国产与进口XLPE 绝缘高压交流电缆短时与长时击穿特性

2024-03-25伍国兴张成巍陈潇徐曙贾磊侯帅展云鹏朱闻博

南方电网技术 2024年2期

伍国兴，张成巍，陈潇，徐曙，贾磊，侯帅，展云鹏，朱闻博

（1. 深圳供电局有限公司，广东深圳 518000；2. 南方电网科学研究院，广州 510663）

0 引言

高压电缆是输电系统电力设备的重要一环，加速建设高压电缆输电网是新时代城市化的必然要求。交联聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）是目前高压电缆的主流绝缘材料。目前，我国高压电缆制造行业快速发展，已有能力制造XLPE 绝缘高压交流输电电缆［1］。然而，我国XLPE 绝缘料制造工艺仍存在缺陷，使得国产220 kV 电压等级以上电缆绝缘料性能存在问题，实际220 kV 电压等级以上电缆生产所需绝缘料仍主要依赖进口。因此，探究国产与进口XLPE 绝缘料的差异可为我国生产工艺的优化方向提供指导。

XLPE 电缆料的微观结构、复配过程、洁净度等的差异都会导致XLPE 绝缘理化性能的差异［2-8］。XLPE 介电性能的差异与理化性能密切相关。表征国内外电缆绝缘理化与介电性能对分析国产XLPE绝缘料缺陷与改进方法有重要的指导意义。多位学者研究了XLPE 绝缘理化性能与短时击穿特性的关联，文献［9］对比了220 kV 国产与两种进口绝缘料理化与介电性能，发现国产XLPE 绝缘杂质含量较高、结晶性能与力学性能稍差、击穿特性稳定性不足。文献［10］对比了国产与进口110 kV 电缆XLPE绝缘料，发现国产绝缘料交联度较高，这导致了结晶度与击穿性能的下降。文献［11］测试了110 kV XLPE 绝缘料的分子量，发现国产与进口XLPE 绝缘料的分子量差异较小。长时击穿特性也是评价XLPE 绝缘性能的关键参数，在电-热复合场的长期作用下XLPE 绝缘会逐渐劣化最终引起击穿。文献［12］在老化温度为90 ºC、交流电场强度分别为70 kV/mm 和55 kV/mm 条件下研究了XLPE 电缆的电热老化特性。文献［13］采用逐级升压方式进行了两组电缆的加速电老化试验，建立了电缆寿命模型。文献［14］研究了XLPE 电缆绝缘单因素与多因素老化模型，比较了Simoni、Ramu、Fallou、Crine 等多模型的优缺点，提出了一种基于可靠性的电缆寿命预测方法，给出了 XLPE 电缆寿命预测指标体系与系统模型，建立了基于Weibull 分布的电缆可靠性模型。

本文基于国产电缆绝缘料和北欧化工220 kV电缆料两种代表性材料，针对电缆料服役特性，开展其短时与长时击穿特性研究，在实验过程中两种电缆料的样品制备过程保证完全一致，以分析两种材料的性能差异，以期为220 kV 及以上高压电缆绝缘料国产化替代提供指导。

1 试样制备与实验方法

1.1 试样制备

选取两根分别采用国产与进口绝缘料制造的220 kV 未投运XLPE 电缆，这两根电缆均由同一厂家采用相同工艺制作，以排除电缆制造工艺对绝缘性能的影响。采用车床沿电缆圆周方向对电缆绝缘进行分层环切，获得厚度为0.23 mm 左右的薄膜试样，不同试样使用的车床、刀具与转速均一致。基于所获得的薄膜试样全长，将切片根据径向位置分为内层、中层、外层3 层以研究不同位置电缆绝缘料特性的差异［15］。其中，靠近导体屏蔽的绝缘为内层，厚度为10 mm；靠近绝缘屏蔽的绝缘为外层，厚度为8 mm；内绝缘和外绝缘之间的绝缘为中层，厚度为7 mm。

图1 试样制备示意图Fig. 1 Sketch diagram of sample preparation

1.2 理化特性测试

1.2.1 PE分子结构测试

采用高温凝胶色谱法分析国产与进口XLPE 绝缘料基料的分子量及其分布，在实验进行前，先在70 ℃下采用无水乙醇萃取两天以除去国产与进口XLPE 绝缘料中的交联剂，实验结果如表1、图2所示。

