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三、综述报告 3.1 研究内容
研究内容主要为热老化对交联聚乙烯性能的影响，在不同的老化温度下对交联聚乙烯试样进行加速热老化，对不同老化时间、老化温度的XLPE试样进行性能测试，研究热老化对交联聚乙烯电性能的影响，电性能包括材料的直流击穿强度、空间电荷分布情况、电导率。研究热老化对XLPE机械性能的影响，机械性能主要是材料的断裂伸长率、抗拉强度、屈服拉伸应变。
交联聚乙烯（XLPE）电气、化学、物理等性能优异，并且交联聚乙烯电力电缆的敷设较容易，维护更加便捷，因此XLPE已经成为10kV-200kV电力电缆的主要绝缘材料。我国对XLPE绝缘的使用已有40多年的历史，并且很多电力电缆的使用时间已经达到其预期的使用寿命，由于绝缘的电老化和热老化，机械性能和电性能受到影响。绝缘材料开始逐渐丧失其绝缘性能，这给电力设备的安全运行带来很大隐患，并造成事故频发，因此对XLPE热老化之后性能变化的研究具有非常重要的意义。
3.2 国内外研究现状与趋势
目前，国内外有许多关于材料老化的研究，包括热老化对材料电性能、机械性能的影响，下面从电性能与机械性能两个方面介绍目前国内外的关于热老化对交联聚乙烯性能影响的研究现状。
击穿场强是绝缘材料的主要电性能之一，对击穿电压大小的分析可以作为评估交联聚乙烯老化程度的方法。随着老化程度的增加，击穿强度的大小会降低，同时在电缆的运行过程中，过电压可能会作用在电缆上，超过电缆的承受电压，使电缆出现击穿等情况，迫使电缆停止运行。王寿泰等通过逐级升压对电缆的寿命进行评估，按照一定速率进行升压，直至材料击穿。利用威布尔分布对数据进行分析，推导电缆的使用寿命规律，随老化时间增加而下降。薛程等对不同试样进行击穿电压和耐压时间的测试，随着老化的发展，试样的耐压时间和击穿场强呈下降趋势。金天雄等研究了热老化对交联聚乙烯击穿强度的影响和击穿强度威布尔参数的变化情况。分析不同老化温度、老化时间下，尺度参数、范围参数、形状参数的变化程度，得知热老化使交联聚乙烯的微观结构、理化性能发生变化，可以利用击穿强度来预测绝缘的寿命。
朱晓辉等研究了不同运行年限的电缆介电性能的变化，包括击穿场强、介质损耗因数、介质损耗正切角。发现电缆氧化诱导期在老化的过程中不断缩短，材料抗氧化能力下降。老化过程中产生自由基，自由基在链式反应中作为催化剂，导致大分子链进一步断裂，并且羰基指数也不断增加。绝缘材料的击穿场强随老化时间增加而下降。原因是老化过程中非晶区产生介电常数较小的气隙，容易发生击穿。詹威鹏等研究了热氧老化中介电强度和绝缘结构的关系，发现老化过程先后分为重结晶期和热氧老化期两个时期，在重结晶期，击穿场强出现微小的上升，热氧老化期后，击穿场强快速下降。王丽梅对热老化后的聚乙烯和XLPE进行击穿实验，发现击穿场强随老化时间的增加逐渐下降，这是由老化过程中材料裂解，羰基指数增加，老化后电子自由程增加等原因导致的。Manish等人研究了热老化四周后的击场强的变化，过氧化物交联的交联聚乙烯的击穿强度随老化时间增加没有下降太多。刘露萍等通过实验得出交联聚乙烯材料的体积电阻率和击穿场强随老化时间的增加而下降，并且老化70天后，材料的体积电阻率下降2个数量级，击穿强度降低27%。
在交联聚乙烯的生产过程中，晶体结构可能会受到各种因素的影响，产生的缺陷可以作为陷阱，热老化过程会使缺陷增加。空间电荷是被固体电介质陷阱捕获的电荷，包括由于电介质不均匀极化产生的分布电荷。陷阱分为电荷不容易溢出的深陷阱和电荷受到刺激能够溢出的浅陷阱。陷阱的形成主要来自加工过程中引入的空穴和杂质。张增福等对交联聚乙烯绝缘电缆进行切片，分析热老化对电缆空间电荷分布的作用。未老化的试样在表面产生很多异极性电荷，并且其电场出现畸变，主要原因为电缆在制造的过程中会产生交联的副产物。老化的初始阶段，异极性电荷减少，因为热量使交联副产物消失，抑制电场的畸变，热老化的末期，出现同极性电荷。
