高压直流XLPE电缆绝缘的介电性能研究

张梦甜，玉林威，陈向荣，侯帅，李秀娟

(1.浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室(浙江大学 电气工程学院)，浙江 杭州310027；2.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)，广东 广州 510663； 3. 浙江万马高分子材料集团有限公司，浙江 杭州 311305)

高压直流输电系统与交流输电线系统相比，具有输送容量大、无涡流损耗、电力联网方便等优点，解决了电力能源大容量远距离传输和新能源并网这2个重要问题[1]，适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电太阳能并网等[2]。与传统的油纸绝缘高压电力电缆相比，交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)直流电缆因具有制造安装方便、载流量大、环境友好等优点[2-5]，已成为国内外主要的高压直流电缆类型。

在高压直流XLPE电缆的生产过程中，电缆绝缘中会存在交联副产物的残留，在直流电场的作用下，这些交联副产物会解离出离子，与电极注入电荷一起向阳极阴极迁移，在材料内部和电极附近形成空间电荷积累。异极性电荷加强附近电场，同极性电荷减弱周围电场，均会引起电场畸变，使绝缘材料老化，严重时造成局部放电和绝缘击穿[3，6]。尤其是异极性电荷对绝缘的损害十分严重，而异极性电荷主要是由副产物解离产生，因此需要对交联后的XLPE电缆进行脱气处理，以减少材料内部副产物的残余量。另外，电缆在直流电压下运行时，内外层绝缘的温度和电场存在一定的梯度，由于电导率的温度场强特性，绝缘中很有可能出现场强反转，即靠近导体的内层场强最低，外层场强最高，容易引起绝缘内部空间电荷聚集，进而导致局部电场畸变，甚至绝缘击穿[3，6-11]。

近年来，国内外学者对XLPE电缆脱气前后介电性能、机械性能、化学性能的变化及脱气时间的合理选择做了大量研究。欧阳本红等[12]分析了110 kV交流XLPE电缆切片的红外光谱，发现经过脱气处理后，试样中的副产物含量显著降低；钟琼霞等[13]研究发现脱气处理能有效减少XLPE电缆内部交联副产物的含量，进而改善其空间电荷特性；李志伟[6]等研究了脱气时间对110 kV XLPE电缆聚集态结构与链结构的影响；潘文林等[14]分析了525 kV电缆绝缘层中不同位置绝缘的交联副产物相对含量及直流特性随脱气时间的变化规律，指出脱气时间设置为35 d较为合理经济，脱气破坏了交联副产物分布的均一性，内部绝缘的直流特性参数均劣于中部与外部绝缘；金海云等[15]指出将110 kV交流XLPE电缆的脱气时间控制在168～336 h，可以有效改善各层的力学性能，并使介电性能趋于稳定。目前的研究大多集中于脱气处理对XLPE电缆空间电荷特性的影响[16-19]，而对绝缘位置不同引起介电性能差异的研究较少。此外，大部分研究是在实验室条件下进行压膜脱气处理[6]，未能真实反映实际生产中的电缆脱气，而且针对110 kV、220 kV的交流XLPE电缆的研究相对较多[20-21]，但对更高等级的国产525 kV直流XLPE电缆的介电性能研究较少。

本文以525 kV国产直流XLPE电缆为研究对象，用车床将脱气后的电缆段绝缘环切成0.2 mm左右厚的薄膜，根据绝缘内外径尺寸将绝缘切片分为内层(靠近导体)、中层、外层3层，对不同绝缘位置的电缆切片进行直流电导率测试、直流击穿测试和空间电荷测试，分析XLPE介电性能随绝缘位置变化而变化的规律及影响因素。

1 实验

1.1 试样制备

电缆试样采用国产±525 kV未投运的直流XLPE电缆。交联工序完成后，在脱气房中进行脱气处理，周期15～20 d，脱气温度70～75 ℃；用车床对电缆段绝缘层进行环切(如图1所示)，获得厚度为0.2 mm左右的绝缘薄膜试样。

图1 高压直流电缆环切示意图Fig.1 Schematic view of cutting HVDC XLPE cable insulation

为了研究不同绝缘层位置电缆直流特性的差异，根据绝缘层内外径尺寸、按面积积分[20]将切片分为内层、中层、外层3层(如图2所示)，并置于密封袋中室温保存；3层绝缘厚度分别为12 mm、10 mm和8 mm。

