220 kV电缆XLPE绝缘材料热氧老化性能对比

侯帅 傅明利 黎小林 贾磊 朱闻博 章彬 徐曙 伍国兴

摘 要：

以進口同级材料为对比，对国产220 kV交联聚乙烯（XLPE）交流电缆绝缘料开展不同温度下的热氧老化实验，采用红外光谱、差示扫描量热法、凝胶含量、机械性能、电气性能等测试对材料热氧老化前后性能进行系统研究。结果表明，材料化学成分、结晶性能以及交联度受老化温度影响较小，而机械和电气性能变化明显。随着老化温度升高，进口料羰基指数增大更明显，2种材料凝胶含量先增大后减小，其中进口料老化前后凝胶含量均相对较低，更容易结晶。机械性能测试表明，进口料热氧老化性能相对更优，且老化前后均表现出更高的拉伸强度和断裂伸长率。2种材料热氧老化后介质损耗因数均上升，但二者差异以及由此导致的绝缘层温升不大。国产料的交流击穿场强和电树枝起始电压更高，电树枝生长更为缓慢，且无论老化与否，国产料在耐电性能上均保持明显优势。

关键词：交联聚乙烯；电缆绝缘；热氧老化；击穿强度；电树枝；机械性能

DOI：10.15938/j.emc.2024.04.013

中图分类号：TM85

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）04-0120-11

收稿日期： 2022-09-30

基金项目：南方电网公司重点科技项目（SZKJXM20190588）

作者简介：侯 帅（1988—），女，硕士，高级工程师，研究方向为电力电缆及其绝缘材料；

傅明利（1962—），男，博士，教授级高级工程师，研究方向为高电压设备安全运行、绝缘系统故障诊断和新型绝缘材料应用技术；

黎小林（1963—），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为高压输变电设备技术等；

贾 磊（1982—），男，博士，教授级高级工程师，研究方向为高压输变电设备与过电压防雷技术等；

朱闻博（1989—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力电缆运行状态感知与新型绝缘材料应用等；

章 彬（1974—），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为电力电网主设备运行管理等；

徐 曙（1986—），男，硕士，高级工程师，研究方向为地下电缆隧道和综合管廊运维管理、输电数字化建设应用等；

伍国兴（1979—），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为变电设备运维管理等。

通信作者：侯 帅

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

交联聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）绝缘电缆具有质量轻、性能好和便于维护等优点，从1 kV低压电缆到110 kV以上高压电缆都倾向于使用XLPE作为主绝缘材料［1-3］。然而高压、超高压电缆绝缘料市场主要被陶氏和北欧化工两家公司占有［4］。由于进口料价格高昂，且供货不稳定，影响国内高压电缆工程建设。因此，高压电缆绝缘材料的自主研发与生产成为电力行业可持续发展的迫切需要。

国产高压电缆绝缘料研制始于本世纪初，虽然起步晚，目前国内已掌握了110 kV等级XLPE绝缘料的生产技术［5］。最早投运的使用国产110 kV XLPE绝缘材料的电缆安全运行已逾11年，应用效果良好，且所有已投运电缆均未出现故障。近年来，随着国内基础树脂材料与生产工艺的不断进步，国产绝缘材料研发生产已趋于成熟稳定，材料基本性能指标也达到了国外同类产品水平。随着电网的发展和建设加快，我国220 kV及以上等级高压电力电缆用绝缘材料研发也提上日程，目前青岛汉河电缆公司和万马高分子公司均完成了220 kV等级电缆XLPE绝缘材料的研发制造。然而目前该材料尚未投入实际工程应用，电缆材料制品的运行服役特性及相关数据十分匮乏，没有充分展现国产料性能上的差异。如果能用客观的数据充分表明国产料在服役特性上能够达到国外材料水平，并在此基础上进一步建立起保证材料长期高质量生产的品控机制和评价体系，将会把国产高压电缆绝缘材料的应用规模和研发水平推向新高度。目前，国内已有学者对国产110 kV以下等级电缆料性能进行分析［6-12］，但220 kV XLPE绝缘材料投产时间尚短，对该材料的性能对比研究相对较少，且大多聚焦于材料的初始电学、加工和机械性能，对老化前后的材料特性缺乏系统研究［10］。若以运行经验丰富的220 kV进口料为参照，通过深入比较国产与进口料热氧老化前后的各项性能，不仅能更有力地评价材料耐老化性能，还能进一步获知材料差距，推动材料改进，对国产220 kV XLPE电缆料的应用也有重要工程实际意义。

