10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

石逸雯， 周国伟， 孟繁博， 张梦甜， 洪泽林， 姚广元， 陈向荣

(1．浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027； 2．国网浙江省电力有限公司超高压分公司，浙江 杭州 311121；3．国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江 杭州 310009)

0 引 言

近年来，随着电力电子技术的发展，直流负荷及分布式能源的大量接入，直流配电网技术得到快速发展[1]。然而新建直流配电线路成本高昂，因此，为充分利用原有交流输电走廊，将交流交联聚乙烯配电电缆改为直流运行的相关技术得到国内外学者的广泛关注。目前，交流电缆线路改为直流运行常采用的拓扑结构有单极式、双极式、三极式[2-3]。不同拓扑结构的技术特点不同，单极式可提高输送容量，但其接地极的建设较为困难；双极式适用于交流线路的多端直流改造，且技术成熟；而三极式可以较大幅度地提升输电容量，但该技术目前尚处在理论研究阶段。因此，现有交流电缆改为直流运行的实际工程中，主要采用双极式拓扑结构[4-5]。

目前，对于配电网中交流电缆改为直流运行的参数设计已有较多研究。于竞哲等[6]基于空间电荷限制电流理论对不同运行年限的10 kV交流交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)电缆试样进行电导电流的测量，根据70 ℃时试样的阈值场强仿真得到不同直流拓扑下的直流运行电压。胡列翔等[7]对35 kV和66 kV交流电缆线路采用三线双极式直流拓扑下的温度场和电场进行热电耦合仿真，得出随着交流电压等级的升高，直流改造后电缆的最大输送功率提升倍数降低。李忠华等[8]指出在直流电压下绝缘内稳态场强分布取决于材料电导率，而电导率是温度和场强的函数，当负荷电流通过线芯产生的焦耳热使电缆绝缘形成内高外低的温度梯度。刘士利等[9]通过仿真分析了66 kV交流XLPE电缆在直流电压为+66 kV时绝缘温差对电场分布的影响，当线芯和绝缘层温差小时，绝缘层内侧电场强度最大，当温差较大时，长时间加压后，绝缘层中的电场分布出现了翻转。

由于10 kV交流XLPE电缆主绝缘中的杂质含量较多[10]，在直流电场的作用下，空间电荷的注入和积累将会导致绝缘内电场畸变，且温度的梯度效应会影响空间电荷的运动，进而影响绝缘层中电场的分布[11-12]，引起绝缘材料的加速老化甚至击穿。目前，多数10 kV交流配网XLPE电缆已经投运多年，长时间的热场作用使绝缘材料的微观结构发生改变，影响电缆的绝缘性能[13-14]。而目前关于热老化对10 kV交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘电气特性的影响研究还较少。

因此，本文选取10 kV交流XLPE电缆为研究对象，在110 ℃条件下分别老化10天、25天和40天，然后采用车床和特质刀具沿电缆轴向进行环切得到薄片试样。通过宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率、空间电荷实验和有限元仿真，研究了不同老化时间与不同测试温度下交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘的电气特性和电场分布，为10 kV交流XLPE电缆改为直流运行后相关参数的选取提供了参考。

1 实验方法

1.1 试样制备

本文选取浙江蓝天电缆有限公司生产的型号为YJV22-8.7/15 kV-3×300 mm2的10 kV交流XLPE电缆样段进行110 ℃加速热老化，分别老化了10、25和40天。热老化结束后，采用车床和特质刀具沿电缆轴向进行环切，得到厚度约为0.14 mm的薄片试样。

1.2 电气测试

频域介电谱：采用德国Novocontrol公司生产的宽频介电谱仪，测量温度为30、50和70 ℃，频率1 Hz～1 MHz时试样的介电特性。实验过程中通过加热液氮使测量用腔体内温度达到设定温度并保持恒定。

电流密度：采用三电极、Keithley 6517B静电计和数据采集装置测量直流电压下的电导电流。为了减少外界噪声的影响，同时保证测试温度的稳定，将三电极置于温度恒定的烘箱中。测试场强分别为3、5、8、10、15、20、30和40 kV/mm，每个温度与场强下极化和去极化时间均为30 min。

击穿实验：采用直径25 mm为的球-板电极进行测试，电极浸没于变压器油中以防止发生沿面闪络。在30、50和70 ℃下，以1 000 V/s的升压速率进行实验分别进行10次击穿实验，通过记录击穿电压和击穿点的厚度，计算击穿场强。采用两参数威布尔分布对击穿场强进行统计分析，其公式为

