电力电缆用半导电材料在不断进展

电力电缆用半导电材料在不断进展

Karl-Michael Jager等

引言

自1960年代初期，使用XLPE电力电缆补充然后是替代纸绝缘电缆以来，这种电力电缆的可靠性不断得到提高，最重要的发展阶段是采用挤出导电屏蔽层（Sreens在北美称为Shields）、三层挤出、N2固化（替代蒸汽固化）、对XLPE化合物洁净度的要求提高以及使用高质量半导电材料，所有这些改进综合一起，已能安全设计和生产出可靠的电缆。然而，本文我们将关注的是半导电材料的最新资料。

从所有电压[中压（MV）至超高压（EHV）]电缆得到的经验（使用和试验）已清楚表明半导电屏蔽层对电力电缆的成功运行起到极为重要的作用，半导电混合物已成为前二十年快速发展的研究主题，并与电缆技术的其它进展保持同步，在本研究工作中，可能要识别半导电层发展过程中的三项通用导则：

●提高电气性能

●延长电缆耐久性

●更容易和更完善的加工工艺。

在实现这些改进并将其转化成实际电缆性能时，必须要关注材料工艺下列的关键特征：

●改善电传导

●降低表面缺陷的密度和尺寸

●提高化学洁净度

●耐焦化性更好

●热稳定性更高

●高级测量技术（光滑度、焦化性等）

本文综述了用过氧化物作交联的电缆在这些方面所取得的进步，而且说明在测量方法和材料工艺方面的发展趋势。

电传导

典型的电力电缆芯是由内外同心的半导电层（导体和绝缘屏蔽层）组成，这种结构的基本功能是使介电绝缘中的电应力呈对称径向分布，并控制电缆内的电场。另外，绝缘屏蔽使电缆不会感应电压、限制无线电干扰及降低电击的危险性。此外，它提供一条泄漏电流和故障电流的对地通道。为保证电缆的正常功能，国际电缆规范规定了一个最大体积电阻率，例如90℃测定时250Ωm（CENELEC）或500Ωm（AEIC、IEC）。然而，商品半导电材料所设计的稳定体积电阻率则比规范值低得多，以保证有足够的电导率，而不考虑材料的加工、老化和运行条件。

传导

使聚合物具有电导率的最常用方法是添加碳黑，碳黑可以认为是从不完全燃烧的碳氢化合物中得到的粒状填料，在半导电材料中所常用的这类碳黑的基本粒度在15-50 nm之间。但这些基本粒子会链接和聚集成团，其尺寸为几百纳米，基本粒子普遍聚集而成的这种“结构”被称为离散的刚性实体，它是最小的可分散单元。因为在集聚体内的粒子之间留有空隙，一种间接但非常有用的测量集聚体配容的方法是邻苯二甲酸二丁酯的量吸附数（DBPA），它说明填满空隙体积所需要的邻苯二甲酸二丁酯的量。

显然，导电填料的特性相当复杂，商品碳黑类型的范围很广，只有深刻的理解聚合物和碳黑是如何发生互

相作用，才能研制出最佳的导电体系。常用来说明半导体材料的碳黑网络与直流电导率之间关系的理论是渗透理论[1]。

当导电填料粒子（这里是碳黑）以低的体积份φ被混入至聚合物母体时，粒子并不会从样品的一面向另一面传导电流，这是因为粒子与粒子的接触数太少而不形成足够的导电通道。增加体积份，能使粒子间形成更多的连接，但这些接触点仍有可能能断开或本身碎裂。因聚合物母体对电流的阻力几乎为无穷大，在样品中未形成大量通道之前，整个材料的电导率一直很小（图1），在被称为渗透临界值的体积份φc下，电导剧速增大，浓度继续增高，几乎对电导率不造成影响，电导率上上升曲线成为一平台（图 2）。