本文针对进口和国产2种220 kV交流电缆绝缘料开展不同温度下的热氧老化实验，采用红外光谱、差示扫描量热法、凝胶含量测定对材料老化程度进行表征，测试2种材料机械性能和电气性能在不同老化条件下的演变规律，对比2种材料性能的优劣，可以为国产高压电缆用XLPE绝缘材料的研发与应用提供理论依据和数据支撑。

1 实验材料与方法

1.1 试样制备

实验材料包括进口220 kV XLPE电缆料（进口料）、国产220 kV XLPE电缆料（国产料）。试样制备：在110 ℃、60 r/min转矩流变仪中加入绝缘料颗粒，混炼5 min，该过程模拟了电缆绝缘层制造过程中的材料挤出过程，可使交联剂、抗氧剂及其他助剂均匀混合，混炼后得到2种未交联共混物；称取材料置于不同规格模具中，在110 ℃的平板硫化机中充分预热，之后在15 MPa下热压成型，随后放入175 ℃平板硫化机中交联30 min，冷却后制得固定尺寸试样，试样脱模后放入80 ℃真空烘箱中脱气48 h，去除残存的交联反应副产物。

1.2 热氧老化实验方法

依据标准JB/T10437—2004中空气热老化测试方法进行实验，将XLPE试样悬挂于带有鼓风的热氧老化箱中，基片转速设为10 r/min。未老化试样在室温下放置相同时间后一同进行测试，避免不同批次试样制备或测试带来的影响。高压电力电缆用XLPE绝缘材料结晶熔融峰温一般在105～115 ℃［13］。当电缆发生过载时，在过载电流热冲击下，电缆绝缘温度短时内能达到150 ℃以上。为了较全面、系统地对比2种材料的热氧老化性能，分别选取3个热氧老化温度，即熔融温度之下（100 ℃）和短时过载温度之上（160 ℃）以及标准规定的135 ℃，老化时间均为168 h。

1.3 性能测试与表征方法

1）红外光谱：透射模式下，在400～4 000 cm-1波数范围对老化前后的XLPE试片进行测试，分辨率为2 cm-1，试样厚度为200 μm。

2）采用差示扫描量热法（differential scanning calorimeter，DSC）表征老化前后XLPE结晶熔融特性。称量8±0.5 mg试样，放入铝质坩埚，加盖置于DSC分析儀样品池，测试过程以高纯度氮气作为保护气。首先由25 ℃加热至150 ℃，消除材料的热历史影响，在150 ℃下恒温5 min；随后以-10 ℃/min速率降温至25 ℃，期间测试材料结晶过程热流变化；25 ℃下恒温5 min后以10 ℃/min速率升温至150 ℃，期间测试材料熔融过程热流变化。

3）凝胶含量：依据JB/T 10437—2004标准，将0.3 g试样装在钢丝网中，在110 ℃的二甲苯中加热萃取12 h，根据萃取前后试样质量变化计算凝胶含量。

4）机械性能：依据标准GB/T 22078.1—2008和GB/T 2951.11—2008，制备5A型哑铃试样，采用电子拉力机测试试样应力-应变曲线，拉伸速度为250 mm/min，每种材料测试10个试样，对其拉伸强度和断裂伸长率取平均值作为最终结果。

5）交流击穿强度：为避免电极边缘效应，使用图1所示环氧树脂包封电极开展测试。采用线性升压方式对100 μm薄膜试样加压，升压速率为0.5 kV/s，试样击穿时阻容分压器显示的电压U即为击穿电压，利用公式E=U/d得到试样击穿场强。对每种材料取至少15个试样进行实验，对得到的有效数据进行二参数Weibull分布统计处理，以63.2%累计失效概率对应场强作为材料特征击穿强度。

6）频域介电谱：室温下采用Novelcontrol Concept 40型宽频介电谱仪对热氧老化前后试样进行测试，频段为1～106 Hz，试样厚度为200 μm。

