交联工艺对XLPE电气性能影响研究

0引言

近年来,我国国民经济快速发展,电力行业作为重要的国民经济支柱,也随之发展迅速,前景十分可观。目前长距离交流输电电压等级已经达到1000kv,长距离直流输电电压等级也达到了± 1100 kv,作为电力安全可靠传输的重要保障部分,交联聚乙烯(XLPE)电缆被大规模投入使用,电力系统对于XLPE电缆绝缘性能的要求也逐渐提高^[1]。

研究XLPE电缆绝缘材料的绝缘性能,对高电压行业的进步具有重要的意义。本文通过改变交联工艺的反应条件(交联温度和时间)来探究其生成的XLPE交联度与其绝缘性能的关系,进而研究XLPE电缆交联工艺的最佳条件。当交联度不适合时,XLPE绝缘性能难以满足电缆长期工作要求。

绝缘偏心度是XLPE电缆的重要参数之一,绝缘偏心度的大小会影响XLPE电缆的绝缘性能。交联工艺中不同的温度选择与交联反应不同的时间会影响XLPE电缆的绝缘偏心度,因此,优化交联工艺的交联条件,可有效提高其绝缘性能,延长XLPE电缆工作寿命,保障输配电系统安全稳定运行。

XLPE绝缘材料的体积电阻率和交流击穿场强可以从不同方面反映其绝缘性能,XLPE电缆绝缘性能随着体积电阻率与交流击穿场强的增大而增大,故测量不同交联条件下的XLPE样片的体积电阻率和交流击穿场强对于分析其绝缘性能具有重要的意义。

从微观结构方面看,XLPE交联度越大,晶体尺寸越小,晶体尺寸适中时,XLPE绝缘材料的绝缘性能最好。所以,可以通过测量XLPE样片在不同交联条件下晶体尺寸大小,表征其绝缘性能的好坏。

1实验

1.1不同交联度XLPE样片制备

样片制备所用的交联方式为过氧化物交联,所需要的原料及使用的设备包括平板硫化机、耐高温手套、方形钢板、耐高温塑料薄片、高纯铜板、交联聚乙烯绝缘料(包含LDPE、氧化剂DCP和抗氧化剂)^[2]。交联模压设定为15 MPa,模压不同的交联时间(10、15、20 min)使试样发生不同程度的交联,然后在室温下加压15 MPa,冷却时间10 min。制备得到XLPE样片实物图如图1所示。

1.2 交联度及晶体尺寸测试

实验仪器为X射线衍射仪,由四部分构成:X射线发生器、测角仪、X射线探测仪和X射线系统控制装置^[3]。X射线衍射源波长为0.15418 nm;常用管压为40 kv,管流设定为40 mA;扫描速率为10(°)/min,扫描范围为10°~30°。

实验设计参考标准GB/T 23413—2009,实验样片按照1.1节所示步骤压制,厚度为0.1mm,直径为10cm。实验前,需对样片真空干燥1 h以确保其适合进行X射线衍射分析,并保持温度为室温,设定10-5Pa的真空度。实验需保持样片表面光滑平整,避免造成衍射强度不均匀,并设置X射线衍射仪的扫描范围和步进角度,确保在2θ(θ为衍射角)范围内进行扫描。进行实验仪器的校准,确保X射线衍射仪工作状态正常。启动X射线源并等待其稳定后,开始X射线衍射扫描,记录样片在不同角度下的衍射图谱。

晶体尺寸计算所需谢乐公式为:

式中:D为垂直于观测晶面的晶粒尺寸;K为一个常数,通常取值为0.89;λ为X射线波长;B为衍射峰的半峰宽(FWHM);θ为衍射角。

1.3 交流击穿实验

实验设备采用150 kv工频耐压实验平台和高压电压表;XLPE样片直径为10cm,厚度为0.1 mm;击穿测试电极为半球形,高压电极为上电极,接地电极为下电极,直径均为20 mm,光滑无毛刺,电极系统放置于无杂质变压器油中。按照顺序对不同交联条件的XLPE样片进行交流电压击穿实验,以分析交联工艺对XLPE试样交联度和63.2%概率击穿场强的影响。因绝缘击穿实验对XLPE样片的损害较大,每个样片仅随机取3个点进行实验。考虑到数据处理时威布尔分布所需数量问题,同一交联条件的样片需要压制3片^[4]。

实验线路的连接如图2所示,高压电极连接在实验装置的高压端,接地电极在接地端。在XLPE样片上随机取一点,固定在实验装置中。固定后静置5 min,

除去绝缘油中残留的气泡。以1 kv/s的升压速度升压,直至样片至击穿。样片击穿后缓慢降压,直至降为0。等待1~2 min后进行放电。在每个样片上随机取3个点,重复上述实验3次,直至得到所有样片的击穿电压。

