抗水树交联聚乙烯绝缘电力电缆的研究

赵海燕

(特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司，山东新泰271200)

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆(以下简称交联电缆)在电场和水的作用下会产生树枝状放电通道，这种现象称为水树。水树会随着时间的发展继续生长，最终导致绝缘击穿，成为电力电缆早期损坏的重要原因。

普通的交联电缆的生产及应用已有近三十年的历史，其在干燥环境下具有优良的电气和机械性能，但在实际应用中电缆敷设的环境通常比较恶劣，电缆经常需要短期或长期浸泡在水中，或者处在潮气湿度很大的环境下，而普通交联电缆完全不具有抗水树能力，在长期使用下绝缘会逐渐吸收环境中的水分，再由于电缆绝缘中存在大量的微小空隙，因此在微孔中会充满水分，而充水微孔可在很低的电压下产生水树。在电场的长期作用下，电缆绝缘层中会引发大量的水树枝，水树老化使绝缘分子开裂;当微孔中水树达到饱和状态时，绝缘电气和机械性能将急剧下降，导电的水树枝(电树枝)会损耗大量的电能，并最终引起电缆绝缘层的击穿，从而大大减少电缆寿命。

据统计，国内城网10～35 kV系统中，地下使用的普通XLPE绝缘电缆，普遍在运行8～12年后就会生长出大量水树，致使大量交联电缆发生因水树击穿而造成线路事故，降低了电缆使用寿命，影响电网的安全运行。

欧洲和北美电力系统中抗水树的中压交联电缆市场占有率高达95%以上并已具有成熟的运行经验，安全可靠和使用寿命十分理想。在过去20年中，北美的电力企业已在主干线配电线路中采用抗水树中压电缆，在欧洲抗水树交联电缆的使用效果也较好。图1为北美地区普通型交联(XLPE)电缆和抗水型交联(TR-XLPE)电缆使用情况的比较。

图1 北美地区交联电缆使用情况的比较

为此，我公司2002年开始立项研发抗水树交联电缆，并与武汉高压研究所合作研究抗水树交联电缆加速水树老化的性能试验，于2005年获得了武高所提供的抗水树性能鉴定试验报告，2007年通过山东省科技厅产品的成果鉴定。本文主要是对这项研究作简要介绍。

1 水树枝的定义及产生的机理

DL/T 1070—2007标准对水树的定义是“在绝缘中存在水分、电应力和某些诱发因素，如杂质、突起、空间电荷或离子时发展成的一些微通道”。

水树产生机理的分析目前尚有几种不同的理论，相比之下有两个主流的理论是得到广泛的认可，一是电应力理论，二是电化学氧化理论。

电应力理论认为，电缆在生产和运行过程中的内部应力是促进水树枝生长的主要原因。当电缆在经受电压和水时，在高压工频电场中，极性水分子产生强烈的迁移并将电场能转化为动能和热能，获得巨大能量的水分子在绝缘内部剧烈运动。当水分子能量足以打断电缆绝缘层XLPE分子链的时候，就会在绝缘内部产生细微的裂纹，导体附近的XLPE绝缘的应变就会增加，而在应变较大的区域(如杂质和气孔等处)便生成水树枝。

电化学氧化理论认为，水中存在的离子会促进聚合物发生氧化作用，氧化作用破坏了聚合物分子链，于是在聚合物内部形成小孔。氧化产生的羧酸阴离子使得水树的小孔壁更加亲水，所以渗透的离子溶解于亲水性的小孔内。

另外，还有一种理论认为，水树枝生长与局部放电为彼此的诱因，在局部放电高压电场下，电缆绝缘内部的水分子从电场中获得能量，产生水锤效应。在水分子的撞击下，XLPE高分子链发生断裂，并在电缆绝缘层中出现细微气隙。气隙不断长大逐步生成水树枝。

2 中压交联电缆常见的质量缺陷及引起的水树枝放电现象

表1为中压交联电缆常见的质量缺陷及其引起的水树枝形态。

表1 中压交联电缆常见质量缺陷及其引起的水树枝的形态

当内、外半导电层与绝缘层之间存在突起时，如存在剥离或空隙，将引起电场集中，并以此为起点，向绝缘层一侧产生树枝，形成了内、外导型水树枝。

当绝缘体中存在空穴异物时，会造成电场集中，并以此为起点产生蝴蝶状树枝;当绝缘体中存在微孔时，将会产生电晕放电树枝，通常其比上述水树枝先形成并即发生电气放电。图2～图4分别为几种因电缆质量的缺陷引起的水树枝形态。

图2 发散形水树枝之一(存在于内屏蔽缺陷处)

图3 发散形水树枝之二(存在于内、外屏蔽缺陷处)

图4 领结形水树(存在于绝缘缺陷处)

3 水树枝的危害

水树枝微观结构为直径大约为0.1～1 μm的连接或者不连接的充水小孔。随着水树枝的生长，水树枝尖端的电场愈加集中，促使水树枝的延伸，局部的高电场最终会导致水树枝尖端引发电树枝，最后大面积贯穿整个绝缘体的树枝导致电缆击穿破坏。高温下水树枝会发生明显的氧化，导致吸水性增大和导电性升高，最终会出现热击穿;低温下，水树枝经较长时间氧化或转化为电树枝，破坏性就越来越严重。整个的发展是由多种因素所决定，通常使用8年后会开始发生由水树枝造成的电缆击穿。