7）交流电树枝特性：将XLPE制成10 mm×10 mm×3 mm规格，试样置于100 ℃烘箱中预热5 min，在测微尺下插入钨针，针尖距离试样底面3±0.1 mm；插针后在试样底面均匀涂抹银漆，置于80 ℃真空干燥箱中静置24 h，消除插针导致的残余应力。实验过程中，试样浸没在二甲基硅油中，钨针嵌入铜棒电极连接交流高压，油槽中的铜板作为地电极与试样底部的导电漆紧密接触。电树枝引发实验过程中，以0.5 kV/s线性升压，当显微镜中观测到针尖电树枝长度达到10 μm时，此刻电压即为试样的电树枝起始电压；电树枝生长实验在引发实验之后进行，对10个已经起树的试样（电树枝长度小于20 μm）并联施加8 kV恒定电压持续90 min，定期拍摄记录树枝形貌，以沿针尖方向的最大树枝平行延展长度记为电树枝长度。

2 实验结果分析

2.1 热氧老化对XLPE微观结构影响

2.1.1 热氧老化对XLPE化学成分影响

在氧气充足的环境中，XLPE热老化以热氧降解为主，老化过程中，被消耗的氧主要以C=O羰基和C-O单键2种形式存在于聚合物大分子上［14］。图2为国产料、进口料的红外吸收光谱，可见热氧老化后1 720 cm-1处C=O双键伸缩振动引起的吸收峰变化较为明显，而C-O单键吸收峰较为分散且幅值变化微弱。

首先通过羰基指数（carbonyl index，CI）对比评价2种材料的羰基含量变化［15］，结果如图3所示，老化前2种材料CI基本一致，随老化温度升高，进口料CI明显增加。而国产料CI随老化温度变化不明显，且各个温度下老化后CI均低于进口料。又根据1 078 cm-1处变化幅度较大的碳氧单键吸收峰来判断，进口料碳氧单键含量相对更大。以上现象说明，进口料老化后氧元素含量更大，进口料老化过程中氧的消耗量和氧化反应速率相对较大。

2.1.2 热氧老化对XLPE结晶性能影响

进口料与国产料结晶参数随老化温度变化曲线如图4所示，其中结晶度的计算方法同文献［16］。未老化国产料结晶峰温、熔融峰温和结晶度均低于进口料，在不同温度下老化之后，这一规律仍然基本保持。整体上，2种材料结晶性能参数随老化温度变化幅度均较小，且除了结晶峰温之外，其他参数与老化条件之间没有明确关联规律。2种材料结晶性能上的差异，在老化尚未发生之前已经存在，这主要归因于2种材料基础树脂大分子结构上的差异［10］。

2.1.3 热氧老化对XLPE交联结构影响

老化过程中，大分子链结构发生改变会影响XLPE的交联网络结构。采用凝胶含量来表征材料交联度的变化，结果见表1，2种材料老化前后凝胶含量均大于80%，符合绝缘材料标准要求［17］，国产料的凝胶含量始终高于进口料，这是国产料中交联剂含量较高导致的［10］。随着老化温度的升高，2种材料的凝胶含量均呈现先升高后下降的趋势。

XLPE材料在热氧老化过程中不仅存在氧化降解反应，同时也发生大分子链的再交联反应，2种反应相互对抗，并共同影响XLPE的交联程度。在较低老化温度（100 ℃）下，交联反应占主导作用，试样中残余的未交联活性成分继续交联，而老化的断链作用相对较弱，导致材料交联度升高。随着老化温度的升高，老化的断链作用增强，因此，材料凝胶含量相对降低。

2.2 热氧老化对XLPE机械性能影响

未老化的2种XLPE材料应力-应变曲线对比如图5所示，不同温度老化后2种材料的应力-应变曲线特征与未老化时基本相同。标准规定220 kV电压等级绝缘材料的拉伸强度不低于17 MPa，断裂伸长率不低于500%［17］，2种材料的机械性能均满足标准要求，且在拉伸性能上有较大裕度，其中国产料的拉伸强度和断裂伸长率相对较小。

XLPE的应力-应变曲线可以大致划分为3个阶段：弹性形变段、应力屈服段和应力强化段。由图5可知，2种材料的弹性形变区段基本重合，只是国产料的屈服应力相对较低，这是国产料结晶度较低导致的。在应力强化阶段2种材料具有明显差异，国产料的应力强化阶段明显向高应力方向偏移，这主要是由于国产料具有相对更高的交联密度和较多的大分子链缠结所导致的［18］。

