引言

　XLPE因具有原材料來源豐富、價格低廉、電氣性能優異、介質損耗和介電常數較小等優點，作為電纜絕緣在中高壓輸配電網絡中得到了廣泛應用。在電纜運行過程中，XLPE絕緣壽命會受到熱老化的影響。高壓電纜正常工作溫度可達到90℃，若線路發生故障，工作溫度最高甚至能夠達到250℃。熱老化過程會改變XLPE絕緣的微觀結構與理化性能，進而對其力學性能與電氣性能造成影響。

　因此，XLPE絕緣的熱老化特性是其絕緣性能的重要指標。國內外研究人員對XLPE電纜絕緣的熱老化特性進行了很多研究。文獻研究發現熱老化會縮短XLPE絕緣壽命，降低XLPE絕緣的電氣性能與力學性能。

　本文選取90℃和135℃兩個老化溫度對XLPE絕緣進行熱老化試驗，研究不同溫度、不同時間的熱老化對國產220kVXLPE電纜絕緣理化性能、力學性能和電氣性能的影響規律，并與進口的相同電壓等級絕緣料的性能進行對比分析，評估國產和進口XLPE絕緣的熱老化壽命。

　一、試驗

　（一）試樣制備及老化試驗

　高壓電纜用交聯聚乙烯絕緣材料分別由國內某公司提供的110kV絕緣料和北歐化工生產的LE401SXLPE絕緣料。采用平板硫化機在180℃、15MPa的條件下熱壓15min獲得尺寸為100mm×100mm×1mm的試樣，然后進行熱老化試驗。

　設置熱老化溫度分別為90℃和135℃，熱老化取樣間隔為168h（7天），即最大熱老化時長為1680h（70天）。此外，設置未進行熱老化處理的交聯聚乙烯試樣作為對照組。

　加速熱老化試驗箱采用YC-450A型電熱恒溫箱，額定功率為1600W，熱老化箱容積為71L，可實現50～250℃溫度范圍內的數字式溫控調節，采用IEC 60216-1:2013規定的II類強制通風條件（換氣160次/h）。

　（二）測試方法

　采用Nicolet公司iS10型號傅里葉紅外光譜儀測試老化前后XLPE絕緣試樣的紅外光譜（FTIR），波數范圍為600～4000cm-1，分辨率為0.4cm-1。

　采用熱老化烘箱對交聯聚乙烯材料進行90℃和135℃的加速熱老化試驗，每7天取樣1次進行FTIR分析，每種熱老化溫度下共取樣10次。采用MettlerTole‐do?公司DSC1/1100SF型DSC分析儀測試老化試樣的結晶、熔融特性，溫度范圍為20～600℃，升溫速率為10K/min。

　體積電導率采用三電極法測試，測試直流場強為10kV/mm，測試環境溫度分別為30、60、90℃，測試時間為600s，采樣率為1次/s。選取測試結果最后30個數據點的算術平均值作為試樣的平均電導電流，然后進行體積電導率計算。測試試樣在90℃和135℃下熱老化不同時間后的交流電氣強度，試驗在90℃的絕緣油中進行。

　二、結果與討論

　（一）熱老化對XLPE理化性能的影響

　經加速熱老化后的XLPE絕緣試樣外觀形貌特征如表1所示。從表1可以看出，在135℃下，國產和進口XLPE絕緣試樣色澤均發生明顯變化，由白色透明狀逐漸轉變為黃色非透明狀；而老化至70天時，XLPE絕緣試樣色澤均變為暗紅色，進口XLPE絕緣試樣顏色深于國產絕緣試樣。

　相較90℃下，XLPE絕緣試樣色澤改變并不顯著。因此色澤由白色改變為黃色乃至暗紅色和試樣透明度下降是XLPE絕緣熱老化的典型外觀形貌特征。XLPE絕緣在熱老化過程中，分子鏈段會發生“自由基鏈式反應”，其反應過程如圖1所示。

