國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣高壓交流電纜短時與長時擊穿特性

伍國興，張成巍，陳瀟，徐曙，賈磊，侯帥，展云鵬，朱聞博

（1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510663）

0 引言

高壓電纜是輸電系統(tǒng)電力設(shè)備的重要一環(huán)，加速建設(shè)高壓電纜輸電網(wǎng)是新時代城市化的必然要求。交聯(lián)聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）是目前高壓電纜的主流絕緣材料。目前，我國高壓電纜制造行業(yè)快速發(fā)展，已有能力制造XLPE 絕緣高壓交流輸電電纜［1］。然而，我國XLPE 絕緣料制造工藝仍存在缺陷，使得國產(chǎn)220 kV 電壓等級以上電纜絕緣料性能存在問題，實(shí)際220 kV 電壓等級以上電纜生產(chǎn)所需絕緣料仍主要依賴進(jìn)口。因此，探究國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣料的差異可為我國生產(chǎn)工藝的優(yōu)化方向提供指導(dǎo)。

XLPE 電纜料的微觀結(jié)構(gòu)、復(fù)配過程、潔凈度等的差異都會導(dǎo)致XLPE 絕緣理化性能的差異［2-8］。XLPE 介電性能的差異與理化性能密切相關(guān)。表征國內(nèi)外電纜絕緣理化與介電性能對分析國產(chǎn)XLPE絕緣料缺陷與改進(jìn)方法有重要的指導(dǎo)意義。多位學(xué)者研究了XLPE 絕緣理化性能與短時擊穿特性的關(guān)聯(lián)，文獻(xiàn)［9］對比了220 kV 國產(chǎn)與兩種進(jìn)口絕緣料理化與介電性能，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)XLPE 絕緣雜質(zhì)含量較高、結(jié)晶性能與力學(xué)性能稍差、擊穿特性穩(wěn)定性不足。文獻(xiàn)［10］對比了國產(chǎn)與進(jìn)口110 kV 電纜XLPE絕緣料，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)絕緣料交聯(lián)度較高，這導(dǎo)致了結(jié)晶度與擊穿性能的下降。文獻(xiàn)［11］測試了110 kV XLPE 絕緣料的分子量，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣料的分子量差異較小。長時擊穿特性也是評價XLPE 絕緣性能的關(guān)鍵參數(shù)，在電-熱復(fù)合場的長期作用下XLPE 絕緣會逐漸劣化最終引起擊穿。文獻(xiàn)［12］在老化溫度為90 oC、交流電場強(qiáng)度分別為70 kV/mm 和55 kV/mm 條件下研究了XLPE 電纜的電熱老化特性。文獻(xiàn)［13］采用逐級升壓方式進(jìn)行了兩組電纜的加速電老化試驗(yàn)，建立了電纜壽命模型。文獻(xiàn)［14］研究了XLPE 電纜絕緣單因素與多因素老化模型，比較了Simoni、Ramu、Fallou、Crine 等多模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于可靠性的電纜壽命預(yù)測方法，給出了 XLPE 電纜壽命預(yù)測指標(biāo)體系與系統(tǒng)模型，建立了基于Weibull 分布的電纜可靠性模型。

本文基于國產(chǎn)電纜絕緣料和北歐化工220 kV電纜料兩種代表性材料，針對電纜料服役特性，開展其短時與長時擊穿特性研究，在實(shí)驗(yàn)過程中兩種電纜料的樣品制備過程保證完全一致，以分析兩種材料的性能差異，以期為220 kV 及以上高壓電纜絕緣料國產(chǎn)化替代提供指導(dǎo)。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選取兩根分別采用國產(chǎn)與進(jìn)口絕緣料制造的220 kV 未投運(yùn)XLPE 電纜，這兩根電纜均由同一廠家采用相同工藝制作，以排除電纜制造工藝對絕緣性能的影響。采用車床沿電纜圓周方向?qū)﹄娎|絕緣進(jìn)行分層環(huán)切，獲得厚度為0.23 mm 左右的薄膜試樣，不同試樣使用的車床、刀具與轉(zhuǎn)速均一致。基于所獲得的薄膜試樣全長，將切片根據(jù)徑向位置分為內(nèi)層、中層、外層3 層以研究不同位置電纜絕緣料特性的差異［15］。其中，靠近導(dǎo)體屏蔽的絕緣為內(nèi)層，厚度為10 mm；靠近絕緣屏蔽的絕緣為外層，厚度為8 mm；內(nèi)絕緣和外絕緣之間的絕緣為中層，厚度為7 mm。