采用这种方法，对渗透临界值φc以上的浓度，可以建立直流电导率δ直流与填料体积分φ的关系（1）：δ直流∝（φ- φc ）t φ＞φc （1）

式中t是指数，理论上应等于2，φc是渗透临界值时的体积份，理论上约0.16。

虽然对碳黑充填的半导电材料，t值往往可以从理论上作出估计，但实际上渗透临界值与理论值相差很大，经常是估计过高（图2）。实际渗透临界值取决于原材料的选择（碳黑类型和聚合物类型）、混合条件和挤出条件，这就使在控制半导电材料的电导率时该参数基本为设计变数。重要的是要注意并不是说渗透临界值尽可能低就能得到最佳工艺特性，这基本上是因为1）碳黑集聚体的物理接触点不仅能导电，而且会使机械连接增强，从而显著影响流变性能；2）载流通道未必需要物理接触，这将在下面予以说明。因此，只要正确设计导电网络，对达到合适电导率所要求的含碳黑量较多的半导电材料，其流变性能可能要比含量较低的材料要好的多。

简单的渗透模型（1）对理解电导率与碳黑体积份如何相关提供了良好的基础。然而，因为不能提供完整的导电网络图，且该网络在设计过程中还是十分重要，因此需要作一些更详细的解释。渗透理论假定每个球（图1）成为导体或绝缘体具有同等概率，这个要求在碳黑复合物中并不成立。

碳黑集聚体（“导电圆球”）趋向于互相接触，而集聚成更大的结构[2]，渗透模型的结果是使导电圆球附近的圆球成为另一个导电圆球的概率增大。

采用“有效体积概念”可以弥补这个问题[3]，一群互相作用的碳黑集聚团可以看作为图1中的导电圆球，这样，没有互相作用的导电群由碳黑及包在碳黑内的聚合物组成，它不属于复合物中的绝缘相（图3），因此，导电填料的“有效体积份”φ有效要比分散在聚合物母体内的碳粒子的体积份φ稍大，这种体积增大可以用经验参数f予以说明：

φ有效=f·φ（2）

虽然是根据经验，但系数f说明了渗透临界值的实际变化。另外，可以观察一下渗透曲线（图2），它并不是由单一的理论渗透临界值确定，而是根据原材料的选择（聚合物的结晶度、粒子与粒子及粒子与聚合物的互相作用）和混合条件（分散质量）确定。在电缆挤出和老化过程中，导电通道的结构会发生进一步变化，从而使集聚群随时间和温度作重新排列（图3）。

最初采用系数f是考虑碳黑群的几何效应，即与碳黑的集聚体结构、分布和聚集有关，但业已发现，在聚合物—填料界面上即使范围很小的情况也会显著影响有效体积，从而影响直流电导率。从材料对交流电压的响应上可以得到导电网络略为详细的图[4][5]，虽然在这里所讨论的是针对碳黑，但同样的概念也适用于所有导电类的体系（金属、陶瓷等）。

交流效应

大多数对导电聚合物材料的研究例如上面所述的，均采用直流电，这些研究用于建立半导电材料中不同组份（例如碳黑和聚合物）的效应以及温度和周期性老化的效应（图4）。

在实际应用中，半导电材料是在交流和瞬变过程中运行，因此在交流和直流两者条件下评定其性能十分重要。图5a和b表明在加热周期中于不同温度和频率范围为f下测得的与图4相同的半导电材料的电导率δ和电容率ε[5]，该数据表明，在低频下直流和交流电导的曲线平台完全相同（图5a），而在较高频率下则显著不同。这种电导率随频率的变化与电容率实部的减小有关（图5b），事实上这在挤出电缆屏蔽中也已观察到[6]，特别有意义的是由Densley等[6]报导的静态电容率取与图5b所示相类似的数值，虽然样品的构成不同。

这种常见的交流特性不仅半导体材料存在，而且对用粒子充填的聚合物化合物也是典型的特性。图6表明实验室用材料包括碳黑充填橡胶和PE混合物的交流电导率均遵循同样的原理（文献4给出了样品和测量的详细情况）。

