2023, Vol. 42
文章编号: 2096-3203(2023)02-0154-07 中图分类号: TM854
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2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东 广州 510080;
3. 西南大学工程技术学院, 重庆 400715
 李银格(1995), 女, 博士在读, 研究方向为高压直流电缆绝缘材料(E-mail: lyg511lyg@stu.xjtu.edu.cn); |
刘相辰(1997), 女, 硕士在读, 研究方向为高电压技术
柔性直流输电技术因其在远距离、大容量、低损耗方面的优势而应用广泛[1-4]。高压直流(high voltage direct current，HVDC)电缆作为柔性直流输电技术的关键设备，其电缆绝缘主要沿用了高压交流电缆的绝缘材料交联聚乙烯(crosslinked polyethylene，XLPE)[1, 5]。XLPE电缆生产制造简单、传输能力强、易于安装和维护、使用成本低、对环境影响小，在世界各地得到了广泛的应用[6-7]。
由于需要添加抗氧剂、交联剂和其他助剂等以提高高温下的机械性能、抗变形和化学腐蚀特性及长期运行稳定性等性能，XLPE电缆绝缘在生产和制造过程中不可避免地会产生交联副产物等杂质[5-12]，这些杂质是绝缘体内空间电荷形成、导致场强畸变、引起局部绝缘劣化的重要因素之一[13]。当外部施加电场时，杂质的存在可能会增加XLPE绝缘空间电荷的浅陷阱，破坏局部电场的均匀性，导致局部放电，加速材料老化[2, 13]。此外，绝缘层的电导率会随着杂质浓度的升高而升高，增加能源损耗。尽管工厂在3层共挤工艺后对缆芯进行了脱气处理，但脱气工艺不仅耗时耗能，而且无法完全排除绝缘层中的副产物[14-15]。Ren等人研究指出HVDC电缆绝缘径向位置上电场的不均匀分布情况，并认为可能是由交联副产物的存在、交联度和结晶度的不均匀分布造成的[14]。Ren等人还报告脱气25 d可改善电缆绝缘的空间电荷特性和导电性能[15]。Hussin等人研究发现副产物可增加试样中浅陷阱的数量，减少深陷阱中的电荷数量[16]。减少交联副产物的方法之一是减少过氧化二异丙苯(dicumyl peroxide，DCP)的添加，但由于传统XLPE使用低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)作为基料，其机械性能对DCP添加量高度依赖，在低交联度下，材料的高温力学性能无法满足要求。文献[17]已经证明，DCP质量分数为2.0%的交联线性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)在电阻率和机械性能方面、以及在30~90 ℃温度范围内的电导及直流击穿的温度稳定性方面，均优于同等DCP含量的LDPE。LLDPE在高温下力学性能和导电性的优异表现使得低交联XLPE可能满足HVDC电缆绝缘的要求。因此，应探索使用低交联度LLDPE作为HVDC电缆绝缘材料，实现提高XLPE绝缘材料的高温力学性能、降低电导率及增强电导率的温度稳定性。
文中提出使用DCP质量分数为0.7%的交联LLDPE作为HVDC电缆绝缘，并且使用交联LDPE作对比。通过热延伸、动态热机械测试(dynamic mechanical analysis, DMA)和拉伸试验对材料的力学性能进行分析，并且测试2种材料的直流电导率和直流击穿场强，讨论低交联度LLDPE作为直流电缆绝缘，在满足降低副产物含量的同时改善绝缘材料机械性能及直流电导率、直流击穿场强的温度稳定性。
1 试样制备及试验方法 1.1 试样制备采用压片硫化的片状及块状试样进行测试。选用已商用的密度均为0.923 g/cm3(25 ℃条件下)的LLDPE和LDPE基料，并分别使用DCP质量分数含量为0、0.7%、1.4%和2.0%的4种配方进行交联制样。文中所有显示的添加DCP试样均为交联反应后的试样。为表述简便，将其分别命名为LL-0、LL-0.7、LL-1.4、LL-2.0、L-0、L-0.7、L-1.4和L-2.0。
