热循环处理下电缆绝缘空间电荷特性研究

2021-08-31朱文卫王彦峰范星辉刘顺满甘慧辰刘刚

广东电力 2021年8期

朱文卫, 王彦峰, 范星辉, 刘顺满, 甘慧辰, 刘刚

(1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东广州 510080；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510641)

近年来，电力需求量随国民经济的增长日益增加，电力与各行各业紧密连接在一起。作为电力传输的主要通道，高压电缆在运行过程中的绝缘状态变化，是电网运行部门重点关注的内容[1-2]。交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)具有优越的电学、理化和力学性能，其作为高压电缆的绝缘材料，被广泛应用于电力系统输配电网络的建设中[3-4]。

XLPE是由低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)交联而成[5]。目前，国内工业上高压交联电缆绝缘的制备大多采用过氧化物交联法[6]，交联反应产生的交联副产物会以杂质的形式存在于电缆绝缘中。同时，电缆绝缘在交联管内的反应时间有限，有研究表明其在生产过程中往往无法使结晶过程的成核阶段和球晶生长阶段达到稳态[7]。当高压交联电缆投入运行时，其承受的负荷一般较低，导致电缆绝缘层温度远远低于其最高允许运行温度90 ℃，不利于电缆绝缘内部可挥发性杂质的减少和结晶形态的改善，文献[3，7]对退役电缆绝缘进行20次热循环处理，研究发现热处理后电缆绝缘的热-电性能得到提升。

一般认为，电缆绝缘内部的XLPE短链、极性端基及非晶区和晶区界面等缺陷会形成不同能级的陷阱[8]，自由电荷在迁移时很容易入陷成为空间电荷，空间电荷在直流电场下聚集于绝缘材料内部，从而引起材料内部电场的严重畸变[9]，成为直流电缆绝缘设计生产过程中需要解决的问题。相比于直流电场，交流电场下电缆绝缘对其弱点的敏感度更高，绝缘的失效经常发生在其明显劣化之前；因此，交流电缆的空间电荷特性也值得关注[10]。同时，研究电缆在投入运行时空间电荷特性的变化，对于指导新电缆运行和延长电缆使用寿命具有实际意义。

本文选取了国内3个不同电缆厂家生产的交流110 kV XLPE电缆，以热循环的方式模拟电缆实际运行过程中负荷变动造成的热变化过程。在高压交联电缆绝缘最高允许工作温度90 ℃的基础上，设置80 ℃、90 ℃和100 ℃ 3个热循环最高温度，热循环次数设置为20次。通过傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、差示扫描量热(differential scanning calorimetry, DSC)和空间电荷实验结果，分析热循环处理前后电缆试样的空间电荷特性变化情况，初步探究短时适当提高新电缆投运时的绝缘层温度对于提升其绝缘性能的可行性。

1 实验

1.1 试样制备

本文选用国内3个不同电缆厂家(厂家编号定为A、B、C)生产的110 kV XLPE新电缆，电缆绝缘采用过氧化物交联方法，过氧化物交联剂为过氧化二异丙苯(dicumyl peroxide，DCP)。采用交联电缆切片机沿电缆轴向方向进行切片，获得厚度约为0.5 mm的XLPE试样。选取靠近电缆导体的切片试样，将其置于温度调节仪内进行热循环处理。

一次完整的热循环过程包括对试样加热的升温阶段、到达设定最高温度的恒温阶段以及自然冷却至室温的降温阶段，热循环过程温度变化曲线如图1所示。本次试验选取了80 ℃、90 ℃和100 ℃ 3个热循环最高温度，通过控制温度调节仪的升温速率，将升温、恒温阶段的时间分别控制为6 h、2 h。对试样进行20个完整的热循环过程后，得到一系列热循环处理的试样，试样参数说明见表1。

表1 电缆试样参数说明

图1 一次完整热循环过程的温度变化曲线

1.2 实验方法

FTIR实验：采用德国Bruker公司生产的VERTEX 70红外光谱仪对10 mm×10 mm×0.5 mm的试样进行扫描，实验波数范围设置为600～4 000 cm-1，分辨率为0.16 cm-1，信噪比为55 000∶1。

DSC实验：采用德国NETZSCH STA449F3型差示扫描量热仪对5 mg试样进行测试，测试的温度范围为30～140 ℃，升温速率为10 ℃/min，实验过程在N2气氛中进行。