如果图1所示的导电网络是由电阻元件组成，则可以预期与频率无关。事实上，聚合物母体被看作为电容性元件，也就是说交流和直流的响应不同，如我们在实验上所看到的，在低频下，响应由电阻决定，而随频率的增加，电容的作用越来越大。

通常，在此领域的研究者采用Debye模型来说明交流电导数据：

εs-ε∞

ε*=ε∞ +———————（3）

1+iωτ

式中ε* 、ε∞和εs分别是复电容率、动态电容率和静态电容率，ω是频率（2πf ）,松弛时间τ表示时间与电响应的关系，根据不同的模型，模型的参数与物理参数有关[7]。对碳黑充填的半导电材料，经常使用RC模型来说明母体中各种元件在其它传导特性中的松弛时间[8]。在此模型中，按通常的解释是在已极化的碳黑粒子之间发生了松弛过程，与时间有关是由于绝缘相中电荷的移动（图7），尽管如此，复合物的介电性能依然可以用同样的方程（3）表示，而且此模型提供了松弛时间τ的简单表达式，即等于电容C和电阻R的乘积：

τ=R·C（4）

虽然该模型也简化了频率与碳黑充填半导电材料的交流电导率，但它突出了两相邻粒子间以埃为单位的间隙的重要性。因为在渗透理论中两圆球之间的导电连接（图1）是载流子通过电介质转移，因此电导率也取决于这些连接的宽度。进一步说，如果结合更先进的渗透理论，则可提供从图6各测量值得到的基本曲线结构的理论基础（图8），这再一次强调此特定交流响应并非电力电缆半导电材料独有的。

这条基本曲线十分有用，因为它显示了这类复合物的通用频率响应，因为具有直流电阻率例如室温1Ωm （logδ直流= -2）的大多数实际电力电缆半导电屏蔽层并不表明在图6的实验室窗口（10-4—108Hz）内从直流平台转变为交流电导率与频率有关的部分，但是，基本曲线的存在可以（至少是近似）从实验室界限外推，以指示典型电力电缆屏蔽层GHz范围内的临界频率。

而且这还意味着，被薄的聚合物层分隔的碳黑粒子之间的间隙对半导电材料的直流电导率也起到一定作用。事实上，业已表明，如果通过添加较多量的碳黑增加直流电导率未必能给于碳黑粒子之间更多的物理接触点，而是使间隙沿导电通道的平均宽度减小[4]，因为电阻与间隙宽度为对数关系，这就是说静态电容率几乎不变，而直流电流率则成指数变化。这些发现通过与Densley等报导的数据进行比较得到了支持，虽然电导率差别相当大，但确实表明了相类似的静态电容率。

因为直流电导率包括间隙大小的作用，因此吸附在碳黑表面的聚合物层的厚度，成为对半导电材料的体积电阻率（或对有效体积份）产生影响的重要因素。从而在混合过程中碳黑的“湿润”（由混合条件和原材

料性能决定）以及在加工和老化过程中碳黑粒子稍为作出的重新排列都会影响直流电导率[5]。

电传导的小结

十分清楚，半导电材料的电导率并非碳黑充填量的简单函数，而是包括由混合和加工以及原材料正确匹配等复杂因素的影响。在改进半导电材料的工艺性和洁净度等时，很重要的一点是保持所要求的导电性能。例如工艺的改进可以减少碳黑用量（增强作用），然而，从图2可清楚看到，这样不仅降低了电导率，而且增加了电导率对碳黑用量及工艺条件等稍有变化的敏感性。因此，作任何的改进，都要求考虑由间隙控制的传导作用。

从这种较深层次来理解电传导对发展最佳导电网络十分有用，最佳化是必须的，因为导电网络还起到机械增强网络的作用，增强网络过度会对其它性能产生负面影响，例如工艺性和柔软性。

