交流500 kV交聯(lián)聚乙烯海纜主絕緣介質(zhì)的頻域介電及擊穿特性研究

戴錫澤，郝 建，劉智謙,2，高 震，李捍平，鄭新龍

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

海底電纜是海洋輸電的重要輸電通道，在實(shí)現(xiàn)電能海陸互通方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。2018年4月，我國(guó)自主研發(fā)的世界首條交流500 kV交聯(lián)聚乙烯海纜通過(guò)出廠試驗(yàn)。2019年1月，世界首條交流500 kV交聯(lián)聚乙烯海纜在我國(guó)浙江舟山群島完成敷設(shè)并通過(guò)試驗(yàn)。海纜在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受電應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等的聯(lián)合作用，其主絕緣介質(zhì)交聯(lián)聚乙烯材料容易發(fā)生老化[2-4]。絕緣材料的老化是不可逆的，海纜絕緣材料性能的變化也將影響海纜的宏觀性能。因此，掌握500 kV XLPE海纜絕緣材料的劣化特性及其對(duì)絕緣性能的影響具有重要意義。

熱老化被認(rèn)為是造成XLPE電力電纜絕緣材料性能劣化的最主要因素之一[5-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)XLPE電纜絕緣材料老化特性開(kāi)展了大量研究。M NEDJAR等[7]研究了熱老化（老化溫度為120℃和140℃）對(duì)高壓XLPE電纜絕緣材料頻域介電特性的影響，結(jié)果表明XLPE材料在120℃和140℃下分別老化1 500 h和1 000 h后，內(nèi)部抗氧化劑完全消耗，XLPE材料的介質(zhì)損耗變大，體積電阻率變小。S HVIDSTEN等[8]研究了熱老化（老化溫度為170℃）對(duì)含有有機(jī)雜質(zhì)XLPE電纜絕緣材料頻域介電特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明XLPE電纜絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)隨羰基含量的增加而變大，XLPE材料微觀結(jié)構(gòu)缺陷隨老化時(shí)間的增加而變大。王航等[9]研究了熱老化（老化溫度為155、165、180℃）對(duì)XLPE海纜絕緣材料理化性能的影響，結(jié)果表明熱老化XLPE材料的羰基指數(shù)隨老化時(shí)間增加而增大，高溫?zé)崂匣瘜?duì)XLPE材料微觀結(jié)構(gòu)有顯著的破壞作用。朱曉輝等[10]對(duì)運(yùn)行2、5、9、12年的XLPE電纜絕緣材料的介電和擊穿特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著XLPE電纜老化程度加深，低頻區(qū)XLPE材料的介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大，XLPE材料的擊穿電壓逐漸減小。

目前，國(guó)內(nèi)外主要以低、中、高壓等級(jí)XLPE陸地電纜為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究熱老化對(duì)XLPE電纜絕緣材料理化和介電特性的影響。而對(duì)超高壓AC 500 kV XLPE海底電纜絕緣材料的熱老化特性，以及熱老化對(duì)XLPE海纜主絕緣材料介電特性影響的研究，目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。500 kV海纜主絕緣介質(zhì)的原料以及海纜加工工藝與傳統(tǒng)電纜不同，隨著舟山500 kV海纜的投入運(yùn)行，研究熱老化對(duì)500 kV XLPE海底電纜絕緣材料相關(guān)性能的影響，可為掌握XLPE海纜絕緣材料的性能劣化規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

為了研究分析XLPE材料在高溫加速老化后其性能的變化規(guī)律，本研究首先將AC 500 kV XLPE海纜主絕緣材料在170℃下進(jìn)行高溫加速熱老化，對(duì)不同熱老化狀態(tài)的XLPE海纜主絕緣材料進(jìn)行FTIR測(cè)試分析；然后，對(duì)不同熱老化狀態(tài)的樣品進(jìn)行頻域介電特性測(cè)試，分析熱老化時(shí)間和溫度對(duì)XLPE海纜主絕緣材料介電特性和工頻擊穿特性的影響規(guī)律；最后，在微觀層面分析XLPE海纜主絕緣材料老化對(duì)其介電和工頻擊穿特性的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)

