脱气对525 kV交联聚乙烯绝缘直流电缆空间电荷特性的影响

侯帅，张逸凡，赵远涛，周则威，俞国军，傅明利

(1.南方电网科学研究院，广州510663；2.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663；3.宁波东方电缆股份有限公司，浙江宁波315803)

0 引言

随着我国经济的快速发展，社会用电量不断增加，高压直流输电系统的可靠运行是电力系统安全、国民经济发展的重要保证[1-3]。高压直流电缆作为直流输电的关键设备，具有绝缘性能优异、占地面积小等优点，被越来越广泛地应用于电力系统。高压直流电缆通常以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)作为主绝缘材料，与未交联的聚乙烯相比，其分子结构从二维长链转变为互相交联的三维结构，具有更加优异的力学性能和电气性能[4]。目前，在交联聚乙烯电缆的生产过程中，最常采用的交联方法是过氧化物(过氧化二异丙苯DCP)交联法[5-7]，但该方法会在XLPE中残留交联副产物，主要包含枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮3种[8]。这些交联副产物会随着电缆的运行而逐渐分解成极性小分子。在外施电场的作用下，这些极性小分子杂质容易解离为正负离子对，并在电场的作用下向极性相反的电极迁移，形成异极性空间电荷，积聚在电缆绝缘内外层的边缘[9-12]，进而导致绝缘内外边缘界面处的电场畸变。在XLPE电缆的实际运行中，绝缘内外层温度呈梯度分布，这将导致电缆绝缘内外界面处的场强畸变更为严重[13]。交联副产物的存在，对XLPE电缆的长期运行产生不利的影响，会加速绝缘老化，引起局部放电，甚至造成电击穿等电缆故障。因此，研究交联副产物对电缆绝缘内空间电荷分布的影响尤为重要。

目前，对XLPE电缆进行脱气处理，是去除交联副产物的主要方法。国内外大量试验研究表明，脱气可以有效去除交联副产物，提升交联聚乙烯电缆的电气性能[14-17]。苏鹏飞等人研究了脱气对XLPE击穿强度的影响，发现脱气处理能有效提高直流电缆绝缘击穿场强[18]；George Chen等人研究了脱气对聚乙烯微观形态结构和内部空间电荷的影响，发现脱气处理可以有效消除XLPE中的交联副产物，并且发现XLPE内空间电荷量与交联副产物有密切关联[19]；叶璿等人研究了脱气对复合介质空间电荷分布的影响，发现脱气处理可以有效改善XLPE中的空间电荷分布[20]。目前的研究还多集中在以实验室压制的XLPE薄膜试样为研究对象，使用真空干燥箱对样品进行脱气处理，分析脱气对电缆绝缘性能的影响，但实验室制备的XLPE样品的脱气与真实电缆绝缘的脱气情况相差很大，目前还未有关于脱气对真实电缆绝缘空间电荷特性影响的报道。特别是仍不清楚脱气对实际运行电缆不同绝缘层空间电荷分布特性的影响。

另外，目前关于XLPE电缆绝缘的脱气过程与脱气标准还不完善，主要体现在两个方面：一是交联副产物含量的表征多使用相对定量，即以丰度或者含量百分比的方式来表征交联副产物含量，无法直接使用交联副产物的含量来准确表征电缆绝缘的脱气完成度；二是对不同电压等级XLPE电缆的脱气时间不明确，对XLPE电缆中交联副产物的可接受残余量还没有可参考的数据。

本研究基于实际工程中应用的525 kV高压直流XLPE电缆，在脱气烘房中进行脱气处理，然后采用气相色谱-质谱法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)对不同脱气时间的XLPE的交联副产物残余含量进行测量，获得交联副产物残余量随脱气时间的变化规律，提出交联副产物残余量可接受的范围。并采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic, PEA)测量脱气与未脱气XLPE绝缘试样的空间电荷和电场分布特性，研究了脱气处理对XLPE电缆不同绝缘层的空间电荷特性的影响规律。本研究将为高压直流XLPE电缆的脱气工艺及副产物对其电性能的影响方面提供重要的实践经验和工程指导。

1 试验方法

1.1 试验预处理

本文所使用试样为是某国产525 kV高压直流XLPE绝缘电缆，绝缘材料采用北欧化工LS4258DCE，XLPE绝缘厚度为28 mm。在对电缆试样进行脱气处理之前，截取未脱气电缆段，作为对照组，然后将剩余电缆段置于电缆脱气烘房中，进行脱气处理。其中，脱气温度设置为70 ℃。为获得电缆段绝缘试样在不同脱气时间的交联副产物残余量，在脱气过程中进行取样，每隔5～15 d截取10 cm电缆进行测试分析，脱气总时长为55 d。取样后，利用电缆切片机沿绝缘径向切取电缆绝缘内(2～4 mm)、中(12～14 mm)、外(24～26 mm)3层片状试样，试样厚度为0.2 mm，每层切取5片试样，试样切取位置选取方式如图1所示，不同试样的切片位置及其编号如表1所示。