制样时，采取浸渍吸收的处理方式，试样添加相应含量的DCP交联剂后，用广口瓶盛放，并置于70 ℃的烘箱中，摇晃至DCP均匀涂覆吸收后静置24 h。将吸收DCP后的颗粒置于模具中，使用平板硫化机先在120 ℃温度下进行5 min预交联，然后在180 ℃、20 MPa下进行10 min交联压片，再通过水冷系统将试样冷却至室温。在开始试验之前，将所有试样置于70 ℃的通风烘箱中处理24 h。
1.2 试验方法首先使用凝胶含量分析和热延伸的方法分析材料的交联网络结构，再通过DMA和拉伸测试分析其机械性能，最后用直流电导率及直流击穿场强测量系统分析材料直流导电性能。
按照JB/T 10437—2004的要求，使用凝胶含量测试系统对材料的交联度进行测试。将试样制作成0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm的颗粒，在110 ℃的二甲苯溶液中浸泡24 h，然后在110 ℃真空烘箱中干燥24 h。凝胶含量百分比为最终试样剩余重量占原始总重的百分比。
热延伸试验是材料高温力学性能表征的重要方法之一。在200 ℃下，使用配备特殊量架的烘箱对所有交联后的试样进行热延伸试验，方法依照GB/T 2951.11—2008。制作厚度为1 mm、总长度为75 mm的标准哑铃形试样，并在其上标记长度为20 mm的工作区间l0。所有试样均装有砝码，压力为0.2 MPa，放置在200 ℃烘箱中静置15 min后，测量标记之间的新长度l1。然后剪掉载有砝码的夹具，使试样在烘箱中停留5 min，再取出并冷却。冷却至室温后再次测量标记之间的长度l2。记录载荷下的热延伸率λ=(l1-l0)/l0×100%，和冷却后的永久伸长率γ=(l2-l0)/l0×100%。
DMA用于分析在周期性振动力作用下，材料的力学和粘弹性随时间、温度或频率的变化。在DMA测试中，通过梅特勒-托莱多DMA/SDTA系统测量试样。试样厚度为4 mm，用双悬臂夹具固定。DMA试验在30~90 ℃进行，加热速率为3 ℃/min。
使用拉伸试验分析材料基本力学性能，依照GB/T 1040.3—2006中的要求，在拉伸试验中由应力-应变曲线可以得到材料的刚度、塑性及强度参数等。测试试样为标准哑铃型试样，其工作区域宽4 mm，长度大于20 mm，厚度约为1 mm，由CMT4503-5kN电子万能试验机进行试验，测试温度为25 ℃，拉伸速率为100 mm/min，变形传感器为位移型。
材料的直流电导率由Keithley 6517B静电计测量导电电流后计算得出。使用三电极系统，在30、50、70、90 ℃，20 kV/mm的直流电场下，测量记录第15 min的电流值，通过计算得出其电导率。测试试样的尺寸为100 mm×100 mm×0.25 mm。对于每个温度，测量3个试样，并将其平均值用作电导率。
材料的直流击穿性能可以反映其在直流电场下保持电气绝缘性质的能力。使用上下电极对称的柱-柱电极系统，电极直径为25 mm，倒角曲率半径为3 mm，将电极浸没在植物油中以防沿面闪络。使用高压直流发生器作为高压源，升压速率为1 kV/mm，测量温度为30、50、70、90 ℃。每种配方在每个温度点进行15次击穿测试，并使用双参数Weibull统计分析试验结果。
2 交联网络结构分析LLDPE及LDPE配方材料的交联度与DCP含量的关系见图 1。在DCP质量分数在0~2.0% 范围内，LLDPE和LDPE基试样在相同DCP含量下的交联度的差异较不明显，2种材料的交联度均随DCP含量的增加而增加，而交联度的增长速度也均随DCP含量的增加而减慢。
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图 1 LLDPE和LDPE交联度与DCP含量的关系 Fig. 1 Crosslinking degree of LLDPE and LDPE samples versus DCP content |