1.1 XLPE海纜主絕緣材料的熱老化試驗(yàn)

利用切片機(jī)將AC 500 kV XLPE海纜主絕緣進(jìn)行徑向切片，切片厚度為1 mm。然后，利用401-C型自然通風(fēng)恒溫控制熱老化箱對(duì)樣品進(jìn)行加速熱老化，熱老化溫度設(shè)置為170℃，分別在老化48、120、168、336 h時(shí)取出樣品進(jìn)行測(cè)試。

1.2 傅里葉紅外光譜測(cè)試

對(duì)不同熱老化時(shí)間的XLPE海纜主絕緣材料進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FTIR)測(cè)試，分析不同熱老化時(shí)間下XLPE樣品的分子結(jié)構(gòu)變化。FTIR測(cè)試采用Nicolet iS5型紅外光譜分析儀，波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1。

1.3 頻域介電特性測(cè)試

采用Concept 80型寬頻介電譜儀測(cè)試不同老化時(shí)間下XLPE海纜主絕緣材料的介電特性，測(cè)試溫度分別為25、40、55、70℃。測(cè)試電極是直徑為40 mm的鍍金電極，測(cè)試頻率為10-2～104Hz。每個(gè)樣品測(cè)試前，均用無(wú)水乙醇清洗干凈，并在真空干燥箱中放置6 h，溫度設(shè)置為60℃。

1.4 工頻擊穿特性測(cè)試

XLPE海纜主絕緣材料的工頻擊穿測(cè)試采用北京華測(cè)試驗(yàn)儀器公司生產(chǎn)的HCDJC-100 kV擊穿試驗(yàn)測(cè)試儀，升壓速率為1 kV/s。試驗(yàn)時(shí)樣品浸漬在新變壓器絕緣油中，采用直徑為25 mm、高度為25 mm、拐角半徑為3 mm的柱-柱電極。每個(gè)老化階段和不同溫度下的樣品均進(jìn)行9次測(cè)試，結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱老化XLPE海纜主絕緣材料的FTIR

圖1是在170℃下熱老化不同時(shí)間的XLPE樣品。從圖1可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，XLPE樣品的顏色逐漸加深，從原始樣品灰白色到黃色，再逐漸變成深紅棕色，這是由于在高溫?zé)崂匣饔孟耎LPE材料發(fā)生熱氧化裂解，引起材料內(nèi)部生成亞乙烯基以及乙烯基等基團(tuán)造成的[11]。此外，在熱老化120 h之后，XLPE樣品表面的顏色逐漸出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，熱老化120、168、336 h的XLPE樣品表面顏色不均勻部位在圖中標(biāo)出。這是由于XLPE材料在生產(chǎn)過(guò)程中并不是完全勻質(zhì)的，同時(shí)XLPE材料在高溫?zé)崂匣饔孟卵趸呀猱a(chǎn)生副產(chǎn)物導(dǎo)致分布不均[11]，進(jìn)而引起XLPE材料表面顏色分布不均勻。

圖1 熱老化不同時(shí)間的XLPE海纜絕緣材料Fig.1 XLPE cable insulation material with different ageing time

熱老化0、48、120、168、336 h的XLPE海纜主絕緣材料傅里葉紅外光譜如圖2所示。從圖2可知，719 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于振動(dòng)亞甲基（-CH2）基團(tuán)，1 464 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于亞甲基（-CH2）基團(tuán)的搖擺振動(dòng)，1 732 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于羰基（C=O）基團(tuán)，2 848 cm-1和2 916 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于亞甲基（-CH2）的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)[12-13]。在XLPE材料老化120 h之后，在804、1 104、1263 cm-1處逐漸出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收峰。804 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)不飽和烴類(lèi)官能團(tuán)，1 104 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)C-O-C官能團(tuán)的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，1 263 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)C-O官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)。這是因?yàn)槌邏汉＠|絕緣材料內(nèi)部存在較多的抗氧化劑，促使熱氧老化加快，導(dǎo)致抗氧化劑和氧化產(chǎn)物的吸收峰疊加[11,14]，其中抗氧化劑對(duì)應(yīng) 1 104 cm-1處的吸收峰。綜上所述，熱老化使得XLPE海纜主絕緣材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。

