交联度对交联聚乙烯时域介电特性的影响

张桥峰，周 凯，李康乐，李明志，汪先进，王子健

（四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由聚乙烯(PE)交联而成，现已成为电力系统中最常用的绝缘材料之一。交联是改善PE性能的重要工序，能使XLPE的绝缘性能大幅提升[1-3]。但由于不同厂家交联工艺、水平的差异，加之交联过程中电缆绝缘层的受热和冷却难以做到完全均匀，使得XLPE绝缘的交联程度存在差异[4-5]。即便是同一厂家生产的电缆，也难以保证其所有电缆的交联度完全一致。加之早期电缆的入网检测技术要求较低等原因，造成目前部分XLPE电缆存在诸多质量问题。近年来，极化-去极化电流(polarization and depolarization current，PDC)法作为一种无损检测方法逐渐应用到电缆绝缘诊断中，因此，基于极化-去极化电流法研究交联度对XLPE绝缘时域介电特性的影响，对于深入理解不同交联度XLPE绝缘的质量差异原因，更好地提升XLPE电缆的绝缘性能具有重要意义。

目前，学者们针对交联度对XLPE材料性能的影响开展了大量研究。朱晓辉等[6]研究了交联温度和交联时间对XLPE结晶形态的影响，结果表明适度的交联温度和交联时间可获得尺寸差异较小、晶粒均匀分布的结晶形态。王金锋等[7]研究发现，XLPE试样的结晶尺寸越小，数量越多，其耐水树能力越强。胥智勇等[8]研究发现，提升XLPE的交联度可以显著提高绝缘的耐水树枝能力，这是由于交联形成的三维网状结构限制了水分沿电场方向挤压形变的能力。周韫捷等[9]研究了交联剂过氧化二异丙苯对XLPE击穿特性的影响，发现XLPE的电气强度随交联剂含量的增加呈现先增大后减小的趋势，这是由于XLPE的电气强度与陷阱分布特性具有明显的对应关系，并且主要受深陷阱的影响。周湶等[10]研究了交联度对XLPE空间电荷的影响，发现交联反应提高了XLPE空间电荷的注入阈值场强，且随着交联度的增大，注入阈值场强呈现先增大后减小的趋势。李维康等[11]研究表明，交联度越高，XLPE内部的电荷注入越深，并且随着电场强度的增加，绝缘内部积累的正电荷数量不断增加。上述文献主要从耐水树枝能力、电气强度、空间电荷的注入阈值和注入电荷量等方面研究了交联度对XLPE绝缘性能的影响，而鲜有基于PDC法研究交联度对XLPE时域介电特性的影响，尤其是交联度对XLPE绝缘电导电流、界面极化电流、偶极子极化电流的影响以及不同交联度XLPE中极化-去极化电流值反映的XLPE绝缘的信息，值得进一步研究。

本研究基于PDC法研究交联度对XLPE时域介电特性的影响，对不同交联度XLPE绝缘的时域介电特性展开分析和讨论。

1 实验

1.1 不同交联度XLPE试样的制备

XLPE的交联度取决于交联剂DCP的分解速度，在不同的交联温度和交联时间下DCP的分解速度存在较大差异[6]，故可通过控制交联温度和交联时间来制备不同交联度的XLPE薄片试样。具体制备方法如下：首先向明星电缆生产的低密度聚乙烯(LDPE)中加入质量分数为2.0%的过氧化二异丙苯(DCP)，得到待交联基料；将待交联基料在120℃的真空压膜机上预热10 min，然后分别在120、145、146℃的交联温度下加压（15 MPa）交联 10、15、20 min，得到不同交联度的A、B、C 3组XLPE圆片试样，试样半径为120 mm，厚度为1 mm；将薄片试样置于70℃、50 Pa的真空干燥箱中脱气干燥处理48 h，以消除交联副产物对PDC测试的影响[12]。

1.2 基于凝胶萃取法测定XLPE试样的交联度

按照GB/T 18474—2001，采用凝胶萃取法测定XLPE试样的交联度。将5 g XLPE试样放入二甲苯溶剂中加热萃取8 h，计算萃取后剩余物占试样初始质量的百分比即为XLPE样品的交联度[13]，计算公式如式（1）所示。

