用于评价交联电缆屏蔽材料电气性能的试样及其制备方法

引言

随着电力电缆向高电压、大容量方向发展，屏蔽材料在多方面的作用日益凸显，其电气性能评价成为电缆设计的关键环节。现有试样制备方法多关注材料机械性能而忽视电气特性表征，难以满足工程实际需求。基于交联电缆屏蔽层的工作机理，提出一种兼顾界面接触特性和体积电阻特性的试样制备方案，通过优化材料成型工艺和电极配置方式，使试样能够全面表征屏蔽材料的导电性能、介电性能及抗电晕能力，为电缆设计提供更准确的性能数据支撑。

1 交联电缆屏蔽材料电气性能评价概述

交联电缆屏蔽材料的电气性能评价是保障电缆可靠运行的关键环节，其核心目的在于准确表征材料在电场作用下的导电特性、介电性能及长期稳定性。从工程应用角度，屏蔽材料需满足低电阻导通、均匀电场分布及抑制局部放电等基本要求，评价指标主要包括体积电阻率、表面电阻率、屏蔽效率及耐电晕性能等。导电性能测试需模拟实际工况中的电流路径，重点关注材料在高压电场下的载流能力与接触电阻变化。介电性能评价涉及介质损耗、介电常数等参数，反映材料在交变电场中的极化特性与能量损耗。长期稳定性测试则通过加速老化实验评估材料在电热机械多应力耦合作用下的性能演变规律，包括电树枝引发特性、电痕化倾向及绝缘电阻退化趋势。有效的电气性能评价需要建立标准化的试样制备与测试方法，确保测试结果能够真实反映材料在实际电缆结构中的表现，同时要考虑温度、湿度等环境因素的影响，以及不同电压等级下的性能差异。

2 用于评价交联电缆屏蔽材料电气性能的试样设计

2.1 试样尺寸与形状的确定

试样尺寸设计必须兼顾测试设备的适配性与电场分布的合理性，通常根据测试标准推荐的电极配置确定基本尺寸，同时考虑材料实际应用场景中的结构特征。平板试样适用于体积电阻测试，其厚度选择要反映屏蔽材料的典型应用厚度，过大可能掩盖界面效应，过小则难以模拟真实电场分布。圆柱形试样更接近电缆的实际结构，能够评价径向电场作用下的性能表现，其直径需与测试电极良好匹配以避免边缘效应。特殊形状试样如带有模拟半导电层的三明治结构，可研究界面过渡区的电气特性。

2.2 试样结构的优化设计

试样结构设计需要模拟电缆屏蔽层的真实工作状态，单层均质结构适用于基础性能测试，而多层复合结构更能反映实际应用情况。界面设计是核心考量，导体屏蔽层界面要模拟电缆中的压接工艺状态，屏蔽绝缘界面则应保留材料成型过程中的表面特性。结构过渡区设计需特别注意，渐变式界面可减少电场集中，阶梯式结构则便于研究界面突变影响。对于半导电屏蔽材料，试样中可设置模拟绝缘缺陷的人工瑕疵，用于评价材料的电场均化能力。结构优化还包括电极配置方式，嵌入式电极能准确测量体积电阻，表面接触电极更适合界面特性研究，三电极系统则可分离体积电流与表面电流成分，特殊测试如局部放电检测需要设计带有模拟气隙的缺陷结构。

2.3 不同性能测试的试样

不同电气性能测试需要专门设计的试样结构，导电性能测试试样通常采用条状或圆片状，两端设置大面积电极以保证电流分布均匀。介电谱测试需要极薄试样以减少背景电容干扰，同时要求极高的表面平整度。电树枝测试试样需预制针板电极结构，针尖曲率半径要精确控制以产生可控的集中电场。耐电痕化测试试样表面要设置特定间距的电极轨道，模拟实际污染条件下的表面放电路径。老化试验试样设计更为复杂，需要预留足够的取样区域供不同老化阶段的性能测试，加速电老化试样可能集成微型加热元件，机械电联合老化试样则要设计可施加动态应力的结构。所有专用试样都应考虑与标准测试装置的兼容性，确保测试条件的一致性与结果的可比性。

3 用于评价交联电缆屏蔽材料电气性能的制备方法研究

3.1 原材料的选择与处理

原材料选择是试样制备的基础环节，导电相材料如炭黑、金属粉末的纯度、粒径和形貌直接影响屏蔽性能，需要经过严格的杂质过滤和表面处理。聚合物基材的分子量分布和交联度必须控制在标准范围内，预混工艺要充分考虑各组分的相容性与分散性。原材料预处理包括干燥除湿、过筛分级和预混熟化等步骤，湿度过高的原料需要真空烘干至规定含水率，团聚颗粒需通过机械研磨或超声波分散达到所需细度。特殊功能材料如抗氧剂、偶联剂等添加剂的加入顺序和混合温度需要优化，避免热分解或相分离。对于纳米复合材料，表面改性处理尤为关键，要通过化学接枝或物理包覆改善填料与基体的界面结合，所有原料在使用前都应进行性能验证测试，确保符合制备要求。

3.2 制备工艺的流程规划

制备工艺设计需要系统考虑材料特性和最终性能要求，混炼工序要确定合适的温度曲线和剪切速率，使填料均匀分散而不破坏聚合物分子链。成型工艺选择取决于材料形态，热压成型适用于热固性材料，注塑成型更适合复杂形状试样，溶液浇铸法则用于制备超薄试样。固化工艺是交联材料制备的核心，要精确控制升温速率、恒温时间和冷却程序，避免内部应力积累。后处理工艺包括退火消除内应力、表面抛光改善接触特性以及真空除气消除内部缺陷。工艺流程规划还要考虑各工序间的衔接，如混炼后需立即进行成型以防材料预交联，固化后要安排足够的冷却时间才能进行机加工。特殊性能要求的试样可能需要组合多种工艺，如先挤出成型再辐射交联，或采用分层制备然后热压复合的工艺路线。

3.3 关键制备参数的控制

制备过程中的关键参数直接影响试样性能的再现性，混炼温度必须控制在基体材料熔融范围而低于分解温度，时间要保证充分分散又不引起过度剪切降解。成型压力需要平衡材料致密化与内应力产生的关系，热压成型通常采用分段加压策略。固化温度与时间是交联反应的控制要素，温度过低导致交联不足，过高则可能引起热老化，需要根据材料DSC 曲线确定最佳固化窗口。冷却速率对结晶性材料尤为重要，快速冷却可能形成不稳定晶体结构。环境控制不可忽视，湿度敏感材料需在干燥箱中操作，氧化敏感工艺要通入保护气体。参数监控需要采用高精度设备，温度控制精度应达 Φ_i=1∘_C ，压力波动不超过设定值 5% ，时间控制精确到秒级。所有关键参数都应详细记录并建立工艺档案，为后续性能异常分析提供追溯依据。

结束语

本研究建立的交联电缆屏蔽材料电气性能试样制备方法，通过规范化的工艺控制和结构设计，有效解决了传统方法存在的测试结果离散性问题。该方法制备的试样能够稳定反映关键指标，测试数据重复性显著提升。对推动电缆屏蔽材料技术进步具有实用价值，建议在行业标准制修订中予以采纳推广。

参考文献

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