图1 XLPE不同位置绝缘选取示意图

表1 试样切片位置及其编号

1.2 气相色谱质谱法

使用气相色谱-质谱仪(顶空固相微萃取)对XLPE电缆绝缘中的交联副产物剩余含量进行测试。一般情况下，在XLPE电缆生产过程中，交联副产物会从绝缘内部逐步扩散到绝缘的表面并挥发到空气中。利用副产物的扩散特性，实验前期对试样进行如下处理：测试前，取0.5 g试样剪碎置于样品瓶中，分别加入5 mL三氯甲烷和5 mL正己烷的样品浸泡溶液。使用超声振荡器进行振荡30 min，利用三氯甲烷和正己烷萃取出试样的交联副产物(主要含甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇)，并且加入无水硫酸钠以吸收溶液中的水分。最后将溶质过滤，留下含有交联副产物的溶液进行气相色谱实验。

1.3 空间电荷测试

利用电声脉冲法(PEA)空间电荷测试系统，测量脱气与未脱气电缆绝缘试样的空间电荷特性，研究脱气处理对XLPE电缆不同绝缘层试样的空间电荷分布和电场分布的影响。

分别取未脱气和脱气55 d的电缆内、中、外层交联聚乙烯绝缘，轴向切片制成0.2 mm厚的片状试样进行空间电荷测试。空间电荷的测试过程为：每种试样均在20 kV/mm场强下进行3 600 s的加压测试，之后进行1 800 s的短路测试，记录试样中的空间电荷变化。空间电荷的测试平台为实验室搭建的PEA全自动程控测量电极系统及其配套的高压直流电源、高压脉冲电源、示波器和信号采集与处理软件系统，PEA测试系统如图2所示。

图2 PEA测试系统原理图

2 试验结果与分析

2.1 脱气试验结果

利用气相色谱-质谱法对a-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇的标准试样进行标定，测量不同脱气天数的高压直流电缆交联聚乙烯绝缘内层、中层、外层试样的交联副产物a-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇残余含量(质量分数，下同)随脱气时间(0、15、20、30、45、55 d)的变化规律，脱气实验结果如图3所示。

图3 交联副产物剩余量随脱气时间的变化规律

图3(a)—(c)所示为XLPE内、中、外层试样交联副产物剩余含量随脱气时间的变化规律。从图中可以看出，电缆XLPE绝缘试样中3种主要交联副产物枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮的剩余含量均随着脱气时间的增加而减少，并且在脱气时间达到30 d后，交联副产物的剩余含量趋于稳定。同时发现，脱气稳定后，交联副产物剩余含量与XLPE绝缘层的位置密切相关，由绝缘外层向内层，3种交联副产物剩余含量依次增大，表明绝缘内层的交联副产物更难以脱去。因此，本研究以内层试样交联副产物的剩余含量作为电缆绝缘脱气处理是否完成的特征参量。

根据图3(d)的结果，在70 ℃下脱气处理30 d后，内层试样的副产物α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇总含量(质量分数)低于3 mg/g。同时由图3(a)—(c)可知，枯基醇是几种交联副产物中较难脱去的，脱气30 d后其质量分数约为2 mg/g。A.Smedberg等报道了类似的结论，他们通过对110 kV电缆(XLPE绝缘厚度为18 mm)进行脱气，其主要副产物为枯基醇和乙酰苯，认为在70 ℃脱气21 d后，外层试样的枯基醇和乙酰苯的含量分别约为2 mg/g和1 mg/g时，交联副产物达到可接受水平[24]。因此，本研究认为交联聚乙烯电缆内层绝缘的交联副产物总含量低于3 mg/g，且枯基醇含量低于2 mg/g时，认为电缆脱气已充分，剩余交联副产物含量达到可接受的水平。

2.2 空间电荷特性

采用电声脉冲法分别对脱气55 d和未脱气的XLPE电缆内不同位置的交联聚乙烯绝缘切片试样进行空间电荷测试。在3 600 s加压结束时，XLPE试样的空间电荷分布如图4所示。

