不同气压下XLPE电缆水树生长特性

朱博, 付伟强, 张涛, 朱亚琦, 何生坤

(1.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2.国网黑龙江省电力有限公司佳木斯供电公司,黑龙江 佳木斯 154000)

0 引 言

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆的特殊分子结构和交联结构使其具有优异的机械及电气性能,在全世界范围内被广泛应用[1]。水树老化是导致XLPE电缆绝缘性能下降、运行寿命缩短的主要因素,探究水树枝生长特性,判断电缆内部水树老化程度,逐渐成为电缆老化问题的关键,研究在不同条件下XLPE电缆的水树老化特性、寻找水树生长规律,对保障电力系统的安全运行有着重大意义[2-3]。

XLPE电缆在外电场和环境的共同作用下会发生热氧老化,聚乙烯大分子链断裂会产生H2、CO2、CO等气体,在电缆内部产生局部高气压,会进一步加速水树的生长,最终造成绝缘层开裂、电缆鼓包、电缆接头爆炸等故障,故气压是影响XLPE电缆老化甚至绝缘破坏的重要因素之一[4-5]。目前关于气压因素对XLPE水树枝影响的研究已取得了初步进展,但其只关注于气压或局部气压对电树枝的生长规律及老化特性[6-7],而关于气压对水树枝影响的研究仍是空白。ZHOU Lijun等为探究气压对XLPE电缆电树的温度依赖影响,通过实验发现在不同温度下气压对电树的引发和生长有着不同的影响。XLPE在低温下处于玻璃态,气体压力抑制了电树在生长期的发展;高温下XLPE处于高弹态时,高温高压存在较多的缺陷和分支通道,这是流柱发展的根本原因,从而加速了局放的发展[8]。周利军等研究发现:低温XLPE处于玻璃态,局放初期材料的机械性能良好,气压的升高对局放引发和生长初期无影响。局放后期,剧增的局部放电使插针区域软化,在气压作用下产生形变,电树枝沿应力集中区迅猛发展。高温 XLPE 处于高弹态,自由体积分数增加,气压越高绝缘材料受到的轴向拉力越大,材料电气性能下降越明显,树枝引发后通道气压升高,导致载流子更容易产生流柱进一步促进树枝状缺陷[9-11]。成睿研究了4种不同气压和温度下XLPE电缆和切块试样, 研究发现,低温下内壁气压对电树引发无明显作用,对生长有抑制作用。高温下气压电树的引发与生长起促进作用。分析认为内壁高气压导致大面积高温软化区产生形变是促进电树枝生长的主要因素。高温时XLPE力学模量的降低促进电树枝的引发,内壁气压对分子链的拉伸和通道内气压增强流柱放电过程导致电树枝的生长加剧[12-17]。岳刚等分别以XLPE短电缆和电缆绝缘层切片为试验样品,搭建试验系统,研究了局部气压作用在绝缘层或绝缘材料微孔内时的局部放电及其绝缘老化特征,发现局部高气压使电树枝通道内局部放电加剧,绝缘老化加速;微孔内的气压相较于绝缘层气压对电树枝内局部放电的促进作用更加明显[18]。综上所述,众多学者对于不同气压环境下XLPE电缆电树枝引发生长特性及老化过程进行了充分研究,但均只关注于电树枝老化一种老化形式,电缆实际运行时更容易在XLPE中产生水树枝,水树老化同样是电缆绝缘失效的重要原因之一,并且在一定条件下电树枝和水树枝可以相互促进生长,但目前针对气压和水树枝引发生长的相关研究目前尚无报道,因此研究在不同气压下XLPE电缆的水树老化特性和水树生长机理,寻找气压对水树生长的影响规律,准确检测并评估XLPE电缆水树老化程度,保证电缆安全运行具有重要意义[19-22]。

为研究气压对XLPE电缆水树老化的影响及高气压下的水树生长特性,本文基于15 kV的XLPE电缆试样,制作了可改变气压的电缆水树老化平台,通过人工制造水针缺陷来模拟电缆绝缘电场应力缺陷,对不同气压下的XLPE电缆样本进行2组不同时间的水树老化实验。宏观测试:对老化后电缆进行极化去极化电流(polarization and depolarization current,PDC)测试并分析,依据测试结果计算得到老化后电缆的直流电导率、0.1 Hz介质损耗因数及老化因子,通过宏观参数的变化规律分析电缆在不同气压环境下的老化情况。微观测试:对电缆试样进行切片,在显微镜下观察水树枝微观形貌,通过扫描电镜对水树横断面进行观测,对切片试样采用红外光谱分析。最后,通过汇总宏观参数和微观形貌参数,结合宏观与微观参数对电缆样本进行水树生长特性分析及电缆老化评估。