(1)

式中：y为试样的击穿场强；α为尺度参数，对应击穿概率为63.2%时的击穿场强；β为表征数据的分散程度的形状参数。

空间电荷：电声脉冲法(pulse electro-acoustic，PEA)用于测试材料内部的空间电荷分布。在高压电极(Al)和半导体电极之间放入薄膜试样，将硅油涂抹于电极与试样之间，使材料与电极之间的良好接触并进行信号传导。试样在30 kV/mm电场下极化30 min，采样间隔10 s，分别测量温度为30、50和70 ℃下试样内部空间电荷的分布。

1.3 电-热耦合仿真

电缆直埋敷设是最常见的敷设方式，且双极式在正负极线路发生故障时，可灵活地转换为单极式直流运行。因此本文通过有限元仿真软件建立了YJV22-8.7/15 kV-3×300 mm2型号的电缆在直埋敷设、双极式运行下的温度场和电场耦合仿真模型，研究了交流XLPE电缆改为直流运行后温度为70 ℃时，不同热老化时间下材料电气特性对电场分布的影响。电缆的主要尺寸参数和物理参数如表1所示。

电流流过电缆导体线芯产生焦耳热，电导率受温度和电场强度的影响[15]，即

γ(E,T)=Aexp(-φe/(kbT))sinh[(B|E|)/|E|]。

(2)

式中：γ为电导率；E为场强；T为热力学温度；A和B为常数；φ为活化能；e为电子电荷量；kb为玻尔兹曼常数。

2 交流特性

2.1 宽频介电谱

不同老化时间的试样在30、50和70 ℃时介电常数及介质损耗如图1所示。从图1中可以看出，随着老化时间的增加，复介电常数实部先增加后增速减慢，甚至在30 ℃有下降的趋势。30和50 ℃时，随着老化时间的增加，低频区介质损耗先增加后减小，高频区介质损耗逐渐增加。此外，随着电场频率的增加，未老化与老化10天试样的介质损耗均先减小后增大。随着测试温度的增加，不同老化时间试样的介电常数实部均呈减小的趋势，且介质损耗随频率变化的波动范围有所增加，低频处介质损耗明显增大，其最低点逐渐向高频移动。

2.2 交流击穿

不同老化时间下XLPE试样交流击穿场强的威布尔统计分布如图2所示。由图2可知，随着老化时间的增加，XLPE试样的交流击穿场强先增大后减小，其中老化10天时交流击穿场强最大，老化40天后试样的交流击穿场强均小于未老化试样。随着测试温度的升高，同一老化时间的XLPE试样交流击穿场强下降。30 ℃时，老化10天的XLPE试样交流击穿场强为158.54 kV/mm，50和70 ℃时其交流击穿场强分别减小至142.25和117.19 kV/mm。

3 直流特性

3.1 直流电导率

不同老化时间下XLPE试样的电流密度如图3所示。随着老化时间的增加，不同电场强度下XLPE 试样的电流密度先减小后增大，其中老化25天时，XLPE试样的电流密度最小，老化40天时，XLPE试样的电流密度有所增加。同时，随着测试温度的升高，电流密度也有所增加，且不同老化时间的XLPE试样之间的电流密度差异更加明显。由图3可知，随着场强的增加，不同测试温度和老化时间下，XLPE试样均存在着两个电导区域，根据场强的高低将其分为欧姆区A和非欧姆区B，其中欧姆区的电流密度斜率约为1，非欧姆区的电流密度斜率大于2。这是因为当电极提供的载流子与介质内传导的载流子数量不平衡时，将会出现空间电荷限制电流(space charge limited current，SCLC)效应，即流过介质的载流子形成空间电荷积累，使其在传导过程中不再符合欧姆定律。欧姆区与非欧姆区的拐点处的场强即为空间电荷开始积累的阈值场强，如表2所示。随着老化时间的增加，阈值场强先增大后减小，其中老化25天时阈值场强最大。同时，随着测试温度的增加，同一老化时间的XLPE试样阈值场强有所减小。

表2 不同温度及老化时间下XLPE试样阈值场强

图2 不同温度及老化时间XLPE试样交流击穿场强Fig.2 AC breakdown strength of XLPE sampleswith different temperatures and aging times

图3 不同温度及老化时间XLPE试样电流密度分布Fig.3 Current density of XLPE samples with different aging times and temperatures

