交联聚乙烯(XLPE)以其优异的电气绝缘性能(介电常数 εᵣ≈2.3,介质损耗因数 tanδ<0.001)、耐热性(长期工作温度 90℃)及机械强度,已成为交直流电力传输系统的核心绝缘材料。然而,在实际运行中,XLPE 电缆绝缘性能易受外部环境与工况因素影响而劣化,具体表现为:
交直流电场差异:交流电场下介质极化引发介电损耗发热,直流电场下空间电荷积累导致电场畸变,两者均加速绝缘老化 ;
外部因素耦合:电流变化幅度、温度波动、水分侵入及交联副产物残留(如 DCP 分解产生的苯乙酮)会显著降低绝缘击穿强度,缩短使用寿命 ;
性能退化机制复杂:介电弥散现象、界面极化及孔洞缺陷等微观变化与宏观性能退化存在强关联性,但其内在规律尚未完一全明晰 。
国内外研究表明,交直流 XLPE 电缆的介电性能差异显著:直流电缆料因主链完整性更高,空间电荷抑制能力优于交流电缆料 ;而电流变化幅度超过 24% 时,绝缘介电参数会出现非线性变化。因此,系统研究交直流 XLPE 电缆的介电性能演变规律,对优化电缆设计、提升运行可靠性具有重要理论与工程价值。
低频区域(<1 kHz):当电流变化幅度≤12% 时,交直流 XLPE 电缆的 ε′与 ε″无明显频率依赖性,未出现介电弥散现象;当幅度增至 16%~24% 时,ε′与 ε″随频率降低而显著增大,这归因于电流与绝缘界面面积指数级增加,界面极化效应增强 。
高频区域(>1 kHz):ε′随电流变化幅度增加呈上升趋势,但幅度超过 24% 后增速放缓,这与样品中残留溶剂形成的孔洞有关 —— 孔洞内空气的低介电常数弱化了整体极化能力 。
介电弥散临界值:电流变化幅度达 24% 时,ε′与 ε″均达到最大值(ε′≈3.2,ε″≈0.035),超过此值后参数反而下降。Cole-Cole 曲线(ε′-ε″)显示,此时样品存在多个介电松弛时间,印证了介电弥散现象的复杂性。
界面极化主导低频特性:低频下,电流变化幅度增大导致 XLPE 与电流界面的电荷积聚增强,极化强度提升,表现为 ε′与 ε″上升;而幅度超过 24% 时,电流团聚效应使有效界面面积减少,极化强度弱化 。
孔洞与残留溶剂的影响:EDS 分析显示,样品断面存在氯元素(来自氯仿残留),证实溶剂未完一全去除;这些孔洞不仅降低介电常数,还可能成为局部放电起始点,加速绝缘老化 。
交直流性能差异:直流电缆料因主链完整性更高,空间电荷注入阈值(>100 kV/mm)高于交流电缆料(≈80 kV/mm),说明分子结构对介电性能的决定性作用。
本研究通过试验系统分析了交直流 XLPE 电缆的介电性能演变规律,得出以下结论:
电流变化幅度是影响介电性能的关键因素,24% 为临界值,超过此值会因界面极化弱化与孔洞缺陷导致介电参数下降;
介电弥散现象源于多松弛时间的叠加,与界面极化、残留溶剂及电流团聚密切相关;
交直流电缆料的性能差异主要源于主链完整性,直流料的空间电荷抑制能力更优。