溫度對(duì)海底電纜半導(dǎo)電屏蔽層電學(xué)-熱學(xué)性能的影響研究

陳 哲，沈海軍，李國(guó)倡，王少華，李乃一，魏艷慧，雷清泉

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司建設(shè)分公司，浙江 杭州 310020；3.青島科技大學(xué) 先進(jìn)電工材料研究院，山東 青島 266042；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

海底輸電電纜是跨海聯(lián)網(wǎng)輸電工程的重要組成部分，在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)國(guó)際化進(jìn)程中具有重要作用[1]。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）海底電纜因其優(yōu)良的電氣性能、力學(xué)性能等，被廣泛應(yīng)用于海底電纜輸電工程中。隨著電力需求的日益增長(zhǎng)，高壓輸電載流量增大，發(fā)熱量也大幅升高，對(duì)海底電纜的要求越來(lái)越高。由于海底電纜具有較好的密封性，產(chǎn)熱量大于散熱量，使電纜材料承受的溫度較高[2]，導(dǎo)致半導(dǎo)電層和絕緣層的電學(xué)性能和熱學(xué)性能發(fā)生變化，影響電纜的整體安全運(yùn)行。

目前，針對(duì)高壓電纜絕緣料的研究較多，主要關(guān)注直流電纜空間電荷積聚的問(wèn)題[3-14]。近十余年，以日本 T TAKADA[3,7]、英國(guó) G CHEN[8-10]以及我國(guó)雷清泉院士[4,9]、李盛濤教授[9,12]、杜伯學(xué)教授[13-14]等為代表的國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高壓電纜絕緣料方面做了大量研究工作。相比而言，關(guān)于高壓電纜屏蔽料的系統(tǒng)報(bào)道較少，僅有的半導(dǎo)電材料研究主要關(guān)注表面光滑性和正溫度系數(shù)（positive temperature coefficient，PTC）效應(yīng)[15-20]。北歐化工和陶氏化學(xué)等[17-18]較早開(kāi)展了高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽料的研發(fā)和生產(chǎn)工作，是目前110 kV以上半導(dǎo)電料的主要供應(yīng)商。目前，關(guān)于海纜半導(dǎo)電屏蔽料的研究未有報(bào)道，尤其是不同溫度影響下的半導(dǎo)電層理化性能分析及電、熱性能的研究更是缺乏。

本研究從海底電纜半導(dǎo)電料的基本性能出發(fā)，對(duì)不同溫度影響下海底電纜半導(dǎo)電屏蔽層的電學(xué)、熱學(xué)性能進(jìn)行研究。首先，采用海纜商用半導(dǎo)電料和絕緣料分別制備半導(dǎo)電層和絕緣層，并采用熱熔接方法制備半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣；其次，研究半導(dǎo)電層的微觀形貌、熱學(xué)性能（導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)）、電學(xué)性能（電阻率、電氣強(qiáng)度）及其隨溫度的變化趨勢(shì)；最后，對(duì)比研究半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣在典型溫度下的交流擊穿特性，并分析溫度對(duì)各性能參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

選用商用海纜半導(dǎo)電料和絕緣料，采用熔融共混法分別制備半導(dǎo)電層試樣和絕緣層試樣。商用半導(dǎo)電料主要成分包括炭黑（carbon black，CB）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）。海纜絕緣料主要成分包括聚乙烯（PE）、交聯(lián)劑和抗氧化劑等。前期實(shí)驗(yàn)表明，炭黑為20～25份（每100 g EVA中添加20～25 g CB）時(shí)半導(dǎo)電復(fù)合材料的性能較為穩(wěn)定，因此，將海纜半導(dǎo)電層實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CB含量為25份的半導(dǎo)電復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。由于各性能參數(shù)測(cè)試需要的試樣厚度不同，需要制備不同厚度的半導(dǎo)電層試樣，電氣強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)測(cè)試要求試樣厚度分別為0.3、1.0、20.0 mm。制備過(guò)程為：①將原料放置于真空干燥箱中，在60℃下干燥處理6 h；②將原料置于不同厚度的模具中，采用平板硫化機(jī)在130℃、10 MPa下進(jìn)行6 min的成型和排氣操作，以避免硫化過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡；③在10 MPa下冷卻10 min，得到半導(dǎo)電層試樣。