3.2 直流击穿

图4是不同老化时间下XLPE试样直流击穿场强的威布尔统计分布。由图4可知，随着老化时间的增加，不同温度下XLPE试样的直流击穿场强均呈现先减小后增大再减小的变化趋势，其中老化25天后直流击穿场强出现增大的变化。30 ℃时未老化试样的直流击穿场强为484.61 kV/mm，而50 ℃时未老化试样的直流击穿场强下降至266.33 kV/mm，70 ℃时直流击穿场强进一步下降为154.04 kV/mm。随着测试温度的增加，直流击穿场强有所下降，且不同老化时间的XLPE试样之间直流击穿场强的差别有所减小，30 ℃时最大直流击穿场强与最小场强之间相差124.82 kV/mm，而70 ℃时，两者之间的差值缩小为46.84 kV/mm。可见，测试温度升高时，老化对直流击穿所产生的影响有所减少。

3.3 空间电荷

不同老化时间的XLPE试样空间电荷分布如图5所示。从图5中可以看出，极化温度为30 ℃时，未老化的XLPE试样内部有异极性空间电荷的积累，老化10天时，试样内部空间电荷积累量减少，但阳极和阴极的电荷密度峰值有所增加，老化25天后试样内部及两极处的电荷密度下降，空间电荷积累现象不明显，老化40天后，阴极附近出现同极性空间电荷积累，阳极电荷密度峰值有所增加，而阴极电荷密度减少。极化温度为50 ℃时，与未老化试样相比，老化10天的XLPE试样内部异极性空间电荷积累量明显增加，老化25天时样的空间电荷积累量减少，老化40天后阴极侧出现同极性空间电荷积累。当极化温度为70 ℃时，未老化和老化40天后试样阳极处的电荷密度峰值有所下降且向阴极方向偏移。因此，空间电荷积累量随着测试温度的升高而增加；随着老化时间的增加，空间电荷逐渐由异极性转变为同极性。

3.4 电场仿真

本文选取70 ℃作为交流电缆改为直流运行后的工作温度[16]，双极式直流运行时，三相中有两相分别作为正负极使用，本文选取±10 kV为正负极的直流运行额定电压，另一相作为接地极使用，其中仅流过较小的不平衡电流，可以忽略其发热[17]。此时实体电缆的热场分布如图6所示，可见，越靠近缆芯的绝缘层温度越高，且绝缘层中温度出现梯度分布。

XLPE电缆在交、直流运行时呈现的绝缘特性不同，交流电压使绝缘层电场呈容性分布；而直流电压下绝缘层电场呈阻性分布，此时电场强度与电导率呈反比。不同老化时间的XLPE绝缘电导率会影响电缆内部的电场分布如图7所示。当XLPE绝缘未发生老化时，电缆绝缘层最大场强为2.25 MV/m，热老化10天和25天后绝缘层最大场强分别为2.37和2.40 MV/m，热老化40天后绝缘场强2.27 MV/m，电缆绝缘层均为靠近缆芯部分的电场高，远离缆芯部分的电场低。

图4 不同温度及老化时间XLPE试样直流击穿场强Fig.4 DC Breakdown strength of XLPE samples with different temperatures and aging times

图5 不同温度及老化时间下XLPE试样中空间电荷分布Fig.5 Space charge distributions of XLPE samples with different temperatures and aging times

不同热老化时间下电缆绝缘层的电场差值如表3所示。由表3可知，未老化时电缆绝缘层的电场差值为0.06 MV/m，热老化10天时电缆绝缘层的差值增加为0.28 MV/m，热老化25天时差值最大，为0.34 MV/m，热老化40天后再次减小为0.10 MV/m。可见，随着热老化时间的增加，电缆绝缘层的电场差值呈现先增加后减小的变化趋势。

4 分析与讨论

4.1 热老化对电缆绝缘交、直流电气特性影响

XLPE是一种半结晶聚合物，由长条片状晶体和分子链堆叠而成的非晶区构成[18-19]。在热场的作用下XLPE分子链发生断裂，从而使得XLPE内非晶区与晶区的界面增大，陷阱数量增多，同时随着老化时间的增加，XLPE内产生了羰基等极性基团，增加了分子极性，因此在电场作用下界面极化与偶极子转向极化均得到加强。长期热老化后，交联副产物进一步挥发，因此30和50 ℃时，低频下XLPE试样随着老化时间的增加，其复介电常数实部和介质损耗先增大后减小。同时，温度升高极性基团运动速率加快，因此介质损耗最小值向高频方向移动；但与此同时，介质内载流子热运动更为剧烈，无序性增强，极性基团等沿电场方向的取向难度增加，因此极化强度减弱，试样的介电常数实部有所减小。热老化对介质的影响在低频区域体现的更为明显，随着温度的升高，载流子更易越过势垒，低频区70 ℃时介质损耗较30和50 ℃时有所增加，且70 ℃时复介电常数实部和介质损耗均随老化时间的增加而增大。