式（1）中：M表示盛装样本前筛网的质量；M1表示样本放入筛网后的总质量；M2表示经萃取溶解干燥后的筛网总质量。为提高测试结果的准确性，实验前后都需对样本进行干燥处理，且每组样本进行5次测试（i=1，2，3，4，5），去掉最大值和最小值后取测试结果的平均值作为最终结果。

1.3 XLPE试样的PDC测试

PDC法旨在测量电介质在有外加电压作用和外加电压消失后的响应电流，以此来反映介质的绝缘状态。本研究中XLPE圆形薄片试样的PDC测试回路如图1所示，其中所加极化电压为1 kV，极化和去极化时间均为180 s，完成1次PDC测试需要360 s。当高压开关接触点a时，电流经由保护电阻、高压电极、测试电极、皮安表构成闭合回路，此时测试得到XLPE薄片试样的极化电流；当高压开关接触点b时，试样经皮安表构成放电回路，此时测试得到试样的去极化电流。为避免泄漏电流对极化、去极化电流的干扰，实验过程中加入屏蔽电极进行屏蔽。测试结束后，存储在皮安表缓冲区的数据将自动上传至上位机。

2 结果和分析

2.1 XLPE试样的交联度测定结果

采用凝胶萃取法测得3组XLPE试样的交联度如表1所示。从表1可以看出，A组试样交联温度为120℃，尚未达到交联剂DCP的分解温度，故其交联度为0；随着交联温度和交联时间的增加，交联剂DCP逐渐发生分解，试样的交联度不断提高[14]。当交联时间为20 min，温度为146℃时，试样的交联度为40%。

图1 XLPE圆形薄片试样的PDC测试回路Fig.1 PDC test circuit of XLPE round sheet sample

表1 不同交联条件下XLPE试样的交联度Tab.1 Crosslinking degree of XLPE samples under different crosslinking conditions

2.2 交联度对XLPE时域介电特性的影响

2.2.1 极化-去极化电流的时域计算

XLPE绝缘材料是一种半结晶高聚物，由晶区和无定形区组成。其中，晶区的分子链排列相对有序，无定形区的分子链排列相对无序，且分子间存在一定间隔[15-16]，故XLPE材料内部的极化过程十分复杂。由于本研究选择的PDC测试采样时间间隔为0.15 s，故可忽略电子式极化和离子极化过程，主要考虑偶极子的极化过程、晶区和无定形区之间的界面极化过程。

PDC测试曲线中的极化电流ip(t)和去极化电流id(t)如式（2）～（3）所示。

式（2）～（3）中：i1p(t)为极化过程中偶极子转向极化产生的电流；i2(t)为流过绝缘的电导电流；i3(t)为极化过程中的界面极化电流；i1d(t)为去极化过程中偶极子松弛产生的电流。

根据扩展Debye模型，偶极子极化过程的转向和去极化过程中的松弛是可逆的，如式（4）所示。

将式（2）减去式（3），可得到式（5）。

由式（5）可知，极化电流与去极化电流的差值包括电导电流和界面极化电流两部分，但界面极化电流将随时间不断衰减，而电导电流始终保持不变，故极化足够长时间后的电流稳态值即为电导电流，如式（6）所示。

式（6）中，tf表示时间接近无穷大的时间点。

则界面极化电流为式（7）。

2.2.2 极化-去极化电流的测试结果及分析

A、B、C 3组薄片试样的极化电流测试结果如图2所示。

图2 不同交联度XLPE试样的极化电流Fig.2 Polarization current of XLPE samples with different crosslinking degree

