摘要：XLPE（直流交联聚乙烯）电力电缆具备安装维护方便、输送容量大、体积小等优势，近年来在我国电力领域实现了较为广泛应用。基于此，本文将围绕热老化对直流XLPE绝缘性能的影响开展试验，并深入分析这一影响，希望研究内容能够为直流XLPE电力电缆的更好应用带来一定启发。
关键词：热老化；直流电缆；绝缘性能；XLPE
前言
近年来我国新型直流输电技术与新型绝缘材料领域发展速度，直流XLPE电力电缆的广泛应用便能够证明这一认知。但在空间电荷积聚问题影响下，局部电场畸变往往会导致电树枝老化等现象，最终影响直流电缆的使用寿命。为深入了解热老化带来的影响，正是本文围绕热老化对直流XLPE绝缘性能影响开展具体研究的原因所在。
1.热老化对直流XLPE绝缘性能的影响试验
1.1试样及老化处理
研究围绕北欧化工直流料（LE4253DC）和纳米氧化硅改性直流料（SiO2）展开，制备改性XLPE需在混合器中均匀搅拌抗氧剂、过氧化二异丙苯、国产低密度聚乙烯、进口纳米氧化硅，采用质量分数为1%的进口纳米氧化硅，并在双螺杆混炼机的料斗中导入混合物，为保证熔融混炼均匀各材料，需采用双螺杆混炼机，并保证最高温度控制在125℃内。电缆料颗粒基于热压和交联等过程，可制成0.1mm厚度的薄膜状试样，配合针对性的脱气处理，即可完成试验制备。为满足试验需要，将所有试样分为两组，在温箱中采用玻璃夹悬挂试样，以此开展热老化处理，采用125℃和150℃的老化温度设置，老化时间设置为700h[1]。
1.2试验方法
采用三电极测试系统测试电导率，具体测试采用最大输出电压为10kV的高压直流电源（HB-Z103-2AC），该电源可保证电压连续可调；电流测试采用皮安表（EST122型），测量范围最低为10-14A。通过三电极测试系统，外来信号干扰可得到有效屏蔽，测试温度也能够得到有效控制。分别取试样4个，取平均值得出电导率。采用标准圆柱形结构电极开展直流击穿强度实验，电极需浸入绝缘油。采用连续升压方式、最高输出电压为60kV的高压直流电源，采用3kV/s的升压速率，直至试样发生击穿。分别测量试样11个，以此降低误差，击穿强度特征值采用Weibull分布统计。XLPE绝缘材料内部空间电荷分布采用的基于电声脉冲原理的试验装置。采用半导电电极与铝电极分别作为阳极、阴极，电极处试样温度的控制采用油浴方式，以此将温度控制在30℃。需首先对3kV/mm场强下的试样空间电荷分布进行测试，基于5min的测试时间，得到测量后需针对性进行修正，最终获得参考波形。采取加压-短路测量方式测量试样，经过40min的加压极化（40kV/mm场强），即可不断收集实验数据，频率为每5s一次。基于30min的短路采集实验数据，频率为每3s一次[2]。
1.3测试结果
1.3.1电导率测试
在电导率的测试中，为明确温度梯度带来的影响，电导率测试分别在30℃、50℃、70℃下进行，以此明确老化后改性直流料的电导率变化。在北欧化工直流料的测试中可以发现，老化温度为125℃时，未老化材料的绝缘电导率相对较高，在150℃的老化温度下，绝缘电导率明显高于未老化材料，绝缘电导率明显增大，可见电导率会随测试温度增加而同步升高，但整体变化趋势在老化前后变化不大；在对纳米氧化硅改性直流料的电导率测试中可以发现，在30℃的测试温度下，低电场强度下未老化材料电导率稍低于老化后材料，老化后材料随着电场强度升高，电导率出现较为平缓的上升，在相对高电场强度下，未老化材料电导率高于老化材料。在测试温度为50℃、70℃时，未老化材料电导率均低于老化后材料。结合试验可以确定，在老化温度为125℃、150℃时，老化后XLPE绝缘电导率影响受到的老化温度影响不大。除125℃老化阶段外外，老化前、后纳米氧化硅改性直流料均拥有更低的绝缘电导率。
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1.3.2击穿强度测试