　XLPE絕緣分子主鏈在加熱、富氧條件下，可經氧化反應形成自由基，并同時生成過氧化產物；進一步地，過氧化產物對XLPE絕緣分子主鏈引發質子轉移反應，進而導致分子主鏈產生更多的自由基。

　最終在上述鏈式反應的作用下，XLPE絕緣發生分子鏈斷裂和交聯點被破壞，導致絕緣內部形成大量缺陷，絕緣性能大幅下降。因此，不同熱老化時間下XLPE絕緣中的羰基含量是反映絕緣熱老化程度的重要理化性能指標。對90℃和135℃下熱老化不同時間的國產XLPE絕緣試樣進行FTIR測試，結果如圖2所示。

　從圖2可以看出，國產XLPE絕緣試樣均在波數為2750～3000cm-1處出現明顯的特征峰，對應碳氫鍵的伸縮振動等。

　圖2中右側為FTIR在波數為1700～1800cm-1的局部放大圖，觀察可見，與未老化XLPE絕緣試樣相比，老化XLPE絕緣試樣在波數為1720cm-1處出現特征峰，對應羰基-C=O的伸縮振動，表明XLPE在熱老化過程中產生了羰基。老化溫度為90℃時，羰基特征峰僅呈現小幅增大趨勢；而老化溫度為135℃時，隨老化天數的增加，羰基特征峰顯著增強，表明隨著熱老化程度加深，XLPE絕緣內部羰基含量增多。

　通過計算國產與進口XLPE絕緣在90℃和135℃下老化不同時間后的羰基指數研究XLPE絕緣熱老化的特點。兩種XLPE絕緣試樣的羰基指數隨時間和溫度的變化關系如圖3所示。

　從圖3可以看出，國產XLPE絕緣試樣的羰基指數隨著熱老化時間的延長而增加。未老化時，國產XLPE試樣中的羰基指數非常低，僅為0.82。135℃下老化14天后，羰基指數增加至1.24，相比未老化時增加了51.2%。135℃下老化70天后，羰基指數急劇增加至2.77，相比未老化時增加了237.8%。

　90℃下老化14天后，羰基指數沒有明顯變化。90℃下老化70天后，羰基指數增加至1.04，相比未老化時增加了26.8%，仍小于135℃下老化14天的羰基指數。這是由于隨著溫度升高，分子活性增強，加快了XLPE絕緣的氧化反應，此外，在高溫下氧氣擴散更快，增加了XLPE絕緣分子鏈間的氧氣含量，因此高溫催化了XLPE絕緣分子鏈的“自由基鏈式反應”。

　由國產與進口XLPE絕緣試樣的羰基指數變化情況可知，國產和進口XLPE絕緣料的羰基指數變化趨勢一致，此外，90℃下國產XLPE絕緣料的羰基指數較進口XLPE絕緣料更低，135℃下老化前中期，國產XLPE絕緣料與進口XLPE絕緣料的羰基指數相差不大，并且在老化70天后，國產料羰基指數更低。

　圖4為熱老化溫度分別為90℃和135℃時國產和進口XLPE絕緣試樣的結晶度隨老化時間的變化規律。從圖4可以看出，90℃下XLPE絕緣試樣老化前后的熔融結晶特性變化不大。

　剛開始老化時結晶度有些許上升，這是由于重結晶導致的，老化重結晶臨界時間結束后，結晶度開始下降。未老化時的國產XLPE絕緣試樣結晶度為31.43%，90℃下老化70天后試樣的結晶度略有下降，為30.43%。

　135℃下老化國產XLPE絕緣試樣的熔融焓隨著老化時間的增加顯著降低，老化14天時XLPE絕緣試樣的結晶度降低至20.39%，而老化70天時結晶度發生顯著下降，結晶度只有6.71%，可見135℃的老化條件下結晶度的下降速率遠大于90℃時。

　對比90℃和135℃下國產與進口XLPE絕緣試樣結晶度的變化情況，表明國產和進口XLPE絕緣試樣的結晶度變化趨于一致，經過長期熱老化后國產XLPE絕緣料的結晶度均略高于進口XLPE絕緣料，說明國產XLPE絕緣的內部微觀結構更為穩定。