完善的工艺过程

一旦导电网络的基础建立后，重要的是如何用有效方法对该材料进行加工。半导电屏蔽层的重要特点是能够在可接受的出率下被挤出数天或几星期，由此，尺寸稳定性和热稳定性极为关键。

热稳定性

半导电材料所用聚合物的热稳定性非常重要，因为它必须经历电缆挤出（120-125℃）和硫化即交联过程（260-300℃），提高挤出机和硫化管的温度可以增加线速度，这样当然最好，但要求有好的热稳定性，因为关键要保持屏蔽层的机械性能和内部碳粒子间隙的电气性能。在正常条件下（在挤出机和硫化管内），限制进入氧气，因此通常只在氮气氛下对热降解进行研究，并已对材料中常用的两类聚合物中，丙烯酸酯要优于乙酸酯（图9）。

一种常用的乙酸酯—乙烯和乙酸乙烯共聚物（EVA）在150℃开始热分解，在330℃ 30min后完全裂解[9]，为确保有足够的安全裕度，基于乙酸酯的半导电材料的温度上限通常在275—300℃范围内。EVA是通过脱去乙酸进行分解且在聚合物链中形成双键（乙酸基转移），形成的乙酸是一严重问题，因为它是腐蚀性的，特别在高温下，引起挤出设备损坏。丙烯酸酯聚合物的裂解温度很高，稳定性极好。

图9表明丙烯酸酯和乙酸酯各自共聚物的重量损失与温度的关系，（材料在各温度点下曝露90min），因为重量损失也与共单体含量有关，因此该数据是分别含0.8%和5.4%mol丙烯酸丁酯的EBA测量值的上限曲线和下限曲线之间的范围。相应的EVA的范围包括乙酸乙烯含量在1.2%和6.7%mol之间。

从该研究中[9]可以清楚看到因丙烯酸酯共聚物和乙酸酯共聚物的降解机理本质上不同，因此EVA的降解速率要高的多，图9表明丙烯酸酯（EBA、EEA和EMA）的温度上限要比发生类似降解的乙酸酯（EVA）高50-75℃。表1表明在恒定温度下发生降解的稳定性[10]，热稳定性高，可以允许硫化管内的温度较高，这样电缆可以用较高线速度或用较长的时间进行生产。

表1 330℃下（恒热）热天平分析（TGA），每隔20min测一次重量损失（%），聚合物代号后的数字指的是以mol为单位的共单体含量百分数

基础树脂重量损失（%）时间（min）

20 40 60

乙酸酯 EVA-6.7 12 13 完全降解

丙烯酸酯 EEA-4.8 1 2 3

EBA-4.3 1 2 3

EMA-5.7 1 1 2

挤出

半导电屏蔽，特别是靠近导体的半导电屏蔽层通常会发生交联，由此使该材料能在90℃下运行，即高于母体聚合物的熔点。交联最常用的方法是添加有机过氧化物，在硫化管内的高温下形成化学交联。当用挤出加工聚合物时，重要的是要保证混合物离开三重挤出机头后才发生交联。电缆内最致命的缺陷之一是导电的半导电材料结块，它可能位于屏蔽层中的一层，已经知道因过早交联而引起的半导电屏蔽层结块是发生在过氧化物可交联的化合物中（图10），在挤出机内，过早交联（有时称为早熟或焦化）引起凝胶，聚合物的凝胶会粘结在设备的表面，这就会出现许多问题：

●在设备内可能会发生堵塞，引起挤出后屏蔽层出现缺陷；

●挤出长度受到过分限制，增加清理的负担；

●结成的导电块会从设备脱落，埋入绝缘/半导电层界面中，由此引起局部电应力。

因此，不易焦化的材料在性能上具有显著优点，为研制具有抗焦化性好的材料，已开发了一种新的试验方法，旨在于鉴定实际电缆挤出过程中的焦化度，这种方法使焦化加速，几小时内，可以达到正常生产需要几天的焦化度。使用一台实验室用挤出机，其模具经特殊设计，以评定焦化度，该模具（图11）的通道较长（直径恒定）且滞留时间长以促进焦化。

