220 kV電纜XLPE絕緣材料熱氧老化性能對比

侯帥 傅明利 黎小林 賈磊 朱聞博 章彬 徐曙 伍國興

摘 要：

以進口同級材料為對比，對國產220 kV交聯聚乙烯（XLPE）交流電纜絕緣料開展不同溫度下的熱氧老化實驗，采用紅外光譜、差示掃描量熱法、凝膠含量、機械性能、電氣性能等測試對材料熱氧老化前后性能進行系統研究。結果表明，材料化學成分、結晶性能以及交聯度受老化溫度影響較小，而機械和電氣性能變化明顯。隨著老化溫度升高，進口料羰基指數增大更明顯，2種材料凝膠含量先增大后減小，其中進口料老化前后凝膠含量均相對較低，更容易結晶。機械性能測試表明，進口料熱氧老化性能相對更優，且老化前后均表現出更高的拉伸強度和斷裂伸長率。2種材料熱氧老化后介質損耗因數均上升，但二者差異以及由此導致的絕緣層溫升不大。國產料的交流擊穿場強和電樹枝起始電壓更高，電樹枝生長更為緩慢，且無論老化與否，國產料在耐電性能上均保持明顯優勢。

關鍵詞：交聯聚乙烯；電纜絕緣；熱氧老化；擊穿強度；電樹枝；機械性能

DOI：10.15938/j.emc.2024.04.013

中圖分類號：TM85

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）04-0120-11

收稿日期： 2022-09-30

基金項目：南方電網公司重點科技項目（SZKJXM20190588）

作者簡介：侯 帥（1988—），女，碩士，高級工程師，研究方向為電力電纜及其絕緣材料；

傅明利（1962—），男，博士，教授級高級工程師，研究方向為高電壓設備安全運行、絕緣系統故障診斷和新型絕緣材料應用技術；

黎小林（1963—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向為高壓輸變電設備技術等；

賈 磊（1982—），男，博士，教授級高級工程師，研究方向為高壓輸變電設備與過電壓防雷技術等；

朱聞博（1989—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力電纜運行狀態感知與新型絕緣材料應用等；

章 彬（1974—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向為電力電網主設備運行管理等；

徐 曙（1986—），男，碩士，高級工程師，研究方向為地下電纜隧道和綜合管廊運維管理、輸電數字化建設應用等；

伍國興（1979—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向為變電設備運維管理等。

通信作者：侯 帥

Comparative study on thermal-oxidative aging properties of XLPE insulation for 220 kV cable

HOU Shuai1， FU Mingli1， LI Xiaolin1， JIA Lei1， ZHU Wenbo1， ZHANG Bin2， XU Shu2， WU Guoxing2

（1.Electric Power Research Institute， China Southern Power Grid， Guangzhou 510663， China; 2.Shenzhen Power Supply Bureau， Shenzhen 518000， China）

Abstract：

With the imported material of the same voltage level as a reference， thermal-oxidative aging tests were done at different temperatures for domestically produced 220 kV crosslinked polyethylene （XLPE） AC cable insulating material. The aging behavior of the two materials was systematically characterized by investigation of infrared spectroscopy， differential scanning calorimetry， gel content， mechanical properties and electrical properties. The results show that the chemical composition， crystallization properties and crosslinking properties of the two materials are less affected by aging temperature， while the changes of mechanical and electrical performances are more obvious. As the aging temperature increases， the carbonyl index of imported material increases more obviously， and the gel contents of the two materials increase first and then decrease. The gel content of the imported material is relatively lower regardless of aging， and it is easier to crystallize. The mechanical property test results indicate that the thermal-oxidative aging performance of imported material is relatively better and it shows relatively higher tensile strength and elongation at break under various aging conditions before and after aging. The dielectric loss factors of the two materials increase after thermal-oxidative aging， but the difference between the two materials and the consequent temperature rise of the insulating layer are not significant. The domestic material has higher breakdown strength， higher electrical tree initiation voltage and slower tree growing rate. And regardless of the degree of aging， the domestic material obviously maintains its advantages in electrical strength.