1 实验设计及测量方法

1.1 XLPE电缆试样制备

在进行电缆老化实验前,需要对电缆进行预处理工作。制备不同气压和老化时间的对照组试样,分组如表1所示。

表1 不同气压下老化的电缆试样设置

本实验选取的是WDZ-YJY-8.7/15 kV型电缆,预处理工作流程如下:将电缆的护套、铠装、填充材料以及铜屏蔽层全部去除,并将其切割成50 cm的短电缆样本,剥去其两端5 cm的绝缘层,裸露铜芯。在电缆两端剥离10 cm的外半导电层,露出XLPE绝缘层,保证足够的绝缘距离,防止发生沿面放电。以中间外半导电层区域15 cm为水树培养区,将曲率半径为3.0±0.2 μm的钢针垂直扎入间隔5 mm、深度2.5 mm的上下两排共计60个针孔。随后,将电缆两端绝缘层套上内径为30 mm的防水热缩管,令其与电缆绝缘层紧密贴合防止漏水,然后,在中间扎过针孔缺陷的部分套上内径为40 mm的热缩管,将其两端收紧,中间留出空腔中注满1 mol/L的NaCl溶液,在热缩管正上方预留孔位,用来放置电极和注入溶液。在老化前将试样置于预制气压下24 h。

1.2 XLPE电缆水树老化实验

XLPE电缆样本的预处理工作完成之后,对其进行水树老化实验,不同气压水树老化实验平台示意图如图1所示。本文的水树老化实验电源均设置为有效值7.5 kV、频率400 Hz的正弦交流电压,由Tektronix AFG3022C型函数发生器发出一个400 Hz的小电压信号,并由Trek 30/20 A型功率放大器放大,将高压加在铜鼻子端。图1中30 kΩ电阻为保护电阻,可以限制击穿和充放电时的回路电流,防止电流过大破坏电源从而保护设备,同时为了防止加压时电缆距离地面太近而导致放电,将电缆支撑在离地10 cm左右的位置。实验所用的铜电极由227IEC01(BV)型450/750 V铜芯聚氯乙烯绝缘电缆线芯替代,将其一端接地,另一端伸入老化溶液水平面以下。老化开始后使用高压探头以及示波器观察电缆上所加电压的波形、幅值以及频率。实验均在室温下进行,在老化过程中不可避免地会遇到老化溶液中的水分蒸发,并伴随着溶质析出的情况,还要定期将析出的溶质重新收集回热缩管的空腔中,并补充水分直至水位线到达之前的高度。

图1 不同气压水树老化平台示意图Fig.1 Schematic diagram of different air pressure water tree aging platform

1.3 不同气压老化实验平台的搭建

为了模拟XLPE电缆运行过程中在电缆内部产生的高气压环境对电缆水树枝引发和生长的影响,本文搭建了能够调节短电缆样本所处环境气压的加速水树老化试验平台。图1中的实验装置主要由气泵、导气管、气动接头、压力罐、气压表等组成。压力罐由无锡市凯宏达化工设备有限公司生产,最高可承受1.5 MPa的压力,气泵为ZB-0.11/7型空气压缩机,使用开关阀对气体的流速进行控制,将气泵中的气体通过导气管和气动接头注入压力罐中。在压力罐上方开两个螺纹孔并接通两根导线,并使用AB胶将导线与螺纹内壁紧密贴合,一根用来接通老化电源,另一根接地。

水树老化装置需置于气压实验平台中,在保证接线可靠的前提下密封压力罐,以保证老化全程罐内气压稳定。电缆试样两段铜芯裸露且铜芯连接高电压,而整个压力罐接地,故为防止发生短路,电缆试样和绝缘支撑架固定在压力罐内部,以保证试验时电缆试样与压力罐不发生相对位移。将高压端接在电缆试样的铜鼻子上,接地端连接在电缆热缩管上方的铜电极上。将导线合理摆放后封闭压力罐,并拧紧罐口的螺丝防止漏气,打开开关阀并观察气压表,直到罐内气压达到实验所需时关闭阀门并把导气管从气动接头上拔出。