不同温度下热氧老化168 h后材料的拉伸强度和断裂伸长率平均值变化如图6所示。经100和135 ℃老化后，2种XLPE机械性能仍满足标准规定，且2种材料拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率≤±20%［17］。经160 ℃老化168 h后，2種XLPE材料的拉伸强度变化率分别增加到32.46%、29.46%，断裂伸长率变化率分别增加至29.5%、27.91%，说明材料发生明显老化，机械性能受损严重。相比之下，无论老化条件如何，进口料均表现出更高的拉伸强度和断裂伸长率。

2.3 热氧老化对XLPE交流电气性能影响

2.3.1 热氧老化对XLPE击穿强度影响

热氧老化前后2种材料特征交流击穿场强对比如图7所示，图中误差棒为二参数Weibull分布特征值的95%置信区间。在不同条件下，国产料的交流击穿场强始终优于进口料。在160 ℃老化过程中，进口料的100 μm厚圆形老化试样在老化箱中先后经历变脆、严重龟裂、断裂脱落等过程，导致试样完全损毁无法测试。相比之下，国产料未见龟裂和脆化现象，因此，其160 ℃下的击穿强度依然保留在较高水平，甚至高于135 ℃下老化的进口料试样。进口料经过热氧老化后的击穿强度下降十分严重，但是这一现象并不能真实反应该材料电学性能随热氧老化演变规律。老化过程中材料的机械性能显著下降，对于进口料，虽然其机械性能较好，但凝胶含量低，热固性相对较差，因此，处于高温且存在循环空气的条件下，100 μm厚的薄片试样会发生反复形变，叠加热氧老化作用，导致机械性能受损过于严重，其真实电学性能已经无法测得。

2.3.2 热氧老化对XLPE介电性能影响

热氧老化前后2种XLPE材料的相对介电常数（εr）和介质损耗角正切（tanδ）对比如图8、图9所示。老化前，2种材料的εr和tanδ基本不随频率而改变，2种材料εr基本一致，国产料tanδ更小，国产料的初始介电性能相对更优。由图8可见，随老化温度升高，2种材料εr均有微弱上升。与未老化试样相比，2种XLPE试样老化后50 Hz下的εr变化幅度较小，但老化后XLPE的εr在低频下出现明显随频率降低而上升的趋势。这是由于XLPE为非极性分子，本身不存在固有偶极矩，极化形式主要以电子位移极化为主，老化后分子链断裂并与氧结合，产生羰基和醚键等极性分子结构，极性分子链段的出现使材料在低频下建立了电子位移极化以外的偶极子转向松弛极化，从而使εr升高，而隨着频率的升高，松弛极化难以建立，εr又出现了变小的趋势［19-20］。

由图9可知，随着老化温度升高，在不同的频率范围下，2种XLPE材料的tanδ都有不同程度增加，但2种材料之间对比时，差异并不明显。此外，2种材料100 ℃老化后tanδ变化远不如135和160 ℃老化后变化明显。结合前文实验结果可知，这是由于100 ℃老化过程中材料内主要发生再交联反应，仅有较少的分子链断裂，几乎没有新的极化形式和泄露电流产生；而135和160 ℃老化过程中，材料内同时发生再交联和氧化降解，且此时氧化降解占优势地位，此时分子链断裂并与氧气结合，在分子中引入非对称极性化学键［21］，产生了新的松弛极化损耗分量，且降解产生的低分子物还会促使材料中电导损耗增大，最终使介质损耗因数升高，尤其在低频下，当介质损耗以电导损耗为主时，材料的tanδ增大尤为明显。

2.3.3 电树枝引发特性

高压电力电缆绝缘厚度较大，实际情况下大多数绝缘破坏均起始于电树枝老化，为进一步探究热氧老化对2种XLPE材料耐电性能的影响，对经过热氧老化前后的XLPE试样进行耐电树枝性能对比分析。热氧老化前后2种材料特征电树枝起始电压（tree initiation voltage，TIV）如图10所示，图中误差棒为TIV二参数Weibull分布特征值的95%置信区间。整体上，国产料TIV始终高于进口料。随热氧老化温度升高，2种材料的TIV均降低。相比未老化时，进口和国产料试样在160 ℃老化后分别降低22.9%和23.1%。可见，2种材料并未呈现160 ℃老化后击穿强度那样大的差距。这也进一步证实，进口料击穿性能在160 ℃热氧老化后的急剧下降是机械性能损伤所引起的，并非热氧老化导致的本征性的电学性能衰减。

