交/直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能研究

吴 俊，陈俊文

(1 南瑞集团（国网电力科学研究院)有限公司，湖北武汉430074；2 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074)

在直/ 交流交联聚乙烯电缆系统中，绝缘场层中的电场强度分布随着材料介电常数的增大而减小，而交/直流交联聚乙烯电缆的介电常数随温度的变化甚微，最大的场强一般出现在绝缘层的表面处，而且交/ 直流变化电场下介质极化会导致聚乙烯电缆产生介电损耗并出现发热现象，加速了聚乙烯电缆的老化［1-2］。国外在上世纪中期就开始了交/ 直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能研究，先是美国的电气公司采用过氧化物交联法制备了电缆并将其投入使用，到了60 年代末期，在硅烷交联法的电缆制备工艺方面也取得了重大突破，使得电缆问世后在各个领域中都得到了广泛的应用和研究［3］；国内对交/ 直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能的研究起步较晚，直到上世纪80 年代末期，上海电力公司才完成第一条电缆线路的装设，从而使国内电缆的生产研发工作迅速发展［4］。

欧阳本红等［5］针对电缆性能受到其绝缘交联时过氧化物分解产生副产物的影响，对XLPE 电缆进行了脱气处理，并对其进行红外光谱分析，比较分析了脱气处理前后的XLPE 电缆力学性能和介电性能，结果显示交联副产物的含量会在脱气处理过程中显著降低，XLPE电缆绝缘的极性基团数量在减少，降低了电导率，使得XLPE 电缆绝缘的拉伸强度得以提高；陈铮铮等［6］通过红外光谱分析了造成直流与交流交联聚乙烯电缆料绝缘特性差异的机理，结果显示，直流电缆料比交流电缆料的空间电荷性能更好，在直流与交流交联聚乙烯电缆料中羰基的含量不同，认为直流与交流交联聚乙烯电缆料主链的完整程度是影响其绝缘性能的主要因素。

基于以上背景，本文采用试验分析的方式，研究了交/ 直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能，从而延长交/直流交联聚乙烯电缆的使用寿命。

1 试验部分

1.1 试验原料

交/ 直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能试验所用的交联聚乙烯为线性低密度聚乙烯［7］，熔融指数为3.6g/10min，密度为0.924g/cm3，试验开始前需要将聚乙烯放在80℃的真空环境中干燥8h［8］。其它试验原料：二甲基甲酰胺(分析纯)、三氯甲烷(分析纯)、二甲苯(化学纯)，上海市华晨化学试剂有限公司。

1.2 试验样品制备

先将交联聚乙烯加入到氯仿中，并在室温条件下采用超声波技术将其分散2h，使之形成稳定的混合物。再取适量交联聚乙烯，将其加入到二甲苯溶液中，在95℃的加热条件下促使聚乙烯溶解到二甲苯中。将交联聚乙烯/ 氯仿混合物缓慢加入到交联聚乙烯与二甲苯的混合溶液中，继续将所有物质在95℃的加热条件下搅拌2h。经过6h 的加热处理，将混合溶液中的大部分溶剂除去，将交/ 直流交联聚乙烯在120℃的真空条件下静置24h，静置过程中不断调节环境中的真空度，从而使混合溶液中的溶剂彻底除去。待试验样品缓慢冷却之后，置于干燥的容器内待使用。为了保证试验材料具有相同的加工历史，纯交/ 直流交联聚乙烯样品也要进行上述的处理步骤。

1.3 试验样品性能表征

1.3.1 观察样品形貌

采用发射扫描电子显微镜观察试验样品的形态，先将圆柱状的试验样品沉浸在液氮中，在液氮中持续一段时间后将其取出断裂，将断裂面进行喷金处理［9］，并采用X-射线能谱来研究试验样品断裂面的元素组成情况［10］。

1.3.2 测量介电频谱

交直流交联聚乙烯电缆的介电频谱测量通常都是在宽频介电谱仪上进行的。测试过程中的频率区间在0.1Hz到10MHz 之间［11］。测量过程中通常采用介电常数作为介电频谱的测量参数，此外还包括介电损耗以及交流电导等参数［12］，给试验样品施加1V 的电压，样品的厚度大约为1mm。