表1 高温凝胶色谱实验测试相对分子量及其分布结果Tab. 1 Relative molecular weight experimental tests of high temperature gel chromatography test and their distribution results

图2 进口和国产绝缘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，多分散性系数PD=Mw/Mn，可用来表征分子量分布的宽窄，PD值高意味着高聚物的长、短支链成分比较复杂，从表1 可以看出进口绝缘料的PD值明显高于国产基料。小分子组分含量的大小对数均相对分子质量影响较大，而大分子组分含量的大小对重均相对分子质量影响较大。国产和进口绝缘料基料在小分子量分子链方面含量比较接近，但进口绝缘料的大分子量（长支链的主链）含量比国产料稍高。

由图2 绝缘料基料的分子量及其分布曲线可见，国产绝缘料的分子量分布曲线特点是“高瘦”，进口绝缘料分布曲线特点是“低胖”，这也印证了进口绝缘料的大分子量含量更高。

1.2.2 差式扫描量热测试

测试采用美国TA 公司的Q2000 型差示扫描量热仪在氮气环境中进行，温升区间为40～140 ℃，升温速率为10 ℃/min，获得图3 所示不同XLPE 试样的熔融曲线。

图3 电缆切片试样示差扫描量热法曲线Fig. 3 Differential scanning calorimeter curves of cable slicing specimens

基于图3 提取出不同XLPE 试样的熔融温度，并根据式（1）计算出结晶度χc［16］，所获得的数据如表2所示。

表2 XLPE试样的熔融温度和结晶度Tab. 2 Melting temperatures and crystallinities of XLPE specimens

式中：ΔH为XLPE 试样的熔融热焓，通过对试样示差扫描量热法升温曲线熔融峰积分得到；ΔH100为XLPE 材料完全结晶时的熔融热焓，其值为287.3 J/g。

由图3 可见，各试样均存在两个熔融峰，主熔融峰对应试样中晶体的熔融过程，次熔融峰对应XLPE 试样不完善晶体的熔融过程，国产与进口次熔融峰均较小，表明其晶体均较为完善，由表2 数据可见，国产与进口电缆切片试样的结晶度与熔融温度相差较小，且均是由内层到外层逐渐增加，此外，国产XLPE 试样3 个位置结晶度与熔融温度更稳定，变化幅度相较进口更小。

1.2.3 傅里叶红外光谱测试

采用美国Thermo Fisher Scientific 公司的Nicolet iS20 型傅里叶变换红外光谱仪对不同XLPE试样进行分子结构测试，波数范围为500～4 000cm-1，测试结果如图4所示。

图4 电缆切片试样红外光谱图Fig.4 Infrared spectra of cable slicing specimens

由图4（a1）、（b1）可见，国产和进口XLPE 试样的内、中、外层均在波数为2 915 cm-1、2 848 cm-1、1 463 cm-1和719 cm-1处存在明显的特征峰，这是由于XLPE 内部特征基团-CH2-的伸缩振动或弯曲振动引起的［17-18］。

为突出交联副产物的特征官能团在XLPE 绝缘中的表征情况，放大了800～1 200 cm-1、1 500～1 700 cm-1与3 300～3 500 cm-1波数范围内的FTIR特征指纹区。由图4（a2）、（b2）可见，各试样分别在波数为802 cm-1、1 263 cm-1处存在对应芳香环的特征峰，表明试样存在DCP 分解副产物，在波数为1 097 cm-1、1 026 cm-1存在对应于醚键伸缩振动的特征峰，表明XLPE 绝缘发生了氧化［19］。由图4（a2）、（b2）、（a4）、（b4）可见，各试样在1 640 cm-1、3 391 cm-1处存在特征峰，分别对应不饱和基团乙烯基、羟基的伸缩振动特征峰，表明试样中残留有苯乙酮、α-甲基苯乙烯和枯基醇等交联副产物［20-21］。

进一步地，对比不同XLPE 试样特征峰强度可见，国产XLPE 试样内层的特征峰强度最高，表明其内层交联副产物最多，进口XLPE 试样外层特征峰最为明显，表明其外层副产物最多。

1.3 短时击穿特性测试

短时击穿特性试验采用直电极直径为25 mm、厚度为4 mm、倒角为2.5 mm 的柱电极，将试样和电极浸入硅油中防止发生滑闪。试验选用厚度约230 mm、大小为50 mm×50 mm 的方形试样。环境温度分别为30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃，升压速率为1 kV/s。每组XLPE 试样测试10 次，记录击穿电压有效值，并基于Weibull分布分析数据。