电声脉冲(pulse electro acoustic，PEA)实验：采用的PEA测试系统上下电极分别为半导电材料和铝电极，声耦合剂为硅油。实验设置高压脉冲幅值为500 V，频率为100 Hz，宽度为10 ns。室温下测量时，对试样施加20 min 30 kV/mm的直流电场得到极化阶段的空间电荷分布图，撤去电场后得到10 min的去极化阶段空间电荷分布图。

2 实验结果与分析

2.1 FTIR实验结果与分析

文中以B厂家电缆为例，对热循环处理前后试样的FTIR、DSC和空间电荷分布曲线进行分析。

图2为热循环处理前后B厂家各试样的FTIR曲线。XLPE是一种以亚甲基(—CH2)为特征基团的高分子聚合物，图2中波数为720 cm-1、1 471 cm-1、2 856 cm-1和2 937 cm-1处存在明显的特征吸收峰，这些特征吸收峰是XLPE内部C—C单键或CH2摇摆振动所产生的[11]。文中3个厂家电缆试样均使用DCP作为交联剂，其在交联反应过程中主要分解为苯乙酮、枯基醇和α-甲基苯乙烯[12]。这3种化合物对应的官能团包括苯乙烯基、羰基、羟基，相应的特征吸收峰波数为1 600～1 659 cm-1、1 680～1 770 cm-1、3 371 cm-1。与此同时，羰基还与XLPE在高温和氧气条件下产生的热氧副产物有关[13-14]。

由图2可知，B0试样在波数范围为1 600～1 680 cm-1、1 700～1 760 cm-1存在较高的特征吸收峰，表明B厂家新电缆绝缘试样内部残留较多的交联副产物杂质。B1、B2和B3试样在波数范围为1 600～1 680 cm-1的特征吸收峰较B0明显减弱，B2、B3试样的特征吸收峰处于较低水平，表明试样在经过热循环处理后，其内部的交联副产物含量减少，且交联副产物的挥发程度与热循环最高温度有关。B3试样在1 700～1 760 cm-1内较高的特征吸收峰，可能与其内部抗氧化剂的耗尽以及热氧副产物的产生有关。

图2 热循环处理前后B厂家各试样FTIR曲线

为了定量分析热循环处理前后各试样内部分子结构的变化情况，通过式(1)和(2)分别计算各试样的羰基指数(carbonyl index，CI)和不饱和基指数(unsaturated band index，UBI)[4，15]。

(1)

(2)

式中：KCI为羰基指数；KUBI为不饱和基指数；I1741、I1471、I1635分别为试样在波数1 741 cm-1、1 471 cm-1、1 635 cm-1处的红外吸收峰强度。

热循环处理前后各试样的羰基指数和不饱和基指数见表2。由表2可知，A厂家试样经过80 ℃热循环处理后，CI和UBI均出现增大；其90 ℃、100 ℃热循环处理后，试样的CI减小，UBI增幅减小。UBI的增大表明A厂家试样内部残留有交联剂，其在热刺激的作用下能够产生一定的交联二次反应。B、C厂家试样的UBI在热循环处理后均出现减小，其中，90 ℃、100 ℃热循环处理后UBI明显减小。各试样UBI的变化情况表明一定次数的热循环处理有利于电缆绝缘内部交联副产物等杂质的挥发，CI的变化情况表明热循环处理后电缆绝缘材料未发生明显的热氧老化。

表2 热循环处理前后试样的羰基指数和不饱和基指数

2.2 DSC实验结果与分析

热循环处理前后B厂家各试样的第一次升温热流曲线如图3所示。XLPE是一种半结晶聚合物，其在升温过程的DSC曲线中会出现一个明显的主熔融峰[16]。由图3可知，B厂家试样在经过热循环处理后，低温区出现了次级熔融峰，且随热循环处理温度的升高向高温区移动，逐渐接近主熔融峰。这主要是由于热循环处理过程促进了新的晶片的形成，且晶片随着热循环处理温度的升高不断生长为更厚的晶片。100 ℃热循环处理后，试样的次级熔融峰与主熔融峰融合，熔融峰的形状变得尖锐，且明显向高温区移动。

根据各试样的第一次升温热流曲线，利用式(3)可计算各试样的结晶度X[17]。

(3)