　老化不同階段XLPE結晶度的下降由不同原因引起。XLPE是由LDPE在高溫與交聯劑DCP作用下發生交聯反應形成的。部分PE分子鏈交聯形成網狀結構，產生非晶區；另一部分PE分子鏈未發生交聯。

　在老化開始階段，高溫會引發PE分子鏈游離端基的交聯反應，提升絕緣交聯度，進而降低了XLPE絕緣的結晶度；隨老化時間增加，XLPE絕緣的交聯結構被破壞，使結晶度下降速度減緩；在老化42～70天時，XLPE絕緣結晶度大幅下降，此時晶體結構在長期高溫作用下被破壞，XLPE絕緣結晶度大幅降低。

　（二）熱老化對XLPE力學性能的影響

　進一步測試了國產和進口XLPE絕緣試樣熱老化后的力學性能變化規律，結果如圖5～6所示。

　從圖5～6可以看出，力學性能的變化規律與結晶度的變化規律類似。在90℃下，國產XLPE絕緣試樣老化初期的斷裂伸長率略有上升，從未老化試樣的688.9%上升到729.9%，最大拉伸強度也略有上升。

　老化時間為56天時，斷裂伸長率下降到601.1%。老化時間為70天時，試樣的斷裂伸長率為501.2%，最大拉伸強度從24.6MPa下降到17.6MPa，下降了28.5%。在135℃下，國產XLPE絕緣試樣的斷裂伸長率和最大拉伸強度下降迅速，老化14天時，斷裂伸長率下降至564.9%，老化28天時斷裂伸長率下降至368.6%，接近斷裂伸長率下降50%的壽命終點，最大拉伸強度由24.6MPa下降到20.5MPa。

　根據曲線估計，XLPE絕緣試樣壽命終止時間為35.5天。老化42天時斷裂伸長率已低于原斷裂伸長率的50%，到達壽命終點，最大拉伸強度為14.5MPa，下降了41%。老化70天時，斷裂伸長率為82.45%，僅為未老化試樣的12%，最大拉伸強度為6.3MPa，僅為未老化試樣的26%。

　從圖5～6還可以看出，國產和進口XLPE絕緣試樣的斷裂伸長率與最大拉伸強度均隨老化時間降低，當老化溫度為90℃時，國產與進口XLPE絕緣試樣的斷裂伸長率無明顯差別，但國產XLPE絕緣試樣的最大拉伸強度在熱老化過程中較進口XLPE絕緣試樣更大；

　當老化溫度為135℃時，國產XLPE絕緣試樣雖然斷裂伸長率在老化過程中略小于進口XLPE絕緣試樣，但其最大拉伸強度較大，在135℃下老化70天后，國產與進口XLPE絕緣試樣的斷裂伸長率已無明顯差距，而國產XLPE絕緣試樣的最大拉伸強度仍更大，表明經過長期熱老化后國產XLPE絕緣試樣的力學性能優于進口XLPE絕緣。

　在90℃下，XLPE結晶區仍保持較為完整的結構，對自由基R·和O2的氧化反應有一定的阻礙作用，因此，XLPE絕緣試樣的力學性能未發生大幅下降。

　在135℃下，XLPE絕緣試樣進入黏流態，分子鏈變得無序分散，使得自由基R·和O2的氧化反應加劇，分子結構更多地被破壞，致使XLPE絕緣試樣的力學性能大幅降低。有研究指出，在老化初期鍵合作用強于斷鍵，而在老化中后期斷鍵作用強于鍵合。

　90℃下國產XLPE絕緣試樣老化初期的分子鏈斷裂點與部分不完全交聯PE分子鏈的交聯反應較強，使XLPE絕緣交聯度提升，網狀結構更加堅固，同時晶體結構破壞性較小，因此老化初期力學性能提升。

