國產與進口XLPE 絕緣高壓交流電纜短時與長時擊穿特性

伍國興，張成巍，陳瀟，徐曙，賈磊，侯帥，展云鵬，朱聞博

（1. 深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2. 南方電網科學研究院，廣州 510663）

0 引言

高壓電纜是輸電系統電力設備的重要一環，加速建設高壓電纜輸電網是新時代城市化的必然要求。交聯聚乙烯（cross-linked polyethylene，XLPE）是目前高壓電纜的主流絕緣材料。目前，我國高壓電纜制造行業快速發展，已有能力制造XLPE 絕緣高壓交流輸電電纜［1］。然而，我國XLPE 絕緣料制造工藝仍存在缺陷，使得國產220 kV 電壓等級以上電纜絕緣料性能存在問題，實際220 kV 電壓等級以上電纜生產所需絕緣料仍主要依賴進口。因此，探究國產與進口XLPE 絕緣料的差異可為我國生產工藝的優化方向提供指導。

XLPE 電纜料的微觀結構、復配過程、潔凈度等的差異都會導致XLPE 絕緣理化性能的差異［2-8］。XLPE 介電性能的差異與理化性能密切相關。表征國內外電纜絕緣理化與介電性能對分析國產XLPE絕緣料缺陷與改進方法有重要的指導意義。多位學者研究了XLPE 絕緣理化性能與短時擊穿特性的關聯，文獻［9］對比了220 kV 國產與兩種進口絕緣料理化與介電性能，發現國產XLPE 絕緣雜質含量較高、結晶性能與力學性能稍差、擊穿特性穩定性不足。文獻［10］對比了國產與進口110 kV 電纜XLPE絕緣料，發現國產絕緣料交聯度較高，這導致了結晶度與擊穿性能的下降。文獻［11］測試了110 kV XLPE 絕緣料的分子量，發現國產與進口XLPE 絕緣料的分子量差異較小。長時擊穿特性也是評價XLPE 絕緣性能的關鍵參數，在電-熱復合場的長期作用下XLPE 絕緣會逐漸劣化最終引起擊穿。文獻［12］在老化溫度為90 oC、交流電場強度分別為70 kV/mm 和55 kV/mm 條件下研究了XLPE 電纜的電熱老化特性。文獻［13］采用逐級升壓方式進行了兩組電纜的加速電老化試驗，建立了電纜壽命模型。文獻［14］研究了XLPE 電纜絕緣單因素與多因素老化模型，比較了Simoni、Ramu、Fallou、Crine 等多模型的優缺點，提出了一種基于可靠性的電纜壽命預測方法，給出了 XLPE 電纜壽命預測指標體系與系統模型，建立了基于Weibull 分布的電纜可靠性模型。

本文基于國產電纜絕緣料和北歐化工220 kV電纜料兩種代表性材料，針對電纜料服役特性，開展其短時與長時擊穿特性研究，在實驗過程中兩種電纜料的樣品制備過程保證完全一致，以分析兩種材料的性能差異，以期為220 kV 及以上高壓電纜絕緣料國產化替代提供指導。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

選取兩根分別采用國產與進口絕緣料制造的220 kV 未投運XLPE 電纜，這兩根電纜均由同一廠家采用相同工藝制作，以排除電纜制造工藝對絕緣性能的影響。采用車床沿電纜圓周方向對電纜絕緣進行分層環切，獲得厚度為0.23 mm 左右的薄膜試樣，不同試樣使用的車床、刀具與轉速均一致?；谒@得的薄膜試樣全長，將切片根據徑向位置分為內層、中層、外層3 層以研究不同位置電纜絕緣料特性的差異［15］。其中，靠近導體屏蔽的絕緣為內層，厚度為10 mm；靠近絕緣屏蔽的絕緣為外層，厚度為8 mm；內絕緣和外絕緣之間的絕緣為中層，厚度為7 mm。

圖1 試樣制備示意圖Fig. 1 Sketch diagram of sample preparation

1.2 理化特性測試

1.2.1 PE分子結構測試

采用高溫凝膠色譜法分析國產與進口XLPE 絕緣料基料的分子量及其分布，在實驗進行前，先在70 ℃下采用無水乙醇萃取兩天以除去國產與進口XLPE 絕緣料中的交聯劑，實驗結果如表1、圖2所示。

表1 高溫凝膠色譜實驗測試相對分子量及其分布結果Tab. 1 Relative molecular weight experimental tests of high temperature gel chromatography test and their distribution results

圖2 進口和國產絕緣料基料的分子量及其分布Fig. 2 Molecular weight and distribution of imported and domestic insulating materials