采用相同方式制備絕緣層試樣，厚度為0.15 mm；然后采用熱熔接方式制備半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣，對(duì)半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣在不同溫度下的交流擊穿特性進(jìn)行研究。

1.2 微觀形貌測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察半導(dǎo)電層試樣的微觀形貌。首先將半導(dǎo)電層試樣放入液氮中冷卻，之后取出快速脆斷，將斷面噴金后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察。采用相同方式處理半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用激光閃射儀分別測(cè)量海纜半導(dǎo)電層和CB份數(shù)為25份的半導(dǎo)電層試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，并分析試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。試樣厚度為1.0 mm，測(cè)量電壓為250 V，脈沖寬度為400 ns。

1.4 熱膨脹系數(shù)測(cè)試

采用熱膨脹儀測(cè)試半導(dǎo)電層試樣的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)測(cè)試要求，試樣是直徑為6 mm、高度為20 mm的圓柱。由于測(cè)試樣品尺寸特殊要求，專(zhuān)門(mén)定制了實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?。采用平板硫化機(jī)在一定溫度和壓力下制備試樣，然后將試樣上下表面處理平整。

1.5 電阻率測(cè)試

采用半導(dǎo)電電阻測(cè)試儀測(cè)試半導(dǎo)電層試樣的電阻率，試樣長(zhǎng)度為115 mm，寬度為50 mm，測(cè)試溫度為25～100℃。

1.6 擊穿測(cè)試

由于電纜用半導(dǎo)電層的擊穿性能無(wú)法直接測(cè)量，而實(shí)際電纜的整體絕緣性能取決于半導(dǎo)電層和絕緣層配合。因此采用熱熔接方式制備半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣，測(cè)量復(fù)合試樣的擊穿特性。本研究中制備的半導(dǎo)電層試樣厚度為0.30 mm，將其與厚度為0.15 mm的絕緣層進(jìn)行熱熔接，得到半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣。

采用擊穿系統(tǒng)測(cè)試不同溫度下（25、50、70、90℃）復(fù)合試樣的交流擊穿電壓。根據(jù)IEC 60243-1-1998標(biāo)準(zhǔn)，升壓速度為1 kV/s，每個(gè)溫度下相同試樣的擊穿次數(shù)為5～10次。采用兩參數(shù)威布爾分布對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中兩參數(shù)威布爾分布函數(shù)與介質(zhì)電氣強(qiáng)度的關(guān)系如式（1）所示。

式（1）中：Eb為材料的電氣強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，kV/mm；α為尺度參數(shù)，表示擊穿概率為63.2%時(shí)的電氣強(qiáng)度，kV/mm；β為形狀參數(shù)，表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分散程度，其值越大，表明分散性越小。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖1(a)、(b)、(c)分別為CB含量為25份（簡(jiǎn)寫(xiě)為25 phr_CB）的半導(dǎo)電層、海纜半導(dǎo)電層、海纜半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣的SEM圖。圖2為海纜半導(dǎo)電層的元素能譜分析圖。

由圖1(a)、(b)可知，高亮部分為CB顆粒。與25 phr_CB半導(dǎo)電層試樣內(nèi)部CB顆粒相比，海纜半導(dǎo)電層試樣內(nèi)存在明顯的大尺寸塊狀粒子，尺寸為5～8 μm，厚度為2～3 μm。圖2元素能譜分析顯示，大尺寸炭黑粒子為C元素。大尺寸塊狀炭黑可能是海纜半導(dǎo)電層具有較好的散熱功能和較高導(dǎo)熱系數(shù)的主要原因。由圖1(c)可以看出，采用熱熔接方式復(fù)合之后的試樣，界面處接觸緊密，無(wú)明顯凸起，半導(dǎo)電層一側(cè)不太光滑，可以觀察到明顯的炭黑顆粒，絕緣層表面較為光滑。