该试验可以在选定温度范围内进行，使用恒定出率，材料至少连续运行5h 试验结束后，取出模具中热的样品（图12），在样品六个不同部位切取0.2-0.3mm的截面，对其进行检查，得到该样品的焦化量，检查方法是用显微镜测量六个截面的焦化体积，报告六个截面的平均值。根据从模具中取出的样品形状，该试验通常被称为“胡萝卜焦化试验”。

图13表明用二种半导电材料得到的“胡萝卜焦化试验”结果。曲线表明提高熔融温度，焦化度通常趋向于较高。这两个例子表明对材料作细致设计，可以显著改善抗焦化水平和对温度的敏感性（焦化随温度增加的速率）。经分析表明，达到相同的焦化水平，材料M可以在高8℃的温度下运行，或者在相同温度下，它的焦化危险性较小（熔融温度为136℃下-45%）。

为了进一步降低焦化的危险性，可以在半导电材料的挤出性能上作改进（本例中材料M），出率试验表明，在相同的出率下，可降低熔融温度（2℃-5℃）和熔融压力（30-100bar）( 图14)。

这样，可通过三种方法提高工艺性：

●可以使用热稳定性较高的聚合物；

●将材料制成熔融温度最低；

●可以控制交联反应，以得到在低的熔融温度下焦化最小。

这三个因素结合在一起，可以得到最佳工艺性。

这三个因素怎样结合的一个例子可以用提高生产率的需要加以论述。许多CV（电力电缆）生产线的出率受到限制，因为完成交联反应需要一段时间。最近，已可购得减小这种限制的XLPE绝缘材料，其线速度可增加20-30%[11]，为发挥这种优点，必须保证要有与此相配的高速半导电生产技术，由此，要求半导电材料在较高出率下的熔融温度低、抗焦化性好以及在CV管内较短时间就能交联（高速）。

采用前面而所述的出率和焦化方法对工艺特性作出了评价，用1：1的中压电缆测试固化性能，在不同线速度下生产20kV/min/50mm2的电缆，从内半导电层取出测量交联度、热凝固温度所用的样品[12]。

在广泛的速度范围内，从得到的合适而稳定的热凝固水平看，与材料A相比，材料L的固化性能有显著改进，材料L的交联速度既较快，又不容易发生提早交联（见图15、16）。

光滑度

所用半导电材料的光滑度和洁净度对电缆的电气性能具有很大影响，在绝缘和半导电层之间的界面光滑度十分关键，半导电层的突出物可能会进入绝缘，使局部电应力增大，通电时，电应力增大会引起破坏，或使电老化加速，以后多半会发生破坏。在这种情况中，缺陷的密度、形状和大小对局部电应力的增大，均起一定作用，估计这种效应的大心得大小有许多方法[13]。但Ｍason推荐一种方便的方法［14］：

2d

η= ————————— (5)

γ+4d

γln ( ———— )

γ

式中应力增大因子η与γ（导电电半径）和d（点与面的距离）有关，应力增大因子是因缺陷而使尖端场强增加的量，随从尖端离开，场强增量随距离增加而迅速下降。由此，虽然应力通常很高，但她们只发生在较小的体积范围内。另外，用高场强传导现象，可以进一步改善从方程（5）得到的预测值。

最重要的缺陷被认为是已讨论过的由半导电材料焦化而引起的大的缺陷，一旦通过细致的材料设计和正确的电缆制造方法着手解决了这些缺陷，那么就必须要考虑小的多的缺陷，在研究光滑度时就涉及到这些较小的缺陷。焦化是偶而发生的，而光滑度需要随时考虑。

