高压交流电缆用交联聚乙烯绝缘料性能对比实验研究

2023年12月4日发(作者：标致408三大件可靠吗)

第 54 卷 第 4 期2021 年 4 月中国电力ELECTRIC POWERVol. 54, No. 4Apr. 2021高压交流电缆用交联聚乙烯绝缘料性能对比实验研究欧阳本红1，刘松华1，王诗航2，李建英2，李盛涛2(1.?中国电力科学研究院有限公司，湖北?武汉　430074；2.?西安交通大学?电气工程学院，陕西?西安　710049)?摘　要：中国高电压等级交流电缆用交联聚乙烯（XPLE）绝缘料研发较晚，目前国产220?kV电压等级绝缘料暂未获得工程应用。以3种国内外高压电缆XLPE绝缘料为研究对象，对比分析绝缘料热压试样的工频击穿场强、介电常数、介质损耗正切、熔融和结晶性能、拉伸强度、断裂伸长率、微观形貌和交联度等参数。实验测试结果表明：国产XLPE绝缘料的宏观性能参数已经和进口XLPE绝缘料相差不大，甚至国产绝缘料试样的击穿场强和力学性能参数优于进口X1#试样，但同时也能够发现国产绝缘料的不足之处，例如击穿场强的稳定性较差、介质损耗角正切值偏大等。研究结论可为国产电缆绝缘料的研发与性能提升提供数据支撑。关键词：高压电缆；交联聚乙烯；绝缘性能DOI：10.11930/.1004-9649.202006176??0 引言由于架空线占输电走廊面积大、不美观等原因，电缆化成为了未来城市电网建设的发展方向。交联聚乙烯（XLPE）绝缘是目前高压电缆的主要绝缘形式，其具有优异的电气性能、机械性能和耐老化性能等，逐步取代了油纸电缆和充油电缆等。目前，中国已经具备了制造500?kV电压等级高压交、直流电缆的能力[1-2]。然而，中国XLPE电缆绝缘料的研发能力远远落后于国际先进水平。为了打破目前高压电缆绝缘料依靠进口的局面，亟须推进中国XLPE电缆绝缘料的研发与生产水平。相比于北欧化工和陶氏化学等企业的电缆绝缘料，国内220?kV电压等级电缆绝缘料研发仍处于起步阶段，尚未获得工程引用。电缆料的分子链结构、复配过程、纯净度等的差别都会导致XLPE绝缘理化性能的差异[3-7]。全面表征分析国内外电缆绝缘料理化性能的差异，可明确国内电缆绝缘料的优化方向，为国产电缆绝缘料的综合性能改进提供数据支撑，具有重要的指导意义。收稿日期：2020?06?16；?修回日期：2020?07?17。基金项目：国家电网公司科技项目(高压交联聚乙烯电缆绝缘料和屏蔽料国产化关键技术研究及应用，GY71-16-036)。电缆XLPE绝缘的性能对比除了从介电性能比较分析以外，还须要从交联度、结晶度等宏观结构参数、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能参数、熔融温度等热学性能参数开展对比分析[8-11]。文献[12]将进口110?kV电缆XLPE绝缘料和国产绝缘料进行实验对比，发现国产绝缘料样品的交联密度较大，熔融温度和结晶度略低，断裂伸长率较低。此外，分子量分布等基料分子链结构参数也是影响电缆绝缘料性能的关键指标。文献[13]采用GPC测试了一种110?kV国产和2种进口电缆绝缘料的分子量，结果表明国产和进口电缆绝缘料的分子量差异较小。本文以2种进口高压交流电缆XLPE绝缘料和一种国产高压电缆XLPE绝缘料为研究对象，通过对热压交联试样的工频击穿特性、熔融和结晶性能、力学性能、微观形貌和交联度等参数进行测试，对比分析国内外高压电缆XLPE绝缘料的性能差异，并讨论不同性能参数差异之间的关联。1 试样制备与实验方案1.1 试样制备本文选用了电压等级为220?kV的2种进口高压电缆XLPE绝缘料和一种国产高压电缆XLPE绝缘料。将3种XLPE绝缘料在平板硫化机上通过87中国电力第 54 卷热压交联制备得到薄片状试样。制备前，先将XLPE电缆绝缘料的颗粒放入60?℃烘箱中真空干燥处理10?h。将烘干的颗粒称量后放在制作好的磨具上，在180?℃下，加压15?MPa制备薄片状试样。试样分别简称为X1#、X2#、X3#。1.2 工频击穿测试采用国产HJC-100?kV型电压击穿试验仪对XLPE试样进行工频击穿实验。实验使用球-球电极，电极直径为25?mm，升压速率1?kV/s，实验试样厚度为0.2?mm。试样测试前经过70?℃的脱气处理。击穿测试实验在室温（25?℃）下进行。