Keywords：crosslinked polyethylene; cable insulation; thermal-oxidative aging; breakdown strength; electrical tree; mechanical property

0 引 言

交聯聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）絕緣電纜具有質量輕、性能好和便于維護等優點，從1 kV低壓電纜到110 kV以上高壓電纜都傾向于使用XLPE作為主絕緣材料［1-3］。然而高壓、超高壓電纜絕緣料市場主要被陶氏和北歐化工兩家公司占有［4］。由于進口料價格高昂，且供貨不穩定，影響國內高壓電纜工程建設。因此，高壓電纜絕緣材料的自主研發與生產成為電力行業可持續發展的迫切需要。

國產高壓電纜絕緣料研制始于本世紀初，雖然起步晚，目前國內已掌握了110 kV等級XLPE絕緣料的生產技術［5］。最早投運的使用國產110 kV XLPE絕緣材料的電纜安全運行已逾11年，應用效果良好，且所有已投運電纜均未出現故障。近年來，隨著國內基礎樹脂材料與生產工藝的不斷進步，國產絕緣材料研發生產已趨于成熟穩定，材料基本性能指標也達到了國外同類產品水平。隨著電網的發展和建設加快，我國220 kV及以上等級高壓電力電纜用絕緣材料研發也提上日程，目前青島漢河電纜公司和萬馬高分子公司均完成了220 kV等級電纜XLPE絕緣材料的研發制造。然而目前該材料尚未投入實際工程應用，電纜材料制品的運行服役特性及相關數據十分匱乏，沒有充分展現國產料性能上的差異。如果能用客觀的數據充分表明國產料在服役特性上能夠達到國外材料水平，并在此基礎上進一步建立起保證材料長期高質量生產的品控機制和評價體系，將會把國產高壓電纜絕緣材料的應用規模和研發水平推向新高度。目前，國內已有學者對國產110 kV以下等級電纜料性能進行分析［6-12］，但220 kV XLPE絕緣材料投產時間尚短，對該材料的性能對比研究相對較少，且大多聚焦于材料的初始電學、加工和機械性能，對老化前后的材料特性缺乏系統研究［10］。若以運行經驗豐富的220 kV進口料為參照，通過深入比較國產與進口料熱氧老化前后的各項性能，不僅能更有力地評價材料耐老化性能，還能進一步獲知材料差距，推動材料改進，對國產220 kV XLPE電纜料的應用也有重要工程實際意義。

本文針對進口和國產2種220 kV交流電纜絕緣料開展不同溫度下的熱氧老化實驗，采用紅外光譜、差示掃描量熱法、凝膠含量測定對材料老化程度進行表征，測試2種材料機械性能和電氣性能在不同老化條件下的演變規律，對比2種材料性能的優劣，可以為國產高壓電纜用XLPE絕緣材料的研發與應用提供理論依據和數據支撐。

1 實驗材料與方法

1.1 試樣制備

實驗材料包括進口220 kV XLPE電纜料（進口料）、國產220 kV XLPE電纜料（國產料）。試樣制備：在110 ℃、60 r/min轉矩流變儀中加入絕緣料顆粒，混煉5 min，該過程模擬了電纜絕緣層制造過程中的材料擠出過程，可使交聯劑、抗氧劑及其他助劑均勻混合，混煉后得到2種未交聯共混物；稱取材料置于不同規格模具中，在110 ℃的平板硫化機中充分預熱，之后在15 MPa下熱壓成型，隨后放入175 ℃平板硫化機中交聯30 min，冷卻后制得固定尺寸試樣，試樣脫模后放入80 ℃真空烘箱中脫氣48 h，去除殘存的交聯反應副產物。

1.2 熱氧老化實驗方法

依據標準JB/T10437—2004中空氣熱老化測試方法進行實驗，將XLPE試樣懸掛于帶有鼓風的熱氧老化箱中，基片轉速設為10 r/min。未老化試樣在室溫下放置相同時間后一同進行測試，避免不同批次試樣制備或測試帶來的影響。高壓電力電纜用XLPE絕緣材料結晶熔融峰溫一般在105～115 ℃［13］。當電纜發生過載時，在過載電流熱沖擊下，電纜絕緣溫度短時內能達到150 ℃以上。為了較全面、系統地對比2種材料的熱氧老化性能，分別選取3個熱氧老化溫度，即熔融溫度之下（100 ℃）和短時過載溫度之上（160 ℃）以及標準規定的135 ℃，老化時間均為168 h。