圖2 不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的FTIRFig.2 FTIR of XLPE cable main insulation material with different ageing time

為了定量分析XLPE材料因熱老化引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，選取羰基指數(shù)對(duì)XLPE材料的老化狀態(tài)進(jìn)行表征。羰基指數(shù)定義為羰基吸收峰強(qiáng)度（1 732 cm-1）與亞甲基吸收峰強(qiáng)度（2 915～2 918 cm-1）的比值[13]。XLPE海纜主絕緣材料羰基指數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可知，羰基指數(shù)隨老化時(shí)間的增加而顯著增大，未老化樣品的羰基指數(shù)接近于0。

2.2 不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性

圖3 不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的羰基指數(shù)Fig.3 Carbonyl index of XLPE cable main insulation material with different ageing time

測(cè)試溫度為40℃和70℃下不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性（相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電導(dǎo)率）分別如圖4和圖5所示。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，熱老化后XLPE海纜主絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)增大，XLPE新樣品的相對(duì)介電常數(shù)隨測(cè)試頻率變化基本無(wú)變化，而熱老化120、168、336 h后XLPE樣品的相對(duì)介電常數(shù)隨測(cè)試頻率的增大而減小。熱老化XLPE海纜主絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)大于新樣品，且樣品老化越嚴(yán)重，相同頻率下其相對(duì)介電常數(shù)越大。

固體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)滿(mǎn)足Kiusius-Mosotti(K-M)方程[15]，如式（1）所示。

圖4 測(cè)試溫度40℃下不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性Fig.4 Frequency domain dielectric properties of XLPE cable main insulation material with different thermal ageing time at 40℃

圖5 測(cè)試溫度70℃下不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性Fig.5 Frequency domain dielectric properties of XLPE cable main insulation material with different thermal ageing time at 70℃

式（1）中：N為單位體積電介質(zhì)內(nèi)的粒子數(shù)；α為極化率（單位為F·m2），是與電介質(zhì)組成粒子性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）。隨熱老化程度加深，XLPE海纜主絕緣材料開(kāi)始氧化裂解，大分子鏈斷裂成小分子鏈，羰基等極性基團(tuán)增多（如圖2和圖3所示），XLPE材料單位體積內(nèi)可極化粒子數(shù)增加，因此熱老化后XLPE海纜主絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)增大。

從圖4(b)和圖5(b)可以看出，隨著熱老化程度的加深，XLPE海纜主絕緣材料的體積電導(dǎo)率稍微變大，尤其是在低頻部分，這一現(xiàn)象在測(cè)試溫度70℃下更明顯。從圖4(c)和圖5(c)可以看出，XLPE樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時(shí)間的增加而逐漸增大，在10-2～104Hz內(nèi)均存在最小值，介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)最小值的頻率隨樣品老化時(shí)間的增加逐漸向低頻方向移動(dòng)。此外，在10-1Hz以下和102～104Hz內(nèi)，老化樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時(shí)間的增加而增大，尤其在測(cè)試溫度70℃下這一現(xiàn)象更顯著。

電介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗因數(shù)如式（2）所示[15]。

式（2）中：γ為電介質(zhì)的電導(dǎo)率；τ為松弛極化的時(shí)間常數(shù)；εs為靜態(tài)介電常數(shù)；ε∞為光頻介電常數(shù)。當(dāng)ωτ＜＜1 時(shí)，tanδ=γ/ωεsε0，ε=ε∞+[(εs-ε∞)/(1+ω2τ2)]。隨著外加交變電場(chǎng)頻率的升高，逐漸出現(xiàn)松弛極化滯后于外加電場(chǎng)變化的情況，電介質(zhì)材料松弛極化過(guò)程不能完全建立，進(jìn)而使介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率升高而減小；隨著頻率的繼續(xù)升高，ωτ→1時(shí)，外加交變電場(chǎng)周期與松弛極化時(shí)間非常接近，此時(shí)松弛極化過(guò)程受外加電場(chǎng)頻率的影響最大，極化損耗增加使得XLPE材料的有功電流增長(zhǎng)速度大于無(wú)功電流增長(zhǎng)速度，進(jìn)而使得XLPE材料的介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率升高而增大。由于XLPE海纜主絕緣材料的電導(dǎo)率隨老化程度的加深而增大（圖4(b)和圖5(b)），因此，介質(zhì)損耗因數(shù)的最小值以及低頻和高頻區(qū)的介質(zhì)損耗因數(shù)也隨老化時(shí)間的增加而增大。