4 抗水树交联电缆的设计思路

4.1 设计思路

电缆在使用过程中，要达到很好的抗水树效果，具体对策是要尽量减少绝缘体中的水分和空穴，要去除半导电层与绝缘层之间界面容易引起电场集中的突起部分，减小树枝放电的扩展，即使发生水树枝，也能够抑制水树的继续生长和抑制水树枝放电。基于这种抗水树交联电缆的设计思路，我们从电缆的结构设计、原材料使用、工艺控制、敷设安装等四大方面考虑，使电缆的使用寿命达到最优化。为此，在电缆制造工艺中采用如下的对策:

(1)材料储存和产品生产在高洁净度条件下;

(2)采用全干式三层共挤生产线;

(3)内外屏蔽采用进口超光滑半导电屏蔽料，绝缘采用进口超净级抗水树型XLPE绝缘材料。

这样保证了电缆三层界面非常光滑，将发散形水树枝产生的隐患降到最小，同时将绝缘层中杂质含量控制在最低限度，避免了绝缘内部杂质水分等应力集中缺陷诱发领结形水树。

4.2 抗水树交联电缆的结构

图5为YJV-10 kV抗水树电缆的结构，其中:铜导体截面积为50 mm2，圆形、绞合和紧压;导体屏蔽标称厚度为0.6 mm，挤出型半导电共聚物，原材料型号为HFDA 0586;绝缘标称厚度为4.5 mm，挤出抗水树XLPE绝缘，原材料型号为HFDB 4202 NT;绝缘屏蔽标称厚度为0.8 mm，挤出型半导电共聚物，原材料型号为HFDA 0693;金属屏蔽采用铜带规格为0.12 mm×25 mm，重叠绕包。

图5 YJV-10 kV抗水树电缆结构示意图

4.3 绝缘的设计要求

表2为超净抗水树TR-XLPE绝缘料的指标要求，其具有高的洁净度和抗水树能力，能保留原有普通型XLPE相同的优良机械物理和电气性能，具有较低的介质损耗。

表2 超净抗水树TR-XLPE绝缘料的指标要求

5 抗水树交联电缆试验项目和流程

参照ICEA S-94-649标准，对抗水树交联电缆进行成品性能试验，试验项目和试验流程见图6。

5.1 交流逐级击穿试验

交流逐级击穿试验(图7)旨在考核试样在14天负荷循环前后以及加速水树老化后的工频击穿性能。其中，样品1、2、3是负荷循环(14天)前的击穿试验，其击穿场强值均大于ICEA S-94-649要求的24.4 kV/mm;样品 7、8、9 是负荷循环(14 天)后的击穿试验，其击穿场强值均大于标准要求的26 kV/mm。以下为加速水树老化后击穿试验:样品13、14、15是120天后的击穿试验，其击穿场强值均大于标准要求的26 kV/mm;样品16、17、18是180天后的击穿试验，其击穿场强值均大于标准要求的22.8 kV/mm;样品 19、20、21 是 360天后的击穿试验，其击穿场强值均大于标准要求的15 kV/mm。

5.2 热冲击逐级击穿试验

热冲击逐级击穿试验(图8)是为了考核试样的冲击电压性能，其中样品4、5、6是循环负荷试验前进行的热冲击逐级击穿试验，样品10、11、12是循环负荷试验后进行的热冲击逐级击穿试验。其击穿场强值都远远大于标准要求的47.2 kV/mm。

5.3 局部放电试验

图9为局部放电试验数据，是为了考核试样14天负荷循环前后及加速水树老化后的局部放电性能。其中，样品1、2、3是负荷循环(14天)前试验数据，样品7、8、9是14天负荷循环后的试验数据。以下为加速水树老化后局部放电的试验数据:样品13、14、15 是120 天后的试验数据，样品16、17、18 是180天后的试验数据，样品19、20、21是360天后的试验数据。其试验结果全部满足标准要求，即局部放电量不大于5 pC。

图6 抗水树交联电缆成品的试验项目和流程

图7 交流逐级击穿试验

图8 热冲击逐级击穿试验

5.4 水树的检查和计数

对已完成交流逐级击穿试验的样品13、14、15、16、17、18、19、20、21 进行了水树检查。对每一个样品，都在击穿点附近切取30个圆片，使用亚甲基蓝染色并晾干后，在显微镜下观察水树的生长情况。观察后未发现大于0.25 mm的管状水树，但存在大、小型领结状水树，详细统计见表3、表4。

图9 局部放电试验

表3 小型领结状(0.14～0.25 mm)水树分布密度的统计(单位:个/cm3)

表4 大型领结状(0.26～1.02 mm)水树分布密度的统计(单位:个/cm3)

由上述可知，抗水树交联电缆YJV-8.7/10 kV 1×50 mm2，参照ICEA S-94-649标准进行了加速水树老化性能研究，试验结果完全符合标准要求，验证了该电缆具有优良的抗水树老化性能。

［1］ICEA S-94-649 额定电压5～46 kV同心中性线电缆标准［S］.

［2］AEIC CS8-00 额定电压5～46 kV挤包绝缘屏蔽型电力电缆技术规范［S］.

［3］孙 颖，曹晓珑.聚合物抗水树性能的评估方法及试验研究［C］//2009年中国线缆材料大会论文集.南京:2009.