李彥雄 楊健銳

【摘 要】交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜以其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)之中，水樹枝老化是導(dǎo)致其提前失效的主要誘因之一。本文從防水型電纜結(jié)構(gòu)和研發(fā)抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料兩方面介紹了交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的抗水樹機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】水樹枝； 交聯(lián)聚乙烯；電力電纜

1引言

交聯(lián)聚乙烯電力電纜以其優(yōu)異的介電與機(jī)械性能深受廣大電力用戶的歡迎，自從二十世紀(jì)八十年代以來(lái)逐漸成為電力電纜的主流。雖然交聯(lián)聚乙烯電力電纜設(shè)計(jì)壽命可達(dá)30～40年之久；但是由于制造工藝缺陷、電纜運(yùn)行環(huán)境惡劣、以及電纜敷設(shè)傷害等因素，許多電纜內(nèi)部產(chǎn)生了氣隙、雜質(zhì)、毛刺和凸起等缺陷，上述缺陷在電場(chǎng)、熱場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力以及潮濕環(huán)境等老化因素的作用下，就會(huì)引發(fā)局部放電和水樹枝現(xiàn)象。其中交聯(lián)聚乙烯電力電纜中的水樹枝老化現(xiàn)象，進(jìn)一步會(huì)發(fā)展為電樹枝從而導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，造成電纜壽命大幅縮短，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性造成極大威脅。因此，研發(fā)抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜對(duì)保證電力系統(tǒng)供電安全具有重要意義。

2水樹枝引發(fā)與生長(zhǎng)原理。

水樹枝老化是交聯(lián)聚乙烯電力電纜在潮濕環(huán)境中發(fā)生擊穿的主要誘因之一[1-2]。自從1969年在波士頓舉行的電氣絕緣會(huì)議上，日本學(xué)者宮下首次提到水樹枝現(xiàn)象，各國(guó)學(xué)者對(duì)水樹枝現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛深入的研究。一般認(rèn)為，水樹枝是交聯(lián)聚乙烯電力電纜在潮濕環(huán)境下發(fā)生老化、降解的一種現(xiàn)象。在潮濕環(huán)境中，水樹枝可以在運(yùn)行電壓下長(zhǎng)期緩慢地生長(zhǎng)。一般來(lái)說水樹枝的生長(zhǎng)不會(huì)直接導(dǎo)致電纜絕緣層的擊穿，只有隨著水樹枝的不斷生長(zhǎng)，水樹枝尖端電場(chǎng)的不斷集中，局部高電場(chǎng)最終會(huì)引發(fā)水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，從而導(dǎo)致聚乙烯絕緣層在短時(shí)間內(nèi)被擊穿。

經(jīng)過幾十年的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)于水樹枝的引發(fā)、生長(zhǎng)機(jī)理提出了一些規(guī)律、模型。研究表明，關(guān)于水樹引發(fā)、生長(zhǎng)的機(jī)理主要有：電致機(jī)械應(yīng)力模型、親水物質(zhì)的擴(kuò)散模型和電化學(xué)氧化模型。關(guān)于水樹枝的生長(zhǎng)模型，人們?cè)谶^去幾十年展開了熱烈的討論。經(jīng)過討論，沒有足夠證據(jù)支持任何一種生長(zhǎng)機(jī)理可以解釋所有情況下水樹枝的現(xiàn)象。事實(shí)上，通過綜合考慮眾多學(xué)者的觀點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)上述的各種情況都有可能發(fā)生。因此，有學(xué)者認(rèn)為水樹枝化是多種進(jìn)程共存的材料劣化過程，具體哪種進(jìn)程起主導(dǎo)作用，取決于電纜所處的老化環(huán)境。于是，有學(xué)者提出了條件依賴模型。持這種觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為，眾多文獻(xiàn)中結(jié)論的矛盾之處可以追溯到老化條件的不同。老化條件不僅包括電氣參數(shù)，也包括雜質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等等。條件依賴模型綜合考慮了實(shí)際老化條件下水樹枝生長(zhǎng)的各種可能出現(xiàn)的過程，反映了水樹枝化是一個(gè)復(fù)雜的多種條件共同作用的劣化過程，在電纜的水樹枝老化過程中哪種進(jìn)程起主導(dǎo)作用還需根據(jù)老化條件具體分析。

交聯(lián)聚乙烯電力電纜中產(chǎn)生水樹枝的原因主要有一下幾個(gè)方面：一是制造工藝的問題，上世紀(jì)七十、八十年代使用的交聯(lián)聚乙烯電纜多為水蒸氣濕法交聯(lián)工藝制造，在交聯(lián)過程中，水蒸氣在高壓下容易向熔融的聚乙烯中滲透，使XLPE中的水分含量有所上升；二是敷設(shè)不當(dāng)、外力破壞和地下污水腐蝕等引起的，隨著水分的滲入，交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣在電場(chǎng)、水分和雜質(zhì)等缺陷的協(xié)同作用下，逐漸產(chǎn)生樹枝狀劣化。