1.4 XLPE电缆老化测量方法

本文研究搭建不同气压环境下XLPE电缆水树老化及生长特性,在不同气压下对XLPE电缆进行水树老化,通过PDC测量、频域介电谱分析从宏观角度判断电缆老化程度,通过光学显微镜、扫描电镜和红外光谱等方式获取树枝状缺陷的微观形貌、断面特征、元素及化学键特征,数据化对比分析不同气压下缺陷的演化规律,基于电物理、电化学、高分子材料学等理论分析气压因素对XLPE电缆树枝状老化的影响,为电缆的绝缘可靠性评估及电缆寿命的提升提供理论支撑。

2 宏观参数测量分析

2.1 PDC测试方法

XLPE电缆试样的几何电容C0的计算方法为

(1)

式中:L为电缆绝缘层的纵向长度,m;R1为绝缘层内半径,m;R2为绝缘层外半径,m。

电缆的直流电导率表达式为

(2)

由此可得XLPE电缆绝缘的介质损耗因数频域关系为

(3)

式中:tanδ(ω)为电缆的介质损耗因数;ε′(ω)为复介电系数的实部;ε″(ω)为复介电系数的虚部。

式(3)中等式右边第一项表示电导损耗因数,第二项表示极化损耗因数。复极化率的实部ε′(ω)和虚部ε″(ω)可用电缆的去极化电流联立下式进行求解。XLPE电缆绝缘的复极化率为

(4)

式中:χ(ω)为XLPE的复极化率;χ′(ω)为复极化率χ(ω)的实部;χ″(ω)为复极化率χ(ω)的虚部。将PDC测试得到的极化电流和去极化电流分解为3阶指数衰减的函数,表达式为:

(5)

(6)

式中:I0为去极化电流的稳态值,A;i代表上述3条支路的极化类型;ai为3种极化类型的拟合系数,能够反映介质内的陷阱密度;τi为3种极化的时间常数,能够反映介质内的陷阱深度;t为时间,s。

在电缆绝缘的三支路扩展德拜模型中,第一、第二支路的时间常数较小,且电缆在正常运行过程中,其时间常数几乎不发生变化。但当电缆内部发生水树老化时,代表电缆中金属盐、极性基团与水合离子极化的第三支路时间常数τ3的变化较大。由于电缆水树老化的这种特殊性,可以用Q(τ2)和Q(τ3)的比值计算得到老化因子Af来表征电缆的老化程度,Q(τ2)代表了电缆绝缘内无定形区与晶区界面极化的影响,Q(τ3)代表了离子与水分子极化的影响,计算公式为

(7)

式中:Af为电缆的老化因子;Q(τ2)和Q(τ3)的表达式为:

(8)

(9)

老化因子Af可以判断XLPE电缆的老化状态。但电缆中存在的缺陷位置不同、电缆的材料及制作工艺的差别、各国电缆的制作标准不同等都会影响老化因子的大小,因此各国对于老化因子的判据并不统一。

2.2 PDC测试结果及分析

使用0.1 mol/L的氯化钠溶液在0.1、0.2、0.3 MPa 3个气压等级下对XLPE电缆进行水树老化实验,老化时长为14及28 d。老化结束后,对电缆进行PDC测试,绘出极化-去极化电流图。不同气压环境下老化14和28 d的极化-去极化电流分别如图2和图3所示。

图2 不同气压环境老化14 d电缆的极化-去极化电流Fig.2 Polarization-depolarization current of cables aged for 14 days under different pressures

图3 不同气压环境老化28 d电缆的极化-去极化电流Fig.3 Polarization-depolarization current of cables aged for 28 days under different pressures

由图2可知,老化14 d后,气压环境对电缆样本的去极化电流影响不大,3个气压条件下电缆的去极化电流相差不明显。由图3可知,老化28 d后,气压环境对电缆的去极化电流略有影响,随着电缆周围环境气压的升高,其去极化电流也有所增大。