图11为2种材料不同条件下老化后测得的电树枝典型形貌，整体上2种材料电树枝形貌相似，呈混合状结构，相比之下，国产料的电树枝破坏区域较为集中，进口料电树枝分布范围更广，破坏范围更大。图12为2种材料热氧老化前后电树枝平均长度随时间变化趋势对比图，可见，无论老化与否以及老化条件如何，国产料的电树枝生长速率均小于进口料，国产料的耐电树枝老化能力整体上优于进口料。其中，135 ℃老化后国产料试样电树枝生长速率在前期显著偏低，宏观上，这是由于电树枝形貌分散性以及生长过程的强随机性导致的，由图11（c）可以看出，国产料试样电树枝大多呈现局部较为稠密的丛状结构，树枝前端局部丛状结构将会屏蔽和削弱此处电场，进而抑制电树枝的快速发展。微观上，导致电树枝形貌转变的原因可能在于该温度下老化后材料结晶度明显增大（见图4），通常对同一种材料而言，结晶度越大，针尖或树枝进入结晶区概率越高，更容易导致电树枝发展为局部丛状结构，最终使得135 ℃下老化后试样电树枝生长减缓，直至持续加压一段时间后，局部放电累计破坏作用使得电树枝足以突破局部丛状结构的电场屏蔽作用，电树枝才恢复快速生长。

3 讨 论

3.1 热氧老化性能归一化分析

XLPE热氧老化性能评价通常以某一关键性能参数随老化而偏离初始值的程度来评价，要求这个性能参数既能反映绝缘材料运行中承担的主要作用，也要在老化过程中呈现规律性明显劣化，不同材料应该根据其具体工作场合选取评价标准。为了对比评价2种高压XLPE绝缘材料的热氧老化性能，对前文测得的老化前后结晶参数、凝胶含量、机械性能、电树枝特性、介电性能、交流击穿强度等分别进行归一化处理，如图13所示。可见结晶性能和凝胶含量参数随老化条件变化没有呈现规律性，且变化幅度小（≤20%），因此，结晶参数和交联度参数不适宜用作评价老化性能的标准。

此外，可见2种材料介质损耗特性劣化是多种参数中最明显的，XLPE作为电缆绝缘层使用时，电压越大，介质损耗的影响越显著，因此高压XLPE绝缘电力电缆必须考虑tanδ增大对电缆传输容量的影响。传输容量I与tanδ的关系为

I=2π2r3cEmaxρΔθρT1－12ωεrε0U0tanδ。（1）

为了分析tanδ增大对电缆运行造成影响的程度，以导体截面为2 500 mm2的YJLW02-Z型220 kV XLPE绝缘电力电缆作为估算模型，已知其传输量为1 781 A，线芯满载损耗为34.73 W/m，未老化时绝缘损耗为1.244 W/m，可见绝缘介质损耗远小于满载线芯损耗。与未老化XLPE材料相比，老化后XLPE材料tanδ会增大数倍，假设电缆传输容量不变，将不同条件老化后的tanσ变化倍数代入式（1），便可得到绝缘层介质损耗增大后的线芯最高温度，结果如表2所示，以此可判断绝缘材料老化后tanδ变大引起的绝缘层温升情况。

由表2可知，2种材料温升情况相差微弱，虽然tanδ随老化因子强化而显著上升，但由此导致的介质损耗相对于电缆线芯损耗依然小得多，即便是在电缆满载的情况下，其所导致的线芯最大温度也只是达到了95.6 ℃，结合测得的XLPE结晶参数可知，该温度尚未达到材料熔点，不足以对绝缘结构稳定性产生影响。对于严重热氧老化的XLPE绝缘电缆而言，适当限定长期工作最大载流量即可规避由此带来的问题。虽然材料介电损耗参数变化最明显，但导致的影响有限，仅是降低输电效率，不足以对电缆安全运行构成威胁，故认为tanδ的变化不适合作为热氧老化特性的评价指标。

除以上参数外，2种材料机械性能参数变化最明显（约30%），其次是击穿和电树枝等耐电性能参数。前文论述已经说明，材料160 ℃老化后击穿场强的剧烈劣化，根源在于材料机械性能的丧失。而电树枝引发和生长的相关特性变化幅度均比机械性能变化幅度低（≤25%）。由此可知，宜选择机械性能作为衡量材料热氧老化性能的判据。最终，由2种材料断裂伸长率和拉伸强度的归一化分析可知，在不同老化条件之下，国产料均体现出更显著的性能衰减，这说明国产料的耐热氧老化性能相对较差，在热氧老化性能上仍有改善空间。此外，结合图11试样老化前后的颜色变化也能看出，2种材料未老化及100、135 ℃老化后试样颜色变化不明显，而160 ℃老化试样颜色变黄严重，且国产料颜色发黄尤为显著（接近褐色），一般聚合物材料黄变越严重，说明材料热氧老化越严重，这也验证了国产料热氧老化性能相对稍差的结论。