圖1 試樣制備示意圖Fig. 1 Sketch diagram of sample preparation

1.2 理化特性測試

1.2.1 PE分子結(jié)構(gòu)測試

采用高溫凝膠色譜法分析國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣料基料的分子量及其分布，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，先在70 ℃下采用無水乙醇萃取兩天以除去國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣料中的交聯(lián)劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 高溫凝膠色譜實(shí)驗(yàn)測試相對分子量及其分布結(jié)果Tab. 1 Relative molecular weight experimental tests of high temperature gel chromatography test and their distribution results

圖2 進(jìn)口和國產(chǎn)絕緣料基料的分子量及其分布Fig. 2 Molecular weight and distribution of imported and domestic insulating materials

表1 中，多分散性系數(shù)PD=Mw/Mn，可用來表征分子量分布的寬窄，PD值高意味著高聚物的長、短支鏈成分比較復(fù)雜，從表1 可以看出進(jìn)口絕緣料的PD值明顯高于國產(chǎn)基料。小分子組分含量的大小對數(shù)均相對分子質(zhì)量影響較大，而大分子組分含量的大小對重均相對分子質(zhì)量影響較大。國產(chǎn)和進(jìn)口絕緣料基料在小分子量分子鏈方面含量比較接近，但進(jìn)口絕緣料的大分子量（長支鏈的主鏈）含量比國產(chǎn)料稍高。

由圖2 絕緣料基料的分子量及其分布曲線可見，國產(chǎn)絕緣料的分子量分布曲線特點(diǎn)是“高瘦”，進(jìn)口絕緣料分布曲線特點(diǎn)是“低胖”，這也印證了進(jìn)口絕緣料的大分子量含量更高。

1.2.2 差式掃描量熱測試

測試采用美國TA 公司的Q2000 型差示掃描量熱儀在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行，溫升區(qū)間為40～140 ℃，升溫速率為10 ℃/min，獲得圖3 所示不同XLPE 試樣的熔融曲線。

圖3 電纜切片試樣示差掃描量熱法曲線Fig. 3 Differential scanning calorimeter curves of cable slicing specimens

基于圖3 提取出不同XLPE 試樣的熔融溫度，并根據(jù)式（1）計(jì)算出結(jié)晶度χc［16］，所獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 XLPE試樣的熔融溫度和結(jié)晶度Tab. 2 Melting temperatures and crystallinities of XLPE specimens

式中：ΔH為XLPE 試樣的熔融熱焓，通過對試樣示差掃描量熱法升溫曲線熔融峰積分得到；ΔH100為XLPE 材料完全結(jié)晶時的熔融熱焓，其值為287.3 J/g。

由圖3 可見，各試樣均存在兩個熔融峰，主熔融峰對應(yīng)試樣中晶體的熔融過程，次熔融峰對應(yīng)XLPE 試樣不完善晶體的熔融過程，國產(chǎn)與進(jìn)口次熔融峰均較小，表明其晶體均較為完善，由表2 數(shù)據(jù)可見，國產(chǎn)與進(jìn)口電纜切片試樣的結(jié)晶度與熔融溫度相差較小，且均是由內(nèi)層到外層逐漸增加，此外，國產(chǎn)XLPE 試樣3 個位置結(jié)晶度與熔融溫度更穩(wěn)定，變化幅度相較進(jìn)口更小。