1.3.3 测量试验样品的交流介电强度

试验样品的交流介电强度根据ASTM D 149-1997 在 交 流 介 电 强 度 测 试 仪［13-14］上 完 成 样 品 的 测定，将交直流交联聚乙烯电缆试样的尺寸设置为100×100×250±10μm。在测量过程中，将试验样品置于上下放置的两个球形电极中［15］，并将其全部浸入到硅油中。每一种试验样品都要经过20 次测试，测试过程中的升压速率为2kV/s。

1.3.4 测量试验样品的直流电导

采用三电极系统电流计以及直流电源进行试验样品的直流电导测量，试验样品尺寸为55×100μm。试验样品的表面通常要喷涂一层金电极，使试验样品与电极之间保持一定的欧姆接触。测量过程中试验样品的电极结构如图1 所示。

图1 试验样品的电极结构Fig.1 Electrode structure of test sample

试验样品的直流电导在测量比较低的电流时，需要消除电极的电磁噪音，因此，测试工作通常在屏蔽箱中完成。所有的试验样品在直流电导测试前，需要在373K且真空环境中短路放电48h 左右［16］。

1.3.5 测试试验样品的力学性能

根据聚乙烯电缆的测试标准，将1mm 厚度的试验试样放在试验机上测试拉伸性能，测试过程中的拉伸速度设置为250mm/min。采用动态力学分析仪［17］分析试验样品的动态力学性能：在振幅为0.03%、振动频率为10Hz 的条件下，采用悬臂梁模式将试验样品的温度降到123K，再以5K/min 的速率将试验样品的温度升高到该样品的熔融温度范围内。

1.3.6 试验样品的热失重分析

非等温热失重分析：取大约5mg 剪碎的交联聚乙烯样品，在充足的氮气氛围下以10℃/min 的速率，在25℃～650℃的范围内分析并测量试验样品的热重。

等温热失重分析：取大约5mg 剪碎的交联聚乙烯样品，在充足的氮气氛围下以100℃/min 的速率，将试验样品的温度快速升高到400℃，并在恒温环境中静置120min，记录试验样品的质量与测量时间之间的关系。

2 结果与讨论

不同电流变化幅度的交联聚乙烯电缆的介电常数实部以及介电损耗与频率的关系如图2 和图3 所示，不同电流变化幅度的交联聚乙烯电缆的Cole-Cole 曲线如图4所示。

图2 交联聚乙烯电缆的介电常数与频率的关系Fig. 2 Relationship between dielectric constant and frequency of XLPE cable

图3 交联聚乙烯电缆的介电损耗与频率的关系Fig. 3 Relationship between dielectric loss and frequency of XLPE cable

在图2 和图3 的试验结果中可以看出，交流聚乙烯电缆的介电常数和介电损耗都是随着测量频率和交直流变化分数的变化而发生变化，但是不同电流变化幅度的交联聚乙烯电缆之间存在着不同测量频率之间的依赖关系。当交联聚乙烯电缆的电流变化幅度低于12% 时，其介电性能不会随着测量频率的变化而发生变化，所有测试的介电常数和介电损耗都是一致的。交联聚乙烯电缆的电流大小从16% 开始，介电参数与测量频率之间的变化具有较强的依赖性，并且在低频测量区域内，存在介电常数和介电损耗都增加的现象。变化较大的介电常数显示出电流在改变交流聚乙烯介电性能的有效性，可以更容易地找到交联聚乙烯在不同领域中应用的线索。

在测量的低频段区域中，交联聚乙烯电缆的介电常数和介电损耗会随着电流变化幅度的增加而增加，这种结果的出现可以采用界面极化机理来解释。在低电流条件下，电流变化幅度与交联聚乙烯电缆的电流之间形成的界面面积比较小，同样情况下是可以忽略不计的，随着电流变化幅度的不断增大，电流变化幅度与交联聚乙烯电缆的电流之间有效界面面积会以指数的形式增加，而且电流之间的绝缘厚度也会不断减小，从而造成两者之间界面空间的电荷极化现象大大增强。