圖1 海纜半導(dǎo)電層SEM圖Fig.1 SEM of semi-conductive layer for submarine cable

圖2 海纜半導(dǎo)電層元素能譜分析圖Fig.2 Element energy spectrum analysis of semi-conductive layer for submarine cable

2.2 溫度對(duì)半導(dǎo)電屏蔽層熱學(xué)性能的影響

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)分析

海纜半導(dǎo)電層和CB含量為25份的半導(dǎo)電層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，25 phr_CB半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，導(dǎo)熱系數(shù)從25℃的0.38 W/(m·K)增加到100℃的0.52 W/(m·K)。海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在80℃附近達(dá)到峰值，最大值為0.83 W/(m·K)，比室溫下高出約1.5倍；當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí)，海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)顯著下降，100℃時(shí)降低至0.57 W/(m·K)。海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)在80℃達(dá)到峰值是由于其內(nèi)部含有EVA，而EVA在75℃時(shí)產(chǎn)熱量增加；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，EVA融化對(duì)導(dǎo)熱通路產(chǎn)生阻礙，造成導(dǎo)熱系數(shù)大幅降低。

圖3 半導(dǎo)電層導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化Fig.3 Thermal conductivity of semi-conductive layer with temperature

對(duì)比海纜半導(dǎo)電層與25 phr_CB半導(dǎo)電層可以發(fā)現(xiàn)，兩者導(dǎo)熱系數(shù)均存在一定的波動(dòng)，這可能是由于炭黑顆粒在基體中分散不均勻所致?？傮w上海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)約為25 phr_CB半導(dǎo)電層的2倍，結(jié)合圖1中SEM圖可知，這是由于其內(nèi)部含有大尺寸炭塊，大尺寸炭塊的分布可減少界面熱阻，提高材料的導(dǎo)熱性能。

2.2.2 熱膨脹系數(shù)分析

圖4和圖5分別為不同溫度下半導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)和相對(duì)形變量的變化趨勢(shì)。從圖4～5可以看出，隨著溫度的升高，海纜半導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)先升高后下降，由25℃的1.36×10-4/K增加至70℃的2.07×10-4/K；當(dāng)溫度超過(guò)70℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)開(kāi)始緩慢下降，此時(shí)相對(duì)形變量為0.94%；高溫下，熱膨脹系數(shù)明顯下降，100℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)為1.88×10-4/K，此時(shí)相對(duì)形變量約為1.40%。

圖4 半導(dǎo)電層熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化Fig.4 Thermal expansion coefficient of semi-conductive layer with temperature

圖5 半導(dǎo)層相對(duì)形變量隨溫度的變化Fig.5 Relative deformation of semi-conductive layer with temperature

從圖4還可以看出，25 phr_CB半導(dǎo)電層熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)與海纜半導(dǎo)電層基本一致。隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)增加較為緩慢，當(dāng)溫度超過(guò)約60℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)開(kāi)始下降，而海纜半導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)下降點(diǎn)約為70℃。熱膨脹系數(shù)下降主要與材料本身發(fā)生熔融有關(guān)，EVA的熔融溫度約為75℃，由此可分析海纜半導(dǎo)電層熱膨脹系數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要受基體EVA的影響。

2.3 溫度對(duì)半導(dǎo)電屏蔽層電學(xué)性能的影響

2.3.1 半導(dǎo)電屏蔽層的電阻特性

海纜半導(dǎo)電層和CB含量為25份的半導(dǎo)電層電阻率隨溫度的變化如圖6所示。由圖6可知，溫度由室溫升至100℃過(guò)程中，海纜半導(dǎo)電層與25 phr_CB半導(dǎo)電層的電阻率整體上均呈上升趨勢(shì)。在溫度低于80℃時(shí)電阻率相對(duì)較低，增長(zhǎng)緩慢，其原因是EVA體積膨脹較小，對(duì)炭黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞性很小，仍能維持較好的導(dǎo)電網(wǎng)鏈，體積電阻率較低。當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，超過(guò)了EVA的熔點(diǎn)，聚合物鏈段數(shù)占比充分，體積增大，導(dǎo)電鏈被破壞，電阻率增大，即出現(xiàn)正溫度系數(shù)（PTC）效應(yīng)。另外，由于EVA的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)電粒子的熱膨脹系數(shù)，膨脹程度的差異引起導(dǎo)電粒子間的距離增大，使大量的導(dǎo)電通路斷開(kāi)，導(dǎo)致電阻率急劇增加。

