交直流交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能

• 交直流電場差異：交流電場下介質極化引發介電損耗發熱，直流電場下空間電荷積累導致電場畸變，兩者均加速絕緣老化 ；

• 外部因素耦合：電流變化幅度、溫度波動、水分侵入及交聯副產物殘留（如 DCP 分解產生的苯乙酮）會顯著降低絕緣擊穿強度，縮短使用壽命 ；

• 性能退化機制復雜：介電彌散現象、界面極化及孔洞缺陷等微觀變化與宏觀性能退化存在強關聯性，但其內在規律尚未完一全明晰 。

2. 交直流交聯聚乙烯電纜的絕緣介電性能試驗

2.1 試驗原料與樣品制備

• 原料選擇：采用線性低密度聚乙烯（LLDPE），熔融指數 3.6 g/10min，密度 0.924 g/cm3，試驗前經 80℃真空干燥 8 h 以去除水分 ；輔助試劑包括二甲基甲酰胺（分析純）、三氯一甲烷（分析純）及二甲苯（化學純）。

• 樣品制備工藝：

1. 將 XLPE 分散于氯仿中，室溫下超聲處理 2 h 形成穩定懸濁液；

2. 另取 XLPE 溶于 95℃二甲苯中，緩慢加入上述懸濁液，持續攪拌 2 h；

3. 加熱蒸發溶劑 6 h 后，于 120℃真空環境中靜置 24 h（動態調節真空度以徹一底除溶劑），冷卻后保存于干燥容器中。
   該工藝確保交直流樣品具有一致的加工歷史，減少試驗誤差。

2.2 性能表征方法

• 微觀形貌觀察：采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察液氮脆斷后的樣品斷面，結合 X 射線能譜（EDS）分析元素組成，斷面前經噴金處理以增強導電性 ；

• 介電頻譜測試：使用寬頻介電譜儀，在 0.1 Hz~10 MHz 頻率范圍內測量介電常數（ε′）、介電損耗（ε″）及交流電導，施加電壓 1 V，樣品厚度 1 mm ；

• 介電強度與電導測試：

• 交流介電強度：依據 ASTM D149-1997，采用球形電極（樣品尺寸 100×100×250±10 μm），硅油環境中以 2 kV/s 升壓速率測試，每組樣品重復 20 次 ；

• 直流電導：采用三電極系統，樣品尺寸 55×100 μm，表面噴涂金電極以實現歐姆接觸，測試前經 373 K 真空短路放電 48 h 以消除電極噪聲 ；

• 力學與熱性能分析：

• 拉伸性能：在萬能試驗機上以 250 mm/min 速率測試 1 mm 厚樣品的拉伸強度；

• 動態力學性能：采用動態力學分析儀（DMA），在振幅 0.03%、頻率 10 Hz 條件下，以 5 K/min 速率從 123 K 升溫至熔融溫度；

• 熱失重分析（TGA）：非等溫熱失重（氮氣氛圍，10℃/min，25~650℃）與等溫熱失重（400℃恒溫 120 min）結合，評估熱穩定性。

3. 試驗結果與討論

3.1 電流變化幅度對介電性能的影響

• 低頻區域（<1 kHz）：當電流變化幅度≤12% 時，交直流 XLPE 電纜的 ε′與 ε″無明顯頻率依賴性，未出現介電彌散現象；當幅度增至 16%~24% 時，ε′與 ε″隨頻率降低而顯著增大，這歸因于電流與絕緣界面面積指數級增加，界面極化效應增強 。

• 高頻區域（>1 kHz）：ε′隨電流變化幅度增加呈上升趨勢，但幅度超過 24% 后增速放緩，這與樣品中殘留溶劑形成的孔洞有關 —— 孔洞內空氣的低介電常數弱化了整體極化能力 。

• 介電彌散臨界值：電流變化幅度達 24% 時，ε′與 ε″均達到最大值（ε′≈3.2，ε″≈0.035），超過此值后參數反而下降。Cole-Cole 曲線（ε′-ε″）顯示，此時樣品存在多個介電松弛時間，印證了介電彌散現象的復雜性。

3.2 微觀機制分析

• 界面極化主導低頻特性：低頻下，電流變化幅度增大導致 XLPE 與電流界面的電荷積聚增強，極化強度提升，表現為 ε′與 ε″上升；而幅度超過 24% 時，電流團聚效應使有效界面面積減少，極化強度弱化 。

• 孔洞與殘留溶劑的影響：EDS 分析顯示，樣品斷面存在氯元素（來自氯仿殘留），證實溶劑未完一全去除；這些孔洞不僅降低介電常數，還可能成為局部放電起始點，加速絕緣老化 。

• 交直流性能差異：直流電纜料因主鏈完整性更高，空間電荷注入閾值（>100 kV/mm）高于交流電纜料（≈80 kV/mm），說明分子結構對介電性能的決定性作用。

3.3 外部因素的協同影響

• 交聯副產物：DCP 分解副產物會增加 XLPE 的極性基團含量，導致直流電導從 10?1? S/m 升至 10?12 S/m；而脫氣熱處理可使副產物含量降低 80%，介電性能恢復率達 75%。

• 水樹老化：加速水樹試驗表明，水分侵入會使 XLPE 的工頻擊穿強度從 35 kV/mm 降至 20 kV/mm，且水樹長度與介電損耗呈正相關，提示潮濕環境下需強化阻水設計。

4. 結束語

1. 電流變化幅度是影響介電性能的關鍵因素，24% 為臨界值，超過此值會因界面極化弱化與孔洞缺陷導致介電參數下降；

2. 介電彌散現象源于多松弛時間的疊加，與界面極化、殘留溶劑及電流團聚密切相關；

3. 交直流電纜料的性能差異主要源于主鏈完整性，直流料的空間電荷抑制能力更優。