穿后緩慢降壓，直至降為0。等待1～2 min后進行放電。在每個樣片上隨機取3個點，重復上述實驗3次，直至得到所有樣片的擊穿電壓。

1.4" " 體積電阻率實驗

實驗設備采用大連理工大學絕緣電氣實驗平臺和智能老化箱；XLPE樣片直徑10 cm，厚度0.1 mm；測試時間為30 min；測試直流電壓為10 kV。XLPE絕緣材料的體積電阻率受環境溫度影響較大，故測試的環境溫度選取室溫和90 ℃（XLPE電纜工作環境溫度為90 ℃），形成對照實驗。測試前，需對試樣進行60 ℃真空干燥處理2 h，避免濕度對體積電阻率測試的影響。

實驗設計參考標準GB/T 1410—2006，在室溫下，按照圖3進行實驗電路接線，高壓接口接到實驗裝置的高壓端，低壓端接地。以1 kV/s的速度逐漸升壓至10 kV，等待5 min后電壓穩定，開始輸出測量值，計量間隔為100 ms，一次可測量10組數據，間隔約0.5 min測量一組，一共測10組。實驗完畢后，逐漸降壓至0，等待2 min后放電。重復上述步驟。

將得到的絕緣電阻取算術平均值，體積電阻率的計算公式如下：

ρ=R（2）

式中：ρ為體積電阻率；R為測量電阻值；S為樣片接觸面積；h為樣片厚度。

1.5" " 多物理場仿真

仿真實驗模擬在交聯管道中，隨著交聯溫度、時間的變化，絕緣料的流動偏心度變化。根據標準GB/T 12706—2020，參照三層共擠生產線過程實驗裝置各部分尺寸，利用COMSOL仿真軟件提供的繪圖工具建立幾何仿真模型[5]。

為了模擬XLPE電纜在交聯管道中受重力、溫度的影響及絕緣料的熔融流動狀態，添加層流、水平集、流體傳熱三個物理場，多個物理場進行耦合計算得到仿真計算模型。

從仿真結果讀取數據，偏心度的計算公式如下：

P偏=（tmax-tmin）/tmax（3）

式中：P偏為絕緣偏心度；tmax、tmin分別為絕緣厚度最大值、最小值。

2" " 實驗結果

2.1" " 交聯度及晶體尺寸測試結果

不同交聯條件樣品的XRD衍射圖與通過函數進行擬合的示意圖分別如圖4所示。從圖4中可以看出110晶面衍射峰與200晶面衍射峰位置，進而根據1.2節謝樂公式計算出垂直于110或200晶面方向的晶粒尺寸。

圖5展示了不同條件下XLPE樣片的XRD衍射強度曲線隨反應條件的改變，110晶面衍射峰角度和200晶面衍射峰角度無明顯變化，但衍射峰半峰寬變化明顯。

從表1中可以看出隨著交聯條件的改變，衍射峰半峰寬呈現上升的趨勢。其中反應條件180 ℃/20 min的110晶面衍射峰半峰寬為0.482°，是150 ℃/10 min的1.088倍，200晶面衍射峰半峰寬為0.816°，是150 ℃/10 min的1.113倍。200晶面衍射峰半峰寬數值普遍大于110晶面衍射峰半峰寬。

根據謝樂公式計算出不同交聯條件下壓制的樣片晶體尺寸，圖6為不同交聯條件樣片的晶體尺寸曲線，從圖中可以看出隨交聯溫度和交聯時間的增加，110晶面晶體尺寸和200晶面晶體尺寸逐漸減小，表明樣片的交聯度逐漸增大。另外，110晶面晶體尺寸下降趨勢較為平緩，200晶面晶體尺寸下降趨勢較為陡峭，且110晶面晶體尺寸數值大于200晶面晶體尺寸。150 ℃/20 min與180 ℃/10 min晶體尺寸適中，為正常交聯，晶體尺寸較大為欠交聯，較小為過交聯，均會導致電氣性能下降。

2.2" " 交流擊穿實驗結果

威布爾分布函數是一種連續概率分布函數，形狀參數決定分布密度曲線的基本形狀，體現樣片擊穿場強的分散程度；尺度參數起放大或縮小曲線的作用，表示63.2%擊穿概率下的擊穿場強。

絕緣材料擊穿的威布爾分布模型如下：

P（E）=1-exp-

（4）

式中：P為試樣累計失效率；E為實際測試擊穿場強；E0為材料特征擊穿場強，表示樣片擊穿率達63.2%時的電場強度；β為形狀參數，表征擊穿數據分散程度。

從圖7中得出正常交聯條件150 ℃/20 min的63.2%擊穿場強為154.10 kV/mm，擊穿場強達到欠交聯條件XLPE樣片的1.47倍，為過交聯條件XLPE樣片的1.09倍，欠交聯150 ℃/10 min的擊穿場強僅為104.74 kV/mm。

從表2中可以看出交聯條件為150 ℃/20 min、180 ℃/10 min時形狀參數大于50，說明其數據的分散程度小，擬合曲線程度高，也就是說交聯度適中的XLPE樣片擬合曲線分散程度更低，絕緣分布更加均勻；交聯條件150 ℃/10 min的形狀參數為28.69，其曲線的擬合程度較差；交聯條件180 ℃/15 min的形狀參數達到53.70，其曲線擬合程度較好[6]。