根据图2 和图3 的试验结果，当电流变化幅度超过12% 时，可以看到非常明显的介电弥散现象，这一现象的产生通过图4 来说明。

图4 交流聚乙烯电缆的ε ′ - ε ′曲线Fig. 4 ε ′ - ε ′Curve of AC polyethylene cable

根据图4 的曲线，交联聚乙烯电缆都具有比较复杂的ε ε′ ′

- 图形，说明在试验过程中，交联聚乙烯电缆存在多个介电松弛时间。然而非介电弥散体系存在比较单一的松弛时间，ε ε′ ′- 图形通常也表现为规则的半圆。

这里值得一提的是，当电流变化幅度达到24% 时，交联聚乙烯电缆的介电常数和介电损耗都达到了最大值，如果电流变化幅度继续增大，交联聚乙烯电缆的介电常数和介电损耗开始逐渐减小。根据相关文献记载，电流变化幅度大的情况下，不完善堆积的填料会产生比较小的孔洞，这一现象也是造成交联聚乙烯电缆介电常数逐渐减小的主要原因。试验过程中，采用混合法制备了交联聚乙烯电缆。由于交直流具有较大的电流冲击力，溶剂在交联聚乙烯电缆制备过程中不容易完全除去，遗留的溶剂会使交联聚乙烯电缆存在孔洞。因此交联聚乙烯电缆介电常数的减小可能与试验样品中存在比较多的孔洞有关。

根据X 射线光电子能谱来证实交联聚乙烯电缆样品中残存有溶剂，交联聚乙烯电缆断面的X 射线能谱分析如图5 所示。

图5 交联聚乙烯电缆断面的X 射线能谱分析Fig. 5 X-ray energy spectrum analysis of cross section of XLPE cable

在图5 中可以看出，交联聚乙烯电缆的断面处有氯原子存在，主要来自氯仿中，而出现的镁元素是来自制备交联聚乙烯电缆的原料。交联聚乙烯电缆的介电参数在某一电流值处发生转变，出现这一现象的原因有两个，一是交联聚乙烯电缆样品中的孔洞数量小，二是由于空气也具有一定的介电常数和介电损耗，这两个方面的不足使交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能发生变化。

根据上述分析，电流变化幅度越大，在基体中分散越困难，尤其是电流超过24% 时，电流就会发生聚集效应，造成交联聚乙烯电缆的电流与电流变化幅度之间的有效面积减少，弱化了界面极化的强度，这也是交联聚乙烯电缆介电性能在24%时发生转变的一个原因。

在电流没有规律分布的基础上，交直流团簇的体积CV与组成团簇的电流链路数目fN以及单位长度电缆的电流平均体积Vf成正比，即：∝。

在高频区域中，交联聚乙烯电缆的介电常数随着电流变化幅度的增加而增加，而介电参数并没有发生变化，但是当电流变化幅度超过24% 时，交联聚乙烯电缆的介电常数增加速率开始急速减慢，如图6 所示。

图6 交联聚乙烯电缆的介电常数与电流变化情况的关系Fig. 6 Relationship between dielectric constant and current variation of XLPE cable

图6 这种现象出现的原因可能与交联聚乙烯电缆本身带有微小的介电常数以及电流变化规律有关，根据电子显微镜和X 射线电子能谱仪的测试可以看出，交联聚乙烯电缆的表面通常会带有一层钝化的氧化物结构，如图7 所示。

图7 交联聚乙烯电缆的X 射线能谱分析Fig. 7 X-ray energy spectrum analysis of XLPE cable

从图7 试验结果可以看出，交联聚乙烯电缆的介电常数并没有表现出逾渗行为。电流变化超过24% 时，交联聚乙烯电缆表面的电流团聚现象会造成有效界面的面积减少，增加了氧化层的厚度。

在高频率区域中，交联聚乙烯电缆的电流变化继续增加，直到超过24% 时，交联聚乙烯电缆的介电性能才开始随着电流变化幅度的增加而减小，试验结果表明，电流变化幅度高时，虽然电流出现了团聚现象，但是可能存在表观接触电阻。

3 结束语

本文提出了交/ 直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能研究，针对交联聚乙烯电缆，采用了多种方式测试了其绝缘介电性能，结果显示，交/ 直流交联聚乙烯电缆是一种介电弥散体系，电流变化幅度大时，交/ 直流交联聚乙烯电缆表现出很明显的介电弥散特征。