式中：ΔH0为试样熔融焓；ΔHm为XLPE结晶度为100%时的熔融焓，取288 J/g。

热循环处理前后各试样的熔融温度和结晶度如图4所示。由图4(a)可知，A、C厂家试样的熔融温度随着热循环处理温度的增加而升高，B厂家试样在80 ℃、90 ℃热循环处理下熔融温度出现轻微降低，在100 ℃热循环处理后试样的熔融温度升高。由图4(b)可知，热循环处理后，A、B厂家试样的结晶度出现了不同程度的增大，C厂家试样在90 ℃、100 ℃热循环处理下结晶度未发生明显变化。结合图4(a)和(b)可知，一方面试样内部的主结晶结构在热循环处理下得到进一步改善，使得其熔融温度得到提升；另一方面热循环处理使得试样内部新的晶片产生并逐渐生长成较厚的晶片，扩大了结晶区，使其结晶度增大。同时热循环处理温度越高，新产生的晶片厚度越接近已有晶片，晶片厚度分布差异越小。B厂家试样在80 ℃、90 ℃热循环处理下熔融温度的降低与其内部较多次级晶片的生成有关。

图4 热循环处理前后各试样熔融温度和结晶度变化情况

2.3 空间电荷实验结果与分析

2.3.1 空间电荷的积聚特性

热循环处理前后B厂家各试样极化阶段的空间电荷分布如图5所示。

由图5可知，B厂家各试样中阳极和阴极在极化初始时刻就迅速注入了同极性电荷。图5(a)中，随着极化时间的增加，B0试样的阳极正极性电荷峰值不断增加，且在靠近阳极附近处出现异极性电荷积聚，电荷积累量在60 s内达到饱和。图5(b)、(c)和(d)中，B1、B2和B3试样的阳极正极性电荷峰值随极化时间的增加而减小，且在靠近阳极附近处出现正极性电荷注入的现象，其中，B3试样阳极的正极性电荷峰值变化和正极性电荷注入现象较为明显。

在极化过程中，电缆绝缘中异极性电荷一般由其内部的偶极子极化或可电离杂质(抗氧化剂、交联剂残留与交联副产物)在电场作用下电离产生[8，18]。由图5(a)可知，热循环处理前试样内部含有的交联副产物等极性杂质，在高电场的作用下解离成正负离子，并在电场作用下正离子往阴极迁移，负离子往阳极迁移，使得B0试样在阳极处出现异极性电荷积聚。电缆绝缘中同极性电荷通过电场作用注入到试样内部，载流子的形式一般为电子和空穴。在电场作用下，电子以一定速率向阳极方向迁移，空穴则向阴极方向迁移。电子和空穴的动态迁移与试样内部陷阱能级和密度分布有关，由图5(b)、(c)和(d)可知，B1、B2和B3试样在阳极处出现正极性电荷注入现象，表明热循环处理后试样内部陷阱的数目出现增多。

由图5可知，各试样内部的电荷密度在极化初始时刻就迅速达到饱和状态，在极化阶段未出现明显的空间电荷积聚现象，表明热循环处理并没有对电缆绝缘造成严重的内部缺陷。为了进一步对比热循环处理前后试样内部空间电荷积聚量的区别，计算极化20 min时3个厂家各试样平均体电荷密度，其计算方法为[19-20]：

图5 热循环处理前后B厂家各试样极化阶段空间电荷分布

(4)

式中：ρ(t,Ep)为平均体电荷密度；d0与d1分别为下电极和上电极的位置；ρ(x,t,Ep)为试样内部积累的空间电荷密度；t为极化的时间；Ep为极化场强。

图6为3个厂家各试样极化20 min时内部的平均体电荷密度。由图6可知，试样在不同温度热循环处理后，平均体电荷密度出现不同程度的增大，其中，100 ℃热循环处理的增大幅度较80 ℃、90 ℃小，C厂家试样在100 ℃热循环处理后平均体电荷密度出现轻微下降。极化阶段试样平均体电荷密度的变化与其内部形成的陷阱数目有关。交联聚乙烯绝缘内部小分子物质的产生和结晶结构的变化均会形成不同能级的陷阱[21-22]。陷阱俘获附近的自由电荷使之成为空间电荷，空间电荷的积累会对电缆绝缘性能产生很大影响。