3 抗水樹型電力電纜的研發(fā)方向

盡管水樹枝不會(huì)直接導(dǎo)致交聯(lián)聚乙烯電力電纜發(fā)生擊穿，當(dāng)水樹枝發(fā)展為電樹枝時(shí)，電纜絕緣會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被擊穿。為了保證電力系統(tǒng)的供電安全性，研發(fā)抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜具有重要應(yīng)用意義。通過水樹枝引發(fā)和生長(zhǎng)理論的研究，為抑制水樹枝提供了理論基礎(chǔ)。為了使交聯(lián)聚乙烯電力電纜在潮濕環(huán)境下具有更好的抗水樹性能，除了采用更潔凈的絕緣材料并改進(jìn)工藝以使絕緣表面更光滑外，還可以從兩個(gè)方面入手[3-5]：即采用防水型電纜結(jié)構(gòu)和研發(fā)抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。防水型電纜結(jié)構(gòu)是從水樹引發(fā)和生長(zhǎng)的條件入手，阻斷了環(huán)境中的水分向電纜絕緣中的入侵，從而減少電纜絕緣中水樹枝的引發(fā)?？顾畼湫徒宦?lián)聚乙烯絕緣材料的研發(fā)，則是通過改變聚乙烯絕緣材料的形態(tài)或者向聚乙烯絕緣材料中加入添加劑改變復(fù)合材料的物理特性，以增強(qiáng)聚乙烯絕緣材料本身對(duì)水樹化的抑制性能。

3.1采用防水型電纜結(jié)構(gòu)

目前實(shí)際運(yùn)行中的防水型電纜一般使用徑向阻水或者縱向阻水，有時(shí)兩種方法同時(shí)使用。為防止水分通過護(hù)套擴(kuò)散而出現(xiàn)徑向入侵，就需要采用徑向防水層。徑向阻水在結(jié)構(gòu)上一般采用：聚乙烯外護(hù)套；鉛、鋁等金屬套；鋁塑、鋁塑復(fù)合綜合護(hù)層。目前中壓電纜的這種徑向防水層一般采用鋁塑復(fù)合綜合護(hù)層，高壓電力電纜采用鋁護(hù)套，通過縱包的鋁塑復(fù)合帶、鋁護(hù)套和擠包的聚乙烯外護(hù)套共同作用達(dá)到阻水目的。而為了避免在護(hù)套受損傷后，護(hù)套下層發(fā)生軸向的水入侵，就需要使用縱向防水層。這類防水層位于護(hù)套和纜芯之間，在纜芯成纜工藝中，填充阻水紗、繩及繞包半導(dǎo)電阻水帶。這些阻水材料可以吸收經(jīng)過塑料外護(hù)套擴(kuò)散進(jìn)入電纜的水蒸汽，從而使電纜長(zhǎng)期保持較低的相對(duì)濕度。

3.2 抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的研發(fā)

電力電纜絕緣材料的生產(chǎn)商和電纜制造商一道，大力研發(fā)抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，主要表現(xiàn)為向交聯(lián)聚乙烯料中混入少量添加劑以改變其抑制水樹性能。直到上世紀(jì)70年代的后期，大多數(shù)添加劑的選擇還是比較盲目的嘗試。目前，由于對(duì)水樹化機(jī)理理解的不同，對(duì)添加劑的選擇也有所不同。如傾向于水樹枝電致機(jī)械引發(fā)機(jī)理的采用對(duì)聚乙烯微觀形態(tài)改性的方法；傾向水樹枝電化學(xué)引發(fā)機(jī)理的使用抑制氧化反應(yīng)的添加劑。這兩種方法在一定程度上都有效果。另一個(gè)比較“中立”的方法是使用旨在減少水滴凝聚的添加劑，或者同時(shí)使用兩種方法。

（1）物理方法：有研究證實(shí)，對(duì)交聯(lián)聚乙烯的化學(xué)組成進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兛梢燥@著提高其抗水樹性能，即改變聚合物分子結(jié)構(gòu)、聚合物結(jié)構(gòu)形態(tài)，或者采用不同聚合物材料共混，或者采用聚合物合金。這方面已經(jīng)有商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品。這種方法以歐洲最主要的電纜用聚烯烴供應(yīng)商北歐化工（Borealis）為代表。

（2）化學(xué)方法：這種方法是向聚合物材料中加入與基體材料分子鏈有親和作用的添加劑，例如改善聚合物與水的相互作用，以獲得抗水樹特性。這種方法以美國(guó)陶氏化學(xué)公司為代表。在這些添加劑中，已知可以同時(shí)降低水樹引發(fā)和生長(zhǎng)的苯丙酮和抗氧化劑同時(shí)可以抑制電樹的發(fā)生。

4結(jié)論

經(jīng)過多年的研究，目前電力電纜的防水結(jié)構(gòu)的工藝已經(jīng)非常成熟了。市場(chǎng)上目前也出現(xiàn)了商品化的抗水樹型交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，雖然沒有哪一種能夠完全消除水樹，但一般都能夠減少水樹的發(fā)生或者將水樹的生長(zhǎng)速率減緩約 40%到 50%。要想完全消除水樹枝，還有待于進(jìn)一步研究。

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