1.2.3 傅里葉紅外光譜測試

采用美國Thermo Fisher Scientific 公司的Nicolet iS20 型傅里葉變換紅外光譜儀對不同XLPE試樣進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)測試，波數(shù)范圍為500～4 000cm-1，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電纜切片試樣紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of cable slicing specimens

由圖4（a1）、（b1）可見，國產(chǎn)和進(jìn)口XLPE 試樣的內(nèi)、中、外層均在波數(shù)為2 915 cm-1、2 848 cm-1、1 463 cm-1和719 cm-1處存在明顯的特征峰，這是由于XLPE 內(nèi)部特征基團(tuán)-CH2-的伸縮振動或彎曲振動引起的［17-18］。

為突出交聯(lián)副產(chǎn)物的特征官能團(tuán)在XLPE 絕緣中的表征情況，放大了800～1 200 cm-1、1 500～1 700 cm-1與3 300～3 500 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的FTIR特征指紋區(qū)。由圖4（a2）、（b2）可見，各試樣分別在波數(shù)為802 cm-1、1 263 cm-1處存在對應(yīng)芳香環(huán)的特征峰，表明試樣存在DCP 分解副產(chǎn)物，在波數(shù)為1 097 cm-1、1 026 cm-1存在對應(yīng)于醚鍵伸縮振動的特征峰，表明XLPE 絕緣發(fā)生了氧化［19］。由圖4（a2）、（b2）、（a4）、（b4）可見，各試樣在1 640 cm-1、3 391 cm-1處存在特征峰，分別對應(yīng)不飽和基團(tuán)乙烯基、羥基的伸縮振動特征峰，表明試樣中殘留有苯乙酮、α-甲基苯乙烯和枯基醇等交聯(lián)副產(chǎn)物［20-21］。

進(jìn)一步地，對比不同XLPE 試樣特征峰強(qiáng)度可見，國產(chǎn)XLPE 試樣內(nèi)層的特征峰強(qiáng)度最高，表明其內(nèi)層交聯(lián)副產(chǎn)物最多，進(jìn)口XLPE 試樣外層特征峰最為明顯，表明其外層副產(chǎn)物最多。

1.3 短時擊穿特性測試

短時擊穿特性試驗(yàn)采用直電極直徑為25 mm、厚度為4 mm、倒角為2.5 mm 的柱電極，將試樣和電極浸入硅油中防止發(fā)生滑閃。試驗(yàn)選用厚度約230 mm、大小為50 mm×50 mm 的方形試樣。環(huán)境溫度分別為30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃，升壓速率為1 kV/s。每組XLPE 試樣測試10 次，記錄擊穿電壓有效值，并基于Weibull分布分析數(shù)據(jù)。

1.4 長時擊穿特性測試

長時擊穿特性試驗(yàn)電極與試樣尺寸與短時擊穿特性相同，每組XLPE 試樣取10片同時測試為防止XLPE 試樣試驗(yàn)過程中互相影響，將試樣與10 組電極分別放入10 個燒杯中，通過水浴循環(huán)裝置保持燒杯內(nèi)硅油溫度為70 ℃，對試樣施加不同工頻交流電壓，電壓值根據(jù)短時擊穿結(jié)果確定，記錄試樣擊穿時間，求取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 短時擊穿特性

國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣料在不同環(huán)境溫度下的交流擊穿場強(qiáng)Weibull分布如圖5所示。

圖5 30、50、70、90 °C下國產(chǎn)與進(jìn)口電纜切片試樣的交流擊穿Weibull分布Fig. 5 Weibull distributions of AC breakdown of domestic and imported cable slice specimens at 30, 50, 70 and 90 ℃