1.2 直流电导率测试

采用三电极系统[22]测量电缆绝缘切片的直流电导率，测量电极直径3 cm。在温度30 ℃、50 ℃、70 ℃及场强10 kV/mm、20 kV/mm、30 kV/mm下，记录试样在烘箱加压30 min后Keithley 6517B静电计显示的电流值，并根据薄膜试样的厚度、测量电极面积计算得到试样的直流电导。为减少测量误差的影响，同一绝缘层采用2个薄膜试样进行测量，以2次计算的直流电导率平均值作为最终结果。

图2 高压直流电缆绝缘分层示意图Fig.2 Schematic view of HVDC XLPE cable layering

1.3 直流击穿强度测试

采用DDJ-100 kV电压击穿测试仪，直流电压范围为0～100 kV；测量电极采用符合IEC 60243-1：2013标准的柱柱电极，电极直径25 mm，电极高度25 mm，边缘圆角3 mm。在室温下进行实验时，将试样浸入变压器油中，以500 V/s的速度持续升压直至试样击穿，记录此时击穿电压等参数，并测量击穿点的厚度，计算击穿场强。3层电缆切片试样在直流电压下各测量15组数据，采用二参数威布尔统计数据。二参数威布尔分布的累积密度函数表达式为

(1)

式中：E为被测击穿电压；F(E)为场强小于或等于E时的击穿概率；α为尺度参数，即击穿概率为63.2%时的电压正值；β为形状参数，表明击穿场强的分布范围，其值越小，击穿场强的范围越大。

1.4 空间电荷特性测试

采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method，PEA)进行空间电荷测试。高压电极和薄膜试样之间为半导电层衬底材料，铝作为接地电极。实验所用脉冲幅值为500 V、频率为100 Hz、宽度为10 ns，聚偏二氟乙烯(PVDF)厚度为10 μm。室温下测量时，外加电场强度为10 kV/mm、25 kV/mm和40 kV/mm，对试样加压30 min、去极化30 min，测量试样中空间电荷的分布。

2 实验结果与分析

2.1 直流电导率分析

525 kV直流电缆不同绝缘层试样在3个温度和3个场强下的直流电导率如图3所示。由图3可知，XLPE电缆的电导率大小与温度和场强密切相关。当温度从30 ℃升高至70 ℃时，电导率大约提升了2个数量级；与30 ℃、10 kV/mm下的电导率相比，70 ℃、30 kV/mm下的电导率提升了将近3个数量级。测试温度为30 ℃时，电缆内外层试样在10 kV/mm和20 kV/mm下的电导率差别很小；场强升高，内层和中层曲线出现明显的转折点，两者电导率变化较大，明显大于外层电导率。温度升高至50 ℃时，中层和外层10 kV/mm下的电导率相接近，明显小于内层电导率；之后，中层和外层电导率开始出现差别，随着场强升高，两者差别变大，且中层电导率逐渐接近内层电导率。当温度达到70 ℃时，内层和中层在各个场强下的电导率相差很小，图中两曲线非常接近，均大于外层电导率。

图3 电缆切片试样电导率对比Fig.3 Conductivity comparison of cable samples

副产物解离出来的载流子是XLPE电缆电导率提高的重要原因[23]，内、中、外层绝缘脱气不均使其内部残留副产物的含量不同，从而导致直流电导率的差异。整体而言，外层绝缘与脱气室接触良好，受热较多，且释放的副产物不易聚集[24]，使得外层绝缘副产物的含量低于内、中层含量，与图3中外层试样的直流电导率小于内层及中层试样的结果一致；且在20 kV/mm的外加场强下，温度越高，内外2层的电导率差别越大。

2.2 直流击穿特性分析

电缆切片试样在直流电压下持续升压击穿场强如图4所示。取击穿概率63.2%对应的数据作为材料的击穿场强，由图4可知，内层绝缘的形状参数11.60最小，中层绝缘的形状参数27.46最大，外层绝缘的形状参数23.97居中，三者均大于10，表明击穿测试结果可靠。此外，电缆切片的内层击穿场强最低，为189.3 kV/mm；中层击穿场强居中，为232.9 kV/mm；外层击穿场强最高，为245.0 kV/mm。中层和外层击穿场强相差较小，且明显高于内层击穿场强；外层击穿电场强度约为内层的1.3倍，中层击穿强度约为内层的1.23倍。