图4 XLPE试样加压3 600 s后的空间电荷分布

由图4可知，脱气处理前后，XLPE电缆绝缘试样在测试场强20 kV/mm下均表现出了不同程度的异极性空间电荷积聚现象。内层试样异极性电荷积聚程度最大，脱气处理后，电荷积聚量减少，但与中外层相比，电荷含量仍然较高，这与其难以脱气充分，交联副产物剩余含量较高有关。中层试样与内层的相比，异极性电荷积聚量有明显降低，说明电缆绝缘中交联副产物的含量与绝缘位置密切相关。中层试样在脱气处理后，电荷积聚量明显减少。外层试样的及异性电荷积聚量最少，与其交联副产物含量最少相对应。从空间电荷测试结果来看，交联副产物含量对于XLPE电缆绝缘的空间电荷特性有重要影响，且随绝缘位置由内到外逐渐减少。同时发现，脱气处理能有效降低空间电荷积聚量。

为量化脱气处理与试样位置对空间电荷异极性积聚的影响，本文选取加压结束时的空间电荷数据进行空间电荷平均体密度的计算，计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：q(t,Ep)为空间电荷平均体密度；x0为阴极与介质的界面处坐标；x1为介质厚度中点坐标；qp(x,t,Ep)为空间电荷密度；t为加压时间，此处为3 600 s；Ep为外施电场。本研究选取内层试样靠近阴极一侧的异极性电荷积聚情况，原因是阴极一侧机械波衰减速率慢、色散小，声耦合更良好。具体计算结果如表2所示。

表2 XLPE试样的平均空间电荷体密度

由表2可知，脱气处理后，XLPE电缆不同位置绝缘的平均电荷体密度均降低，即脱气大幅减少了异极性电荷的积聚情况。其中，外测试样的脱气后的平均电荷体密度少量增加，这与脱气外侧试样积聚了微量同极性电荷有关。

在去压实验过程中，XLPE绝缘试样内的积聚电荷逐渐衰减。衰减速率可以表征试样内部的陷阱分布和载流子迁移率。本研究选取XLPE绝缘试样在20 kV/mm场强下去压时间300～600 s中的空间电荷数据，依据式(2)计算电荷衰减率。

v=Δq(t,Ep)/Δt=|q(600,Ep)-q(300,Ep)|/300

(2)

式中：v为电荷衰减率；Δq(t,Ep)为空间电荷平均体密度增量；t为加压时间；Ep为外施电场；Δt为加压时间增量。

图5所示为XLPE电缆内、中、外层绝缘试样的电荷衰减率变化规律。结果表明，脱气处理后，不同位置的绝缘试样电荷衰减速率均明显降低。同时，绝缘试样从内至外，电荷衰减速率依次降低，但是脱气与未脱气试样之间的差异略有减小。说明由于脱气处理降低了交联副产物剩余量，导致异极性空间电荷积聚降低，从而降低了XLPE绝缘的电荷衰减速率。

图5 XLPE试样的电荷密度衰减率

2.3 电场分布特性

空间电荷积聚会改变绝缘内部的电场分布，异极性电荷的积聚会增强界面上的电场强度，降低绝缘内部的电场强度。局部场强过高会导致XLPE电缆绝缘老化，甚至击穿。根据麦克斯韦方程式可计算得到XLPE内部的电场分布情况，如式(3)所示。

(3)

式中：D表示电位移；S为闭合曲面；ρ为空间电荷体密度；v为闭合曲面体积。

XLPE试样内层、中层和外层的电场分布如图6所示。

图6 XLPE试样内部电场分布

由图可知，由于内层脱气不充分，试样在脱气处理前后交联副产物的含量均比较高，因此在电极与试样界面处出现了明显的电场畸变，这与2.2节中内层试样的异极性电荷严重积聚的现象相对应。中层未脱气试样内部同样存在电场畸变的现象，但是相较于内层试样，畸变程度有所降低。在脱气处理后，试样的电场基本无畸变，说明脱气处理使中层试样的电场分布得到了很大改善。外层试样由于在脱气前后交联副产物含量均较低，因此电场畸变的情况在脱气处理前后均不明显。整体来看，内层试样的电场畸变程度最严重，也说明交联副产物对XLPE绝缘试样的电场分布有重要的影响，而脱气处理可以明显地改善由于交联副产物存在而引起的电场畸变现象。

以XLPE试样中最大场强与平均场强的比值作为最大电场畸变率，计算得到XLPE试样的电场畸变率如图7所示。由图7可知，脱气前后相比，内层试样的最大的电场畸变率从约为初始场强的2.1倍降低为初始场强的1.4倍。同样，中层样品内最大电场畸变率从初始场强的1.38倍降到1.07倍。而外层样品的电场畸变率脱气前后均较小，且变化不大，表明电缆绝缘外层的交联副产物在脱气前可能已经有了挥发。另外，从不同位置来看，XLPE绝缘最大电场畸变率由内层到外层依次降低，这与交联副产物脱气处理后的剩余含量相对应。整体看，脱气处理可以明显改善电场的畸变情况。