2.3" " 體積電阻率實驗結果

圖8為不同環境溫度下XLPE樣片直流體積電阻率測試結果，不同環境溫度下曲線的走向均為先升高后降低，表明隨著交聯條件的改變，體積電阻率先升高后降低。測試溫度的不同對樣片體積電阻率隨交聯度的變化趨勢影響不大。

從圖8可知，室溫下，反應條件為150 ℃/20 min和180 ℃/10 min的樣片體積電阻率最大，交聯度適中，即樣片的絕緣性能較好；交聯條件為150 ℃/10 min和150 ℃/15 min的樣片因交聯時間不夠，交聯溫度較低，交聯度不夠，導致直流體積電阻率明顯減小，絕緣性能降低；交聯條件為180 ℃/15 min和180 ℃/20 min的樣片因交聯時間過長，交聯溫度較高，交聯度過大，直流體積電阻率也減小，絕緣性能降低。

2.4" " 多物理場仿真結果

圖9中交聯開始時交聯擠出的聚乙烯絕緣料溫度為400 K，外層交聯管道內流體溫度達到600 K，均為設定的加熱溫度。XLPE絕緣料厚度較大，導致其外層溫度高，隨著厚度增加到內層逐漸遞減。隨著時間的增加交聯壁附近的溫度明顯升高，達到500 K以上，說明隨著交聯過程的進行，交聯管道內層的溫度逐漸上升，施加的溫度越來越均勻，與真實的交聯過程相同[7]。

從圖10可以看出，絕緣偏心度隨著交聯條件的變化，呈先減小后增大的趨勢，絕緣性能隨著絕緣偏心度的變化，呈先增大后減小的趨勢[8]。交聯條件為150 ℃/20 min的XLPE電纜絕緣偏心度值為7.1%，符合南方電網8%以內的要求，絕緣性能良好。交聯條件為180 ℃/10 min的XLPE電纜絕緣偏心度值為8.3%，略微大于8%，絕緣性能基本滿足要求。而交聯條件為150 ℃/10 min和180 ℃/20 min的XLPE電纜絕緣偏心度超過了15%，甚至交聯條件為150 ℃/10 min的XLPE電纜絕緣偏心度達到29.7%，超過25%，這兩種交聯條件下所生成的XLPE電纜絕緣偏心度過大，導致絕緣最大和最小厚度差距過大，嚴重影響了其絕緣性能。

3" " 結論

本文選取XLPE絕緣材料作為研究對象，分析了交聯工藝對XLPE絕緣性能的影響，得出了如下結論：

1）交聯條件為150 ℃/20 min、180 ℃/10 min的XLPE電纜絕緣偏心度值滿足要求，而其他XLPE電纜絕緣偏心度超過10%，不符合要求。

2）交聯條件為150 ℃/20 min、180 ℃/10 min的XLPE樣片體積電阻率較大，擊穿場強相對較高，原因是欠交聯和過交聯都會導致電氣性能下降。

3）反應條件為150 ℃/20 min、180 ℃/10 min的XLPE樣片晶體尺寸適中，交聯度適合，絕緣性能更好。

本文對不同交聯條件下XLPE樣片的電氣性能進行了分析，得出反應條件為150 ℃/20 min、180 ℃/10 min的XLPE樣片交聯度適中，絕緣性能更高，可為交聯工藝的參數選取提供一定的參考。

[參考文獻]

[1] 肖紅杰，莫相全，梁國偉，等.不同交聯工藝對硅烷交聯聚乙烯的影響[J].合成材料老化與應用，2021，50（4）：17-19.

[2] 李加才，尚愷，司志成，等.高壓電纜絕緣低密度聚乙烯交聯過程中級數和自催化反應的逆向調控[J].電工技術學報，2024，39（1）：13-22.

[3] 侯帥，傅明利，黎小林，等.添加劑及其含量對交聯聚乙烯高壓電纜絕緣材料性能影響[J].高分子材料科學與工程，2023，39（2）：58-65.

[4] 濮峻嵩，劉曦，馮杰，等.交聯聚乙烯交聯度對材料擊穿強度的影響[J].電測與儀表，2020，57（13）：12-16.

[5] 侯世英，梁家鳴，楊帆，等.交聯程度對XLPE性能影響的分子模擬[J].高電壓技術，2023，49（7）：3062-3071.

[6] 任冬雪，孫小杰，李亞飛.分子結構對交聯聚乙烯熔體流動性的影響[J].合成樹脂及塑料，2022，39（6）：55-59.

[7] JIA Y，MAO Z P，HUANG W X，et al.Effect of temperature and crystallinity on the thermal conductivity of semi-crystalline polymers：A case study of polyethylene[J].Materials Chemistry and Physics，2022，287：126325.

[8] AL-TABBAKH A A，KARATEPE N，AL-ZUBAIDI A B，et al.Crystallite size and lattice strain of lithiated spinel material for rechargeable battery by X-ray diffraction peak broadening analysis[J].International Journal of Energy Research，2019，43（5）：1903-1911.

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：程明亮（1990—），男，黑龍江哈爾濱人，電力工程技術高級工程師，研究方向：電線電纜。