賀金紅 上海電纜廠有限公司 (200093）

賀金紅（1980年～），女，碩士，工程師，主要從事電線電纜研制。

0 引言

在潮氣和電場(chǎng)的共同作用下，水樹是誘發(fā)電力電纜破壞的主要原因。近年來(lái)，水樹對(duì)電纜的破壞受到高度關(guān)注。人們意識(shí)到必須采取措施，及早避免和遏制水樹導(dǎo)致電纜損壞上升的趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代末，世界上就開始了抗水樹電纜的研制，抗水樹電纜雖在北美和歐洲地區(qū)已有20多年的成功運(yùn)行歷史，但國(guó)內(nèi)抗水樹交聯(lián)電纜技術(shù)處于初期階段。我國(guó)中壓交聯(lián)電纜年投運(yùn)量大，如果能夠使抗水樹交聯(lián)電纜在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)中廣泛使用，則可以大大提高中壓電纜線路的運(yùn)行壽命，提高電網(wǎng)安全質(zhì)量。因此，為了電網(wǎng)運(yùn)行的安全，迫切需要開發(fā)國(guó)產(chǎn)抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜。

1 水樹引發(fā)和生長(zhǎng)機(jī)理

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電纜水樹的研究較多，Chen等通過研究認(rèn)為，水樹基本由一系列沿電場(chǎng)方向排列的含水微孔構(gòu)成。Suzuki等從三維等效電路對(duì)水樹進(jìn)行了分析，Lee等研究了水樹老化交聯(lián)聚乙烯的交流擊穿強(qiáng)度與空間電荷分布的關(guān)系，F(xiàn)an等研究了交聯(lián)聚乙烯中水樹的微觀結(jié)構(gòu)。諸多研究觀點(diǎn)主要分為兩種，一種觀點(diǎn)認(rèn)為水樹形成機(jī)理是物理作用，滲入到材料內(nèi)部的小水珠在電場(chǎng)的作用下發(fā)生沿電場(chǎng)方向的形變，形狀由球形變成橢球形，并同時(shí)對(duì)材料施加沿電場(chǎng)方向的擠壓力，當(dāng)它施加給材料的能量超過材料分子鏈的鍵能時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致分子鏈斷裂以及材料的破壞，在這些區(qū)域就會(huì)形成一些微小的充水孔穴。水樹形成的另一個(gè)機(jī)理是化學(xué)反應(yīng)理論，是由水、離子、聚乙烯共同參與完成的，在電場(chǎng)作用下首先水被電離形成自由基，自由基再與聚合物發(fā)生反應(yīng)。形成的聚合物自由基與聚合物中的氧發(fā)生作用，導(dǎo)致材料的氧化降解，形成水樹。

2 抗水樹電纜的設(shè)計(jì)與制造

2.1 抗水樹電纜發(fā)展現(xiàn)狀

抗水樹交聯(lián)電纜，主要是通過半導(dǎo)電材料的抗水分子滲透性能，降低水分子侵入絕緣層內(nèi)部的幾率，提高絕緣材料的分子穩(wěn)定性，增強(qiáng)交聯(lián)電纜材料的抗水樹生長(zhǎng)特性等方面來(lái)提高抗水樹性能。美國(guó)、日本、德國(guó)從20世紀(jì)80年代末、90 年代初就開始研究制造一種具有防水功能的中壓交聯(lián)電纜，使電纜的安全、可靠性和使用壽命成倍地提高，在北美及歐洲地區(qū)，抗水樹絕緣材料占主導(dǎo)地位。制造精良的交聯(lián)聚乙烯電纜通常情況下可以平均使用20～25年，而抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)計(jì)可以使用40年以上。

我國(guó)在1995年頒布的GB50217-94《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，用在中、高壓回路的交聯(lián)聚乙烯電纜，應(yīng)選擇屬于具備耐水樹特性的絕緣構(gòu)造型式。2007年DL/1070-2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn)方法和要求》編訂出版，國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究所已經(jīng)開展抗水樹電纜鑒定試驗(yàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些原材料及電纜制造企業(yè)在抗水樹交聯(lián)聚乙烯的材料、產(chǎn)品方面也相繼展開研究工作。

2.2 抗水樹電纜設(shè)計(jì)