结合羰基指数测试结果可以发现，热氧老化后，2种XLPE材料内羰基含量与其机械性能的变化并未表现出相关性，虽然老化后进口料羰基含量显著高于国产料，但进口料机械性能及其变化率仍低于国产料，这说明羰基指数不能准确表征材料的热氧老化程度。原因在于：羰基含量只能表征材料老化后产物的化学成分以及老化过程氧化反应速率，但聚合物材料的机械性能受材料凝聚态结构、交联网络和化学成分共同影响，而羰基指数又仅是材料化学成分的量度之一，因此，羰基指数仅能辅助材料老化机理的分析。

XLPE绝缘材料热氧降解及抗氧剂作用机理如图14所示，可见抗氧剂并不能抑制材料中氧元素含量的增加，只会改变材料中自由基的形式。由此推测，国产料在较低氧元素含量下表现出更快的性能老化，并非源于材料中抗氧剂的功效较差或过早消耗，主要原因可能是国产料大分子中含有更多的弱点结构，如叔碳原子或不饱和键等，弱点结构过多会使材料在有限的氧消耗量下，即可发生更多的大分子热降解，从而导致其热氧老化性能相对较差。此外，若材料中叔碳原子或不饱和键含量较多，还会导致大分子支化度增大、规整性变差，使分子更不容易结晶，这一推测也与材料的结晶性能测试结果相符。在以上化学成分综合影响下，国产料最终表现为热氧老化性能相对较差。

3.2 国产与进口220 kV绝缘材料性能特点

本文不仅研究了国产与进口220 kV绝缘材料性能随热氧老化条件的变化规律，同时也较全面地提供了多个条件下2款材料的机械性能和电气性能参数，为对比评价2种材料的性能特点提供了较丰富的数据支持。结果表明，国产料的交联度较高，而结晶性度较低。国产料的主要性能优势在于击穿强度高、耐电树枝性能好，在经过热氧老化后，其在上述耐电性能上的优势仍然大幅保持，而进口料的主要性能优势则在于机械性能和耐热氧老化性能。国产220 kV绝缘材料的进一步改进以及更高电压等级绝缘材料的研发应从基础树脂角度入手，减少基础树脂中的化学键弱点结构，进一步提高材料的机械性能和热氧老化性能。

4 结 论

针对国产和进口料2种220 kV XLPE绝缘材料，分别在100、135和160 ℃热氧老化168 h后进行较为全面的性能测试，在不同老化条件下，系统地对比了材料性能及其演变规律。结论如下：

1）2种材料凝胶含量随着老化温度升高先增大后减小，进口料老化前后凝胶含量均相对较低，且具有相对更高的结晶度。无论老化条件如何，进口料均表现出更高的拉伸强度和断裂伸长率。

2）2种材料热氧老化后介质损耗因数均显著上升，但二者相差不大，且由其增大导致的绝缘层损耗温升可控。国产料的交流击穿场强和电树枝起始电压更高，电树枝生长更为缓慢，且无论老化条件如何，国产料耐电性能上的优势都能保持。

3）采用归一化分析对比2种材料各项性能参数随老化条件的变化趋势，发现结晶、交联等性能受老化温度升高影响较小，而机械和电气性能下降明显，其中机械性能参数下降尤为明显，宜作为高压电缆XLPE绝缘材料热氧老化寿命评估中寿终标准的评价指标。

4）220 kV国产XLPE绝缘材料老化前后耐电性能均显著优于同级别进口料，但其机械性能和热氧老化性能逊色于进口料，国产料进一步性能改进以及未来更高电压等级绝缘料研发应对材料大分子中的弱键化学基团予以充分关注。

参 考 文 献：

［1］ 周远翔，赵健康，刘睿，等．高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望［J］．高电压技术，2014，40（9）：2593．

ZHOU Yuanxiang， ZHAO Jiankang， LIU Riu， et al. Key technical analysis and prospect of high voltage and extra-high voltage power cable ［J］. High Voltage Engineering， 2014，40（9）：2593.

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（编辑：邱赫男）