关键词：
交联聚乙烯
电力电缆
热氧老化
微观结构
宏观性能
摘要：
随着城市输配电网络入地工程的推进以及现代化工业的快速发展,电缆用量及负荷需求日益增加,这对电力电缆的绝缘性能及可靠性提出了更高的要求。交联聚乙烯（Cross-linked polyethylene,XLPE）电力电缆凭借着优良的电气和理化性能及结构轻便、安装敷设方便、不受高度落差的限制等多方面的优势,成为了现代电力传输电缆的首选。当前,部分城市在役电缆存在着不同程度的老化问题,这可能会导致输电用电过程中的突发性故障。因此,根据实际运行工况探究XLPE电缆绝缘的老化特性对于输电电缆突发故障的预防具有重要意义。本文以110k V XLPE电力电缆绝缘为研究对象,对其进行不同条件下的加速热氧老化试验,并通过傅里叶红外光谱分析、扫描电子显微镜观测、宽频介电谱及工频击穿试验等手段表征老化试样的微观结构和宏观性能,研究了XLPE高温热氧老化机理以及氧气浓度、离子催化等因素对其的影响。首先,将XLPE电缆绝缘片状试样在空气气氛下进行加速热氧老化试验,老化温度为160。在老化初期,可以观察到XLPE试样的羰基指数小幅增加,球晶的数量小幅减少,结晶度小幅下降,但球晶的结构依旧完整,未见实质性破坏。在老化96小时以后,XLPE试样的羰基指数开始迅速上升,结晶度快速下降,同时球晶上出现明显的缺损,球晶结构的完整性遭到破坏。此时,试样的工频击穿场强（Eb）出现明显下降,在老化240小时后,Eb约为58.26 k V/mm,相比未老化试样（75.61 k V/mm）下降了约22.95%。接着,为了研究氧化反应速率对热氧老化的影响,本文在0.06 MPa、0.04 MPa、0.02 MPa三个不同的气压下开展160℃热氧老化试验。结果表明,在不同气压下,XLPE试样的微观结构和宏观性能同样也呈现出先基本不变,后快速下降的变化趋势,结构和性能参数表现出了明显的拐点。当气压为0.02 MPa时,此时空气中氧气含量较少,结构和性能参数的拐点出现在老化240小时;而在较高的气压0.06 MPa下时,拐点提前至老化144小时,即老化气氛中的氧气浓度越大,则拐点出现的越早。因此,拐点出现的时间与氧化反应的速度密切相关。为了印证这一推断,本文针对不同老化试样进行了氧化诱导期（OIT）测试,测试结果表明出现拐点的时间对应着试样中抗氧化剂被完全消耗所需的时间。老化前期,氧化反应被抗氧化剂所抑制,XLPE的微观结构和宏观性能基本不变;抗氧化剂消耗完毕之后,氧化反应快速进行,结构和性能迅速劣化。最后,截取长度8cm左右的一截电缆在空气气氛下进行160加速热氧老化试验,结果表明电缆绝缘沿径向呈现出非均匀劣化的现象。具体表现为,外层绝缘老化速度最快,中层绝缘老化速度最慢。在一截电缆老化过程中,氧气的侵入是自外向内的,氧气侵入外层绝缘相比内层和中层绝缘更为容易,所以氧化反应速率更高,外层绝缘的老化速度最快。而内层绝缘更加靠近铜线芯,电缆缆芯中的铜会扩散至内层绝缘里,并在氧化反应的过程中充当了催化剂的作用,提高了氧化反应的速率,因此内层绝缘的老化速率也要高于中层绝缘。
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