1.3 性能測試與表征方法

1）紅外光譜：透射模式下，在400～4 000 cm-1波數范圍對老化前后的XLPE試片進行測試，分辨率為2 cm-1，試樣厚度為200 μm。

2）采用差示掃描量熱法（differential scanning calorimeter，DSC）表征老化前后XLPE結晶熔融特性。稱量8±0.5 mg試樣，放入鋁質坩堝，加蓋置于DSC分析儀樣品池，測試過程以高純度氮氣作為保護氣。首先由25 ℃加熱至150 ℃，消除材料的熱歷史影響，在150 ℃下恒溫5 min；隨后以-10 ℃/min速率降溫至25 ℃，期間測試材料結晶過程熱流變化；25 ℃下恒溫5 min后以10 ℃/min速率升溫至150 ℃，期間測試材料熔融過程熱流變化。

3）凝膠含量：依據JB/T 10437—2004標準，將0.3 g試樣裝在鋼絲網中，在110 ℃的二甲苯中加熱萃取12 h，根據萃取前后試樣質量變化計算凝膠含量。

4）機械性能：依據標準GB/T 22078.1—2008和GB/T 2951.11—2008，制備5A型啞鈴試樣，采用電子拉力機測試試樣應力-應變曲線，拉伸速度為250 mm/min，每種材料測試10個試樣，對其拉伸強度和斷裂伸長率取平均值作為最終結果。

5）交流擊穿強度：為避免電極邊緣效應，使用圖1所示環氧樹脂包封電極開展測試。采用線性升壓方式對100 μm薄膜試樣加壓，升壓速率為0.5 kV/s，試樣擊穿時阻容分壓器顯示的電壓U即為擊穿電壓，利用公式E=U/d得到試樣擊穿場強。對每種材料取至少15個試樣進行實驗，對得到的有效數據進行二參數Weibull分布統計處理，以63.2%累計失效概率對應場強作為材料特征擊穿強度。

6）頻域介電譜：室溫下采用Novelcontrol Concept 40型寬頻介電譜儀對熱氧老化前后試樣進行測試，頻段為1～106 Hz，試樣厚度為200 μm。

7）交流電樹枝特性：將XLPE制成10 mm×10 mm×3 mm規格，試樣置于100 ℃烘箱中預熱5 min，在測微尺下插入鎢針，針尖距離試樣底面3±0.1 mm；插針后在試樣底面均勻涂抹銀漆，置于80 ℃真空干燥箱中靜置24 h，消除插針導致的殘余應力。實驗過程中，試樣浸沒在二甲基硅油中，鎢針嵌入銅棒電極連接交流高壓，油槽中的銅板作為地電極與試樣底部的導電漆緊密接觸。電樹枝引發實驗過程中，以0.5 kV/s線性升壓，當顯微鏡中觀測到針尖電樹枝長度達到10 μm時，此刻電壓即為試樣的電樹枝起始電壓；電樹枝生長實驗在引發實驗之后進行，對10個已經起樹的試樣（電樹枝長度小于20 μm）并聯施加8 kV恒定電壓持續90 min，定期拍攝記錄樹枝形貌，以沿針尖方向的最大樹枝平行延展長度記為電樹枝長度。

2 實驗結果分析

2.1 熱氧老化對XLPE微觀結構影響

2.1.1 熱氧老化對XLPE化學成分影響

在氧氣充足的環境中，XLPE熱老化以熱氧降解為主，老化過程中，被消耗的氧主要以C=O羰基和C-O單鍵2種形式存在于聚合物大分子上［14］。圖2為國產料、進口料的紅外吸收光譜，可見熱氧老化后1 720 cm-1處C=O雙鍵伸縮振動引起的吸收峰變化較為明顯，而C-O單鍵吸收峰較為分散且幅值變化微弱。

首先通過羰基指數（carbonyl index，CI）對比評價2種材料的羰基含量變化［15］，結果如圖3所示，老化前2種材料CI基本一致，隨老化溫度升高，進口料CI明顯增加。而國產料CI隨老化溫度變化不明顯，且各個溫度下老化后CI均低于進口料。又根據1 078 cm-1處變化幅度較大的碳氧單鍵吸收峰來判斷，進口料碳氧單鍵含量相對更大。以上現象說明，進口料老化后氧元素含量更大，進口料老化過程中氧的消耗量和氧化反應速率相對較大。