1.4 长时击穿特性测试

长时击穿特性试验电极与试样尺寸与短时击穿特性相同，每组XLPE 试样取10片同时测试为防止XLPE 试样试验过程中互相影响，将试样与10 组电极分别放入10 个烧杯中，通过水浴循环装置保持烧杯内硅油温度为70 ℃，对试样施加不同工频交流电压，电压值根据短时击穿结果确定，记录试样击穿时间，求取平均值。

2 实验结果

2.1 短时击穿特性

国产与进口XLPE 绝缘料在不同环境温度下的交流击穿场强Weibull分布如图5所示。

图5 30、50、70、90 °C下国产与进口电缆切片试样的交流击穿Weibull分布Fig. 5 Weibull distributions of AC breakdown of domestic and imported cable slice specimens at 30, 50, 70 and 90 ℃

可见，随着温度的升高国产与进口不同位置XLPE 试样的特征击穿场强均有不同程度的下降。在各温度下国产XLPE 内层与外层击穿场强普遍较高，进口XLPE 内层击穿场强普遍较高，而外层的击穿场强偏低。

表3 中数据为不同温度环境下XLPE 试样在交流电场下的Weibull 分布的形状参数、尺寸参数以及1%概率对应的击穿强场。分析对比国产与进口Weibull分布参数可知，国产XLPE绝缘料形状参数明显小于进口绝缘料，且1%击穿场强也较低，表明国产XLPE 绝缘料短时击穿特性分散性较大。此外，在30～50 ℃范围内国产XLPE 电缆绝缘切片特征击穿场强均优于进口，其中30 ℃下国产内层XLPE 试样的特征击穿场强达到118.74 kV/mm，而进口内层XLPE 绝缘料的击穿场强仅为112.85 kV/mm，当温度达到70～90 ℃时国产XLPE电缆绝缘切片的特征击穿场强出现低于进口的现象，表明国产XLPE 绝缘料随温度升高击穿场强下降较为明显。上述现象表明国产XLPE 绝缘料击穿性能稳定性稍差。

表3 XLPE试样交流击穿Weibull分布参数Tab. 3 Weibull distribution parameters of the XLPE sample AC breakdown

Kang Sik Park 等人研究发现，XLPE 绝缘的击穿点基本都聚集在无定形区［22］。文献［23］研究发现结晶度的提升一定程度可以改善材料的耐电强度。由本文试验结果可见，国产XLPE 绝缘料三层绝缘结晶度相差在0.3%以内，小范围的差异未导致明显的击穿强度的差异，国产XLPE 击穿强度的差异主要由其击穿特性分散性大引起；进口XLPE 绝缘料外层XLPE 绝缘结晶度最大，中层次之，内层最小，但其外层绝缘击穿强度最低，这可能与其交联副产物含量有关，由FTIR 试验结果可见，进口XLPE 绝缘料外层绝缘交联副产物含量最多，中层次之，内层绝缘最少，表明进口XLPE 绝缘料外层绝缘杂质含量最多，导致外层绝缘试样承受电应力时局部电场严重畸变，成为电击穿通道发展的起点，使击穿强度下降。

2.2 长时击穿特性

根据2.1 节国产与进口XLPE 绝缘交流击穿测试结果，1%击穿场强约为其特征击穿场强的80%，因此，在进行电热老化试验时取特征击穿场强的80%作为电老化起始场强并向下逐级降压进行试验。本文的老化试验场强选取国产与进口XLPE 特征击穿场强的80%、75%、70%、67.5%、65%的交流电场。试验结果如图6所示。

图6 不同场强下试样失效时间散点图Fig. 6 Scatter plots of specimens failure time under differentfield strengths

由图6 可见，随着外加场强的下降XLPE 试样击穿时间不断增加，且场强越低时间增加幅度越大则试样击穿时间越分散。此外，本文发现在场强较低时存在一部分试样在很短时间内发生击穿。这是因为在场强较低时放大了试样内部缺陷对试样失效的影响，场强较高时电应力对试样失效作用较大，所有试样都在短时间内发生击穿，场强较低时若试样存在较多缺陷，在外加高电场作用下短时间内即发生劣化击穿，若试样内部缺陷较少则会在电热联合作用下缓慢劣化，最终发生击穿。