交联LLDPE及交联LDPE的热延伸率与DCP含量的关系见图 2。依据IEC 62067—2011，在DCP质量分数为0.7%~2.0%范围内，交联LLDPE材料的热延伸率保持在60%以下，满足IEC对高压电缆XLPE绝缘热延伸率的要求(λ≤175%)。交联LDPE材料的伸长率远高于相同DCP含量的交联LLDPE，且只有DCP质量分数为2.0%的试样(此时其λ=173.75%)符合标准。L-0.7所有参与测试的试样在测试时均出现断裂情况，并未得到其热延伸率数值，而LLDPE在仅添加质量分数为0.7%的DCP后其热延伸率就已达到标准。在DCP质量分数为0.7%~2.0%的范围内，2种材料的热延伸率都随DCP含量的增加而降低，这是由于交联键的增加使其网络结构更稳定且更耐高温。试样的永久伸长率如表 1所示，除L-0.7试样断裂无法测得外，L-1.4试样未达标，其余试样均符合IEC 62067—2011标准(γ≤15%)。
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图 2 LLDPE和LDPE热延伸率与DCP含量的关系 Fig. 2 DCP content dependence of elongation for LLDPE and LDPE materials |
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表 1 LLDPE和LDPE永久伸长率与DCP含量的关系 Table 1 DCP content dependence of permanent elongation for LLDPE and LDPE materials |
交联度与热延伸率均反映了材料的交联网络结构。交联度表示交联部分的质量所占总质量分数的占比，而热延伸率则反映了交联节点的密度，即交联网络的疏密程度[18]。
将不同配方试样的交联度与热延伸率进行对比，相同DCP含量的LLDPE和LDPE基试样交联度相近但热延伸率差别较大。首先，由图 1可知，材料从线性结构变为三维网状结构，早期形成速度快、交联效率更高，后期交联效率降低。例如，对于LLDPE，当DCP质量分数从0增至0.7%时，交联度从1.84%升至65.79%，但当DCP质量分数从0.7%增至2.0%时，交联度仅增加18.43%。此前得到使用凝胶渗透色谱方法测试的2种基料的分子量及其分布，其中LLDPE及LDPE的数均分子量分别为2.12×104 g/mol和1.53×104 g/mol。分子量直接影响着交联效率，文中选择的LLDPE分子量较LDPE更高，较高的分子量有助于前者交联网络的形成。其次，LDPE材料的分子链规整度低，侧链和支链多，交联反应可能发生在分子内部，产生“无效交联”的情况，导致LDPE的交联网络强度受到影响。最后，使用凝胶含量分析所得到的交联点为固定的永久交联点，即化学交联点，而热延伸率所反应的不仅有化学交联点，还包括分子链间“物理缠结”所形成的临时纠缠，在较小的形变测试中，物理缠结点与化学交联共同作用。相比于自身片段密度更高的LDPE材料，LLDPE的线性结构更易形成分子间的缠绕，产生更多的物理缠结，降低热延伸率。
目前常用的传统XLPE是DCP质量分数2.0%的LDPE(即文中的L-2.0)，根据热延伸的测试结果，结合尽量少添加DCP以减少副产物生成的目的，文中将LL-0.7与L-2.0进行对比分析研究，探究两者机械性能、直流电导率以及温度稳定性的差异。
3 机械性能分析首先对比分析试样的动态热机械性能。LLDPE交联体系及L-2.0材料的DMA测试结果如图 3所示，其中图 3(a)为材料杨氏模量随温度的变化规律，图 3(b)为材料损耗角正切值随温度的变化规律。由图 3(a)可知，在30~90 ℃的温度范围内，交联前后的LLDPE试样的杨氏模量在同一温度下均大于L-2.0，且LLDPE试样的杨氏模量在测量温度范围内随着交联剂添加量的上升而下降。此前已经得到不同交联度的LLDPE及LDPE熔融曲线，不同交联度的LLDPE均有比LDPE更高的结晶度及结晶度的温度稳定性，且结晶度随着DCP含量的增加而减小，因此LLDPE材料在宏观上表现出比LDPE更高的杨氏模量[19]。由图 3(b)损耗角正切随温度变化曲线可知，L-2.0的损耗角正切值峰值温度约为63.30 ℃，而交联前后的LLDPE试样损耗角正切值均大于90 ℃，在30~90 ℃的温度范围内，损耗角正切值随温度的上升而上升。