2.1.2 熱氧老化對XLPE結晶性能影響

進口料與國產料結晶參數隨老化溫度變化曲線如圖4所示，其中結晶度的計算方法同文獻［16］。未老化國產料結晶峰溫、熔融峰溫和結晶度均低于進口料，在不同溫度下老化之后，這一規律仍然基本保持。整體上，2種材料結晶性能參數隨老化溫度變化幅度均較小，且除了結晶峰溫之外，其他參數與老化條件之間沒有明確關聯規律。2種材料結晶性能上的差異，在老化尚未發生之前已經存在，這主要歸因于2種材料基礎樹脂大分子結構上的差異［10］。

2.1.3 熱氧老化對XLPE交聯結構影響

老化過程中，大分子鏈結構發生改變會影響XLPE的交聯網絡結構。采用凝膠含量來表征材料交聯度的變化，結果見表1，2種材料老化前后凝膠含量均大于80%，符合絕緣材料標準要求［17］，國產料的凝膠含量始終高于進口料，這是國產料中交聯劑含量較高導致的［10］。隨著老化溫度的升高，2種材料的凝膠含量均呈現先升高后下降的趨勢。

XLPE材料在熱氧老化過程中不僅存在氧化降解反應，同時也發生大分子鏈的再交聯反應，2種反應相互對抗，并共同影響XLPE的交聯程度。在較低老化溫度（100 ℃）下，交聯反應占主導作用，試樣中殘余的未交聯活性成分繼續交聯，而老化的斷鏈作用相對較弱，導致材料交聯度升高。隨著老化溫度的升高，老化的斷鏈作用增強，因此，材料凝膠含量相對降低。

2.2 熱氧老化對XLPE機械性能影響

未老化的2種XLPE材料應力-應變曲線對比如圖5所示，不同溫度老化后2種材料的應力-應變曲線特征與未老化時基本相同。標準規定220 kV電壓等級絕緣材料的拉伸強度不低于17 MPa，斷裂伸長率不低于500%［17］，2種材料的機械性能均滿足標準要求，且在拉伸性能上有較大裕度，其中國產料的拉伸強度和斷裂伸長率相對較小。

XLPE的應力-應變曲線可以大致劃分為3個階段：彈性形變段、應力屈服段和應力強化段。由圖5可知，2種材料的彈性形變區段基本重合，只是國產料的屈服應力相對較低，這是國產料結晶度較低導致的。在應力強化階段2種材料具有明顯差異，國產料的應力強化階段明顯向高應力方向偏移，這主要是由于國產料具有相對更高的交聯密度和較多的大分子鏈纏結所導致的［18］。

不同溫度下熱氧老化168 h后材料的拉伸強度和斷裂伸長率平均值變化如圖6所示。經100和135 ℃老化后，2種XLPE機械性能仍滿足標準規定，且2種材料拉伸強度變化率和斷裂伸長率變化率≤±20%［17］。經160 ℃老化168 h后，2種XLPE材料的拉伸強度變化率分別增加到32.46%、29.46%，斷裂伸長率變化率分別增加至29.5%、27.91%，說明材料發生明顯老化，機械性能受損嚴重。相比之下，無論老化條件如何，進口料均表現出更高的拉伸強度和斷裂伸長率。

2.3 熱氧老化對XLPE交流電氣性能影響

2.3.1 熱氧老化對XLPE擊穿強度影響

熱氧老化前后2種材料特征交流擊穿場強對比如圖7所示，圖中誤差棒為二參數Weibull分布特征值的95%置信區間。在不同條件下，國產料的交流擊穿場強始終優于進口料。在160 ℃老化過程中，進口料的100 μm厚圓形老化試樣在老化箱中先后經歷變脆、嚴重龜裂、斷裂脫落等過程，導致試樣完全損毀無法測試。相比之下，國產料未見龜裂和脆化現象，因此，其160 ℃下的擊穿強度依然保留在較高水平，甚至高于135 ℃下老化的進口料試樣。進口料經過熱氧老化后的擊穿強度下降十分嚴重，但是這一現象并不能真實反應該材料電學性能隨熱氧老化演變規律。老化過程中材料的機械性能顯著下降，對于進口料，雖然其機械性能較好，但凝膠含量低，熱固性相對較差，因此，處于高溫且存在循環空氣的條件下，100 μm厚的薄片試樣會發生反復形變，疊加熱氧老化作用，導致機械性能受損過于嚴重，其真實電學性能已經無法測得。