从图2可以看出，A组试样（GA=0）的极化电流幅值大于B组（GB=20%）和C组（GC=40%）薄片试样，说明交联反应对XLPE绝缘的极化过程具有抑制作用。这可能是由于A组试样中DCP未发生分解，XLPE薄片试样内部以浅陷阱为主。随着交联温度和交联时间的增加，DCP逐渐分解产生交联，试样内部陷阱转为以深陷阱为主[9]。交联使得XLPE由原有的线性分子结构逐步转为三维网状结构，导致试样内部结构得以重构。相比A组试样，B、C组试样的陷阱深度加深，导致入陷电荷的脱陷势垒提高，减弱了极化过程中载流子的迁移。

从图2还可以看出，C组薄片试样的极化电流幅值小于B组试样的极化电流，说明交联度越高，对XLPE绝缘极化过程中载流子迁移的抑制作用越强。这是由于随着交联度的进一步升高，XLPE内部交联点不断增多，XLPE分子链的三维网状结构更加牢固[8]。一方面，材料中的深陷阱密度增大、陷阱深度加深，提高了对载流子的捕获概率；另一方面，在相同的电场作用下，已入陷的载流子在陷阱中由于脱陷势垒的提高将会停留更长的时间[17]。故总的载流子迁移过程受到阻碍，极化电流幅值变小。

根据式（6）、（3）、（7）计算得到XLPE绝缘的电导电流、偶极子松弛电流、界面极化电流分别如图3～5所示。

图3 不同交联度XLPE试样的电导电流Fig.3 Conductivity current of XLPE samples with different crosslinking degree

图4 不同交联度XLPE试样的偶极子松弛电流Fig.4 Dipole relaxation current of XLPE samples with different crosslinking degree

图5 不同交联度XLPE试样的界面极化电流Fig.5 Interface polarization current of XLPE samples with different crosslinking degree

从图3可以看出，随着XLPE试样交联度的提高，电导电流幅值不断减小。A组试样的电导电流与B、C两组试样相差一个数量级，这说明交联反应有效地提升了XLPE电缆绝缘的绝缘性能，同时也再次证明交联反应能有效抑制载流子的迁移。根据图4～5可以发现，随着XLPE试样交联度的提高，偶极子极化电流和界面极化电流均不断减小。尤其是当试样的交联度从20%升高至40%时（成倍增加），界面极化电流急剧减小，界面极化过程受到了严重阻碍。

根据扩展Debye模型[18]，不同类型的极化过程可以用多个R-C的串联支路表示。为了进一步分析XLPE材料内部的极化过程，对XLPE试样进行普遍的三支路Debye模型[19]等效，如图6所示。其中，第一支路表示XLPE绝缘本体的极化现象；第二支路表示XLPE绝缘晶体与无定形区界面处的界面极化现象；第三支路表示XLPE中水树等绝缘缺陷的老化现象。本次支路辨识采用矩阵束算法对去极化电流进行拟合[20]，最终拟合得到的支路参数如表2所示，其中τi表示时间常数，τi=Ri·Ci。

图6 扩展Debye模型的三支路辨识Fig.6 Three branch identification of extended Debye model

表2 扩展Debye模型的三支路辨识结果Tab.2 Three branch identification results of extended Debye model

从表2可知，随着XLPE材料交联度的提高，第二支路的时间常数和电阻值迅速急剧增大。这是由于随着交联度的不断增加，交联形成的三维网状结构更加紧密，导致载流子在XLPE材料中晶体与无定形区界面缺陷处的迁移变得更加困难，在相同的极化电压作用下，电荷需要更长的时间才能完成积聚和消散。因此，利用第二支路的电阻和时间常数可在一定程度上反映XLPE材料内部晶体与无定形区界面缺陷处电荷的极化过程，且交联度越高，电荷在界面处的极化时间越长。

3 结论

（1）交联反应对XLPE绝缘的极化过程具有抑制作用。当交联度在0～40%变化时，交联度越高，对极化过程的抑制作用越强。

（2）随着交联度的增加，XLPE绝缘的电导电流和界面极化电流不断减小，材料的电气绝缘性能不断提升。

（3）扩展Debye模型的第二支路电阻及其时间常数能在一定程度上反映XLPE材料内部晶体与无定形区缺陷处电荷的界面极化过程，且交联度越高，电荷在界面处的界面极化时间越长。