表1 中，多分散性系數PD=Mw/Mn，可用來表征分子量分布的寬窄，PD值高意味著高聚物的長、短支鏈成分比較復雜，從表1 可以看出進口絕緣料的PD值明顯高于國產基料。小分子組分含量的大小對數均相對分子質量影響較大，而大分子組分含量的大小對重均相對分子質量影響較大。國產和進口絕緣料基料在小分子量分子鏈方面含量比較接近，但進口絕緣料的大分子量（長支鏈的主鏈）含量比國產料稍高。

由圖2 絕緣料基料的分子量及其分布曲線可見，國產絕緣料的分子量分布曲線特點是“高瘦”，進口絕緣料分布曲線特點是“低胖”，這也印證了進口絕緣料的大分子量含量更高。

1.2.2 差式掃描量熱測試

測試采用美國TA 公司的Q2000 型差示掃描量熱儀在氮氣環境中進行，溫升區間為40～140 ℃，升溫速率為10 ℃/min，獲得圖3 所示不同XLPE 試樣的熔融曲線。

圖3 電纜切片試樣示差掃描量熱法曲線Fig. 3 Differential scanning calorimeter curves of cable slicing specimens

基于圖3 提取出不同XLPE 試樣的熔融溫度，并根據式（1）計算出結晶度χc［16］，所獲得的數據如表2所示。

表2 XLPE試樣的熔融溫度和結晶度Tab. 2 Melting temperatures and crystallinities of XLPE specimens

式中：ΔH為XLPE 試樣的熔融熱焓，通過對試樣示差掃描量熱法升溫曲線熔融峰積分得到；ΔH100為XLPE 材料完全結晶時的熔融熱焓，其值為287.3 J/g。

由圖3 可見，各試樣均存在兩個熔融峰，主熔融峰對應試樣中晶體的熔融過程，次熔融峰對應XLPE 試樣不完善晶體的熔融過程，國產與進口次熔融峰均較小，表明其晶體均較為完善，由表2 數據可見，國產與進口電纜切片試樣的結晶度與熔融溫度相差較小，且均是由內層到外層逐漸增加，此外，國產XLPE 試樣3 個位置結晶度與熔融溫度更穩定，變化幅度相較進口更小。

1.2.3 傅里葉紅外光譜測試

采用美國Thermo Fisher Scientific 公司的Nicolet iS20 型傅里葉變換紅外光譜儀對不同XLPE試樣進行分子結構測試，波數范圍為500～4 000cm-1，測試結果如圖4所示。

圖4 電纜切片試樣紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of cable slicing specimens

由圖4（a1）、（b1）可見，國產和進口XLPE 試樣的內、中、外層均在波數為2 915 cm-1、2 848 cm-1、1 463 cm-1和719 cm-1處存在明顯的特征峰，這是由于XLPE 內部特征基團-CH2-的伸縮振動或彎曲振動引起的［17-18］。

為突出交聯副產物的特征官能團在XLPE 絕緣中的表征情況，放大了800～1 200 cm-1、1 500～1 700 cm-1與3 300～3 500 cm-1波數范圍內的FTIR特征指紋區。由圖4（a2）、（b2）可見，各試樣分別在波數為802 cm-1、1 263 cm-1處存在對應芳香環的特征峰，表明試樣存在DCP 分解副產物，在波數為1 097 cm-1、1 026 cm-1存在對應于醚鍵伸縮振動的特征峰，表明XLPE 絕緣發生了氧化［19］。由圖4（a2）、（b2）、（a4）、（b4）可見，各試樣在1 640 cm-1、3 391 cm-1處存在特征峰，分別對應不飽和基團乙烯基、羥基的伸縮振動特征峰，表明試樣中殘留有苯乙酮、α-甲基苯乙烯和枯基醇等交聯副產物［20-21］。

進一步地，對比不同XLPE 試樣特征峰強度可見，國產XLPE 試樣內層的特征峰強度最高，表明其內層交聯副產物最多，進口XLPE 試樣外層特征峰最為明顯，表明其外層副產物最多。

1.3 短時擊穿特性測試

短時擊穿特性試驗采用直電極直徑為25 mm、厚度為4 mm、倒角為2.5 mm 的柱電極，將試樣和電極浸入硅油中防止發生滑閃。試驗選用厚度約230 mm、大小為50 mm×50 mm 的方形試樣。環境溫度分別為30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃，升壓速率為1 kV/s。每組XLPE 試樣測試10 次，記錄擊穿電壓有效值，并基于Weibull分布分析數據。

1.4 長時擊穿特性測試

長時擊穿特性試驗電極與試樣尺寸與短時擊穿特性相同，每組XLPE 試樣取10片同時測試為防止XLPE 試樣試驗過程中互相影響，將試樣與10 組電極分別放入10 個燒杯中，通過水浴循環裝置保持燒杯內硅油溫度為70 ℃，對試樣施加不同工頻交流電壓，電壓值根據短時擊穿結果確定，記錄試樣擊穿時間，求取平均值。