2.3.2 熱氧老化對XLPE介電性能影響

熱氧老化前后2種XLPE材料的相對介電常數（εr）和介質損耗角正切（tanδ）對比如圖8、圖9所示。老化前，2種材料的εr和tanδ基本不隨頻率而改變，2種材料εr基本一致，國產料tanδ更小，國產料的初始介電性能相對更優。由圖8可見，隨老化溫度升高，2種材料εr均有微弱上升。與未老化試樣相比，2種XLPE試樣老化后50 Hz下的εr變化幅度較小，但老化后XLPE的εr在低頻下出現明顯隨頻率降低而上升的趨勢。這是由于XLPE為非極性分子，本身不存在固有偶極矩，極化形式主要以電子位移極化為主，老化后分子鏈斷裂并與氧結合，產生羰基和醚鍵等極性分子結構，極性分子鏈段的出現使材料在低頻下建立了電子位移極化以外的偶極子轉向松弛極化，從而使εr升高，而隨著頻率的升高，松弛極化難以建立，εr又出現了變小的趨勢［19-20］。

由圖9可知，隨著老化溫度升高，在不同的頻率范圍下，2種XLPE材料的tanδ都有不同程度增加，但2種材料之間對比時，差異并不明顯。此外，2種材料100 ℃老化后tanδ變化遠不如135和160 ℃老化后變化明顯。結合前文實驗結果可知，這是由于100 ℃老化過程中材料內主要發生再交聯反應，僅有較少的分子鏈斷裂，幾乎沒有新的極化形式和泄露電流產生；而135和160 ℃老化過程中，材料內同時發生再交聯和氧化降解，且此時氧化降解占優勢地位，此時分子鏈斷裂并與氧氣結合，在分子中引入非對稱極性化學鍵［21］，產生了新的松弛極化損耗分量，且降解產生的低分子物還會促使材料中電導損耗增大，最終使介質損耗因數升高，尤其在低頻下，當介質損耗以電導損耗為主時，材料的tanδ增大尤為明顯。

2.3.3 電樹枝引發特性

高壓電力電纜絕緣厚度較大，實際情況下大多數絕緣破壞均起始于電樹枝老化，為進一步探究熱氧老化對2種XLPE材料耐電性能的影響，對經過熱氧老化前后的XLPE試樣進行耐電樹枝性能對比分析。熱氧老化前后2種材料特征電樹枝起始電壓（tree initiation voltage，TIV）如圖10所示，圖中誤差棒為TIV二參數Weibull分布特征值的95%置信區間。整體上，國產料TIV始終高于進口料。隨熱氧老化溫度升高，2種材料的TIV均降低。相比未老化時，進口和國產料試樣在160 ℃老化后分別降低22.9%和23.1%。可見，2種材料并未呈現160 ℃老化后擊穿強度那樣大的差距。這也進一步證實，進口料擊穿性能在160 ℃熱氧老化后的急劇下降是機械性能損傷所引起的，并非熱氧老化導致的本征性的電學性能衰減。