1.4体积电阻率实验

实验设备采用大连理工大学绝缘电气实验平台和智能老化箱;XLPE样片直径10cm,厚度0.1 mm;测试时间为30 min;测试直流电压为10 kv。XLPE绝缘材料的体积电阻率受环境温度影响较大,故测试的环境温度选取室温和90℃ (XLPE电缆工作环境温度为90℃),形成对照实验。测试前,需对试样进行60℃真空干燥处理2 h,避免湿度对体积电阻率测试的影响。

实验设计参考标准GB/T1410—2006,在室温下,按照图3进行实验电路接线,高压接口接到实验装置的高压端,低压端接地。以1 kv/s的速度逐渐升压至10 kv,等待5 min后电压稳定,开始输出测量值,计量间隔为100 ms,一次可测量10组数据,间隔约0.5 min 测量一组,一共测10组。实验完毕后,逐渐降压至0,等待2 min后放电。重复上述步骤。

将得到的绝缘电阻取算术平均值,体积电阻率的计算公式如下:

式中:P为体积电阻率;R为测量电阻值;S为样片接触面积;h为样片厚度。

1.5 多物理场仿真

仿真实验模拟在交联管道中,随着交联温度、时间的变化,绝缘料的流动偏心度变化。根据标准 GB/T12706—2020,参照三层共挤生产线过程实验装置各部分尺寸,利用COMSOL仿真软件提供的绘图工具建立几何仿真模型^[5]。

为了模拟XLPE电缆在交联管道中受重力、温度的影响及绝缘料的熔融流动状态,添加层流、水平集、流体传热三个物理场,多个物理场进行耦合计算得到仿真计算模型。

从仿真结果读取数据,偏心度的计算公式如下:

P_偏=(t_max—t_min)/t_max (3)

式中:P_偏为绝缘偏心度;t_max、t_min分别为绝缘厚度最大值、最小值。

2 实验结果

2.1 交联度及晶体尺寸测试结果

不同交联条件样品的XRD衍射图与通过函数进 行拟合的示意图分别如图4所示。从图4中可以看出110晶面衍射峰与200晶面衍射峰位置,进而根据1.2节谢乐公式计算出垂直于110或200晶面方向的晶粒尺寸。

图5展示了不同条件下XLPE样片的XRD衍射强度曲线随反应条件的改变,110晶面衍射峰角度和200晶面衍射峰角度无明显变化,但衍射峰半峰宽变化明显。

从表1中可以看出随着交联条件的改变,衍射峰半峰宽呈现上升的趋势。其中反应条件180℃/20 min的110晶面衍射峰半峰宽为0.482°,是150℃/10 min 的1.088倍,200晶面衍射峰半峰宽为0.816°,是150℃/ 10 min的1.113倍。200晶面衍射峰半峰宽数值普遍大于110晶面衍射峰半峰宽。

根据谢乐公式计算出不同交联条件下压制的样 片晶体尺寸,图6为不同交联条件样片的晶体尺寸曲线,从图中可以看出随交联温度和交联时间的增加,110晶面晶体尺寸和200晶面晶体尺寸逐渐减小,表明样片的交联度逐渐增大。另外,110晶面晶体尺寸下降趋势较为平缓,200晶面晶体尺寸下降趋势较为陡峭,且110晶面晶体尺寸数值大于200晶面晶体尺寸。150℃/20 min与180℃/10 min晶体尺寸适中,为正常交联,晶体尺寸较大为欠交联,较小为过交联,均会导致电气性能下降。

2.2 交流击穿实验结果

威布尔分布函数是一种连续概率分布函数,形状参数决定分布密度曲线的基本形状,体现样片击穿场强的分散程度;尺度参数起放大或缩小曲线的作用,表示63.2%击穿概率下的击穿场强。

绝缘材料击穿的威布尔分布模型如下:

式中:P为试样累计失效率;E为实际测试击穿场强;E₀为材料特征击穿场强,表示样片击穿率达63.2%时的电场强度;β为形状参数,表征击穿数据分散程度。

从图7中得出正常交联条件150℃/20min的63.2%击穿场强为154.10kv/mm,击穿场强达到欠交联条件XLPE样片的1.47倍,为过交联条件XLPE样片的1.09倍,欠交联150℃/10min的击穿场强仅为104.74 kv/mm。

从表2中可以看出交联条件为150℃/20min、180℃/10 min时形状参数大于50,说明其数据的分散程度小,拟合曲线程度高,也就是说交联度适中的 XLPE样片拟合曲线分散程度更低,绝缘分布更加均匀;交联条件150℃/10 min的形状参数为28.69,其曲线的拟合程度较差;交联条件180℃/15 min的形状参数达到53.70,其曲线拟合程度较好^[6]。