图6 极化20 min时各试样平均体电荷密度

结合FTIR实验和DSC实验结果可知：未热循环处理的试样内部含有交联剂残留和交联副产物等杂质，其在电场极化作用下发生电离，导致在极化过程中在电极附近出现异极性电荷积聚。在热循环处理后，可挥发性杂质减少，试样在电极附近的异极性电荷积聚现象明显减弱。与此同时，在热刺激的作用下，一部分极性杂质与聚乙烯分子端基相结合形成极性端基，附着在XLPE大分子链上；XLPE内部游离的自由大分子链段重排，形成次级结晶。XLPE内部的极性端基、晶体结构的不完善等缺陷使得其内部的陷阱数目增多。因此，热循环处理后试样在极化20 min时的平均体电荷密度增大。100 ℃热循环处理下，可挥发性杂质挥发的较充分，生成的晶片厚度接近已有晶片，使得试样内部形成的陷阱数目较少，平均体电荷密度增幅较小。其中，B厂家100 ℃热处理后试样的极化阶段平均体电荷密度较80 ℃减小了29 %。

2.3.2 空间电荷的消散特性

热循环处理前后B厂家各试样去极化阶段的空间电荷分布如图7所示。

图7 热循环处理前后B厂家各试样去极化阶段空间电荷分布

由图7可知，B厂家各试样在两极处积聚的大部分空间电荷在去极化30 s内迅速消散，随着去极化时间的增大，各试样在阴极处均有少量的负极性电荷注入。与此同时，相比于B0试样，B1、B2和B3试样在阳极处出现正极性电荷注入的现象，并逐渐向阴极方向迁移。试样内部正负电荷脱陷并发生复合是造成去极化阶段中电荷衰减的主要原因，热循环处理后各试样在两极处存在同极性电荷的注入与迁移，这可能是由于热循环处理后各试样内部存在深陷阱的形成，且被深陷阱俘获的电荷无法在去极化阶段迅速脱陷回到电极造成的。根据式(4)和图7可绘制如图8所示的B厂家各试样去极化阶段平均体电荷密度变化曲线。由图8可知，各试样内部积聚的大部分空间电荷在去极化初始时刻就迅速脱陷消散。根据陷阱能级理论可知，陷阱俘获的电荷完全脱陷时间与陷阱能级深度成指数关系[23]。因此，热循环处理前后B厂家试样内部仍以浅陷阱为主。

图8 B厂家各试样去极化阶段平均体电荷密度变化

图9为3个厂家各试样去极化10 min时内部的平均体电荷密度。此时，试样内部浅陷阱所俘获的空间电荷已基本消散，残留的电荷量与试样内部深陷阱俘获的空间电荷有关。由图9可知，试样的平均体电荷密度在热循环处理后出现增大，与极化阶段相反，100 ℃热循环处理后试样的平均体电荷密度增幅最大，其中B厂家100 ℃热处理后试样的去极化阶段平均体电荷密度为未热处理的3.1倍。由此可知，热循环处理后试样内部均有深陷阱生成，且100 ℃热循环处理后试样内部生成的深陷阱数目较多。C厂家试样热循环处理后的平均体电荷密度变化情况与A、B厂家存在差异，这可能与电缆厂家的绝缘料来源和生产工艺差异有关。

图9 去极化10 min时各试样平均体电荷密度

电缆在运行过程中，空间电荷在浅陷阱中频繁的脱陷和入陷是导致电缆绝缘性能下降的主要因素[24-25]。图8中B厂家试样的平均体电荷密度在去极化初始时刻迅速衰减，衰减的幅度随热循环处理温度的升高而减小。由FTIR实验可知，B厂家试样含有的交联副产物等极性杂质在较高温度的热循环处理下充分挥发，其内部浅陷阱数目出现减少[26]，极化过程中被浅陷阱俘获的电荷也较少，因此，试样内部平均体电荷密度的衰减幅度随热循环处理温度的升高而减小。由DSC实验可知，电缆绝缘试样在热循环处理后出现次级结晶，结晶区/无定形区界面和结晶区中的化学缺陷是重要的陷阱形成区域，形成的陷阱深度可达1 eV以上[21-22]。次级结晶的结晶形态不完善，使得结晶区/无定形区界面和结晶区中的化学缺陷等缺陷结构增多，从而导致试样内部的深陷阱数目增多，在去极化阶段表现为两极处同极性电荷的注入与迁移。热循环处理的温度越高，试样内部次级结晶生成的片晶厚度越厚，较容易形成深陷阱，使得去极化10 min时的平均体电荷密度较大。