相对介电常数和介质损耗因数测试仪/交联聚乙烯电线电缆介电常数

众所周知，交联聚乙烯（XLPE）因其高击穿场强、高电阻率、高机械弹性和低介电损耗，是目前高压电缆使用蕞广泛的绝缘材料。长期运行过程中，XLPE经历电热和机械应力，导致介电性能退化，即发生电热老化过程。XLPE的电热老化是影响高压电缆可靠性的一个重要因素，然而其潜在机理至今仍尚未清楚。作为半结晶聚合物，XLPE的电热老化与其组成结构密切相关。如何通过非接触和无损检测的新表征方法获得电热老化过程中XLPE的组成结构变化，建立电热老化机制，对评估电热应力下XLPE的老化状态具有实际意义。

电老化对THz介电性能的影响

实验针对500kV HVDC XLPE电缆芯的环形切片，在25.3°C、湿度＜10%条件下，研究了不同老化时间XLPE的时域和频域信号变化。在电热老化实验前，对XLPE进行脱气，以消除XLPE交联副产物的影响。参考信号为空气测量值，其他实线为穿过老化XLPE后的THz波。由于XLPE在THz波段的折射率大于1，穿过XLPE后的时域信号与参考信号相比明显延迟。因此，XLPE中THz波的传播速度低于空气中的传播速度。一般来说，老化时间越长，THz波的振幅越小。然而，由于THz波的振幅也受样品厚度影响，很难通过振幅衰减直接评估老化状态。

图1. 不同老化时间下XLPE的THz(a) 时域和(b) 频域波形变化。

THz-TDS测试表明，XPLE具有三种介电响应。未老化和老化初期，XLPE的ε′基本不随频率变化。0.3-3.0 THz内XLPE的ε′值随老化时间增加呈明显下降趋势。在老化749、934和1500 h时，XLPE的ε′在0.2–0.7 THz范围内随频率升高迅速降低，呈异常色散现象。这主要是老化过程改变了XLPE的组成结构，由链段活性增强和老化后出现的小极性分子引起的反常色散。同时，随老化时间增加，XPLE的ε''在0.2–1.7 THz范围内呈上升趋势。这主要是由于微极性分子含量增加所引起，导致了宏观介电损耗增加。

图2. 不同老化时间下XLPE的THz介电特性。复介电常数(a) 实部和(b) 虚部THz频谱图。

老化200 h时XLPE的ε′存在明显转折点，在此之后，ε'的变化速率明显变小，表明在XLPE整个电热老化过程中可能存在两种不同的老化机制。同时，老化200 h前XLPE的ε''上升较快，并随老化时间增加而逐渐变缓。此外，虽然在0.3、0.5和1.0 THz下ε''的变化趋势与在0.2 THz下的变化趋势一致，但随频率增加，XLPE介电性能的变化趋势并不明显。上述现象表明，在实际运行中＞0.5 THz的ε'变化及接近0.2 THz的ε''变化，可用来评估XLPE绝缘材料的电老化特性。

图3. XLPE介电性能随老化时间的变化趋势。XLPE的介电常数(a) 实部和(b) 虚部频谱图。

电热老化对官能团结构的影响

接着，实验通过FTIR研究了电热老化对半结晶高分子XLPE化学组成的影响。老化前后XLPE的化学组成出现明显变化，老化后，在800和3300 cm–1处分别出现C-O和−OH振动吸收峰。同时，在1041、1112和1264 cm–1处的吸收峰明显增强，表明XLPE老化过程中形成了醇、酯和醚类基团。值得注意的是，XLPE老化后在2849和2929 cm–1处的C–H吸收峰显著降低。

图4. 不同老化时间XLPE的FTIR。

不同官能团吸光度随老化时间的变化表明，XLPE老化可分为弱极性基团、强极性基团和C-H键变化三种模式。极性基团在老化初期形成相对较快。老化200 h后，形成如C-O、醇、C═C、 酯类和醚类弱极性基团，其吸光度随老化时间增加趋于饱和。老化前1500 h内，−OH和C═O等强极性基团的吸光度随老化时间增加持续增强。C–H振动强度在老化初期明显下降，并随老化时间增加区域平缓。在电热应力作用下，XLPE中产生了大量极性官能团，C-C骨架断裂。

图5. XLPE官能团吸光度随老化时间的变化。(a) 模式1；(b) 模式2；(c) 模式3。