1.3 介电常数与介电损耗测试通过西林电桥测试，可以得到工频条件下XLPE试样的介电常数和损耗，用于评价电缆材料介电性能。本文采用2821型西林电桥测试不同XLPE绝缘料的介电常数和介电损耗，试样厚度为0.2?mm。1.4 力学性能测试采用美斯特工业系统有限公司的5KNCMT-4?503拉力机，根据GB/T?1?040—2006对试样进行拉伸实验。试样为厚度1?mm的热压片状哑铃型试样。拉伸速率选用100?mm/min。力学性能测试实验在室温（25?℃）下进行。1.5 DSC测试采用瑞士?Mettler?DSC?822e?型差示扫描量热测试不同XLPE的熔融结晶性能。首先，称取热压交联试样5~10?mg为测试样品，设置测试温度为25~200?℃，通过升温-降温-升温环节，消除试样的热历史峰，获得二次升温曲线。升温速率为10℃/min。整个实验都在N2气氛下进行。通过测试得到DSC曲线，可以获得试样的熔融峰温度、熔融焓和结晶度等参数。1.6 微观结构观测采用日本?KEYENCE?VE-9?800的扫描电子显微镜表征热压试样的聚集态结构。首先，使用98%浓硫酸和高锰酸钾（质量比为1∶1）的混合溶液对XLPE试样进行腐蚀处理。腐蚀完毕后，对试样进行清洗并烘干，然后在表面上溅射金电极后进行测试。1.7 交联度测试采用平衡溶胀法来表征试样的交联度，用以表征国内外电缆绝缘料交联后的交联程度。首88先，取约0.18~0.25?g热压交联后的试样放入称量瓶中，并记录初始质量；随后将配置好的二甲苯和环己烷溶液倒入装有XLPE试样的称量瓶中，将装有试样的称量瓶放入90?℃的恒温烘箱中，待测试完成后，将未被溶解的XLPE试样倒出，烘干并称量剩余质量，最后通过剩余质量和初始质量的比值计算出式样的交联度。2 结果与分析2.1 工频击穿特性的差异分析对3种XLPE试样进行工频击穿测试。选取12个厚度分布均匀的击穿点，记录击穿电压和被击穿点的厚度。对实验结果数据采用Weibull统计分布进行处理，绘制交流击穿的Weibull分布曲线，如图1所示。根据曲线数据拟合，得到不同XLPE电缆绝缘料击穿的尺度参数α和形状参数β，如表1所示。由表1可知，进口X2#试样的击穿场强（123.0?kV/mm）最大，国产X3#试样的击穿场强（111.3?kV/mm）其次，X1#试样的击穿场强（109.1?kV/mm）最小。3种材料的击穿场强存在一定差异，但差异并不显著。然而，XLPE试样的击穿形状参数有明显差异，国产绝缘料形状参数较小，表明其击穿特性稳定性较差，试样结构不均匀，存在较多弱点。XLPE绝缘料的击穿场强与材料的聚集态结构密切相关，击穿特性存在差异可能源于聚集态结构的差异。聚集态结构的差异受到不同绝缘料基础树脂分子链结构、添加剂、加工工艺等因素的影响。2.2 介电常数与损耗的差异分析不同XLPE试样在工频条件下的介电常数和介质损耗正切如表2所示。从表2可知，进口X1#、X2#和国产X3#的介电常数相同，均为2.3，满足国标对介电常数的要求。虽然，国产X3#的介质损耗正切略大于进口的X1#、X2#，但3者均满足国标要求。表明国产X3#内部的杂质含量相对较高，国产XLPE绝缘料在纯度控制上仍有优化空间。2.3 熔融和结晶性能的差异分析本文对不同的XLPE试样进行DSC实验，结果如图2所示。基于DSC测试结果可以得到不同XLPE聚合物的熔融焓，根据结晶度和熔融焓之第 4 期欧阳本红等：高压交流电缆用交联聚乙烯绝缘料性能对比实验研究99.999.0击穿场强；90.0拟合曲线；95%置信区间%/率50.0概效失穿10.0击5.01.10115120击穿场强/(kV·mm?1)a) X1#99.999.0击穿场强；90.0拟合曲线；95%置信区间%/50.0率概效失穿10.0击5.01.512击穿场强/(kV·mm?1)b) X2#99.999.0击穿场强；90.0拟合曲线；95%置信区间%50.0/率概效失穿10.0击5.01.20130击穿场强/(kV·mm?1)?c) X3#图 1 不同XLPE绝缘料试样的击穿概率和击穿场强的Weibull分布图Fig. 1 Weibull distribution of breakdown probability andbreakdown field strength of different XLPEinsulation materials?