2.3 不同溫度下XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性

圖6 熱老化120 h XLPE海纜主絕緣材料樣品在不同測(cè)試溫度下的頻域介電特性Fig.6 Frequency domain dielectric properties of XLPE cable main insulation material aged for 120 h at different testing temperatures

不同溫度下熱老化0、120、168 、336 h的XLPE海纜主絕緣材料頻域介電特性變化規(guī)律相似，本研究?jī)H以熱老化120 h的XLPE海纜主絕緣材料在不同溫度下的頻域介電特性為例進(jìn)行闡述，如圖6所示。溫度對(duì)XLPE海纜主絕緣材料的頻域介電特性影響很大。從圖中6(a)可知，XLPE海纜主絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高逐漸增大，尤其是低頻部分出現(xiàn)彌散現(xiàn)象[16]。不同溫度下XLPE海纜主絕緣的體積電導(dǎo)率在10-2～100Hz內(nèi)隨溫度升高而增大，如圖6(b)所示，主要原因是溫度升高，帶電粒子活性增強(qiáng)[16]。從圖6(c)可以看出，隨測(cè)試溫度升高，XLPE海纜主絕緣材料的介質(zhì)損耗因數(shù)在低頻區(qū)不斷變大，且曲線(xiàn)向高頻方向移動(dòng)。介質(zhì)損耗因數(shù)的最小值隨溫度升高逐漸減小，其最小值出現(xiàn)的頻率也逐漸向高頻方向移動(dòng)。主要原因是低溫時(shí)電導(dǎo)損耗較小，電介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗主要由松弛極化損耗決定，而松弛極化損耗正比于e-E/kT[15]（E為外加交變電場(chǎng)有效值，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度），在10-2～100Hz內(nèi)，隨測(cè)試溫度升高，XLPE海纜主絕緣材料的松弛極化損耗增大，進(jìn)而使介質(zhì)損耗因數(shù)增大[15-17]。隨溫度升高，電介質(zhì)材料松弛極化過(guò)程建立時(shí)間縮短，極化速度加快，溫度越高，對(duì)應(yīng)反常彌散區(qū)的頻率就越高[15]，因此介質(zhì)損耗因數(shù)曲線(xiàn)隨溫度升高逐漸向高頻方向移動(dòng)，也使得101～104Hz內(nèi)的介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度升高而降低。

2.4 不同熱老化時(shí)間和溫度對(duì)XLPE海纜絕緣材料頻域介電特征參量的影響規(guī)律

傳統(tǒng)Debye模型是將介電常數(shù)表示為角頻率為自變量的函數(shù)，如式（3）所示[15]。

式（3）中，ε*、εhf、εs、ω、τ分別表示復(fù)介電常數(shù)、高頻介電常數(shù)、靜態(tài)介電常數(shù)、角頻率和馳豫時(shí)間常數(shù)。在式（3）基礎(chǔ)上引入更適合解釋頻域介電特性的介質(zhì)極化率χ*和參數(shù)n等，將傳統(tǒng)Debye模型進(jìn)一步修正為介質(zhì)頻率響應(yīng)函數(shù)，即Cole-Cole模型[18-19]，如式（4）所示。

