阻燃交聯(lián)聚烯烴高溫絕緣電阻測量研究

宋成偉，張小輝

（1.遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院（國家電線電纜中心（遼寧）），遼寧 沈陽 110022；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

阻燃交聯(lián)聚烯烴高溫絕緣電阻測量研究

宋成偉1，張小輝2

（1.遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院（國家電線電纜中心（遼寧）），遼寧 沈陽 110022；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

分析了阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料的電導(dǎo)機理以及高溫絕緣電阻的測量模型。分別采用正接法和反接法測試，根據(jù)測量結(jié)果，確定合理的測量方式。

高溫絕緣電阻；阻燃交聯(lián)聚烯烴；電介質(zhì)；正接法；反接法

阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料通過烯烴類基體材料配合阻燃劑共混，在一定溫度下由交聯(lián)劑及交聯(lián)引發(fā)產(chǎn)生聚烯烴自由基，從而發(fā)生一系列快速聚合反應(yīng)，生成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚烯烴，使鏈段間形成C?C鍵，增強了高分子鏈段間、分子間的作用力，增大了離子、自由電子遷移的勢壘。同時，交聯(lián)使離子的活化能提高，體現(xiàn)出了較高的極限使用溫度［1］。將絕緣材料長期使用的極限溫度進(jìn)行分類，按照溫度大小排列分別為：Y、A、E、B、F、H和 C。其允許工作溫度分別為：90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃和180℃以上［2］，因此，長期使用的極限溫度A級以上絕緣結(jié)構(gòu)必須采用耐高溫線纜。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) JB/T 10491、UL subject758?style3478/tyle3271均采用阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料作為絕緣介質(zhì)。

絕緣電阻是反映電線電纜產(chǎn)品絕緣特性的主要指標(biāo)，它反映了線纜產(chǎn)品承受電擊穿或熱擊穿能力的大小，與絕緣的介質(zhì)損耗以及絕緣材料在工作狀態(tài)下的逐步劣化等均存在極為密切的關(guān)系，在高溫下絕緣系統(tǒng)電介質(zhì)材料中的離子、自由電子在熱的作用下，遷移的勢壘改變，電導(dǎo)增大，進(jìn)而引發(fā)熱擊穿或材料加速老化。固體絕緣電介質(zhì)的電導(dǎo)是由于電介質(zhì)基本物質(zhì)以及其中所含雜質(zhì)的離子熱離解所引起的，離子的熱離解能力隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)絕緣電阻降低，并且隨溫度呈指數(shù)變化［3］。高溫時絕緣材料的絕緣電阻測量變得十分有必要，更能表征材料在使用溫度下的介電性能。

1 阻燃交聯(lián)聚烯烴高溫絕緣電阻電導(dǎo)電流機理分析

絕緣系統(tǒng)中絕緣材料（電介質(zhì)）是不導(dǎo)電的物質(zhì)，但并不是絕對的不導(dǎo)電，在直流電壓作用下，電介質(zhì)中有微弱的電流流過。在電場作用下，電解質(zhì)能產(chǎn)生電流是由于電介質(zhì)中存在能自由遷移的帶電粒子，稱為載流子。載流子在電場作用下（正電荷沿電場方向，負(fù)電荷沿電場反方向）定向移動形成電流。固體絕緣中的載流子，包括離子和電子，在弱電場作用下，主要是離子電導(dǎo)。對非晶有機固體電介質(zhì)而言，通常不存在本征離子，導(dǎo)電離子來源于雜質(zhì)［3-4］。烯烴類基體材料呈現(xiàn)一定的結(jié)晶性，但共混交聯(lián)后，破壞了結(jié)晶性，成為非結(jié)晶有機固體電介質(zhì)，同時，阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣材料中添加阻燃劑，各種加工助劑之類的物質(zhì)［5］，而且在原材料的運輸、儲存中，可能還會摻有雜質(zhì)，因此，阻燃交聯(lián)聚烯烴電線中離子電導(dǎo)占主要部分。

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)備及材料

儀器為ZC-90E絕緣電阻測試儀、烘箱；試驗樣品為WDZ-DCYJ-135，0.5 mm2，長度10 m；材料為銅絲編織網(wǎng)、耐高溫聚酯薄膜帶、電木板。

2.2 制樣

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)截取試樣1.4 m，采用銅絲編織網(wǎng)套緊在中部1 m長的位置上，同時，采用耐高溫聚脂薄膜纏繞緊實，使銅絲編織網(wǎng)緊密地與電線接觸。以導(dǎo)體、銅編織網(wǎng)為電極，當(dāng)施加直流電壓時，就會形成同軸圓柱直流電場。為了防止消除表面電阻對測量數(shù)據(jù)的影響，在銅絲編織網(wǎng)兩端距離1 mm處綁扎銅絲編織網(wǎng)，綁扎長度為10 mm［6］。測試樣品制取如圖1所示，分別在銅編織電極、保護電極接引出線，以備測量和接地使用。

圖1 測試樣品制取示意圖

2.3 測試儀器及接線方式

電線電纜絕緣電阻測量原理采用直流比較法和電壓—電流法［7］，直流比較法的測量范圍為105～2 ×1015，電壓—電流法測量范圍為104～2×1016。本次研究采用電壓—電流法也稱為伏安法，制取試驗樣品示意圖如圖1所示，可以看出測量結(jié)構(gòu)模型近似三電極結(jié)構(gòu)，測試基本原理如圖2所示。