圖11為2種材料不同條件下老化后測得的電樹枝典型形貌，整體上2種材料電樹枝形貌相似，呈混合狀結構，相比之下，國產料的電樹枝破壞區域較為集中，進口料電樹枝分布范圍更廣，破壞范圍更大。圖12為2種材料熱氧老化前后電樹枝平均長度隨時間變化趨勢對比圖，可見，無論老化與否以及老化條件如何，國產料的電樹枝生長速率均小于進口料，國產料的耐電樹枝老化能力整體上優于進口料。其中，135 ℃老化后國產料試樣電樹枝生長速率在前期顯著偏低，宏觀上，這是由于電樹枝形貌分散性以及生長過程的強隨機性導致的，由圖11（c）可以看出，國產料試樣電樹枝大多呈現局部較為稠密的叢狀結構，樹枝前端局部叢狀結構將會屏蔽和削弱此處電場，進而抑制電樹枝的快速發展。微觀上，導致電樹枝形貌轉變的原因可能在于該溫度下老化后材料結晶度明顯增大（見圖4），通常對同一種材料而言，結晶度越大，針尖或樹枝進入結晶區概率越高，更容易導致電樹枝發展為局部叢狀結構，最終使得135 ℃下老化后試樣電樹枝生長減緩，直至持續加壓一段時間后，局部放電累計破壞作用使得電樹枝足以突破局部叢狀結構的電場屏蔽作用，電樹枝才恢復快速生長。

3 討 論

3.1 熱氧老化性能歸一化分析

XLPE熱氧老化性能評價通常以某一關鍵性能參數隨老化而偏離初始值的程度來評價，要求這個性能參數既能反映絕緣材料運行中承擔的主要作用，也要在老化過程中呈現規律性明顯劣化，不同材料應該根據其具體工作場合選取評價標準。為了對比評價2種高壓XLPE絕緣材料的熱氧老化性能，對前文測得的老化前后結晶參數、凝膠含量、機械性能、電樹枝特性、介電性能、交流擊穿強度等分別進行歸一化處理，如圖13所示。可見結晶性能和凝膠含量參數隨老化條件變化沒有呈現規律性，且變化幅度小（≤20%），因此，結晶參數和交聯度參數不適宜用作評價老化性能的標準。

此外，可見2種材料介質損耗特性劣化是多種參數中最明顯的，XLPE作為電纜絕緣層使用時，電壓越大，介質損耗的影響越顯著，因此高壓XLPE絕緣電力電纜必須考慮tanδ增大對電纜傳輸容量的影響。傳輸容量I與tanδ的關系為

I=2π2r3cEmaxρΔθρT1－12ωεrε0U0tanδ。（1）

為了分析tanδ增大對電纜運行造成影響的程度，以導體截面為2 500 mm2的YJLW02-Z型220 kV XLPE絕緣電力電纜作為估算模型，已知其傳輸量為1 781 A，線芯滿載損耗為34.73 W/m，未老化時絕緣損耗為1.244 W/m，可見絕緣介質損耗遠小于滿載線芯損耗。與未老化XLPE材料相比，老化后XLPE材料tanδ會增大數倍，假設電纜傳輸容量不變，將不同條件老化后的tanσ變化倍數代入式（1），便可得到絕緣層介質損耗增大后的線芯最高溫度，結果如表2所示，以此可判斷絕緣材料老化后tanδ變大引起的絕緣層溫升情況。

由表2可知，2種材料溫升情況相差微弱，雖然tanδ隨老化因子強化而顯著上升，但由此導致的介質損耗相對于電纜線芯損耗依然小得多，即便是在電纜滿載的情況下，其所導致的線芯最大溫度也只是達到了95.6 ℃，結合測得的XLPE結晶參數可知，該溫度尚未達到材料熔點，不足以對絕緣結構穩定性產生影響。對于嚴重熱氧老化的XLPE絕緣電纜而言，適當限定長期工作最大載流量即可規避由此帶來的問題。雖然材料介電損耗參數變化最明顯，但導致的影響有限，僅是降低輸電效率，不足以對電纜安全運行構成威脅，故認為tanδ的變化不適合作為熱氧老化特性的評價指標。

除以上參數外，2種材料機械性能參數變化最明顯（約30%），其次是擊穿和電樹枝等耐電性能參數。前文論述已經說明，材料160 ℃老化后擊穿場強的劇烈劣化，根源在于材料機械性能的喪失。而電樹枝引發和生長的相關特性變化幅度均比機械性能變化幅度低（≤25%）。由此可知，宜選擇機械性能作為衡量材料熱氧老化性能的判據。最終，由2種材料斷裂伸長率和拉伸強度的歸一化分析可知，在不同老化條件之下，國產料均體現出更顯著的性能衰減，這說明國產料的耐熱氧老化性能相對較差，在熱氧老化性能上仍有改善空間。此外，結合圖11試樣老化前后的顏色變化也能看出，2種材料未老化及100、135 ℃老化后試樣顏色變化不明顯，而160 ℃老化試樣顏色變黃嚴重，且國產料顏色發黃尤為顯著（接近褐色），一般聚合物材料黃變越嚴重，說明材料熱氧老化越嚴重，這也驗證了國產料熱氧老化性能相對稍差的結論。