　同樣地，在135℃老化初期，XLPE絕緣的交聯度有一定提高，力學性能下降速度較慢；而在老化中后期，XLPE絕緣晶體與交聯結構在高溫作用下破壞嚴重，使其力學性能快速下降。

　（三）熱老化對XLPE電氣性能的影響

　為進一步分析熱老化對交聯聚乙烯電氣性能的影響，測試了90℃和135℃下熱氧老化不同時間的XLPE絕緣試樣交流電氣強度，得到63.2%失效概率下的電氣強度如圖7(a)所示。

　從圖7(a)可以看出，除90℃下老化14天的國產XLPE絕緣試樣電氣強度略有上升外，其余絕緣試樣的電氣強度相比未老化絕緣試樣均有不同程度的下降，表明熱老化會降低XLPE絕緣試樣的電氣性能，且高溫下老化試樣電氣強度的下降幅度明顯大于低溫下的老化試樣。

　未老化試樣的電氣強度為30.7kV/mm，135℃老化70天后試樣的電氣強度僅為22.3kV/mm，下降了27.4%。未老化試樣在不同溫度下均保持了較高的電氣強度；經熱老化后，電氣強度下降幅度較大，歸因于在氧氣和熱的作用下XLPE發生熱氧老化降解。

　隨著老化溫度的升高，試樣在熱氧老化過程中與氧氣接觸更充分且容易造成試樣內部的大分子鏈斷裂、降解，非晶區的分子鏈更易受熱氧老化的影響，甚至形成局部缺陷，成為誘發擊穿的薄弱點，進而導致電氣強度降低。

　在實際工業應用中，低概率下的電氣強度也會造成事故的發生，因此有必要對1%失效概率下試樣的電氣強度進行分析。圖7(b)為失效概率為1%時XLPE絕緣試樣的電氣強度隨老化時間的變化。

　當老化溫度為90℃時，兩種XLPE絕緣試樣在1%失效概率下的電氣強度均在老化時間為14和42天明顯下降。相比之下，國產XLPE絕緣試樣在老化前、后失效概率為1%時的電氣強度更高。

　當老化溫度升高到135℃時，老化后的兩種XLPE絕緣試樣1%失效概率下的電氣強度都表現出明顯的下降，但國產XLPE絕緣試樣的電氣強度仍高于相同老化時間下的進口XLPE絕緣試樣。

　國產與進口XLPE絕緣試樣交流電氣強度Weibull分布的形狀參數如表2所示。從表2可以看出，老化14天與42天試樣的形狀參數較小，這是因為在熱老化過程中，XLPE絕緣試樣的劣化存在分散性，使其電氣強度也具有更大的分散性，而在老化70天時，所有試樣的劣化均達到較為嚴重的程度，此時所有試樣的電氣強度分散性變小。

　在30℃和90℃環境下測試熱老化處理后國產和進口XLPE絕緣試樣的體積電導率，結果如圖8所示。

　從圖8(a)可以看出，30℃環境下未老化的國產和進口XLPE絕緣試樣體積電導率分別為2.77×10-15S/m和1.98×10-15S/m，滿足國標規定的220kV高壓交流電纜交聯聚乙烯絕緣常溫體積電導率的要求。

　經90℃熱老化70天后，在30℃環境下國產和進口XLPE絕緣試樣的體積電導率分別上升至1.42×10-14S/m和1.33×10-14S/m，相較于未老化試樣分別上升了412.3%和617.1%，且體積電導率逐漸趨于穩定。

　相比于90℃熱老化，135℃熱老化使XLPE絕緣試樣的體積電導率顯著上升；135℃熱老化70天后，國產和進口XLPE絕緣試樣在30℃環境下體積電導率分別上升至2.14×10-13S/m和3.22×10-13S/m，相較于未老化試樣上升了兩個數量級，表明135℃熱老化對XLPE絕緣試樣的體積電導率造成較大影響。