将不同气压环境老化后电缆的直流电导率绘制成折线图,结果如图4所示。可以看出,老化14 d后,3种气压环境下电缆的直流电导率相差不大;老化28 d后,随着电缆周围环境气压的升高,老化后的直流电导率也随之变大。因此可以初步断定,气压环境在前期对电缆的老化程度影响并不大,在老化28 d时才有显著影响。电导率的这种变化趋势可能是由于在老化初期XLPE分子链比较完整,将其破坏时所需能量较高,高气压环境给离子带来的冲击力及能量不足以更快地破坏分子链结构,导致水树通道的生长速度变化较小,使直流电导率的增长幅度不大。老化28 d时,交联聚乙烯分子链已经开始产生形变并断裂,离子在高气压环境下所增加的动能足以破坏部分形变的分子链,导致电导率增长的速度较老化初期更快。不同气压环境老化后电缆的介质损耗因数如表2所示。

图4 不同气压环境老化后电缆的直流电导率Fig.4 DC conductivity of cables aged under different atmospheric pressure environments

表2 不同气压环境老化后电缆的介质损耗因数

由表2可知,老化14 d后,3种气压环境下电缆老化后的0.1 Hz tanδ值均在1.4×10-3左右,已经大于1.2×10-3,说明XLPE电缆绝缘层已经开始老化,但不同气压对电缆的老化程度影响不大,通过西林电桥测量的50 Hz tanδ值也能证明此结论。老化28 d后,电缆的0.1 Hz tanδ值及50 Hz tanδ值随气压的升高,均有明显的上升趋势,说明气压环境在老化前期对电缆的影响不大,而随着老化时间加长,气压对电缆的水树老化程度影响开始逐渐增大,随着周围环境气压的升高,电缆的老化程度呈上升趋势。将不同气压环境老化后电缆的去极化电流代入式(7)～式(9)中,计算出不同气压环境老化后电缆的老化因子如图5所示。由图可知,老化14 d后,电缆的老化因子随气压的升高并没有明显的变化,老化28 d后,随着周围环境气压的升高,电缆的老化因子呈升高趋势。结合电缆直流电导率、介质损耗因数和老化因子的变化趋势,可以说明老化前期气压环境对电缆老化程度的影响并不是很大,而随着老化时间的加长,电缆的老化程度随周围气压环境的升高呈增大趋势。

图5 不同气压环境老化后电缆的老化因子Fig.5 Aging factors of cables aged under different atmospheric pressure environments

通过对比不同气压环境老化后电缆的宏观参数测试结果发现,前14 d内气压环境对电缆老化程度的影响不大,在老化14～28 d内,电缆的老化程度随周围气压环境的升高呈增大趋势。

2.3 基于宏观参数对电缆水树老化程度的预测

本文使用皮尔逊相关系数法对电缆的微观参数与宏观参数的关联程度进行分析,该方法可准确衡量两组变量之间的关联程度。皮尔逊相关系数适用于两个变量标准差都不为0且两个变量之间是线性关系,水树密度分别与直流电导率、介质损耗因数和老化因子满足上述关系,故可以采用皮尔逊相关系数评估其相关性,据此将宏观参数与微观参数相结合。为了建立XLPE电缆内部水树微观结构与宏观参数的关联性,采用皮尔逊相关系数法将电缆PDC测试所得的老化因子、直流电导率、0.1 Hz介质损耗因数3个评价指标与水树密度进行相关性分析,衡量两组数据之间的关联程度[19-20]。两个变量之间的相关系数计算方法为

(10)

为了得到不同气压环境下XLPE电缆的水树枝生长预测模型,要将电缆的宏观参数与水树密度进行拟合,首先计算出电缆的水树密度如表3所示。其次用式(10)计算出宏观参数与水树密度的相关系数,结果如表4所示。

表3 不同气压环境老化后电缆的水树密度

表4 宏观参数与水树密度的相关性计算结果

根据表3可知,不同气压环境老化后电缆的3种宏观参数与水树密度的相关系数均大于0.9,可以认为三者与水树密度均存在线性关联。将电缆的宏观参数与水树密度进行多项式拟合,拟合结果如图6所示。

图6 不同气压环境老化后电缆宏观参数与水树密度的拟合曲线Fig.6 Fitting curve between macroscopic parameters of cables and water tree density after agingin different atmospheric pressure environments

由图6(a)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与直流电导率的关系为

ρ=-4.63×10-3+1.152×10-4σ0。

(11)

