挤包绝缘高压直流电缆及附件绝缘性能的研究

吴叶平， 顾 金， 吴建东， 兰 莉， 尹 毅

(1.浙江球冠集团有限公司，浙江宁波315823;2.上海交通大学电气工程系，上海200240)

0 引言

挤包绝缘高压直流电缆和附件是直流输电中的关键设备之一，在研究和开发直流电缆及附件绝缘的过程中，空间电荷的形成机制以及对综合绝缘性能的影响一直是科学和工程界共同关心的问题。自从20世纪80年代以来，有很多的论文报道了在电缆绝缘方面的最新研究成果，其中多数的研究者都聚焦在如何抑制电缆绝缘中的空间电荷，而关于附件绝缘的介电特性的研究则少得多［1-3］。根据Maxwell-Wagner的双层介质模型，如果电缆绝缘和附件绝缘的电导率比值与介电常数比值两者相差越大，则双层介质的界面极化越显著，在界面处形成的空间电荷越多，界面处的电场更为集中。而界面处的击穿场强比电缆和附件本体的击穿场强低得多，最终导致电缆和附件界面处发生闪络甚至击穿;此外，界面处的空间电荷即使不会引起界面的瞬时击穿，也会在空间电荷的入陷和脱陷过程中，加速界面处的老化，引起界面击穿场强的降低。由于随着温度和电场的变化，聚合物绝缘材料电导率的变化较其介电常数的变化更加明显［4］，因此降低电缆及附件绝缘材料电导率随温度和电场变化的敏感性是降低界面极化、抑制界面处空间电荷积累的重要途径之一。

基于上述思想，采用两种常用的电缆附件绝缘材料三元乙丙橡胶(EPDM)和硅橡胶(SIR)为基料，在添加了相同质量份数的纳米氧化铝(Al2O3)后，研究了两者在不同温度和电场下的电导率的变化特性。另外为了说明附件和电缆绝缘料电导率和介电常数的匹配性，还以三种商用电缆绝缘材料为例(分别是A、B和C)，研究了两种橡胶绝缘与三种电缆绝缘料之间的电导率的匹配情况，研究表明三元乙丙橡胶和A型电缆绝缘料的配合情况最佳。

1 实验方法

1.1 试样制备

三种型号的低密度聚乙烯(LDPE)，分别为A、B和C，各加入质量份数2.3%的过氧化二异丙苯(DCP)后在密炼机中110°C下密炼10 min，随后在平板硫化机上成型和交联，交联温度和时间分别是185°C和15 min，交联时平板硫化机的压力为25MPa，随后试样冷却至室温，试样的厚度为150 μm左右。

质量份数为2.0%的纳米Al2O3(南京纳米高科技有限公司，粒径30 nm)与质量份数为2.3%的DCP在密炼机中分别与EPDM和SIR密炼共混15 min，其中EPDM的密炼温度为60°C，SIR的密炼温度为90°C。共混后的EPDM和SIR分别在平板硫化机上硫化成型，EPDM和SIR的硫化温度分别是170°C和140°C，硫化时间为20 min。硫化后的EPDM和SIR在真空烘箱中进行二次硫化，硫化温度分别是80°C和150°C，硫化时间为24 h，真空烘箱的压力为100 Pa。EPDM和SIR的厚度为300 μm左右。

1.2 直流电导率的测量

在直流电导率的测量前，所有样品均在真空烘箱中短路24 h，真空烘箱的压力为100 Pa，短路温度为80°C。采用三电极系统测量电导率［5］，测量极、保护极和高压极分别溅射金，保证样品与电极的良好接触，测量仪器采用Keithley 6517A。

2 实验结果与讨论

图1分别是三种电缆绝缘材料A、B、C和EPDM、SIR在不同温度和电场下的电导率。从图1中可以发现，所有试样的电导率随着温度和电场的增加而增加，这符合聚合物绝缘材料的一般规律。

为了定量分析电导率随温度和电场变化的敏感性，在本文中定义两个参数，分别是P1和P2。其中P1是指样品在同一温度下，电场分别为30 kV/mm和1 kV/mm时电导率的比值;P2是指样品在同一电场强度下，温度分别为80°C和30°C时电导率的比值。