　對比國產和進口XLPE絕緣試樣的體積電導率隨老化溫度和時間的變化，在老化溫度為90℃條件下，進口XLPE絕緣試樣的體積電導率均略小于國產XLPE絕緣試樣，而在老化溫度為135℃條件下，老化28天后進口XLPE絕緣試樣的體積電導率均超過國產XLPE絕緣試樣，且有進一步上升趨勢，表明國產XLPE絕緣試樣具有更優異的耐熱氧老化特性。

　從圖8(b)可以看出，相較于30℃測試環境溫度，提高測試環境溫度明顯提高了絕緣試樣的體積電導率，這與載流子運動加速密切相關。國產XLPE絕緣試樣在90℃下的體積電導率隨熱老化時長的變化趨勢與30℃測試環境溫度的結果相一致。

　相較于未老化的XLPE絕緣試樣，135℃熱老化處理70天后體積電導率提高了1個數量級，而相較于相同老化時間的90℃熱老化處理，135℃熱老化處理后的體積電導率提高不足1個數量級。

　（四）熱老化壽命評估

　根據上文中試樣的力學性能隨老化時間變化的規律可知，老化溫度為135℃時，國產XLPE絕緣試樣的壽命終止時間為35.5天，基于IEC 60216-1:2013要求，將熱加速老化采用的II類強制通風條件（換氣160次/h）。折算為I類強制通風條件（換氣20次/h）結果如表3所示。

　從表3可以看出，國產XLPE絕緣試樣比進口XLPE絕緣試樣具有更長的熱老化壽命。

　三、機理分析

　XLPE絕緣微觀結構的變化會影響其整體宏觀性能。在經過高溫熱氧老化處理后，不論是國產還是進口的XLPE絕緣試樣，XLPE的分子鏈都會發生氧化反應，產生很多的游離基。

　部分游離基會繼續交聯，提升XLPE絕緣試樣的力學性能，但隨著老化時間的推移，更多的游離基會更傾向于破壞分子鏈，導致XLPE穩定有序的晶區結構被損壞，聚合物總體結晶度降低。

　同樣地，高溫老化造成的分子鏈分解也會促使載流子自由程的增加，載流子活動變得更加激烈，載流子數量增多、遷移速率加快，使得XLPE絕緣試樣的電流密度增加，導致體積電導率上升了數個數量級。

　由于非晶區的脆弱性，該部分的分子鏈更容易發生斷裂形成物理缺陷區域，其在強電場下會成為誘發擊穿的薄弱點，引起電場畸變進而降低了XLPE絕緣的電氣強度。

　但是因為國產XLPE絕緣試樣有著更穩定的內部微觀結構，致使其受熱氧老化的影響相較于進口XLPE絕緣試樣更小，所以國產XLPE絕緣試樣保持著更加優異的宏觀性能，更直觀的表現就是其熱老化終止壽命更長。

　四、結論

　（一）對XLPE絕緣試樣進行加速熱老化試驗，發現熱老化過程中XLPE絕緣試樣色澤由白色變為黃色乃至暗紅色且試樣透明度下降。此外，老化后XLPE絕緣的晶體結構被破壞，結晶度下降，交聯度提高，相同處理條件下，國產XLPE絕緣的結晶度高于進口XLPE。

　（二）在90℃下，國產XLPE絕緣試樣的力學性能先升高后降低；而在135℃下老化，由于分子結構遭到破壞，老化試樣的力學性能大幅降低，但國產XLPE絕緣試樣的力學性能優于進口的XLPE絕緣試樣。

　（三）熱氧老化過程致使XLPE絕緣的大分子鏈斷裂、降解，形成局部物理缺陷區域，進而降低了XLPE絕緣的交流電氣強度。在相同熱老化條件下，國產XLPE絕緣試樣的交流電氣強度略優于進口XLPE絕緣試樣。

　（四）國產XLPE絕緣試樣比進口XLPE絕緣試樣具有更長的熱老化壽命，說明國產220kVXLPE絕緣料具有較好的耐熱老化性能，可為我國實現220kV高壓電纜絕緣料的國產化替代奠定關鍵基礎。