脱气后内层绝缘的交联副产物含量高于中层及外层绝缘，使内层绝缘空穴和极性分子数量偏多，载流子和空间电荷密度偏多，材料结构较为松散[25]，因此击穿强度明显小于中层及外层绝缘试样。

图4 电缆切片试样击穿特性对比Fig.4 DC breakdown comparison of cable samples

2.3 空间电荷特性分析

图5为3层绝缘试样在10 kV/mm、25 kV/mm和40 kV/mm场强及室温下极化10 s、600 s、1 200 s、1 800 s时的空间电荷分布，图中：d表征沿试样厚度方向的位置；虚线位置为电极位置，其中左侧为阴极，右侧为阳极。

由图5(a)、(b)可知，在10 kV/mm和25 kV/mm外加电场下，电缆层内部几乎无明显的电荷积聚现象，空间电荷分布曲线平缓；由图5(c)可知，当电场升高至40 kV/mm时，内层和中层电缆试样出现明显的空间电荷聚集，而外层依然无电荷聚集现象。不同的是，内层在两电极附近积累异极性电荷，随着极化时间推移，阴极峰值电荷密度减小，阳极峰值密度有所提高，试样内部异极性电荷积累量增加；而中层电缆内部主要积累负电荷，随极化时间推移，阴极峰值电荷密度有所减小，阳极峰值密度有所增加，内部积累的负电荷量增加，且主要集中在阳极附近，相当于阴极注入的负电荷往试样内部迁移，逐渐靠近阳极。

图5 内、中、外层试样分别在10、25、40 kV/mm直流电场作用下极化过程中的空间电荷分布Fig.5 Space charge distribution of inner, middle, outer samples at 10, 25, 40 kV/mm during polarization

同极性空间电荷的聚集一般是由电荷在高于阈值的电场下注入试样内部并积聚在电极附近所导致的，随着时间的推移和场强升高，同极性电荷增多并向试样内部移动；而异极性电荷的聚集一般是由绝缘材料内部的极性分子或杂质的电离和极化导致的，也会随着时间的推移和外加电场的增强向试样内部移动[25-28]。电场较低时，电荷主要由电极注入，同时电极附近的入陷电荷因难于脱陷而无法在介质内部迁移[13]，因此10 kV/mm和25 kV/mm场强下，3层试样内部的空间电荷分布平缓。在较高电场下，除了电极注入电荷外，还有XLPE中极性副产物解离出的正负离子对；此外，交联副产物分子本身可以在材料中形成局部电荷陷阱中心，电极注入的同极性电荷和正负离子对在向电极迁移的过程中会被陷阱捕获[17，29]。因此在40 kV/mm下，3层试样内部的空间电荷量要高于10 kV/mm和25 kV/mm下的空间电荷量。内层绝缘含有的残留副产物含量最高，解离出的正负离子对和形成的陷阱数量多，电极附近异极性电荷积聚也最明显。对于中层绝缘，副产物含量较少，由于试样内部存在着大量的局域态限制，电子空穴的迁移速度大于正负离子[13]，电子迁移速度大于空穴，主要形成阴极注入电荷在试样内部的积累。外层绝缘因其较少的副产物残留，空间电荷分布平缓。空间电荷的结果与前述直流电导率和直流击穿的结果一致。

3 结论

a)由于绝缘具有一定厚度，脱气处理后的电缆绝缘中残留的副产物含量不均，高压直流XLPE电缆绝缘各层表现出直流介电性能的差异。在30 ℃、10 kV/mm场强，30 ℃、20 kV/mm场强和50 ℃、10 kV/mm场强下，各层的电导率差异性很小；温度为70 ℃时，中层和内层绝缘电导率值大致相等；其余情况，内、中、外3层电导率依次减小。

b)中、外层绝缘击穿场强分别为内层的1.23倍、1.3倍；场强为10 kV/mm和25 kV/mm时，3层绝缘均无明显电荷积聚；而场强升高至40 kV/mm时，内层试样电极附近出现异极性电荷积聚，中层试样内部有同极性电荷注入，外层试样内部及电极附近无明显电荷积聚。

c)在实际电缆脱气工艺及性能检测中，为了确保高压直流XLPE电缆整体良好的绝缘性能，应以内层电缆的性能作为最低应用标准，并以此来设置脱气温度和脱气时间。一种方法是只对电缆内层切片进行副产物含量检测与分析，选取副产物残余量不再显著变化时的脱气时间和温度；另一种方法是开发考虑了内层副产物扩散效果的原位光学测量技术，具体内容有待进一步研究。