按图1测试的数据计算P1和P2，分别如表1和表2所示。成如图2所示的曲线。

图1 不同试样的电导率与温度和电场的关系

表1 同一温度下不同样品的P1值

表2 同一电场下不同样品的P2值

图2 两种橡胶绝缘与三种电缆绝缘分别组成的双层介质在不同温度下的电导率比值与基线的关系

由表1可见，三种电缆绝缘料中，A样品P1值最小;EPDM的P1值比SIR的更小。

从表2中可见，电缆绝缘样品的P2随电场的敏感性比附件样品高;不同样品在相同电场下随温度的变化敏感性较低。然而考虑到电缆绝缘中电场的梯度小于温度梯度的客观事实，温度梯度对电导率的影响不可忽视。

本文实验用电缆绝缘的介电常数(εXLPE)约为2.25，而EPDM 和SIR的介电常数(分别用 εEPDM和εSIR表示)分别为 2.75 和 3.15，因为聚合物的介电常数随温度和电场的变化较小，因此在本文研究的温度和电场范围内认为介电常数基本保持恒定。如果以上述三种电缆绝缘之一作为直流电缆的绝缘，而两种橡胶之一作为附件绝缘，则有εEPDM/εXLPE=1.22，εSIR/εXLPE=1.4。为了抑制电缆绝缘和附件绝缘之间的界面空间电荷，必须使电缆绝缘和附件绝缘的电导率之比 σEPDM/σXLPE和 σSIR/σXLPE分别接近1.22和1.4。一般来说，直流电缆和附件绝缘中的平均工作场强分别低于15 kV/mm和5 kV/mm。如果设定电缆的工作场强为10 kV/mm，附件的工作场强为3 kV/mm，则可以将图1中的数据重新绘制

从图2中可以发现，在整个研究的温度范围内，EPDM与样品A组成的双层介质的电导率之比随温度的变化最接近基线;EPDM和样品A组成的双层介质的电导率之比随温度的变化在低温侧(低于Tc=54°C)时的比值高于基线，而在高温侧时的比值低于基线，呈现出一种交叉和“呼吸”现象。而对于SIR，当温度高于40°C时，它与三种电缆绝缘样品的电导率之比均大大偏离基线，随着温度升高，SIR与电缆绝缘界面之间的空间电荷将大大增加。

假设提高电缆绝缘和附件的设计场强，如电缆绝缘的工作场强为15 kV/mm，附件绝缘的工作场强为5 kV/mm，那么可以从图1的数据中重新绘制附件绝缘和电缆绝缘电导率之比在不同温度下与基线的关系，如图3所示。

从图3可以发现，EPDM与电缆绝缘样品A的电导率之比与基线最接近，并且交叉和“呼吸”现象依然存在，但是临界温度Tc变成了40°C。

尽管通过电导率测量无法定量评估电缆绝缘与附件绝缘之间的界面极化空间电荷，但是它可以用于研究电缆绝缘和附件绝缘在常规温度范围内的电导率变化比值，从而更加直观地分析电缆绝缘和附件绝缘之间介电参数的匹配程度。

图3 两种橡胶绝缘与三种电缆绝缘分别组成的双层介质不同温度下的电导率比值与基线的关系

3 结束语

通过实验研究了三种电缆绝缘材料与两种橡胶绝缘料在不同温度和电场下的电导率，分别取三种电缆绝缘料和两种橡胶绝缘料组成双层介质，分析了电导率在不同温度和电场下的匹配情况。研究表明，以纳米Al2O3改性的EPDM与A型电缆绝缘之间的配合情况最佳，因此认为EPDM比SIR更适合用于高压直流电缆附件绝缘。

［1］Hanley T L，Burford R P，Fleming R J.General review of polymeric insulation for use in HVDC cables［J］.Electrical Insulation Magazine，IEEE，2003，19(1):13-24.

［2］Maekawa Y，Watanabe K，Maruyama S，et al.Research and development of dc ±500 kV extruded cables［C］//International Council on Large Electric Systems(CIGRE)，Paris，France，2002.21-23.

［3］Takada T，Hayase Y，Tanaka Y.Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(1);152-160.

［4］Boggs S，Damon D H，Hjerrild J，et al.Effect of insulation properties on the field grading of solid dielectric DC cable［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(4):454-461.

［5］IEC 60093:1980 Methods of test for volume resistivity and surface resistivity of solid electrical insulating materials［S］.