造成XLPE 电缆绝缘老化的应力被称为老化因素，只由一个老化因素引起的老化称为单因素老化，由一些老化因素同时或顺序作用造成的老化称为多因素老化。不同的老化因素对XLPE 电缆绝缘失效的影响存在差异，可以通过不同单因素老化模型进行描述，分为电应力、热应力和机械应力老化模型。电老化是在电应力持续作用下最终造成绝缘老化击穿的积累过程。反映电老化一般规律的电老化定律如式（2）所示［14］。

式中：E为电场强度；t为绝缘寿命；C为常数；n为电缆寿命指数，n值越大，电缆承受电应力的能力越强。

由式（2）可知某一电场强度E下电缆绝缘的电老化模型可以描述为：

对式（3）两边取对数可得：

则在对数坐标系中将得到一条直线。绘制XLPE 电缆绝缘的ln（E）-ln（t）特性曲线如图7 所示。可知当击穿时间大于1 000 s时，电老化场强的对数值与击穿时间的对数值满足线性关系。基于电缆绝缘的反幂寿命模型对场强与试样击穿时间进行反幂函数拟合，获得国产与进口电缆绝缘的寿命模型分别如式（5）—（6）所示，可见国产XLPE 电缆绝缘寿命模型n值为19.3，略小于进口绝缘料n值19.5，表明70 ℃下国产XLPE 电缆绝缘长期击穿特性与反幂寿命模型n值相差不大。

图7 场强与试样失效时间的非线性拟合图Fig. 7 Nonlinear fitting plot of field strengths and versus specimens failure times

3 分析与讨论

基于以上实验结果可见国产XLPE 电缆绝缘所用基料的分子结构与进口差异不大，相对分子量及其分布与进口料所用基料仅在大分子量处有着含量差异；由DSC 测试结果可知国产XLPE 电缆绝缘的结晶度与进口基本相同，仅外层绝缘的表现略微逊色于进口绝缘料，国产XLPE 电缆绝缘料的熔融温度于进口相差小于1 ℃，表明国产XLPE 绝缘的结晶特性与进口相差不大。由FTIR 测试结果可知国产与进口电缆绝缘均存在一定的交联副产物与DCP分解产物，根据吸收峰的高度对比可见二者差别在于国产XLPE 电缆绝缘内层副产物含量最高，而进口则外层副产物含量最高，但二者副产物总含量无明显差异，因此可以认为国产XLPE 电缆绝缘所采用的聚乙烯基料仅在结晶能力方面略微逊色于进口XLPE电缆绝缘的聚乙烯基料。

分析XLPE 不同绝缘层的理化性能与短时击穿特性的关联可以发现，进口XLPE 的外层绝缘切片的击穿场强偏低，特别是在50～70 ℃下明显低于内层和中层绝缘切片，由DSC测试结果可知外层绝缘结晶度最高，达到38.97%，但其交联副产物的含量相比内层和中层绝缘更高，分析认为副产物残余量与结晶度共同影响XLPE 绝缘的击穿性能。对比国产与进口XLPE 绝缘短时击穿特性可知国产XLPE 电缆绝缘特征击穿场强与进口相差不大，特别是当温度较低（30～50 ℃）时国产XLPE 电缆绝缘切片特征击穿场强更高，但国产XLPE 绝缘1%击穿场强明显低于进口，其绝缘性能稳定性相比进口稍差，此外，当环境温度较高（70～90 ℃）时国产XLPE 绝缘击穿性能相比进口绝缘下降较多，这可能与其采用的聚乙烯基料的洁净度有一定关系。试样内残留的少量杂质会在试样承受电应力时导致试样内局部电场严重畸变，成为电击穿通道发展的起点，最终诱发体击穿。因此，国产XLPE 绝缘料的洁净度与产品一致性还有待提升。

进一步地，对比国产与进口XLPE 电缆绝缘长时击穿特性可知国产XLPE 电缆绝缘寿命模型n值略小，表明70 ℃下国产XLPE 电缆绝缘的老化速率略快。分析认为这是由国产XLPE 绝缘料内部缺陷较多导致。当试样内部缺陷较多时施加一定电场在缺陷处发生畸变，使得试样老化速率加快，则基于反幂函数拟合的寿命模型n值将会减小。因此，国产XLPE 绝缘的工艺需进一步改进，提高产品的洁净度，减少XLPE 绝缘内部缺陷，提高其绝缘性能稳定性。