由图6(b)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与0.1 Hz介质损耗因数关系为

(12)

由图6(c)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与老化因子的关系为

(13)

用表4中相关系数的比值作为其影响权重,计算得到不同气压环境老化后电缆的3种宏观参数对水树密度的影响权重分别为0.333、0.334、0.333。对式(10)～式(12)进行赋权处理,得到不同气压环境老化后XLPE电缆宏观介电参数与水树密度的数学表达式为

ρ=-1.298+3.836×10-5σ0-2.97×10-3×

(14)

通过式(14)可以看出,随着σ0、tanδ0.1以及Af的增大,电缆的水树密度ρ也会增加。水树密度越大代表电缆水树老化程度越深,内部微观缺陷也越多,该式将电缆的宏观参数与微观形貌相结合,实现了对不同气压环境老化后XLPE电缆水树老化程度的无损检测。

统计了不同气压环境老化后电缆内部水树生长体积和微孔面积,发现气压环境在老化前期对水树的促进作用不大,到了老化中期开始对水树生长起促进作用。产生这种现象的主要原因是,老化前期和老化中期高场强区位置不同,使电场力方向及大小有所改变,导致气压对离子运动速度的影响不同,且交联聚乙烯分子链在老化前期不易断裂,老化中期键能下降,易受到气压影响使分子链断裂加剧,导致水树老化程度加深。

3 微观参数测量分析

为了判断电缆内部水树生长情况及生长特性,需要对XLPE电缆片状试样进行微观检测。通过对不同条件下老化后电缆的切片试样进行光学显微镜观测、扫描电子显微镜观测、红外光谱测试,统计电缆内部水树枝的生长情况,分析不同条件对XLPE电缆水树枝生长的影响机理并探究其生长特性。将宏观测试结果与微观检测结果相结合,得到不同条件下XLPE电缆水树枝生长预测模型。

3.1 光学显微镜观测结果

为了定量描述水树枝大小,选择将针尖周围的水树枝近似看作半个椭球体,将水树枝向左及向右最长分支的长度作为椭球体的a轴和b轴,向下最长分支的长度作为椭球体的c轴,用半个椭球的体积作为水树枝的体积,来衡量水树枝的生长情况。水树模型的体积公式为

(15)

式中:L1为水树枝向左生长的宽度最大值,mm;L2为水树枝向右生长的宽度最大值,mm;L3为水树枝向下生长的长度最大值,mm;V为水树枝模型的体积,mm3。

使用光学显微镜对第一组片状试样的水树区域进行观测,观测到在0.1、0.2、0.3 MPa气压条件下老化28 d后电缆的水树微观形貌如图7所示。

图7 不同气压环境老化28 d后水树枝图Fig.7 Water tree diagram after aging for 28 days under different atmospheric pressures

将统计出的水树枝长度和宽度代入式(15),计算出不同气压环境老化后电缆水树枝的体积,并绘制成箱体图,如图8所示。

图8 不同气压环境老化后水树体积统计结果Fig.8 Statistical results of water tree volume after aging in different atmospheric pressure environments

根据图8统计结果可知,0.1 MPa气压下电缆老化后水树平均体积从14 d的0.035 5 mm3增长到了28 d的0.135 mm3;0.2 MPa气压下电缆老化后水树平均体积从14 d的0.037 1 mm3增长到了28 d的0.162 mm3;0.3 MPa气压下电缆老化后水树平均体积从14 d的0.038 4 mm3增长到了28 d的0.194 mm3。可以看出,老化14 d后,气压条件对电缆水树生长的促进作用并不大,随着气压的提升,0.2和0.3 MPa气压下水树体积的增长幅度仅有4.36%和8.16%。老化28 d后,气压条件对电缆水树生长的促进作用较大,随着气压的提升,0.2和0.3 MPa气压下水树体积的增长幅度达到了20.04%和43.33%。说明电缆在水树老化前期,气压条件对水树的生长影响不大,到了老化中期,气压环境对XLPE电缆的水树生长有促进作用。

3.2 扫描电子显微镜观测结果

将电缆试样切成1 mm厚的切片,切片能够明显看到针孔且在染色后能在显微镜下观察到针尖的水树区域,通过液氮脆断后置于扫描电镜下观察断面形貌,找到水树孔洞区拍摄。0.3 MPa下XLPE电缆水树老化28 d扫描电镜图如图9所示,图中可在断面中明显看到水树微孔,通过测量可知水树孔洞直径在1～2 μm之间且孔洞分布较为密集。