水樹主要是絕緣中水分、電應(yīng)力和某些誘發(fā)因素（微孔、雜質(zhì)、半導(dǎo)電層突起、空間電荷或離子）發(fā)展成的一些微通道。為了防止外部水分的侵入，特高壓電纜主要通過采用鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)和超潔凈絕緣材料，通訊電纜則主要是采用鋁塑縱包結(jié)構(gòu)。但對(duì)于用量巨大的中壓電力電纜來(lái)說(shuō)，上述兩種方法均成本太高，因此，要抑制水樹，最現(xiàn)實(shí)有效的方法是除去微隙、雜質(zhì)、突起等產(chǎn)生水樹的因素，具體來(lái)說(shuō)就是采用抗水樹絕緣料和潔凈生產(chǎn)工藝。

抗水樹電纜用的絕緣料，通過在絕緣料中添加專效添加劑，以分散并減緩水、離子以及其他導(dǎo)電物質(zhì)在交聯(lián)聚乙烯內(nèi)的擴(kuò)散，從而減少在潮濕條件下出現(xiàn)局部電場(chǎng)應(yīng)力增強(qiáng)和電降解、產(chǎn)生水樹等問題。由于材料質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)抗水樹電纜產(chǎn)品質(zhì)量有著直接的影響，因而材料的選擇尤其重要。這里介紹的抗水樹電纜，所選陶式抗水樹絕緣材料經(jīng)多次驗(yàn)證試驗(yàn)，在抗水樹性能、交流電擊穿電壓和預(yù)計(jì)使用壽命方面，其性能均優(yōu)于交聯(lián)聚乙烯，圖1、圖2分別為所用抗水樹交聯(lián)聚乙烯絕緣料與交聯(lián)聚乙烯絕緣抗水樹性能和交流擊穿耐壓試驗(yàn)對(duì)比。

圖1 抗水樹交聯(lián)聚乙烯絕緣料與交聯(lián)聚乙烯絕緣料水樹長(zhǎng)度對(duì)比試驗(yàn)

圖2 抗水樹交聯(lián)聚乙烯絕緣料與交聯(lián)聚乙烯絕緣料交流擊穿耐壓試驗(yàn)

根據(jù)DL/1070-2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn) 方法和要求》電纜鑒定試樣要求，對(duì)抗水樹電纜進(jìn)行了設(shè)計(jì)，電壓等級(jí)為8.7/10kV，電纜導(dǎo)體截面為50mm2，電纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。電纜工藝流程：銅導(dǎo)體→三層共擠→銅帶屏蔽→無(wú)紡布包帶→PVC護(hù)套。

圖3 TR-YJV 8.7/10kV 1×50mm2 電纜結(jié)構(gòu)示意

2.3 抗水樹電纜制造工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)水樹形成機(jī)理，水樹的形成與諸多因素有關(guān)，除了原材料這一重要因素外，對(duì)抗水樹電纜性能影響最主要的另一重要因素是制造工藝?？顾畼潆娎|的質(zhì)量水平與原材料潔凈度、導(dǎo)體制造、絕緣擠出交聯(lián)等工藝密切相關(guān)。

(1)導(dǎo)體制造。銅絞線要求絕對(duì)光滑清潔，無(wú)任何毛刺、銅屑。設(shè)計(jì)采用鉆石涂覆膜作為絞線的緊壓模，拉制的絞線不僅線徑均勻，且光潔、無(wú)毛刺；同時(shí)又在最后一道緊壓模后，安裝除屑裝置，確保絞線清潔、無(wú)灰屑。

(2)三層共擠。絕緣中的熱應(yīng)力和不均勻性會(huì)影響電纜的質(zhì)量和使用壽命。熱應(yīng)力和不均勻性（包括交聯(lián)度的不均勻）可引發(fā)絕緣中的水樹、電樹，加速形成電纜擊穿通道，使電纜在運(yùn)行中早期擊穿。由于交聯(lián)聚乙烯的熱膨脹系數(shù)( 330×10-6/°C)為銅導(dǎo)體(17 ×10-6/°C)的近20倍，因此，絕緣交聯(lián)過程中加熱和冷卻過程中必然產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力的大小與加熱溫度及速度、冷卻溫度及速度相關(guān)，即如果高溫下快速加熱、低溫下快速驟冷，在絕緣中就會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力。因此，首先在進(jìn)行三層共擠時(shí)，進(jìn)行導(dǎo)體預(yù)熱、塑料進(jìn)行預(yù)干燥、合理控制各區(qū)擠出溫度、交聯(lián)后對(duì)絕緣進(jìn)行逐段冷卻，盡可能消除絕緣中的氣隙和水分；其次，保證工藝穩(wěn)定性，防止因?yàn)楣に嚥▌?dòng)導(dǎo)致電纜中出現(xiàn)“工藝界面”，與此同時(shí)，配備西科拉在線X射線測(cè)偏裝置，保證電纜絕緣線芯的偏心度及厚度均勻性，從而保證交聯(lián)聚乙烯絕緣的交聯(lián)質(zhì)量、聚合物分子結(jié)晶熱應(yīng)力的消除和均勻性，以減少交聯(lián)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和絕緣不均勻性，提高絕緣電氣強(qiáng)度。