可見，隨著溫度的升高國產(chǎn)與進(jìn)口不同位置XLPE 試樣的特征擊穿場強(qiáng)均有不同程度的下降。在各溫度下國產(chǎn)XLPE 內(nèi)層與外層擊穿場強(qiáng)普遍較高，進(jìn)口XLPE 內(nèi)層擊穿場強(qiáng)普遍較高，而外層的擊穿場強(qiáng)偏低。

表3 中數(shù)據(jù)為不同溫度環(huán)境下XLPE 試樣在交流電場下的Weibull 分布的形狀參數(shù)、尺寸參數(shù)以及1%概率對應(yīng)的擊穿強(qiáng)場。分析對比國產(chǎn)與進(jìn)口Weibull分布參數(shù)可知，國產(chǎn)XLPE絕緣料形狀參數(shù)明顯小于進(jìn)口絕緣料，且1%擊穿場強(qiáng)也較低，表明國產(chǎn)XLPE 絕緣料短時擊穿特性分散性較大。此外，在30～50 ℃范圍內(nèi)國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣切片特征擊穿場強(qiáng)均優(yōu)于進(jìn)口，其中30 ℃下國產(chǎn)內(nèi)層XLPE 試樣的特征擊穿場強(qiáng)達(dá)到118.74 kV/mm，而進(jìn)口內(nèi)層XLPE 絕緣料的擊穿場強(qiáng)僅為112.85 kV/mm，當(dāng)溫度達(dá)到70～90 ℃時國產(chǎn)XLPE電纜絕緣切片的特征擊穿場強(qiáng)出現(xiàn)低于進(jìn)口的現(xiàn)象，表明國產(chǎn)XLPE 絕緣料隨溫度升高擊穿場強(qiáng)下降較為明顯。上述現(xiàn)象表明國產(chǎn)XLPE 絕緣料擊穿性能穩(wěn)定性稍差。

表3 XLPE試樣交流擊穿Weibull分布參數(shù)Tab. 3 Weibull distribution parameters of the XLPE sample AC breakdown

Kang Sik Park 等人研究發(fā)現(xiàn)，XLPE 絕緣的擊穿點(diǎn)基本都聚集在無定形區(qū)［22］。文獻(xiàn)［23］研究發(fā)現(xiàn)結(jié)晶度的提升一定程度可以改善材料的耐電強(qiáng)度。由本文試驗(yàn)結(jié)果可見，國產(chǎn)XLPE 絕緣料三層絕緣結(jié)晶度相差在0.3%以內(nèi)，小范圍的差異未導(dǎo)致明顯的擊穿強(qiáng)度的差異，國產(chǎn)XLPE 擊穿強(qiáng)度的差異主要由其擊穿特性分散性大引起；進(jìn)口XLPE 絕緣料外層XLPE 絕緣結(jié)晶度最大，中層次之，內(nèi)層最小，但其外層絕緣擊穿強(qiáng)度最低，這可能與其交聯(lián)副產(chǎn)物含量有關(guān)，由FTIR 試驗(yàn)結(jié)果可見，進(jìn)口XLPE 絕緣料外層絕緣交聯(lián)副產(chǎn)物含量最多，中層次之，內(nèi)層絕緣最少，表明進(jìn)口XLPE 絕緣料外層絕緣雜質(zhì)含量最多，導(dǎo)致外層絕緣試樣承受電應(yīng)力時局部電場嚴(yán)重畸變，成為電擊穿通道發(fā)展的起點(diǎn)，使擊穿強(qiáng)度下降。

2.2 長時擊穿特性

根據(jù)2.1 節(jié)國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣交流擊穿測試結(jié)果，1%擊穿場強(qiáng)約為其特征擊穿場強(qiáng)的80%，因此，在進(jìn)行電熱老化試驗(yàn)時取特征擊穿場強(qiáng)的80%作為電老化起始場強(qiáng)并向下逐級降壓進(jìn)行試驗(yàn)。本文的老化試驗(yàn)場強(qiáng)選取國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 特征擊穿場強(qiáng)的80%、75%、70%、67.5%、65%的交流電場。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同場強(qiáng)下試樣失效時間散點(diǎn)圖Fig. 6 Scatter plots of specimens failure time under differentfield strengths