圖6 半導(dǎo)電層電阻率隨溫度的變化Fig.6 Resistivity of semi-conductive layer with temperature

2.3.2 半導(dǎo)電屏蔽層/絕緣層復(fù)合試樣的交流擊穿特性

圖7、圖8分別為不同溫度下海纜半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣、25 phr_CB半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣的交流電氣強(qiáng)度，表1為不同溫度下復(fù)合試樣的尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)。

圖7 海纜半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣交流電氣強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.7 Electric strength of semi-conductive layer/insulation layer composite sample with temperature

由圖7可知，隨著溫度的升高，半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣的電氣強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，4個(gè)典型溫度下（25、50、70、90 ℃），海纜半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣擊穿概率為63.2%的場(chǎng)強(qiáng)分別為104.5、99.4、97.0、90.8 kV/mm。高溫下，復(fù)合試樣的電氣強(qiáng)度明顯較低。這是由于隨著溫度的升高，材料內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)活躍，載流子運(yùn)動(dòng)加快，導(dǎo)致載流子獲得的能量加大，更容易發(fā)生碰撞電離；此外，溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生形變，局部能量積累。

圖8 25 phr_CB半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣交流電氣強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.8 Electric strength of 25 phr_CB semi-conductive layer/insulation layer composite sample with temperature

表1 不同溫度下復(fù)合試樣的尺寸參數(shù)與形狀參數(shù)Tab.1 Dimension parameter and shape parameter of composite samples under different temperature

對(duì)比圖7和圖8可以看出，分別將海纜半導(dǎo)電層與25 phr_CB的半導(dǎo)電層與相同的絕緣層復(fù)合后，海纜半導(dǎo)電/絕緣層復(fù)合試樣的電氣強(qiáng)度高于后者，說(shuō)明商用半導(dǎo)電層和絕緣層的界面匹配較好。另外，絕緣層交流電氣強(qiáng)度隨溫度（25～90℃）變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，XLPE的電氣強(qiáng)度范圍為92.5～125.2 kV/mm。對(duì)比復(fù)合試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，半導(dǎo)電層與絕緣層復(fù)合之后電氣強(qiáng)度有一定程度的下降，但總體下降不大，說(shuō)明在不同溫度的作用下，半導(dǎo)電層和絕緣層依然保持較好的匹配特性。

3 結(jié)論

（1）海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)分析表明，隨著溫度的升高，海纜半導(dǎo)電層的導(dǎo)熱系數(shù)整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，在80℃附近達(dá)到峰值，最大值為0.83 W/(m·K)，比室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高出約1.5倍；當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí)，由于EVA的作用，海纜的導(dǎo)熱系數(shù)顯著下降，100℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低至0.57 W/(m·K)。

（2）海纜半導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)分析表明，隨著溫度的升高，海纜半導(dǎo)電層的熱膨脹系數(shù)先升高后下降，由25℃的1.36×10-4/K增加至70℃的2.07×10-4/K；當(dāng)溫度超過(guò)70℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)開(kāi)始趨于緩慢下降，此時(shí)相對(duì)形變量為0.94%；高溫下熱膨脹系數(shù)明顯下降，100℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)為1.88×10-4/K，此時(shí)相對(duì)形變量約為1.40%。

（3）海纜半導(dǎo)電層的電阻率特性分析表明，隨著溫度的升高，海纜半導(dǎo)電層的電阻率整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在80℃以下電阻率相對(duì)較低，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，半導(dǎo)電復(fù)合材料表現(xiàn)出較明顯的PTC效應(yīng)。隨著溫度的升高，半導(dǎo)電層/絕緣層復(fù)合試樣的交流電氣強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由25℃的104.5 kV/mm降低至90℃的90.8 kV/mm。但總體在溫度的作用下，海纜半導(dǎo)電層和絕緣層具有較好的匹配特性。