(3)材料潔凈度。微孔尺寸絕緣材料儲(chǔ)存及混料擠壓交聯(lián)聚乙烯絕緣時(shí)注意防止雜質(zhì)混入，生產(chǎn)前清理機(jī)頭、螺桿、料斗甚至吸料管，嚴(yán)防將外包裝及外界的灰塵、垃圾帶進(jìn)加料裝置。提高制造工藝和防止產(chǎn)生氣隙。采用氮?dú)飧墒浇宦?lián)代替高壓蒸汽加熱交聯(lián)法，避免采用蒸汽加熱交聯(lián)以至蒸汽進(jìn)入絕緣，在絕緣層中殘留水分或形成氣隙，在低的場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生水樹。為了使絕緣層中不產(chǎn)生雜質(zhì)，生產(chǎn)中還必須采用潔凈工藝，三層共擠交聯(lián)設(shè)備重新設(shè)計(jì)配置高凈度原材料凈化房，其中半導(dǎo)體間：凈化級(jí)別一萬(wàn)級(jí)；絕緣材料間：凈化級(jí)別十萬(wàn)級(jí)；緩沖間：凈化級(jí)別十萬(wàn)級(jí)，以保證原材料的清潔度。同時(shí)，精確的三層共擠機(jī)頭保證了內(nèi)屏蔽、絕緣、外屏蔽擠出時(shí)沒有氣隙和雜質(zhì)，從而保證電纜絕緣性能。

3 抗水樹電纜鑒定試驗(yàn)

對(duì)于電纜加速水樹老化試驗(yàn)，當(dāng)前國(guó)際上主要為美國(guó)和歐洲兩套標(biāo)準(zhǔn)。其中，北美使用的中壓電纜鑒定規(guī)范是美國(guó)絕緣電纜工程師學(xué)會(huì)《ANSI/ICEA S-94-649-2004》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了加速水樹老化試驗(yàn)(AWTT)方法，試驗(yàn)內(nèi)容包括對(duì)未老化和分別經(jīng)過120、180天和360天老化的15kV電纜進(jìn)行的一系列的工頻和沖擊擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)。在歐洲，德國(guó)目前已經(jīng)制訂出協(xié)調(diào)后的CENELEC（歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)HD605 S1 HD 605 S1:1994/A3:2002 《電纜—補(bǔ)充測(cè)試方法》。其中包含為期兩年的水中老化實(shí)驗(yàn)，同時(shí)該試驗(yàn)包括了對(duì)電纜在分別老化了6個(gè)月、1年和2年后的工頻擊穿試驗(yàn)內(nèi)容。國(guó)內(nèi)出版的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/1070-2007《中壓交聯(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗(yàn)、方法和要求》，其中主要采用《ANSI/ICEA S-94-649-2004》和武高所科研成果，此標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的纜芯材料（導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽）的抗水性能進(jìn)行鑒定，電纜其他性能應(yīng)符合GB/T12706.2,3的規(guī)定。DL/1070-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)體屏蔽絕緣和絕緣屏蔽組合的制造工藝鑒定試驗(yàn)包括工頻逐級(jí)擊穿試驗(yàn)、熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)、14天負(fù)荷循環(huán)，加速水樹老化試驗(yàn)、電氣測(cè)量和水樹的檢查與統(tǒng)計(jì)等。

4 結(jié)果與討論

4.1 抗水樹性能鑒定試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣品制成后，在樣品進(jìn)行抗水樹試驗(yàn)鑒定前，按照GB/T12706.2對(duì)試驗(yàn)樣品在進(jìn)行全性能型式試驗(yàn)，結(jié)果表明樣品性能均達(dá)到或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，在送樣鑒定前取三個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行了交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)DL/T1070-2007標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)需求，共截取18個(gè)樣品段，并依次編號(hào)。試驗(yàn)內(nèi)容及方法按照DL/1070-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)體屏蔽絕緣和絕緣屏蔽組合的制造工藝鑒定試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)流程見圖4所示。

圖4 抗水樹鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目流程

4.1.1 交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果，見表1和圖5。

表1 交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)結(jié)果

圖5 交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)最大耐受場(chǎng)強(qiáng)