2 實驗結果

2.1 短時擊穿特性

國產與進口XLPE 絕緣料在不同環境溫度下的交流擊穿場強Weibull分布如圖5所示。

圖5 30、50、70、90 °C下國產與進口電纜切片試樣的交流擊穿Weibull分布Fig. 5 Weibull distributions of AC breakdown of domestic and imported cable slice specimens at 30, 50, 70 and 90 ℃

可見，隨著溫度的升高國產與進口不同位置XLPE 試樣的特征擊穿場強均有不同程度的下降。在各溫度下國產XLPE 內層與外層擊穿場強普遍較高，進口XLPE 內層擊穿場強普遍較高，而外層的擊穿場強偏低。

表3 中數據為不同溫度環境下XLPE 試樣在交流電場下的Weibull 分布的形狀參數、尺寸參數以及1%概率對應的擊穿強場。分析對比國產與進口Weibull分布參數可知，國產XLPE絕緣料形狀參數明顯小于進口絕緣料，且1%擊穿場強也較低，表明國產XLPE 絕緣料短時擊穿特性分散性較大。此外，在30～50 ℃范圍內國產XLPE 電纜絕緣切片特征擊穿場強均優于進口，其中30 ℃下國產內層XLPE 試樣的特征擊穿場強達到118.74 kV/mm，而進口內層XLPE 絕緣料的擊穿場強僅為112.85 kV/mm，當溫度達到70～90 ℃時國產XLPE電纜絕緣切片的特征擊穿場強出現低于進口的現象，表明國產XLPE 絕緣料隨溫度升高擊穿場強下降較為明顯。上述現象表明國產XLPE 絕緣料擊穿性能穩定性稍差。

表3 XLPE試樣交流擊穿Weibull分布參數Tab. 3 Weibull distribution parameters of the XLPE sample AC breakdown

Kang Sik Park 等人研究發現，XLPE 絕緣的擊穿點基本都聚集在無定形區［22］。文獻［23］研究發現結晶度的提升一定程度可以改善材料的耐電強度。由本文試驗結果可見，國產XLPE 絕緣料三層絕緣結晶度相差在0.3%以內，小范圍的差異未導致明顯的擊穿強度的差異，國產XLPE 擊穿強度的差異主要由其擊穿特性分散性大引起；進口XLPE 絕緣料外層XLPE 絕緣結晶度最大，中層次之，內層最小，但其外層絕緣擊穿強度最低，這可能與其交聯副產物含量有關，由FTIR 試驗結果可見，進口XLPE 絕緣料外層絕緣交聯副產物含量最多，中層次之，內層絕緣最少，表明進口XLPE 絕緣料外層絕緣雜質含量最多，導致外層絕緣試樣承受電應力時局部電場嚴重畸變，成為電擊穿通道發展的起點，使擊穿強度下降。

2.2 長時擊穿特性

根據2.1 節國產與進口XLPE 絕緣交流擊穿測試結果，1%擊穿場強約為其特征擊穿場強的80%，因此，在進行電熱老化試驗時取特征擊穿場強的80%作為電老化起始場強并向下逐級降壓進行試驗。本文的老化試驗場強選取國產與進口XLPE 特征擊穿場強的80%、75%、70%、67.5%、65%的交流電場。試驗結果如圖6所示。

圖6 不同場強下試樣失效時間散點圖Fig. 6 Scatter plots of specimens failure time under differentfield strengths

由圖6 可見，隨著外加場強的下降XLPE 試樣擊穿時間不斷增加，且場強越低時間增加幅度越大則試樣擊穿時間越分散。此外，本文發現在場強較低時存在一部分試樣在很短時間內發生擊穿。這是因為在場強較低時放大了試樣內部缺陷對試樣失效的影響，場強較高時電應力對試樣失效作用較大，所有試樣都在短時間內發生擊穿，場強較低時若試樣存在較多缺陷，在外加高電場作用下短時間內即發生劣化擊穿，若試樣內部缺陷較少則會在電熱聯合作用下緩慢劣化，最終發生擊穿。

造成XLPE 電纜絕緣老化的應力被稱為老化因素，只由一個老化因素引起的老化稱為單因素老化，由一些老化因素同時或順序作用造成的老化稱為多因素老化。不同的老化因素對XLPE 電纜絕緣失效的影響存在差異，可以通過不同單因素老化模型進行描述，分為電應力、熱應力和機械應力老化模型。電老化是在電應力持續作用下最終造成絕緣老化擊穿的積累過程。反映電老化一般規律的電老化定律如式（2）所示［14］。