式（4）中：χs表示靜態(tài)極化率，χs=εs-εhf；n是馳豫時(shí)間分布參數(shù)（0≤n≤1）。其中，電介質(zhì)極化率χ*表示介質(zhì)內(nèi)部的極化過(guò)程，實(shí)部χ′表示介質(zhì)內(nèi)部偶極子極化率，虛部χ″表示介質(zhì)內(nèi)部偶極子損耗[20]。文獻(xiàn)[21]考慮了直流電導(dǎo)率和跳躍電導(dǎo)率影響（直流電導(dǎo)率僅影響電介質(zhì)材料極化率χ*的虛部χ″，跳躍電導(dǎo)率是因電介質(zhì)材料內(nèi)部混亂無(wú)序且與頻率相關(guān)的復(fù)電導(dǎo)率），進(jìn)一步對(duì)Cole-Cole模型（式（4））進(jìn)行修正，得到由極化率與直流電導(dǎo)率疊加形成的修正Cole-Cole模型[21]，如式（5）所示。

式（5）中：σdc為直流電導(dǎo)率；σho為跳躍電導(dǎo)率；γ為與σho相關(guān)的常數(shù)（0≤γ≤1）；ε0為真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）。當(dāng)γ=1時(shí)，直流電導(dǎo)與跳躍電導(dǎo)作用效果相似，被描述為僅有直流電導(dǎo)作用，也被稱(chēng)為冪律現(xiàn)象[22]。如果電介質(zhì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和存在較多極化過(guò)程時(shí)，可把式（5）進(jìn)一步分解為兩個(gè)或多個(gè)不同馳豫時(shí)間的馳豫分量疊加形成。在10-2～104Hz測(cè)試頻率內(nèi)，采用含有雙馳豫極化過(guò)程的修正Cole-Cole模型（式（6））能夠?qū)LPE海纜主絕緣材料的實(shí)測(cè)介電常數(shù)曲線(xiàn)進(jìn)行良好優(yōu)化，式（6）中χsα、χsβ分別表示α、β馳豫過(guò)程的極化率，nα、nβ分別表示α馳豫過(guò)程分布參數(shù)、β馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)式（6），本研究可提取出能有效表征電介質(zhì)材料內(nèi)部極化過(guò)程的P1～P10共10個(gè)頻域介電特征量（表1），分別是高頻介電常數(shù)εhf、α馳豫過(guò)程分布參數(shù)nα、直流電導(dǎo)率σdc、跳躍電導(dǎo)率參數(shù)γ、α馳豫過(guò)程極化值χsα、α馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)τα、跳躍電導(dǎo)率σho、β馳豫過(guò)程分布參數(shù)nβ、β馳豫過(guò)程極化值χsβ和β馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)τβ?？筛鶕?jù)上述介電特征量，從微觀層面定量分析熱老化狀態(tài)和溫度對(duì)XLPE海纜主絕緣材料頻域介電特性的影響。

表1 修正Cole-Cole模型特征參量Tab.1 Characteristic parameters of the modified Cole-Cole model

在實(shí)際擬合過(guò)程中，要充分考慮介電常數(shù)實(shí)部和虛部能否達(dá)到較好的擬合情況；同時(shí)，該雙馳豫模型參數(shù)達(dá)到10個(gè)，屬于多參量非線(xiàn)性數(shù)值擬合問(wèn)題，實(shí)際擬合過(guò)程中采用最小二乘法多次迭代的方法；模型參數(shù)具有各自不同的物理意義，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此修正Cole-Cole模型擬合屬于有約束條件的多目標(biāo)函數(shù)問(wèn)題，確定模型參數(shù)初值和目標(biāo)函數(shù)對(duì)擬合結(jié)果具有重要意義[23-24]。本研究參考文獻(xiàn)[25]的擬合方法，利用修正Cole-Cole模型（式（6））對(duì)不同熱老化時(shí)間和不同溫度下XLPE海纜主絕緣材料的介電常數(shù)分別進(jìn)行擬合[22]。