半导电材料的光滑度是一个有用的参数，因为它是材料均一性和质量的有效量度。在生产过程中，对半导电材料质量的监测技术已经历了不断的改进过程，从最初的定性目测检验，到如今的自动激光技术。在光滑度评定装置的领域内，研究工作表明，要求在合理时间内重复“读出”比较的表面积，此要求用自动化技术得以实现[13]。由于材料变成“较为光滑”因此需要对较大面积作检测，以得到具有代表性和可比的结果就变得特别重要。目前又有了新的改进，能够可靠地检测极小的表面缺陷。该试验的基础是用光学方法检测在光学扫描仪前通过的挤出带（图17），该扫描仪可以作高速大面积扫描且具有良好的分辨率，分析仪完全计算机化，在运行中，它能自动贮存有关缺陷位置和大小的信息，缺陷经统计评定后以突出高度或半高宽度W50报告，W50是缺陷高度为50%时的宽度。Flenniken[13]提出对半高宽度为50μm情况下，于10-20μm开始测量高度，他认为突出物的底部宽而高度低，因相当扁平，测量高度会有些误差（例如难于确定基线），而对W50值的影响却相当小，因此，虽然突出高度与场强增大因子的关系较为直接，W50对质量控制而言更为准确，而且经少量计算求得曲率，可以得出W50和场强增大因子的关系。如果同时平行使用二台或多台装置以增加结果的灵敏度和可靠性，该自动检测法的能力可进一步增大。

所用的碳黑会对半导电材料的光滑度（碳黑的分散性）和洁净度（离子和砂粒）产生很大的影响，当然，所用的混合设备对碳黑分散的均匀性也极为重要（图18）。

在制造超高压电缆时，使用增强性能（EP）半导电材料，用EP材料得到的洁净度和表面光滑度，比用标准性能（3P）材料得到的相对要好（图19），图19表明。

自1985年，对SP材料作出改进，可以看到挤出带上最小宽度等级的缺陷密度降低了。

目前，半导电技术已达到的先进状态是自动检测仪的性能，对特殊分析需要用显微方法加以增强，这样就能对极小的缺陷（有时称“微点”）作定量分析（表2）。

表2 用半高宽度（W50）分级的极小缺陷的密度，

标准性能（SP）和增强性能的半导电材料的比较。

微点（个/cm2） SP EP

20-60μm 255 73

60-100μm 40 4

＞100μm 9 1

总数＞20μm 304 78

总之，正常的质量控制数据和“微点”表明了如今半导电材料的光滑度具有良好水平（图20），本研究证实了EP半导电材料的光滑度水平最高，所有尺寸的缺陷密度较低（约好10倍）。

挤出带试验是极为有效和能再现的试验方法，它对监测光滑度的一致性十分理想。然而，挤出带不能被用于研究实际挤出过程所产生的其它缺陷，为能对这些缺陷进行研究，已开发出一种补充测量技术，用以检查挤出电缆的界面。在此技术中，取下电缆的外半导电层，将电缆绝缘浸入热油中使其变透明，由于绝缘的结晶部分被融化，故而变成全部是无定形和透明，然后可以用与电子相机相连的高倍显微镜检查内半导电屏蔽层，将电缆垂直放置，且便于用步进电机转动。用此仪器，有可能检测、研究和区分在绝缘和内半导电层中发现的诸如微点、结块、突出物、空隙等界面缺陷，以作进一步化学分析。从图21可以看到用热油试验在内半导电层中发现结块的一个例子，该例子清楚表明重合在光滑背景的被隔绝的挤出缺陷。

洁净度

在改进光滑度的同时，也对化学洁净度进行了改进。对中压电缆在费时的受潮条件下的许多试验（往往持续1~2年），化学洁净度特别重要，这是因为半导电材料中的各种离子与高的电应力互相作用，加速了水树枝的形成。要提高半导电材料的洁净度，就需要多加关注原材料、产品的生产和材料的输送。