圖2 測量體積電阻的伏安法原理圖

測試儀器目前有懸浮輸出和非懸浮輸出兩類，而接線方式分為正接法和反接法。對于懸浮輸出類設(shè)備，高壓輸出端對地懸浮，在采用水浴作為電極測量90℃及以下絕緣電阻時，宜采用懸浮輸出類，采用反接線法消除干擾電流，提高測量準(zhǔn)確性。而高溫絕緣（＞90℃）時，在加熱烘箱內(nèi)進(jìn)行測量，不存在水電極對地呈負(fù)極性微電流，空氣是由氧、氮、水蒸氣、二氧化碳等多種氣體組成的氣體混合物，在正常情況下，氣體分子不帶電（顯中性），但在高溫下，受熱或強電場的作用下，空氣中的氣體分子會失去一些電子，即所謂空氣熱電離，存在空間電荷，并隨著溫度的升高，空間電荷增多［8］。在測量高電阻電介質(zhì)時，除了外界的電磁干擾外，空氣中空間電荷也會帶來干擾，在高絕緣電阻測量試驗中，人隨意走動會帶來測試結(jié)果的波動，空間電荷流入測量系統(tǒng)。

采用型號為ZC-90E的絕緣電阻測試儀，該測試儀可以工作于對地懸浮狀態(tài)，即輸出端對地懸浮，輸出電壓為100 V、250 V、500 V、1000 V。本文采用了正接法和反接法兩種接線方式進(jìn)行測量，接線方式如圖3所示。

圖3 測量接線方式

3 測量步驟

將電木板放于烘箱內(nèi)，將制作好的樣品放于電木板之上，將測量接線在烘箱測量空引出，將保護電極引出線與箱體連接直接接至實驗室接地盒，形成屏蔽空間，防止箱體外空間電荷及電磁干擾。

試驗烘箱升溫至135℃，溫度波動范圍為±2℃，置于該溫度下2 h。采用絕緣電阻測試儀（ZC -90E），通過正接法和反接法分別測量，測試電壓為250 V，1 min讀數(shù)，每次測量間隔為30 min，測量一次數(shù)據(jù)后，將被測量系統(tǒng)短接，有助于極化電荷的復(fù)合，達(dá)到充分放電，防止累積電荷對其測量數(shù)據(jù)的影響。

4 數(shù)據(jù)分析

利用不同接線方式，即正接法和反接法分別對試樣進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同接線方式測得的絕緣電阻 107Ω

從測量數(shù)據(jù)可以看出，反接法測量系統(tǒng)數(shù)值要略高于正接法測量系統(tǒng)。正接法和反接法的區(qū)別在于2個（內(nèi)、外）極板電極極性的改變和測量端與熱空氣直接接觸及與熱空氣隔離。在研究測試中，絕緣電阻的測量電壓采用直流電壓，絕緣介質(zhì)內(nèi)部屬于直流靜電場，在極板的兩側(cè)積累了不同的正、負(fù)電荷，由于空氣在高溫下，分子運動加速，增大碰撞幾率，空氣電離度增大，增加了空間電荷，空間電荷定向流動形成干擾電流引入到測量系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

對低煙無鹵交聯(lián)絕緣烯烴絕緣系統(tǒng)高溫絕緣電阻的電導(dǎo)機理以及對其高溫絕緣電阻的測量，提出了包括試樣制備、測量設(shè)備和接線方式的具體方案。通過試驗數(shù)據(jù)給出建議，針對懸浮輸出測量設(shè)備應(yīng)采用反接法接線，以降低空間電荷的干擾，提高測量準(zhǔn)確性。

［1］家田正之.電氣絕緣工學(xué)及其在電氣設(shè)備中的應(yīng)用 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982：39-77.

［2］唐傳林，季承鈞，單書發(fā).絕緣材料工藝原理 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987：1-20.

［3］陳季單，劉子玉.電介質(zhì)物理學(xué) ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982：73-109.

［4］劉希志，張中民，梁寶山.電氣設(shè)備絕緣分析及測試 ［J］.東北電力技術(shù)，2007，28（12）：44-52.

［5］尹 鏑，劉 華.低煙無鹵阻燃電纜及其性能研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（9）：8-11.

［6］電線電纜電性能試驗方法：GB/T 3048.5—2007［S］.

［7］額定電壓450/750V及以下交聯(lián)聚烯烴絕緣電線和電纜：JB/T 10491—2004［S］.

［8］王繼梅，冀志江，隋同波，等.空氣負(fù)離子與溫濕度的關(guān)系 ［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（2）：68-70.

Study on Measurement of High?temperature Insulation Resistance of Flame Retardant XLPO

SONG Chengwei1，ZHANG Xiaohui2
（Liaoning Institute of Product Quality Supervision＆Insperction，National Quality Supervision and Testing Center for Cable and Wire（Liaoning）），Shenyang，Liaoning 110022，China；2.Electric Power Researoh Instituee of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The paper analyzes the electrical conductivity mechanism of flame retardant XLPO insulation and the measurement model of high?temperature insulation resistance.Positive connection method and opposition connection method are used on test of the insulation resistance，different connection has different measurement results.The reasonable measurement method is also proposed is this paper.

high?temperature insulation resistance；flame retardant XLPO；dielectric；positive connection method；opposition con?nection method

TM934.1

A

1004-7913（2017）03-0013-03

宋成偉（1982），男，碩士，工程師，從事電線電纜絕緣結(jié)構(gòu)及檢驗、檢測技術(shù)研究。

2016-12-21）