式中：E為電場強度；t為絕緣壽命；C為常數；n為電纜壽命指數，n值越大，電纜承受電應力的能力越強。

由式（2）可知某一電場強度E下電纜絕緣的電老化模型可以描述為：

對式（3）兩邊取對數可得：

則在對數坐標系中將得到一條直線。繪制XLPE 電纜絕緣的ln（E）-ln（t）特性曲線如圖7 所示?？芍敁舸r間大于1 000 s時，電老化場強的對數值與擊穿時間的對數值滿足線性關系?；陔娎|絕緣的反冪壽命模型對場強與試樣擊穿時間進行反冪函數擬合，獲得國產與進口電纜絕緣的壽命模型分別如式（5）—（6）所示，可見國產XLPE 電纜絕緣壽命模型n值為19.3，略小于進口絕緣料n值19.5，表明70 ℃下國產XLPE 電纜絕緣長期擊穿特性與反冪壽命模型n值相差不大。

圖7 場強與試樣失效時間的非線性擬合圖Fig. 7 Nonlinear fitting plot of field strengths and versus specimens failure times

3 分析與討論

基于以上實驗結果可見國產XLPE 電纜絕緣所用基料的分子結構與進口差異不大，相對分子量及其分布與進口料所用基料僅在大分子量處有著含量差異；由DSC 測試結果可知國產XLPE 電纜絕緣的結晶度與進口基本相同，僅外層絕緣的表現略微遜色于進口絕緣料，國產XLPE 電纜絕緣料的熔融溫度于進口相差小于1 ℃，表明國產XLPE 絕緣的結晶特性與進口相差不大。由FTIR 測試結果可知國產與進口電纜絕緣均存在一定的交聯副產物與DCP分解產物，根據吸收峰的高度對比可見二者差別在于國產XLPE 電纜絕緣內層副產物含量最高，而進口則外層副產物含量最高，但二者副產物總含量無明顯差異，因此可以認為國產XLPE 電纜絕緣所采用的聚乙烯基料僅在結晶能力方面略微遜色于進口XLPE電纜絕緣的聚乙烯基料。

分析XLPE 不同絕緣層的理化性能與短時擊穿特性的關聯可以發現，進口XLPE 的外層絕緣切片的擊穿場強偏低，特別是在50～70 ℃下明顯低于內層和中層絕緣切片，由DSC測試結果可知外層絕緣結晶度最高，達到38.97%，但其交聯副產物的含量相比內層和中層絕緣更高，分析認為副產物殘余量與結晶度共同影響XLPE 絕緣的擊穿性能。對比國產與進口XLPE 絕緣短時擊穿特性可知國產XLPE 電纜絕緣特征擊穿場強與進口相差不大，特別是當溫度較低（30～50 ℃）時國產XLPE 電纜絕緣切片特征擊穿場強更高，但國產XLPE 絕緣1%擊穿場強明顯低于進口，其絕緣性能穩定性相比進口稍差，此外，當環境溫度較高（70～90 ℃）時國產XLPE 絕緣擊穿性能相比進口絕緣下降較多，這可能與其采用的聚乙烯基料的潔凈度有一定關系。試樣內殘留的少量雜質會在試樣承受電應力時導致試樣內局部電場嚴重畸變，成為電擊穿通道發展的起點，最終誘發體擊穿。因此，國產XLPE 絕緣料的潔凈度與產品一致性還有待提升。

進一步地，對比國產與進口XLPE 電纜絕緣長時擊穿特性可知國產XLPE 電纜絕緣壽命模型n值略小，表明70 ℃下國產XLPE 電纜絕緣的老化速率略快。分析認為這是由國產XLPE 絕緣料內部缺陷較多導致。當試樣內部缺陷較多時施加一定電場在缺陷處發生畸變，使得試樣老化速率加快，則基于反冪函數擬合的壽命模型n值將會減小。因此，國產XLPE 絕緣的工藝需進一步改進，提高產品的潔凈度，減少XLPE 絕緣內部缺陷，提高其絕緣性能穩定性。

4 結論

本文制備了220 kV 國產與進口電纜絕緣切片試樣，對比了兩種絕緣料的分子量、熔融和結晶特性、交聯副產物含量、短時擊穿特性與長時擊穿特性，得出結論如下。

1）國產220 kV XLPE 電纜絕緣的分子結構、結晶度、熔融溫度以及副產物含量均與進口絕緣料無明顯差異。

2）30～50 ℃下國產XLPE 絕緣特征擊穿場強高于進口絕緣料，而當溫度超過70 ℃時，國產XLPE絕緣特征擊穿場強顯著下降且低于進口絕緣料，并且國產XLPE 絕緣料擊穿場強分散性更高，國產XLPE絕緣料擊穿性能穩定性差。

3）70 ℃下國產XLPE 電纜絕緣壽命模型n值為19.3，略小于進口絕緣料n值19.5，國產XLPE 電纜絕緣長期擊穿特性與反冪壽命模型n值相差不大。