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交直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能

更新时间:2025-08-15      点击次数:142

1. 简介

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。

2. 交直流交联聚乙烯电缆的绝缘介电性能试验

2.1 试验原料与样品制备
  • 原料选择:采用线性低密度聚乙烯(LLDPE),熔融指数 3.6 g/10min,密度 0.924 g/cm³,试验前经 80℃真空干燥 8 h 以去除水分 ;辅助试剂包括二甲基甲酰胺(分析纯)、三氯一甲烷(分析纯)及二甲苯(化学纯)。

  • 样品制备工艺

    1. 将 XLPE 分散于氯仿中,室温下超声处理 2 h 形成稳定悬浊液;

    2. 另取 XLPE 溶于 95℃二甲苯中,缓慢加入上述悬浊液,持续搅拌 2 h;

    3. 加热蒸发溶剂 6 h 后,于 120℃真空环境中静置 24 h(动态调节真空度以彻一底除溶剂),冷却后保存于干燥容器中。
      该工艺确保交直流样品具有一致的加工历史,减少试验误差。

2.2 性能表征方法
  • 微观形貌观察:采用扫描电子显微镜(SEM)观察液氮脆断后的样品断面,结合 X 射线能谱(EDS)分析元素组成,断面前经喷金处理以增强导电性 ;

  • 介电频谱测试:使用宽频介电谱仪,在 0.1 Hz~10 MHz 频率范围内测量介电常数(ε′)、介电损耗(ε″)及交流电导,施加电压 1 V,样品厚度 1 mm ;

  • 介电强度与电导测试

    • 交流介电强度:依据 ASTM D149-1997,采用球形电极(样品尺寸 100×100×250±10 μm),硅油环境中以 2 kV/s 升压速率测试,每组样品重复 20 次 ;

    • 直流电导:采用三电极系统,样品尺寸 55×100 μm,表面喷涂金电极以实现欧姆接触,测试前经 373 K 真空短路放电 48 h 以消除电极噪声 ;

  • 力学与热性能分析

    • 拉伸性能:在万能试验机上以 250 mm/min 速率测试 1 mm 厚样品的拉伸强度;

    • 动态力学性能:采用动态力学分析仪(DMA),在振幅 0.03%、频率 10 Hz 条件下,以 5 K/min 速率从 123 K 升温至熔融温度;

    • 热失重分析(TGA):非等温热失重(氮气氛围,10℃/min,25~650℃)与等温热失重(400℃恒温 120 min)结合,评估热稳定性。

3. 试验结果与讨论

3.1 电流变化幅度对介电性能的影响
  • 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。

3.2 微观机制分析
  • 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。

3.3 外部因素的协同影响
  • 交联副产物:DCP 分解副产物会增加 XLPE 的极性基团含量,导致直流电导从 10⁻¹⁴ S/m 升至 10⁻¹² S/m;而脱气热处理可使副产物含量降低 80%,介电性能恢复率达 75%。

  • 水树老化:加速水树试验表明,水分侵入会使 XLPE 的工频击穿强度从 35 kV/mm 降至 20 kV/mm,且水树长度与介电损耗呈正相关,提示潮湿环境下需强化阻水设计。

4. 结束语

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:


  1. 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;

  2. 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;

  3. 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。



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