结合试验，可得出700h老化后不同老化温度下XLPE的直流击穿强度。北欧化工直流料在未老化、125℃老化、150℃老化，测试温度为30℃情况下的击穿强度分别为385.1℃、365.9℃、332.1℃，测试温度为50℃时分别为310.7℃、298.3℃、262.1℃，测试温度为70℃时分别为247.4℃、226.5℃、206.9℃。纳米氧化硅改性直流料在未老化、125℃老化、150℃老化，测试温度为30℃情况下的击穿强度分别为438.6℃、431.5℃、398.4℃，测试温度为50℃时分别为421.7℃、398.7℃、305.7℃，测试温度为70℃时分别为304.1℃、278.0℃、231.5℃。开展对比可以发现，老化温度的增加使得北欧化工直流料出现整体上的直流击穿强度下降，而在125℃老化温度、30℃测试环境下，纳米氧化硅改性直流料的直流击穿强度未出现明显变化。综合对比可以发现，相同的老化条件下，纳米氧化硅改性直流料具备更高的击穿场强[3]。
1.3.3空间电荷试验
结合试验可得出空间电荷分布，开展对比可以发现，空间电荷衰减在短路发生时较为缓慢，在老化温度125℃时，同极性空间电荷略在阳极附近略有增多，空间电荷量也会随着时间延长而不断增加；在老化温度150℃时，少量同极性空间电荷积累在阳极附近，大量积累很少。对比研究的两种材料可以发现，相同的热老化时间下，双方在温度的升高过程中异极性空间电荷积累均会不断减小，而对比未老化试样可以发现，在老化温度125℃时，阳极聚集的同极性空间电荷总量会出现少量增长，而在老化温度150℃时，同极性空间电荷变化同样会出现相同规律。
2.热老化对直流XLPE绝缘性能的影响分析
2.1电导率影响分析
对于北欧化工直流料来说，未老化材料的电导率高于125℃老化温度处理后的材料，受到逐渐加剧的热裂解反应影响，发生改变的材料化学结构会导致电导率明显提升。在SiO2分子的作用下，XLPE的电导率性能会在纳米改性后大幅提升，且性能会在不同温度梯度下保持稳定，这是由于热裂解反应被添加的纳米颗粒所抑制，因此纳米氧化硅改性直流料在试验中的表现较为出色。
2.2击穿强度影响分析
老化温度增加的北欧化工直流料会导致直流击穿强度整体出现下降趋势，这是由于老化温度越高、热老化的时间越长，热裂解反应的严重程度越严重，并导致更多的低键能化学键出现。而在纳米改性后，纳米氧化硅改性直流料的击穿特征值大幅提升，这是由于热老化过程被纳米改性抑制，且纳米本身具备捕获电荷的作用。
2.3空间电荷影响分析
由于北欧化工直流料内部存在苯甲醇、苯乙酮等副产物，深陷阱的副产物形式使得载流子难以脱陷，这使得材料内部空间电荷积累量在不同老化程度下均存在明显变化，且材料内部出现大量电荷陷阱。而在纳米改性后，空间电荷积累大幅减少，且温度升高会导致纳米氧化硅改性直流料异极性空间电荷积累量减小。这是由于副产物能够在热老化初期得以释放，老化温度增加积累的异极性空间电荷量也更少。
结论：
综上所述，热老化对直流XLPE绝缘性能的影响较为深远，但纳米改性能够有效降低这种影响。为更好保证直流XLPE绝缘性能，各类基于纳米改性生成的新材料应用必须得到重视。
参考文献：
[1]王晔，汪旭旭，郭靖.热老化对油纸绝缘系统FDS的影响研究[J].电气开关，2019，57（04）：36-38+41.
[2]张可迪，胡康，刘翔.基于FDS区分热老化和水分对油纸绝缘状态的影响研究[J].电工电气，2019（05）：58-61.
[3]王立民，张帆，史向前，张培军.YJ85A/A1型牵引电机C6修绝缘性能的研究[J].铁道机车车辆，2019，39（02）：67-70+95.
论文作者:龙远
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/20
标签：电导率论文; 电荷论文; 温度论文; 纳米论文; 试样论文; 测试论文; 北欧论文; 《电力设备》2019年第14期论文;