結合羰基指數測試結果可以發現，熱氧老化后，2種XLPE材料內羰基含量與其機械性能的變化并未表現出相關性，雖然老化后進口料羰基含量顯著高于國產料，但進口料機械性能及其變化率仍低于國產料，這說明羰基指數不能準確表征材料的熱氧老化程度。原因在于：羰基含量只能表征材料老化后產物的化學成分以及老化過程氧化反應速率，但聚合物材料的機械性能受材料凝聚態結構、交聯網絡和化學成分共同影響，而羰基指數又僅是材料化學成分的量度之一，因此，羰基指數僅能輔助材料老化機理的分析。

XLPE絕緣材料熱氧降解及抗氧劑作用機理如圖14所示，可見抗氧劑并不能抑制材料中氧元素含量的增加，只會改變材料中自由基的形式。由此推測，國產料在較低氧元素含量下表現出更快的性能老化，并非源于材料中抗氧劑的功效較差或過早消耗，主要原因可能是國產料大分子中含有更多的弱點結構，如叔碳原子或不飽和鍵等，弱點結構過多會使材料在有限的氧消耗量下，即可發生更多的大分子熱降解，從而導致其熱氧老化性能相對較差。此外，若材料中叔碳原子或不飽和鍵含量較多，還會導致大分子支化度增大、規整性變差，使分子更不容易結晶，這一推測也與材料的結晶性能測試結果相符。在以上化學成分綜合影響下，國產料最終表現為熱氧老化性能相對較差。

3.2 國產與進口220 kV絕緣材料性能特點

本文不僅研究了國產與進口220 kV絕緣材料性能隨熱氧老化條件的變化規律，同時也較全面地提供了多個條件下2款材料的機械性能和電氣性能參數，為對比評價2種材料的性能特點提供了較豐富的數據支持。結果表明，國產料的交聯度較高，而結晶性度較低。國產料的主要性能優勢在于擊穿強度高、耐電樹枝性能好，在經過熱氧老化后，其在上述耐電性能上的優勢仍然大幅保持，而進口料的主要性能優勢則在于機械性能和耐熱氧老化性能。國產220 kV絕緣材料的進一步改進以及更高電壓等級絕緣材料的研發應從基礎樹脂角度入手，減少基礎樹脂中的化學鍵弱點結構，進一步提高材料的機械性能和熱氧老化性能。

4 結 論

針對國產和進口料2種220 kV XLPE絕緣材料，分別在100、135和160 ℃熱氧老化168 h后進行較為全面的性能測試，在不同老化條件下，系統地對比了材料性能及其演變規律。結論如下：

1）2種材料凝膠含量隨著老化溫度升高先增大后減小，進口料老化前后凝膠含量均相對較低，且具有相對更高的結晶度。無論老化條件如何，進口料均表現出更高的拉伸強度和斷裂伸長率。

2）2種材料熱氧老化后介質損耗因數均顯著上升，但二者相差不大，且由其增大導致的絕緣層損耗溫升可控。國產料的交流擊穿場強和電樹枝起始電壓更高，電樹枝生長更為緩慢，且無論老化條件如何，國產料耐電性能上的優勢都能保持。

3）采用歸一化分析對比2種材料各項性能參數隨老化條件的變化趨勢，發現結晶、交聯等性能受老化溫度升高影響較小，而機械和電氣性能下降明顯，其中機械性能參數下降尤為明顯，宜作為高壓電纜XLPE絕緣材料熱氧老化壽命評估中壽終標準的評價指標。

4）220 kV國產XLPE絕緣材料老化前后耐電性能均顯著優于同級別進口料，但其機械性能和熱氧老化性能遜色于進口料，國產料進一步性能改進以及未來更高電壓等級絕緣料研發應對材料大分子中的弱鍵化學基團予以充分關注。

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（編輯：邱赫男）