图6 电缆绝缘热场分布Fig.6 Cable insulation thermal field distribution

图7 电缆绝缘层电场分布Fig.7 Electric field distribution of cable insulation layer

表3 不同老化时间的电缆绝缘层的电场差值

在热场的作用下，XLPE试样非晶区分子链重排，分子链的折叠和运动会在局部留下“交错点”，此时载流子的传输通道受阻[21]，如图8所示，这导致老化10天后XLPE试样的交流击穿场强小幅增加；载流子移动变得困难，相当于引入了深陷阱，深陷阱更易捕获空间电荷，因此老化10天时空间电荷积累量增多，电场畸变严重，同时空间电荷入陷和脱陷所产生的能量会对XLPE薄弱的无定形区造成破坏，使得其直流击穿场强有所下降。深陷阱强化了材料内部的电场，提高了电荷的中和能力，因此热老化25天时空间电荷积累量减少，直流击穿场强小幅回升。热老化40天后，无定形区中XLPE大分子链断裂，且交联副产物挥发，分子链间交错而成的物理陷阱和老化形成的化学陷阱减少，载流子通道增加，宏观上体现为电流密度的增大，此时试样的交流和直流击穿场强均有所下降。

图8 XLPE试样微观形态示意图Fig.8 Schematic diagram of XLPE sample microscopic morphology

温度升高使载流子的迁移速率增加，且获得更多的能量撞击分子链，同时试样内部空间电荷发生更为频繁的中和现象，内部热量的积累导致试样的直流和交流击穿场强有所下降。且随着温度的升高，直流与交流击穿场强的比值也逐渐减小，如表4所示，30 ℃时不同热老化时间下直流击穿场强平均为交流击穿场强的2.91倍，而50和70 ℃时比值下降为1.95和1.66倍，因此交流电缆改为直流运行后需要考虑运行温度的影响。

表4 不同温度及老化时间下直流与交流击穿场强比值

4.2 热老化对电缆绝缘直流电场分布的影响

直流场下电缆绝缘的电导率受温度和场强的影响而产生连续变化，电荷将在绝缘层中沿电导率梯度形成空间分布，进而影响绝缘层的电场分布。文献[11]指出，温度系数α将影响电缆绝缘中电场强度的大小，即

(3)

其中k与温度系数有关，有

(4)

式中：Ts为内屏蔽层温度；Ti为绝缘层温度；r为各部分到缆芯圆点的距离；U为所加的直流电压。

文献[22]指出，绝缘材料的活化能越小，电导率受温度的影响越小；且试样的活化能越小，绝缘中的电场差值越大。根据电导率与温度的关系可计算出试样的活化能，即

(5)

式中：γ为电导率；a为陷阱间距；e为电子电荷量；n为载流子密度；v0为载流子振动频率；φ为活化能；kb为玻尔兹曼常数；T为热力学温度。

绘制lnγ与1/T关系曲线，得到Arrhenius图，其中曲线斜率即为载流子在试样内迁移时所需的活化能，如图9所示。随着老化时间的增加，XLPE试样的活化能先减小后增加，此时电缆绝缘层的电场差值也呈现先增加后减小的变化趋势。

图9 不同老化时间XLPE试样活化能曲线Fig.9 Activation energy curves of XLPE samples with different aging times

5 结 论

1)随着热老化时间的增加，XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢，高频区介质损耗逐渐增加，交流击穿场强先增加后减小，热老化10天时交流击穿场强最大。随着测试温度的增加，不同老化时间试样的介电常数实部有所减小，介质损耗增加。

2)交流配电XLPE电缆热老化后电流密度先减小后增加，空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势，且试样内积累的空间电荷积累逐渐由异极性转变为同极性。热老化10天时空间电荷积累量最大，直流击穿场强最小。随着测试温度的增加，同一老化时间XLPE试样的直流电导率增加，阈值场强减小。

3)直流电压下，随着绝缘试样活化能减小，绝缘中直流电场差值越大。热场的持续作用改善了材料内部空间电荷的积聚，有助于均匀电缆绝缘层的电场分布，因此有利于交流电缆直流运行的安全稳定，为实际工程中的交流XLPE电缆改为直流运行提供借鉴。