由圖6 可見，隨著外加場強(qiáng)的下降XLPE 試樣擊穿時間不斷增加，且場強(qiáng)越低時間增加幅度越大則試樣擊穿時間越分散。此外，本文發(fā)現(xiàn)在場強(qiáng)較低時存在一部分試樣在很短時間內(nèi)發(fā)生擊穿。這是因?yàn)樵趫鰪?qiáng)較低時放大了試樣內(nèi)部缺陷對試樣失效的影響，場強(qiáng)較高時電應(yīng)力對試樣失效作用較大，所有試樣都在短時間內(nèi)發(fā)生擊穿，場強(qiáng)較低時若試樣存在較多缺陷，在外加高電場作用下短時間內(nèi)即發(fā)生劣化擊穿，若試樣內(nèi)部缺陷較少則會在電熱聯(lián)合作用下緩慢劣化，最終發(fā)生擊穿。

造成XLPE 電纜絕緣老化的應(yīng)力被稱為老化因素，只由一個老化因素引起的老化稱為單因素老化，由一些老化因素同時或順序作用造成的老化稱為多因素老化。不同的老化因素對XLPE 電纜絕緣失效的影響存在差異，可以通過不同單因素老化模型進(jìn)行描述，分為電應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力老化模型。電老化是在電應(yīng)力持續(xù)作用下最終造成絕緣老化擊穿的積累過程。反映電老化一般規(guī)律的電老化定律如式（2）所示［14］。

式中：E為電場強(qiáng)度；t為絕緣壽命；C為常數(shù)；n為電纜壽命指數(shù)，n值越大，電纜承受電應(yīng)力的能力越強(qiáng)。

由式（2）可知某一電場強(qiáng)度E下電纜絕緣的電老化模型可以描述為：

對式（3）兩邊取對數(shù)可得：

則在對數(shù)坐標(biāo)系中將得到一條直線。繪制XLPE 電纜絕緣的ln（E）-ln（t）特性曲線如圖7 所示。可知當(dāng)擊穿時間大于1 000 s時，電老化場強(qiáng)的對數(shù)值與擊穿時間的對數(shù)值滿足線性關(guān)系。基于電纜絕緣的反冪壽命模型對場強(qiáng)與試樣擊穿時間進(jìn)行反冪函數(shù)擬合，獲得國產(chǎn)與進(jìn)口電纜絕緣的壽命模型分別如式（5）—（6）所示，可見國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣壽命模型n值為19.3，略小于進(jìn)口絕緣料n值19.5，表明70 ℃下國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣長期擊穿特性與反冪壽命模型n值相差不大。

圖7 場強(qiáng)與試樣失效時間的非線性擬合圖Fig. 7 Nonlinear fitting plot of field strengths and versus specimens failure times

3 分析與討論

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣所用基料的分子結(jié)構(gòu)與進(jìn)口差異不大，相對分子量及其分布與進(jìn)口料所用基料僅在大分子量處有著含量差異；由DSC 測試結(jié)果可知國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣的結(jié)晶度與進(jìn)口基本相同，僅外層絕緣的表現(xiàn)略微遜色于進(jìn)口絕緣料，國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣料的熔融溫度于進(jìn)口相差小于1 ℃，表明國產(chǎn)XLPE 絕緣的結(jié)晶特性與進(jìn)口相差不大。由FTIR 測試結(jié)果可知國產(chǎn)與進(jìn)口電纜絕緣均存在一定的交聯(lián)副產(chǎn)物與DCP分解產(chǎn)物，根據(jù)吸收峰的高度對比可見二者差別在于國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣內(nèi)層副產(chǎn)物含量最高，而進(jìn)口則外層副產(chǎn)物含量最高，但二者副產(chǎn)物總含量無明顯差異，因此可以認(rèn)為國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣所采用的聚乙烯基料僅在結(jié)晶能力方面略微遜色于進(jìn)口XLPE電纜絕緣的聚乙烯基料。