刘刚等利用X射线衍射法和电声脉冲法（PEA），研究了老化对绝缘试样微观结构的影响。电缆老化之后，异极性电荷增加，晶粒尺寸减小，结晶度下降，老化从最外层开始发展，并且随老化时间增加，材料的中间部分所受的影响开始增大。欧阳本红等利用电声脉冲法测量老化前后空间电荷的分布规律，发现老化后电极附近的积累的电荷从同极性电荷变为异极性电荷。分析加速老化从材料内侧开始发展，实际运行的老化则起始于和材料外侧。Lanca M C等通过对空间电荷分布的研究，发现老化过程出现的产物发生降解，在电极周围积累，交联聚乙烯材料会出现分子链断裂、含氧基团和羰基的出现，使陷阱大量出现，使空间电荷分布出现变化。
电导率是交联聚乙烯电缆绝缘状况的参数之一。电缆老化之后，绝缘电阻会出现很明显的下降情况，在测试中，传导电流增加，暂态吸收电流减小。刘露萍等通过实验得出交联聚乙烯材料的体积电阻率和击穿场强随老化时间的增加而下降，极化指数、相对介电常数和介质损耗都会出现上升的现象，并且老化70天后，材料的体积电阻率下降2个数量级，击穿强度降低27%，在老化的过程中，带电离子的数量、离子迁移率、泄露电流都会增加。徐俊等对交联聚乙烯老化后的理化性能进行研究，发现高温热老化材料主要发生热裂解，低温时材料主要发生热交联。热老化后，交联聚乙烯材料中的含氧基团和羰基指数增加，结晶度下降。周韫捷发现老化使材料的介电常数增加，老化过程产生的老化产物会影响交联聚乙烯电缆的介电性能。Y Mecheri等研究了不同老化时间、老化温度下材料的电阻率，发现老化5000小时后，电阻率下降一个数量级。
断裂伸长率指的是在进行断裂拉伸试验时，试样断裂时的位移值与试样原长的比值，通常用百分比表示，是衡量材料力学性能的主要指标之一。利用断裂伸长率来评估电缆老化程度和电缆使用寿命是现在国内外常用的方法之一。随着老化时间的增加，XLPE材料颜色变深，体积收缩，断裂伸长率不断下降，材料开始变硬，很容易被拉伸断裂。高温热裂解破坏交联网络，分子链结晶，分子链相互缠绕和滑移能力下降。当材料的断裂延伸率下降到50%以下时，该材料的寿命终止。
王航等发现断裂延伸率随着老化时间和老化温度的增加而减小，当到达老化寿命终点后，断裂延伸率减小的更加迅速。材料的老化时温度越高，绝缘失效的速度也就越快。交联聚乙烯热老化过程中产生羰基，随着老化的继续进行，羰基指数上升。并且到达寿命终点时，羰基指数急剧增加。材料的结晶度随着老化时间的增加先增大后快速减小。薛程等对不同老化温度、不同老化时间的断裂伸长保留率进行比较，断裂伸长保留率是断裂伸长率与未老化试样断裂伸长率的比值。老化温度越高，随着老化时间的增加，断裂伸长保留率下降的越快。老化温度一定时，老化速率随时间增加呈指数型增长。周韫捷等对XLPE绝缘材料加速热老化，结果显示高温热老化和低温热老化对交联聚乙烯结晶形态有不同的影响，低温热老化对断裂伸长率的影响不大，高温热老化下，断裂伸长率随老化时间的增加先增加后下降。Manish Talreja等对过氧化物交联和湿法交联的交联聚乙烯进行研究，发现老化4周后，机械性能显著下降，湿法交联的试样没有过氧化物交联的下降程度大。
3.3研究机构与专家
主要研究机构有西安交通大学、哈尔滨理工大学、华北电力大学、上海交通大学、重庆大学、中国电力科学研究院等。主要专家有有西安交通大学的李建英，中国电力科学研究院的欧阳本红，哈尔滨理工大学的刘骥等人。
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