表 1 不同XLPE绝缘料试样交流击穿参数Table 1 AC breakdown parameters of different XLPE in-sulation materials试样α(kV·mm–1)βX1#109.130.4X2#123.030.5X3#111.316.8?表 2 工频电压下XLPE试样的介电常数和损耗Table 2 Permittivity and dielectric loss of XLPE samplesunder power frequency voltage试样介电常数介质损耗正切X1#2.34.20×10–4X2#2.33.25×10–4X3#2.34.80×10–4国标要求≤2.35≤5×10–4X3#量X2#流热X1#80120160?温度/℃图 2 不同XLPE绝缘料试样的DSC曲线Fig. 2 DSC curves of different XLPE insulation materials间的关系，可以计算得到试样的结晶度[14]，即C=?H?H0×100%（1）式中：C为聚合物的结晶度；ΔH为XLPE的熔融焓；ΔH0为XLPE完全结晶时的熔融焓，其值为287.3?J/g。根据式（1）计算得到不同XLPE试样热熔融性能，结果如表3所示。??表 3 不同XLPE的熔融和结晶参数Table 3 Melting and crystallization parameters ofdifferent XLPE insulation materials试样主熔融峰/℃熔融焓/(J·g–1)X1#110.0107.6X2#109.7118.1X3#109.9113.5?从图2和表3可以看出，不同XLPE试样的主熔融峰温度基本相同，约在110?℃左右。而它们的熔融焓存在略微差异，进口X2#试样的熔融焓最大，所以其结晶度最大，为41.1%，而X1#试样的熔融焓最小，所以其结晶度也最小，为37.4%，国产X3#试样的结晶度介于两者之间，为39.5%。89中国电力第 54 卷结晶度的差异本质是绝缘料试样分子链结构的差异，反映出分子链在晶格中的规整程度。绝缘料试样的结晶度一方面和低密度聚乙烯基料的分子链结构相关，基料长支链和短支链的不同将影响结晶过程。另一方面，由于复配体系的差异，交联程度不同造成了分子链网状结构的差异也影响了结晶程度[15]。通过对比击穿测试的结果可以发现，由于进口X2#试样的结晶度较高，结晶区较大，使得聚合物中分子链紧密堆砌，自由体积较小，电子自由程较小，表现出较高的击穿场强[16]。而国产X3#试样的结晶度较低，击穿场强也较低。结晶度和击穿场强表现出正相关性。2.4 拉伸性能的差异分析本文对3种XLPE试样进行了拉伸实验，拉伸强度和断裂伸长率的差异情况如图3所示。由图3可知，X2#的拉伸强度和断裂伸长率最大，而国产X3#绝缘料试样的拉伸强度和断裂伸长率都最小，拉伸强度的大小反映了材料的力学性能，XLPE的拉伸强度[17]可表示为3224aPM/度强16伸拉80X1#X2#X3#试样a) 拉伸强度900%/率600长伸裂断3000X1#X2#X3#试样?b) 断裂伸长率图 3 不同XLPE电缆绝缘料试样的力学性能Fig. 3 Mechanical properties of different XLPEinsulation materials90σXLPE=Nσmax（2）式中：σXLPE为XLPE的理论拉伸强度；σmax为C-C键的理论拉伸强度；N为XLPE晶体中总的链节数目，其数值与XLPE试样的结晶度成正相关。可以发现XLPE的理论拉伸强度和结晶度成正相关关系，因此结晶度越大以及C-C键的理论拉伸强度越大都导致了XLPE的理论拉伸强度越大。X2#绝缘料试样的结晶度最大，因此其拉伸强度最大，而X1#的结晶度最小，其拉伸强度也最小，分析发现XLPE绝缘料试样的结晶度和拉伸强度的测试结果相吻合。进口X2#试样的断裂伸长率最大，而进口X1#和国产X3#试样的较小。聚合物的断裂伸长率与聚合物的柔性成正相关关系，而聚合物大分子的柔性由分子的构象数目决定，构象数越大，大分子的柔性越强[10]。分子的构象数与聚合物分子中大分子链中C-C单键数目满足如下关系。G=mx（3）式中：G为大分子的构象数；m为大分子链每个C-C单键内旋转位置数；x为大分子中C-C单键的数目。因此，聚合物中C-C单键数目越大，大分子的构象数越大，聚合物材料的断裂伸长率也越大。