由于不同老化時(shí)間XLPE材料在溫度40℃和70℃下的頻域介電特性曲線(xiàn)變化規(guī)律一致，本研究對(duì)測(cè)試溫度70℃下不同老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的介電常數(shù)進(jìn)行修正Cole-Cole模型擬合分析，擬合所得修正Cole-Cole模型頻域介電特征量如表2所示。由表2可知，不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料修正Cole-Cole模型中的高頻介電常數(shù)εhf、直流電導(dǎo)率σdc和α馳豫過(guò)程極化值χsα均隨熱老化時(shí)間的增加而變大；α馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)τα隨熱老化時(shí)間的增加而減??；跳躍電導(dǎo)率σho和跳躍電導(dǎo)率參數(shù)γ在XLPE海纜主絕緣材料熱老化嚴(yán)重時(shí)，數(shù)值突然變大。表2表明，對(duì)XLPE海纜主絕緣材料熱老化狀態(tài)反應(yīng)靈敏的6個(gè)頻域介電特征量分別是εhf、σdc、χsα、τα、σho和γ。

表2 不同熱老化時(shí)間XLPE海纜絕緣材料在70℃時(shí)的修正Cole-Cole模型參量Tab.2 The modified Cole-Cole model parameters of XLPE cable insulation materials with different thermal ageing time at 70℃

利用修正Cole-Cole模型對(duì)老化120 h的樣品在不同溫度下進(jìn)行介電常數(shù)擬合分析，獲得溫度對(duì)修正Cole-Cole模型介電特征量的影響規(guī)律，結(jié)果如表3所示。由表3可知，不同測(cè)試溫度下修正Cole-Cole模型中高頻介電常數(shù)εhf隨測(cè)試溫度升高而逐漸變大，但變化幅度較小；直流電導(dǎo)率σdc與α馳豫過(guò)程極化值χsα隨溫度升高而逐漸變大；α馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)τα隨溫度升高而逐漸減??；跳躍電導(dǎo)率σho和跳躍電導(dǎo)率參數(shù)γ在溫度升高時(shí)會(huì)突然變大；其他參數(shù)在不同溫度下變化不明顯或者基本無(wú)規(guī)律。表3表明，對(duì)溫度反應(yīng)靈敏的6個(gè)頻域介電特征量分別是εhf、σdc、χsα、τα、σho和γ。

2.5 熱老化時(shí)間和溫度對(duì)XLPE海纜絕緣材料工頻擊穿特性的影響

圖7為不同熱老化時(shí)間對(duì)XLPE海纜主絕緣材料工頻電氣強(qiáng)度的影響。由圖7可知，隨熱老化時(shí)間的增加，XLPE海纜主絕緣材料工頻電氣強(qiáng)度逐漸降低。相比于原始樣品，熱老化48、120、168、336 h XLPE海纜主絕緣材料的電氣強(qiáng)度下降率分別為5.7%、38.7%、53.7%、59.1%，表明熱老化時(shí)間對(duì)XLPE海纜主絕緣材料的電氣強(qiáng)度影響很大。主要原因是隨著老化時(shí)間的增加，XLPE材料交聯(lián)度逐漸降低，XLPE材料內(nèi)部無(wú)定形區(qū)逐漸增多，導(dǎo)致XLPE材料內(nèi)部出現(xiàn)擊穿弱點(diǎn)，進(jìn)而引起XLPE材料的電氣強(qiáng)度逐漸降低[26]。此外，老化XLPE材料的介電特性變化是引起擊穿特性變化的主要因素之一。隨老化時(shí)間的增加，XLPE材料發(fā)生氧化裂解等，分子鏈斷裂并有極性副產(chǎn)物等生成[26]。在外加交變電場(chǎng)作用下，XLPE材料內(nèi)部的極性分子基團(tuán)等發(fā)生松弛極化，引起材料內(nèi)部α弛豫極化強(qiáng)度、直流電導(dǎo)率和跳躍電導(dǎo)率增大，松弛極化速度加快引起α弛豫時(shí)間縮短，最終引起XLPE材料內(nèi)部的電導(dǎo)損耗和松弛極化損耗明顯增大。同時(shí)，因XLPE材料老化不均勻，在外加電場(chǎng)作用下XLPE材料內(nèi)的界面極化損耗將增大[11]。因此，隨著老化時(shí)間的增加，XLPE材料的電氣強(qiáng)度逐漸下降。