关于原材料，特别是碳黑，被认为是潜在的污染源，因为在半导电材料制作过程中其用量较大。图22表明在标准半导电材料使用碳黑的整个期间，各种离子的含量不断降低，还在作进一步努力，以使用低硫型碳黑。另一类污染物是用节余量定量，包括焦碳粒子，耐火材料及在碳黑生产过程中可能产生的其它较大粒子。如今在半导电材料中所使用碳黑的特征是经连续监测和严格规定使其节余量特别低。

基础聚合物的生产过程正在不断改进和提高品位，用高压工艺生产基础聚合物对去除在最终产品中可能结块的氧化粒子最为合适。通常，在高压反应釜中等级变化数被保持在最小，以保证产品的均一性，对所要求的等级变化，要进行良好控制，与日常用品相比，其特征是过渡时间较长。在整个生产过程中，应密切注意设备所用的材料，特别要针对易于磨损及与聚合物产品相接触的材料，例如聚四氟乙烯（例如用作阀门的密封材料）已全部更换过。混料设备的熔融—过滤系统的材料和几何形状已显著改进，对所用设备的日常维护要比日常用品生产更为严格。

关于材料的输送问题，所有输送、运输、贮存和包装系统应按严格规程小心使用和控制，以防止外来污染和与其它产品交叉污染。

电气性能

如前所述，半导电材料的选择对获得XLPE电缆目前常规的良好电气性能起到关键作用[16]-[18]，界面光滑能改善电气击穿强度（交流、直流、冲击），较洁净的才能可增加耐久性，特别是增加长期湿老化试验的耐久性，离子较少材料的水树枝增长速率较低。

半导电层的表面光滑度（突出点的数量）对电气性能的影响如图23所示[16][19]，对含相同绝缘材料但半导电层不同的电缆进行比较，可以看到含突出点数量较小的LC2的冲击电场强度比LC1显著增大约15%，与Gross等报导的情况相同[20]（表3）。特别有意义的是可以观察到表面光滑度对交流（逐级）击穿强

度（表3）和脉冲电场强度（图23）的影响。

表3突出点密度和交流（逐级）击穿强度之间的关系，标准性能（SP）和增强性能（EP）半导电材料的比较，该试验是在完全相同的未老化XLPE电缆上进行[20]

SP EP

突出点密度，高度＞ 20μm[个/m2] ≈2000≈3

突出点密度，高度＞ 30μm[个/m2] ＞＞150 ＞＞0.2

突出点密度，高度＞ 40μm[个/m2] ＞＞2 ＞＞0.08

韦伯尔尺寸参数（kV/mm） 35 46

韦伯尔形状参数 3.8 5.2

试验证明，冲击性能与所用半导电材料有关，这一发现说明冲击强度的范围可以从125到157kV/mm，其大小取决于半导电材料的选择[17]。对在交流场强下电树枝起始电压的研究也说明了半导电材料所起的重要作用，该研究表明平均电树枝起始应力与半导电材料密切相关，施加的平均应力之间的显著差别可高达

2kV/mm。综述[22]给出了对突出点的几何形状和大小（例如半导电针尖形式）对电树枝起始电压和长期寿命特性影响的研究情况，这些发现说明了为什么增强性能的半导电材料现在被列为高压和超高压（高电应力）应用场合的标准材料。

中压电缆的劣化机理与按干燥条件设计的高压或超高压电缆不同，不同之处在于水树枝，采用国际标准（AEIC、VDE、CENELEC、UNIPEDE），通过测定加速老化后的击穿强度，对这类电缆的性能进行评定，用升高电压、温度和水的存在作为加速因子，老化周期为120-730天。所有这些试验的经验表明半导电材料的性能对获得长的寿命确实十分关键，采用相同的绝缘和同样的生产/试验设备，分别按AEIC和VDE试验方案进行试验，可以看到半导电材料对最终击穿值的影响在30%和70%范围内。显然，选择正确的半导电材料对中压电缆和高压/超高压电缆一样重要，图24说明了这种情况，在图中，对用同样绝缘材料但导体屏蔽层用两种不同半导电材料制成的两种电缆，2年VDE试验结果的比较，图24表明受潮条件下的老化速率是如何与半导电材料密切相关，它显示了击穿强度的下降发生很大变化及老化最后一年有三根电缆被击穿。实践经验——综合考虑电气和机械性能