而C-C单键数目与XLPE试样的分子量成正比，材料中的分子量越大表示材料中的C-C单键数目越多，从而使得XLPE大分子链中的构象数较大，也使得在拉伸时链与链之间的链缠结越多，使得断裂伸长率较大。因此不同XLPE试样的拉伸强度和材料的分子链结构密切相关。2.5 微观形貌的差异分析对腐蚀XLPE试样观测得到SEM图片，如图4所示，用以对比不同XLPE试样球晶形态的差异。为了更好地定量分析微观形貌照片中的球晶尺寸，本文对图4中球晶尺寸进行了统计，统计结果如表4所示。可以看出，进口X1#的球晶尺寸较大，晶粒平均直径约为30.6?μm，堆砌较为稀疏。而进口X2#和国产X3#的球晶分布相对紧密，球晶尺寸较小，X2#的球晶平均直径为21.3?μm，X3#为17.7?μm。造成球晶形态差异的原因较多，可能是由于添加剂复配体系、分子链交联程度或基料分子链结构等因素的差异所导致[8,?18-19]。聚集态结构对击穿特性具有重要的影响[20-21]。对比材第 4 期欧阳本红等：高压交流电缆用交联聚乙烯绝缘料性能对比实验研究10 μm×1 000a) X1#10 μm×1 000b) X2#10 μm×1 000?c) X3#图 4 不同XLPE绝缘料试样的SEM图片Fig. 4 SEM micrographs of different XLPEinsulation materials?表 4 不同XLPE的球晶尺寸Table 4 Spherulite size of different XLPE insulation ma-terials试样最小粒径/μm最大粒径/μm平均粒径/μmX1#20.636.830.6X2#16.125.221.3X3#13.824.417.7料的击穿结果可以发现，因为X2#和X3#试样的球晶分布紧密，这也是造成两者击穿场强较高的原因。2.6 交联度对比分析本文通过平衡溶胀法测试不同XLPE绝缘料的交联度，用于表征不同厂家生产XLPE绝缘料交联程度，测试结果如?图5所示。9080%/度联70交6050X1#X2#X3#?试样图 5 不同XLPE电缆绝缘料的交联度Fig. 5 Crosslinking degree of different XLPE?insulation materials由图5可知，X2#绝缘料的交联度（84%）最大，进口X1#和国产X3#的交联度较小。交联度的差异受到多种因素影响，例如电缆绝缘料的分子链结构、交联剂和抗氧剂用量等[22-25]。交联度作为交联结构的一个重要评价指标，将影响材料的热延伸性能等。通过国内外3种高压交流电缆用XLPE绝缘料试样的工频击穿场强、介电常数、介质损耗正切、熔融和结晶性能、拉伸强度、断裂伸长率、微观形貌和交联度等参数的对比，可以看出，国产XLPE绝缘料的宏观性能已经和进口XLPE绝缘料相差不大。甚至国产绝缘料试样的击穿场强和力学性能参数优于进口X1#试样。但是，仍然能够发现国产绝缘料的不足之处，例如击穿场强的稳定性较差、介质损耗角正切值偏大等。这些问题反映出国产绝缘料微观结构均匀性和纯净度等方面还有待提升。未来国产绝缘料可从分子链结构和复配体系入手，突破提升绝缘料生产稳定性的关键技术，增强电缆绝缘内部微观结构均匀性，降低添加剂用量和杂质含量。3 结论本文通过实验对比了3种高压交流电缆用XLPE绝缘料试样的多种性能参数，得出以下结论。（1）国产X3#的工频击穿场强达到111.3?kV/mm，介于进口X1#和X2#绝缘料之间，但是击穿场强的分散性较大，击穿场强稳定性较差。3种XLPE绝缘料的介电常数和介质损耗正切均满足国标要求，但国产XLPE绝缘料的介电损耗偏大。91中国电力第 54 卷（2）3种XLPE绝缘料试样的热熔融峰温度基本相同。进口X2#试样的结晶性能较好，其拉伸强度和断裂伸长率都较大。（3）XLPE绝缘料击穿特性受聚集态结构影响，XLPE试样结晶度和晶体致密程度等都与试样击穿特性相关。参考文献：[1]陈沛云.?500?kV交联聚乙烯绝缘电缆设计与制造技术[J].?中国电业(技术版),?2014(5):?67–?Peiyun.?Design?and?manufacturing?technology?of?500?kVcrosslinked?polyethylene?insulated?cable[J].?China?Electric?Power(Technology?Edition),?2014(5):?67–70.[2]邵森安,?