学术简报｜新型UV XLPE电缆绝缘材料的交联及电学特性

摘要

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院、哈尔滨理工大学电介质及其应用重点实验室、中国科学技术大学高分子科学与工程系的研究人员付雨微、王暄等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文，为了探究紫外光交联聚乙烯（UV XLPE）电缆绝缘材料的交联及电学特性，实验测试了大分子光引发体系和小分子光引发体系的热迁移损失速率及交联效率，并对经由两种光引发体系引发的交联试样的电学特性进行了测试，进一步分析建立了电缆线芯的UV XLPE交联度径向分布模型并对其进行了数学解析。

结果表明：相比小分子光引发剂及交联剂，大分子光引发剂及交联剂的热迁移损失速率有明显改善，交联效率也有一定程度的提高；UV XLPE薄膜试样的电学特性较小分子引发体系引发的薄膜试样有所改善，交联度在75%左右时击穿性能最佳，高于其值时击穿性能呈现下降趋势；非线性拟合法所得交联度径向分布模型的平均值与实测值的误差仅为0.5%，这对UV XLPE的实验研究具有较好的适用性。

近年来，随着海洋开发战略的开展，高电压等级、大长度的交联聚乙烯海底电缆的生产已成为绝缘领域的一个研究热点。然而，生产高电压等级电缆常用的过氧化物交联技术存在诸多不足之处，如生产能耗高、热传递效率低、反应所需时间长等。

此外，其生产过程中模具的死角处易发生焦烧现象，在电缆的绝缘层形成缺陷，从而给高压电缆的电学特性带来不同程度的影响。研究发现，紫外光交联技术是一种非热敏型的交联技术，并以其生产速度快、可连续生产时间长、基建投资小、原材料成本低及电缆生产能耗低等一系列独特的优点在众多交联技术中脱颖而出，有望实现高电压等级、大长度交联电缆的生产。

聚乙烯的交联方法是由美国学者G. Oster于1956年首次提出，但因交联厚度的限制，在随后的几十年间光交联聚乙烯的发展几乎停滞不前。Chen Yonglie等于1989年报道了聚乙烯的强化交联光引发体系，并发现添加光引发剂4-氯代二苯甲酮及交联剂三聚氰酸三烯丙酯的熔融态聚乙烯在较短时间内其交联度可达90%。瞿保钧等于20世纪90年代报道了聚乙烯的相关光交联机理，为高效光引发体系及最佳反应条件的选择奠定了基础。

目前，引发低电压等级UV XLPE电缆绝缘层交联所用的光引发体系均为小分子物质，因其相对分子质量小，而存在长时间受热易挥发的问题，这不但会降低UV XLPE的交联反应速度和交联程度，且挥发的小分子易在紫外光灯罩上附着，从而降低紫外光的传输效率。高电压等级UV XLPE电缆绝缘层厚度的增加要求延长紫外光的辐照时间，以达到国标规定的交联度，因此传统小分子光引发体系将不再适用于高电压等级UV XLPE电缆的生产。

本文对由大分子光引发体系引发的UV XLPE绝缘材料的特性进行了相关的实验研究，主要集中在大分子光引发体系对UV XLPE的交联程度及电学特性的影响两个方面。

首先对大分子及小分子光引发剂及交联剂的特性进行了实验表征，并采用溶剂萃取法来表征UV XLPE平均交联程度。然后采用宽频介电谱、电导电流和击穿等试验表征由不同光引发体系引发的UV XLPE薄膜试样的电学特性，研究了大分子光引发体系对UV XLPE电缆绝缘材料交联及电学特性的影响。

此外，由于光在介质中传播有衰减趋势等，使得UV XLPE电缆绝缘层的交联度随着紫外光辐照强度的衰减而逐渐降低。为了保证改进后的紫外光辐照技术所生产的UV XLPE电缆绝缘层的交联度在符合电线电缆生产标准的前提下又不浪费电力资源，本文还对UV XLPE电缆绝缘层的交联度进行了分层实验研究，并根据光在介质中的传播规律[17]建立了UV XLPE电缆交联度的径向分布模型，采用二分法及曲线拟合法分别对交联度的径向分布模型进行了分析。

图9  UV XLPE电缆结构

结论

本文通过对UV XLPE绝缘材料交联及电学特性的研究得到如下结论：

1）热迁移损失速率及交联度测试结果表明，大分子光引发剂及交联剂在紫外光辐照过程中的挥发量远小于小分子光引发剂及交联剂，有效解决了高电压等级UV XLPE交联过程中小分子光引发体系受热易挥发的问题；且大分子光引发剂及交联剂较小分子的交联效率在一定程度上有所提高。

2）介电谱及电导测试结果表明，本文中UV XLPE薄膜试样的介电常数略大于由小分子光引发体系引发的UV XLPE的介电常数，且二者的介质损耗因数具有相同的数量级；本文中UV XLPE薄膜试样的电老化阈值较由小分子光引发体系引发的UV XLPE薄膜试样提高了近1倍左右。

3）击穿测试结果表明，本文中UV XLPE薄膜试样的交联度对击穿电场强度具有一定程度的影响，当交联度在75%左右时，击穿电场强度可达106.1 kV/mm，高于其值，击穿电场强度呈下降趋势。

4）建立了电缆线芯的UV XLPE交联度径向分布模型并对其进行了数学解析，研究发现本文中UV XLPE电缆模型的交联程度沿半径方向由外至内呈指数形式衰减。

本文相关的电学测试均在常温常压下进行，对于电缆工作温度范围内本文中UV XLPE的电学特性还有待进一步研究。

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