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图 3 交联体系动态热机械性能曲线 Fig. 3 Dynamic mechanical thermal analysis of crosslinking formula |
图 4为以LL-0、LL-2.0、L-0和L-2.0为示例所做的典型的拉伸应力-应变曲线。图中的第一个峰值为试样拉伸的屈服点，通常认为试样开始拉伸时的线性线段部分为弹性变形区，此区域材料为弹性形变，可以在应力撤销时完全恢复，弹性形变区至屈服点处为弹性+塑性形变区；屈服点前，分子取向逐渐向拉伸方向排列；屈服点后，试样出现细颈区且不断扩张，直至工作区完全变细硬化，然后应力继续开始增加，至试样断裂。
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图 4 LL-0、LL-2.0、L-0和L-2.0的拉伸应力-应变关系 Fig. 4 Tensile stress-strain curves of LL-0, LL-2.0, L-0 and L-2.0 |
由图 4可知，LLDPE及LDPE试样的交联将造成屈服点的降低和屈服硬化尾峰变缓，这是受交联网络的影响，分子间相对移动更加困难，交联网络限制链段重排，使应力下的分子链应变区间变小。
图 5为LLDPE和LDPE交联体系弹性模量随DCP变化关系。2种基料的弹性模量均随DCP添加量的增加而减小，且2种基料的弹性模量在交联后的差距较交联前缩小。同样的DCP添加量下，LLDPE的弹性模量高于LDPE材料。
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图 5 LLDPE和LDPE弹性模量与DCP含量的关系 Fig. 5 The relatioship between elastic modulus and DCP content for LLDPE and LDPE |
图 6为LLDPE和LDPE交联体系断裂伸长率随DCP含量的变化。2种基料的断裂伸长率均随DCP含量的增加而减小，同等DCP含量下，LLDPE的断裂伸长率高于LDPE材料。
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图 6 LLDPE和LDPE断裂伸长率与DCP含量的关系 Fig. 6 The relationship between elongation at break and DCP content for LLDPE and LDPE |
根据文献[20-21]报道，聚乙烯及XLPE由欧姆电导到强场电导过渡的阈值场强约出现在10~15 kV/mm区间，因此选择20 kV/mm场强进行电导率的测量，在此场强下，聚合物材料的电导率和温度满足Arrhenius方程[22]，如式(1)所示。
| $ \sigma(T)=\sigma_0 \exp \left(-\frac{\varPhi}{k_{\mathrm{B}} T}\right) $ | (1) |
式中: σ0为电导率参考值；Φ为活化能；kB为玻尔兹曼常数；T为温度。
对脱气后的LL-0.7和L-2.0的直流电导率在30~90 ℃的温度范围内、20 kV/mm下进行测试并作图，如图 7所示。由图 7可知，在30~90 ℃的范围内，LL-0.7的电导率均小于同等温度下的L-2.0。由式(1)可知，在30~90 ℃范围内，LL-0.7和L-2.0试样的lg σ与1/T应呈线性关系，由电导率的斜率结合式(1)可计算出2种材料的活化能，分别为0.24 eV和0.30 eV。这表明在30~90 ℃的温度范围内，LL-0.7的电导率比L-2.0的电导率有更好的温度稳定性。