分析XLPE 不同絕緣層的理化性能與短時擊穿特性的關(guān)聯(lián)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口XLPE 的外層絕緣切片的擊穿場強(qiáng)偏低，特別是在50～70 ℃下明顯低于內(nèi)層和中層絕緣切片，由DSC測試結(jié)果可知外層絕緣結(jié)晶度最高，達(dá)到38.97%，但其交聯(lián)副產(chǎn)物的含量相比內(nèi)層和中層絕緣更高，分析認(rèn)為副產(chǎn)物殘余量與結(jié)晶度共同影響XLPE 絕緣的擊穿性能。對比國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 絕緣短時擊穿特性可知國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣特征擊穿場強(qiáng)與進(jìn)口相差不大，特別是當(dāng)溫度較低（30～50 ℃）時國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣切片特征擊穿場強(qiáng)更高，但國產(chǎn)XLPE 絕緣1%擊穿場強(qiáng)明顯低于進(jìn)口，其絕緣性能穩(wěn)定性相比進(jìn)口稍差，此外，當(dāng)環(huán)境溫度較高（70～90 ℃）時國產(chǎn)XLPE 絕緣擊穿性能相比進(jìn)口絕緣下降較多，這可能與其采用的聚乙烯基料的潔凈度有一定關(guān)系。試樣內(nèi)殘留的少量雜質(zhì)會在試樣承受電應(yīng)力時導(dǎo)致試樣內(nèi)局部電場嚴(yán)重畸變，成為電擊穿通道發(fā)展的起點(diǎn)，最終誘發(fā)體擊穿。因此，國產(chǎn)XLPE 絕緣料的潔凈度與產(chǎn)品一致性還有待提升。

進(jìn)一步地，對比國產(chǎn)與進(jìn)口XLPE 電纜絕緣長時擊穿特性可知國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣壽命模型n值略小，表明70 ℃下國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣的老化速率略快。分析認(rèn)為這是由國產(chǎn)XLPE 絕緣料內(nèi)部缺陷較多導(dǎo)致。當(dāng)試樣內(nèi)部缺陷較多時施加一定電場在缺陷處發(fā)生畸變，使得試樣老化速率加快，則基于反冪函數(shù)擬合的壽命模型n值將會減小。因此，國產(chǎn)XLPE 絕緣的工藝需進(jìn)一步改進(jìn)，提高產(chǎn)品的潔凈度，減少XLPE 絕緣內(nèi)部缺陷，提高其絕緣性能穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文制備了220 kV 國產(chǎn)與進(jìn)口電纜絕緣切片試樣，對比了兩種絕緣料的分子量、熔融和結(jié)晶特性、交聯(lián)副產(chǎn)物含量、短時擊穿特性與長時擊穿特性，得出結(jié)論如下。

1）國產(chǎn)220 kV XLPE 電纜絕緣的分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、熔融溫度以及副產(chǎn)物含量均與進(jìn)口絕緣料無明顯差異。

2）30～50 ℃下國產(chǎn)XLPE 絕緣特征擊穿場強(qiáng)高于進(jìn)口絕緣料，而當(dāng)溫度超過70 ℃時，國產(chǎn)XLPE絕緣特征擊穿場強(qiáng)顯著下降且低于進(jìn)口絕緣料，并且國產(chǎn)XLPE 絕緣料擊穿場強(qiáng)分散性更高，國產(chǎn)XLPE絕緣料擊穿性能穩(wěn)定性差。

3）70 ℃下國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣壽命模型n值為19.3，略小于進(jìn)口絕緣料n值19.5，國產(chǎn)XLPE 電纜絕緣長期擊穿特性與反冪壽命模型n值相差不大。