在本文一开始就已强调深刻理解电导对优化导电网络十分重要，通过用完全相同的方法（同样的基础树脂、添加剂等）进行混合和制造的所选各种类型碳黑的短时评定检验，可以说明作这种优化选择的必要性（表4）。最初，从构成足以导电的网络看，似乎碳黑的可选择类型很广，这从20kV电缆绝缘屏蔽90℃下测得的体积电阻率可以看到。但将这些结果与测得的工艺性（熔融流动速率数据：FMR 21.5kg、190℃）相比较，我们可以发现，在许多情况下，导电网络强大往往意味机械增强网络过度，导致粘度增高（MFR低），CB5-7清楚说明这一情况。而且，如前所述，工艺、洁净度、光滑度对网络模型参数起着同等重要的作用，显然这进一步限制了对原材料的选择，例如CB4，虽然有极好的导电性能，但不能充分分散，制成的电缆表面质量很差。另一些类型的碳黑，不能满足如今标准产品对洁净度的要求。

表4 几种类型碳黑的评定项目，注意：虽然所有混合物的体积电阻率能满足电缆规范的要求，但CB7太接近于在所有条件下保证安全功能的极限值

碳黑类型体积电阻率（Ωm） MFR：21.5kg，190℃(g/10min)电缆表面洁净度工艺完善性

CB1 3.07 29.2 最好等级最好等级好

CB2 9.40 25.5 很好很好很好

CB3 22.0 21.3 很好很好很好

CB4 2.30 21.4 差好未测

CB5 16.0 10.6 差差未测

CB6 30.0 10.6 好差未测

CB7 110.0 17.5 差差未测

显然，实际上只有很小一部分原材料适合于现今电缆工业所用的半导电材料，因此，要求对材料深刻了解，以用有效方法开发新的、改进和鉴别后的产品。

发展XLPE电缆取得的成果，包括从材料、附件、材料输送和电缆制造各个阶段，已使XLPE电缆能在更高电压（图25）和更高电应力下使用，超高压电缆的电应力要比中压电缆的电力应平均高4倍，由此，对用于超高压电缆的半导电材料的性能要求则高的多。

许多关键的基础项目已成功完成（图26），这些项目均从增强性能半导电材料的优点中得到好处[23][24]。从中压电缆的使用和试验经验中证实了正确选择半导电材料的重要性，与高压和超高压的情况不同，用增强性能的半导电材料比标准性能半导电材料好的证据对中压电缆不十分明显，例如将AEIC CS5-94加速水树枝试验（AWTT）和加速电缆寿命试验（ACLT）相比较[25]，事实上，虽然AWTT的结果表明具有较高的性能，但增强性能与现代标准性能半导电材料之间无显著性差异。在另一方面，ACLT的数据则建议用增强性能的半导电材料对电缆进行改进。因此，在某些情况中，当必须满足性能（相关国际标准）、生产可靠性和成本的综合要求时，如果现代标准性能的半导电材料能极为有效和完善地达到此目的，则首选的是标准性能的半导电材料。

结论

在近十年来，已对半导电材料和测量技术作了显著改进，本文说明了可以发展具有更完善工艺性能的半导电材料，由于对原材料、混合工艺和半导电材料质量的监测技术不断关注，洁净度和光滑度已得到极大改进，在配电和输电电压下，半导电材料的改进，对增加XLPE电缆系统的可靠性做出了巨大的贡献。

译自 IEEE Electrical Insulation Magazine

Janury / February 2005-Vol.21,No.1