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图 7 LL-0.7和L-2.0直流电导率与温度的关系(20 kV/mm) Fig. 7 The relationship between conductivity and temperature for DC breakdown strength of LL-0.7 and L-2.0 (20 kV/mm) |
使用两参数Weibull统计对LL-0.7及L-2.0在30、50、70和90 ℃条件下的直流击穿测试结果进行分析，其直流击穿场强随温度变化的尺度参数见图 8。在30 ℃时L-2.0的直流击穿场强高于LL-0.7，前者达到452.46 kV/mm，但当温度上升至50 ℃时，L-2.0的直流击穿场强迅速下降至256.80 kV/mm，并在温度上升时持续下降，到90 ℃时的击穿场强仅为218.60 kV/mm。LL-0.7试样在30 ℃时直流击穿场强为358.60 kV/mm，随着温度的上升，其击穿场强变化不明显，90 ℃时击穿场强为300.80 kV/mm。定义δBD为30~90 ℃的测试温度范围内材料直流击穿场强的变化率，如式(2)所示。
| $ \delta_{\mathrm{BD}}=\frac{E_{\mathrm{BD} 30}-E_{\mathrm{BD} 90}}{E_{\mathrm{BD} 30}} \times 100 \% $ | (2) |
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图 8 LL-0.7和L-2.0直流击穿场强与温度的关系 Fig. 8 The relationship between DC breakdown strength and temperature of LL-0.7 and L-2.0 |
式中：δBD为材料在30~90 ℃的直流击穿场强变化率；EBD30为材料在30 ℃时的直流击穿场强；EBD90为材料在90 ℃时的直流击穿场强。
由式(2)可知，δBD数值增加，则直流击穿场强在所测温度范围内的变化率提高，意味着其温度稳定性降低。由所得测试结果可知，LL-0.7和L-2.0的δBD值分别为16.12%和51.69%，即LL-0.7的直流击穿场强温度稳定性优于L-2.0。
高压直流电缆绝缘系统的实际情况更为复杂。副产物的脱气既不能彻底，其残余副产物的分布也不均匀。但由以上试验分析可知，使用LL-0.7代替L-2.0可以改善绝缘系统的直流导电性和直流击穿场强的温度稳定性。热延伸试验、DMA试验及拉伸试验均表明，LL-0.7比L-2.0具有更好的力学性能。
5 结论将不同DCP含量的LLDPE和LDPE进行比较研究，提出使用低交联度LLDPE(添加质量分数为0.7%的DCP，交联度为65.8%)代替传统XLPE(LDPE中添加质量分数为2.0%的DCP，交联度为89.3%)作为直流电缆绝缘的可行性。该方式不仅可降低交联剂含量以减少交联副产物的产生，且同时满足直流电缆绝缘对高温力学性能和低副产物含量、良好的直流电导率、直流击穿场强及温度稳定性的要求。
(1) 对比机械性能，L-2.0仅满足热延伸标准的最大值，其热延伸率为173.75%，而LL-0.7的热延伸率仅为62.92%；在30~90 ℃范围内，当温度相同时，LL-0.7的杨氏模量高于L-2.0；LL-0.7的弹性模量及断裂伸长率高于L-2.0；
(2) 对比直流电导率和直流击穿性能，LL-0.7的电导率和电导率温度稳定性优于L-2.0，高温(50~90 ℃)情况下的直流击穿场强及其温度稳定性高于L-2.0。通过降低XLPE中的DCP含量，可以减少电缆绝缘中的副产物含量，有利于改善实际电缆中因副产物不能完全脱气而在运行时积聚空间电荷及增加损耗的问题。
低交联度LLDPE是一种兼顾高压直流电缆绝缘的高温机械和低电导率性能的方法，其为未来典型绝缘系统中绝缘材料性能的改善提供一种途径。
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