马勰,?丰如男,?等.?海底电缆国内外研究综述[J].?南方电网技术,?2020,?14(11):?81–?Sen\'an,?MA?Xie,?FENG?Runan,?et 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CablesOUYANG?Benhong1,?LIU?Songhua1,?WANG?Shihang2,?LI?Jianying2,?LI?Shengtao2(1.?China?Electric?Power?Research?Institute,?Wuhan?430074,?China;2.?School?of?Electrical?Engineering,?Xi\'an?Jiaotong?University,?Xi\'an?710049,?China)Abstract:?The?crosslinked?polyethylene?(XPLE)?insulation?materials?for?HVAC?cables?are?developed?relatively?late?in?China.?Atpresent,?the?domestic-made?insulation?materials?for?220?kV?voltage?grade?have?not?been?applied?in?practical?engineering.?Based?onthree?types?of?domestic?and?foreign?made?XPLE?insulation?materials?used?for?HVAC?cables,?a?comparative?experimental?study?ismade?on?their?power?frequency?breakdown?strength,?dielectric?constant,?dielectric?loss?tangent,?melting?and?crystallization?properties,tensile?properties,?elongation?at?break,?micro-morphology?and?crosslinking?degree.?The?experimental?results?show?that?the?domesticmade?XLPE?insulation?materials?are?not?much?different?from?imported?ones?in?macro?performance?parameters,?with?the?domestic-made?insulation?material?samples?even?being?better?than?the?imported?X1#?samples?in?breakdown?characteristics?and?mechanicalproperties.?However,?some?shortcomings?are?also?found?for?domestic-made?insulation?materials,?such?as?poor?stability?of?breakdownstrength?and?large?value?of?dielectric?loss?tangent.?The?results?of?this?study?can?provide?a?data?support?for?the?development?andperformance?improvement?of?domestic-made?cable?insulation??work?is?supported?by?Science?and?Technology?Project?of?SGCC?(Research?and?Application?of?Key?Technologies?forLocalization?of?High?Voltage?XLPE?Cable?Insulation?Materials?and?Shielding?Materials,?71-16-036).Keywords:?high?voltage?cable;?crosslinked?polyethylene;?insulation?performance93