图7 XLPE试样的电场畸变率

2.4 脱气对XLPE绝缘空间电荷特性影响

电介质内部空间电荷可分为两种类型：同极性电荷和异极性电荷。同极性电荷一般来源于同侧极板以电子或空穴的形式的电荷注入；异极性电荷一般来源于介质内的杂质解离。研究表明，交联聚乙烯电缆生产中的杂质主要来自于DCP交联剂在交联过程中产生的副产物，主要包括枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮3种副产物。

本研究对脱气处理前后的XLPE试样在不同场强下进行了空间电荷测试。结果表明，XLPE电缆绝缘内部的异极性电荷积聚量与外施电场强度正相关；脱气试样相较于未脱气试样，内部的异极性电荷积聚量大大降低、电荷的衰减率和电场畸变率也明显降低。这表明在电场的作用下，枯基醇、α-甲基苯乙烯和苯乙酮这类极性小分子副产物可能发生了解离，形成正负离子对，在介质内部形成电荷缺陷。当杂质离子迁移到电极与介质界面上时，由于抽出受限[21]，导致界面附近形成异极性空间电荷积聚。未脱气介质中交联副产物较多，异极性电荷密度更高，在和电极注入的同极性电荷叠加后依然能够在宏观上显示出异极性，因此，XLPE电缆绝缘内部的异极性电荷积聚量与外施电场强度正相关且脱气试样相较于未脱气试样，内部的异极性电荷积聚量大大降低。

同时，由于分子扩散运动的存在，外层介质会自发向外界逸散交联副产物，在电缆绝缘中形成从外到内浓度不断升高的交联副产物浓度梯度，从而导致场外层试样的异极性电荷积聚情况大大减弱。因此，即使在未脱气试样中，同场强下从外至内依然可以观察到明显的异极性电荷积聚量的梯度差异。进行脱气处理后，试样的交联副产物剩余含量已较未脱气大为降低，积聚的异极性电荷相应减少，但是浓度梯度依然存在。在外层脱气试样中，交联副产物的浓度已足够小，使得解离出的杂质形成的负极性电荷浓度已不足以复合电极注入的同极性电荷，导致试样处于轻微的同极性积聚状态。

脱气与未脱气的XLPE电缆绝缘试样的电荷密度衰减率不同，与绝缘内部的载流子迁移率有关。交联副产物解离产生的离子对在试样中形成电荷缺陷，即陷阱中心。交联副产物在介质中引入的缺陷势垒较浅[19]，称为浅陷阱。浅陷阱对电荷的束缚作用较弱，其中的电荷容易在外力作用下脱离陷阱，因此浅陷阱通常被认为是电荷的输运通道。在宏观层面上，交联副产物浓度高的试样具有更大的电荷密度衰减率。

此外，根据高斯定律，空间电荷积聚会改变XLPE电缆绝缘内部的电场分布。积聚在极板与介质界面处的异极性电荷会大大加剧界面处的电场强度，在预设的实验参数下，电场强度畸变值最大可达到原始电场的2.1倍。局部场强会导致绝缘劣化，引起局部放电甚至导致绝缘击穿。此外，交联副产物还会在介质内部引入缺陷，导致XLPE绝缘击穿场强降低。因此对电缆进行脱气处理是有必要的。

3 结论

本文采用气相色谱-质谱法和电声脉冲法研究研究了脱气处理对XLPE电缆不同绝缘层的空间电荷特性的影响规律，结论如下。

1)脱气试验中，XLPE绝缘中的内层试样不易脱气充分，交联副产物剩余含量最多。因此以内层试样交联副产物剩余量作为脱气过程的特征量，发现70 ℃下脱气30 d后，交联副产物残余量基本不再随脱气时间变化。认为当内层副产物α-甲基苯乙烯、苯乙酮、枯基醇总质量分数低于3 mg/g，其中枯基醇含量低于2 mg/g时XLPE绝缘脱气充分。

2)与未脱气XLPE试样相比，脱气试样的异极性空间电荷积聚量大幅下降，其异极性空间电荷来自于交联副产物的解离，且场强越高，该现象越强烈。脱气处理能减少XLPE中的交联副产物，改善异极性电荷积聚。

3)电缆绝缘从内向外，异极性电荷积聚量依次降低，对应于交联副产物剩余量逐渐减少；脱气试样相较于未脱气试样，具有更低的电场畸变率和电荷密度衰减率。