表2不同交联条件样片的威布尔分布参数

2.3体积电阻率实验结果

图8为不同环境温度下XLPE样片直流体积电阻率测试结果,不同环境温度下曲线的走向均为先升高后降低,表明随着交联条件的改变,体积电阻率先升高后降低。测试温度的不同对样片体积电阻率随交联度的变化趋势影响不大。

从图8可知,室温下,反应条件为150℃/20 min和180℃/10 min的样片体积电阻率最大,交联度适中,即样片的绝缘性能较好;交联条件为150℃/10 min 和150℃/15 min的样片因交联时间不够,交联温度较低,交联度不够,导致直流体积电阻率明显减小,绝缘性能降低;交联条件为180℃/15min和180℃/20min的样片因交联时间过长,交联温度较高,交联度过大,直流体积电阻率也减小,绝缘性能降低。

2.4 多物理场仿真结果

图9中交联开始时交联挤出的聚乙烯绝缘料温度为400 K,外层交联管道内流体温度达到600 K,均为设定的加热温度。XLPE绝缘料厚度较大,导致其外层温度高,随着厚度增加到内层逐渐递减。随着时间的增加交联壁附近的温度明显升高,达到500 K以上,说明随着交联过程的进行,交联管道内层的温度逐渐上升,施加的温度越来越均匀,与真实的交联过程相同^[7]。

从图10可以看出,绝缘偏心度随着交联条件的变化,呈先减小后增大的趋势,绝缘性能随着绝缘偏心度的变化,呈先增大后减小的趋势[8]。交联条件为150℃/20 min的XLPE电缆绝缘偏心度值为7.1%,符合南方电网8%以内的要求,绝缘性能良好。交联条件为180℃/10 min的XLPE电缆绝缘偏心度值为8.3%,略微大于8%,绝缘性能基本满足要求。而交联条件为150℃/10 min和180℃/20 min的XLPE电缆绝缘偏心度超过了15%,甚至交联条件为150℃/10 min的 XLPE电缆绝缘偏心度达到29.7%,超过25%,这两种交联条件下所生成的XLPE电缆绝缘偏心度过大,导致绝缘最大和最小厚度差距过大,严重影响了其绝缘性能。

3结论

本文选取XLPE绝缘材料作为研究对象,分析了交联工艺对XLPE绝缘性能的影响,得出了如下结论:

1)交联条件为150℃/20min、180℃/10min的 XLPE电缆绝缘偏心度值满足要求,而其他XLPE电缆绝缘偏心度超过10%,不符合要求。

2)交联条件为150℃/20min、180℃/10min的 XLPE样片体积电阻率较大,击穿场强相对较高,原因是欠交联和过交联都会导致电气性能下降。

3)反应条件为150℃/20min、180℃/10min的 XLPE样片晶体尺寸适中,交联度适合,绝缘性能更好。

本文对不同交联条件下XLPE样片的电气性能进行了分析,得出反应条件为150℃/20 min、180℃/10 min的XLPE样片交联度适中,绝缘性能更高,可为交联工艺的参数选取提供一定的参考。

[参考文献]

[1] 肖红杰,莫相全,梁国伟,等.不同交联工艺对硅烷交联聚乙烯的影响 [J].合成材料老化与应用,2021,50 (4): 17-19.

[2]李加才,尚恺,司志成,等.高压电缆绝缘低密度聚乙烯交联过程中级数和 自催化反应的逆向调控[J].电工技术学报,2024,39(1):13-22.

[3]侯帅,傅明利,黎小林,等.添加剂及其含量对交联聚乙烯高压电缆绝缘材料性能影响[J].高分子材料科学与工程,2023,39(2):58-65.

[4]濮峻嵩,刘曦,冯杰,等.交联聚乙烯交联度对材料击穿强度的影响[J].电测与仪表,2020,57(13):12-16.

[5]侯世英,梁家鸣,杨帆,等.交联程度对XLPE性能影响的分子模拟[J].高电压技术,2023,49(7):3062-3071.

[6]任冬雪,孙小杰,李亚飞.分子结构对交联聚乙烯熔体流动性的影响[J].合成树脂及塑料,2022,39(6):55-59.

[7]  JIA Y,MAO Z P,HUANG W X,et  al.Effect of temperature and  crystallinity  on  the  thermal  conductivity  of semi-crystalline     polymers :A     case      study     of polyethylene[J].Materials  chemistry  and  Physics, 2022,287 : 126325.

[8] AL-TABBAKH  A  A,KARATEPE  N,AL-ZUBAIDI  A  B,et   al. crystallite  size  and  lattice  strain  of  lithiated spinel   material    for    rechargeable    battery    by X-ray   diffraction  peak  broadening   analysis [J]. International  Journal  of  Energy  Research,2019,43
(5) : 1903-1911.

2024年第21期第1篇