表3 XLPE海纜絕緣材料在熱老化120 h時(shí)不同測(cè)試溫度下的修正Cole-Cole模型參量Tab.3 The modified Cole-Cole model parameters of XLPE cable insulation material aged for 120 h at different testing temperatures

圖7 不同熱老化時(shí)間XLPE海纜主絕緣材料的工頻電氣強(qiáng)度Fig.7 AC breakdown strength of XLPE cable main insulation material with different thermal ageing time

圖8是新XLPE海纜主絕緣材料的工頻電氣強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。

圖8 不同溫度下XLPE海纜主絕緣材料的工頻電氣強(qiáng)度Fig.8 AC breakdown strength of XLPE cable main insulation material at different testing temperatures

由圖8可知，隨著溫度升高，XLPE材料的工頻電氣強(qiáng)度先稍微增大，然后快速下降。以溫度25℃為參照，測(cè)試溫度為40、55、70℃時(shí)，XLPE材料的電氣強(qiáng)度提升率分別為2.6%、5.4%、3.4%；測(cè)試溫度為85℃時(shí)，XLPE材料的工頻電氣強(qiáng)度下降率為37.6%。從25℃升溫至到70℃，XLPE材料的電氣強(qiáng)度逐漸升高，但從70℃到85℃之間，XLPE材料的電氣強(qiáng)度快速下降，XLPE海纜主絕緣材料工頻電氣強(qiáng)度出現(xiàn)快速下降的閾值溫度約為70℃。引起上述現(xiàn)象的原因是從25℃逐漸升溫至70℃過(guò)程中，XLPE樣品在熱應(yīng)力作用下逐漸膨脹，材料內(nèi)部分子基團(tuán)等變得更加致密，進(jìn)而使得XLPE材料的擊穿強(qiáng)度呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)。而從70℃到85℃的升溫過(guò)程中，XLPE材料的電導(dǎo)率和介質(zhì)損耗增大占主導(dǎo)（材料的直流電導(dǎo)和跳躍電導(dǎo)顯著增大），導(dǎo)致XLPE材料的電氣強(qiáng)度顯著降低。

3 結(jié)論

（1）隨著熱老化時(shí)間的增加，XLPE海纜主絕緣樣品顏色逐漸加深，老化120 h后的XLPE材料表面顏色分布不均勻；同時(shí)，隨熱老化時(shí)間的增加，XLPE海纜主絕緣材料的羰基指數(shù)逐漸增加。

（2）隨熱老化時(shí)間的增加和溫度的升高，XLPE材料的相對(duì)介電常數(shù)和體積電導(dǎo)率逐漸增大；隨老化時(shí)間的增加，XLPE材料的介質(zhì)損耗因數(shù)在10-1Hz以下和102～104Hz內(nèi)增大。隨測(cè)試溫度升高，低頻區(qū)XLPE材料的介質(zhì)損耗因數(shù)不斷變大，且介損曲線(xiàn)向高頻方向移動(dòng)；介質(zhì)損耗因數(shù)最小值隨溫度升高而逐漸減小，其最小值出現(xiàn)的頻率也逐漸向高頻方向移動(dòng)。

（3）隨熱老化時(shí)間增加和溫度升高，XLPE海纜主絕緣材料頻域介電修正Cole-Cole模型中的高頻介電常數(shù)εhf、直流電導(dǎo)率σdc和α馳豫過(guò)程極化值χsα逐漸增大，α馳豫過(guò)程時(shí)間常數(shù)τα逐漸減小，老化時(shí)間較長(zhǎng)和溫度較高時(shí)，跳躍電導(dǎo)率σho和跳躍電導(dǎo)率參數(shù)γ突然增大。

（4）隨熱老化時(shí)間的增加，XLPE材料的工頻電氣強(qiáng)度顯著下降；隨溫度升高，XLPE材料的工頻電氣強(qiáng)度先稍微增大后快速下降，XLPE海纜主絕緣材料工頻電氣強(qiáng)度出現(xiàn)快速下降的閾值溫度約為70℃。