由表1和圖5可以看出，經(jīng)過120天及180天加速水樹老化試驗(yàn)，電纜的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)與原始工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)相比沒有明顯變化，原始試樣的最大耐受場(chǎng)強(qiáng)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求24.4kV/mm，14天負(fù)荷循環(huán)后和AWTT120天后的最大耐受場(chǎng)強(qiáng)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求26.0kV/mm，AWTT180天后的最大耐受場(chǎng)強(qiáng)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求22.8kV/mm。試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于DL/T1070-2007標(biāo)準(zhǔn)的工頻逐級(jí)擊穿強(qiáng)度要求，表明電纜具有優(yōu)異的長(zhǎng)期可靠性。

4.1.2 熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

DL/T1070-2007標(biāo)準(zhǔn)中要求電纜最小耐受沖擊場(chǎng)強(qiáng)為47.6 kV/mm，由表4可以看出，試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)值均超過標(biāo)準(zhǔn)要求值，兩組試樣結(jié)果分散性小，且裕度較大。熱沖擊電壓試驗(yàn)在熱的作用下，更易發(fā)現(xiàn)絕緣內(nèi)部缺陷，能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)絕緣材料絕緣性能，進(jìn)一步表明所生產(chǎn)電纜具有優(yōu)異電氣強(qiáng)度，具有抗熱沖擊性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 熱沖擊逐級(jí)擊穿最大耐受場(chǎng)強(qiáng)

4.1.3 水樹統(tǒng)計(jì)

水樹統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 AWTT120天、180天后試樣領(lǐng)結(jié)狀水樹統(tǒng)計(jì)

由表4可以看出，電纜經(jīng)過120天及180天的水樹加速老化過程后，未檢測(cè)出領(lǐng)結(jié)形水樹及管狀水樹。領(lǐng)結(jié)狀水樹主要是由絕緣層中的雜質(zhì)和其他缺陷處開始以直徑方向向絕緣屏蔽和導(dǎo)體屏蔽發(fā)展的水樹，領(lǐng)結(jié)形水樹是產(chǎn)生在絕緣內(nèi)部的，可以反映出絕緣層抗水樹的能力，管狀水樹則主要是從導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽上開始發(fā)展生長(zhǎng)起來(lái)的水樹，進(jìn)一步表明所試制電纜具有抗水樹的性能。

4.1.4 電氣測(cè)量和結(jié)構(gòu)尺寸檢查

分別按照試驗(yàn)流程對(duì)規(guī)定試樣進(jìn)行了電氣測(cè)量和結(jié)構(gòu)尺寸檢查。從電氣性能、局部放電和半導(dǎo)電絕緣屏蔽剝離力來(lái)看，局部放電在原始狀態(tài)和14天負(fù)荷循環(huán)后，經(jīng)過120天和180天加速水樹老化后局部放電量均≤背景值且符合標(biāo)準(zhǔn)要求，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)在原始狀態(tài)和180天加速水樹老化后沒有發(fā)生明顯變化，工頻逐級(jí)擊穿試驗(yàn)后在擊穿點(diǎn)附近取樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸檢查和絕緣屏蔽層的剝離，在14天負(fù)荷循環(huán)前后以及加速水樹老化前后，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，鑒定結(jié)果表明，所研制生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有抗水樹性能。

5 結(jié)論

水樹是誘發(fā)電力電纜破壞的主要原因之一，因而研制抗水樹電纜對(duì)提高我國(guó)中壓電力電纜線路的運(yùn)行壽命具有重要的意義。按照DL/1070-2007電纜鑒定試樣要求進(jìn)行了抗水樹電纜的研制，在研制過程中重點(diǎn)對(duì)原材料的潔凈度和工藝制造過程進(jìn)行優(yōu)化控制，并且鑒定試驗(yàn)結(jié)果表明所研制電纜具有抗水樹性能。實(shí)際上，抗水樹電纜的抗水樹性能驗(yàn)證是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅要求電纜制造廠生產(chǎn)研制出的電纜通過抗水樹鑒定試驗(yàn)，更重要的是電纜要經(jīng)受在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用過程中的實(shí)際使用檢驗(yàn)驗(yàn)證，因此，作為電纜制造方，應(yīng)跟蹤關(guān)注電纜長(zhǎng)期使用情況，進(jìn)一步不斷優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)工藝，深入探討抗水樹電纜性能與工藝條件的關(guān)聯(lián)性，生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的抗水樹電纜。

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