图9 0.3 MPa,28 d电缆水树孔洞扫描电镜图Fig.9 0.3 MPa,28 d cable water tree hole scanning electron microscopy

将第二组片状试样进行SEM观测,并标注微孔的长轴及短轴的长度,选择5个典型微孔并使用下式计算其面积,即

S=πab。

(16)

式中:a为椭圆形微孔的长轴,μm;b为椭圆形微孔的短轴,μm;S为微孔的面积,μm2。

绘制成箱型图如图10所示。由图可知,老化14 d时,3种气压环境下生长的水树枝微孔面积相差不大;而老化持续到28 d后,随着气压的增加,水树枝的微孔面积也随之增加。在水树生长前期(0～14 d),针尖缺陷处的电场强度高,离子在电场力的作用下向针尖下方进行扩散运动,使老化前期的水树枝主要集中在针尖下方。此时,气压环境对水树枝的生长以及水树通道的扩张影响不大,主要是因为老化初期交联聚乙烯分子链力学模量保持良好,还未受到水分及离子的冲击,气压条件对离子运动的促进作用不足以破坏分子链。且此时高场强点都集中在针孔缺陷下方,离子受电场力后的运动轨迹大致相同。即使增加了外部气压,溶液中的离子半径不变,扩散速度略有增加,但与强电场力作用下的运动速度相比并没有显著提升,所以老化前期的气压环境对水树通道的扩张作用几乎没有影响。但到了老化中期(14～28 d),“珍珠串”型水树长度发展到了200～300 μm,此时水树枝已经向四周进行扩散,不再只沿着针孔缺陷方向生长。这时高场强区不再集中在针尖下方,而是在各个水树枝的末端,此时离子受到的电场力方向范围较广,水树的生长方式转变为向两侧发展为主。且在老化中期,水树通道末端的交联聚乙烯分子链形变严重,更容易发生断裂。随着周围气压的提升,溶液中的水分和离子进入缺陷的速度加快,其受到电场力作用后的冲击力也越大,产生的能量大于水树末端分子链的键能后使其断裂,导致水树末端生长速度加快,在宏观上表现为水树体积的增加以及水树通道和微孔宽度的扩张。

图10 不同气压环境老化后水树微孔面积Fig.10 Micropore area of water tree after aging under different atmospheric pressures

3.3 红外光谱分析

对水树区域进行红外光谱扫描,得到不同气压环境老化14 d后电缆水树区域的红外光谱如图11所示。

图11 不同气压环境老化14 d后电缆水树区域的红外光谱Fig.11 Infrared spectra of watertrees aged for 14 days under different atmospheric pressures

本文采用ASTM D6645-01推荐的方法,选择将2 019 cm-1处的合频振动峰作为内标峰,就能够排除厚度对吸收峰峰值的影响,含水指数的计算公式为

(17)

式中:A3 370为波数3 370 cm-1处O-H键伸缩振动峰的吸光度,%;A2 019为波数2 019 cm-1处合频振动峰的吸光度,%。

本文使用的红外光谱仪测得数据为透光率,需要将其转换为吸光度,计算公式为

(18)

式中:Ai为吸光度,%;Ti为透光率,%。

为了量化电缆的水树老化程度,将波数3 370 cm-1及2 019 cm-1处的透光率代入式(17)及式(18)中,计算出不同气压环境老化后电缆的含水指数如表5所示。

表5 不同气压环境老化后电缆的含水指数

从表5中可以看出,在老化14 d后,随着气压的提升,电缆的含水指数有少许增长;到了老化28 d时,电缆的含水指数有明显的提升。

将微观检测结果和宏观测试结果相结合,可以得出,气压环境对XLPE电缆的水树生长有一定影响。在老化前期,交联聚乙烯分子链的力学模量保持良好,高气压对水树的促进作用十分有限。到了老化中期,高场强位置从针孔处转变为水树通道末端,并且此时交联聚乙烯分子链已经发生了形变,气压对离子扩散速度的提升导致分子链断裂速度加剧,对水树枝的生长产生了促进作用。从微观角度分析,水树的生长与XLPE的分子链取向有关,取向是指在电场力作用下,XLPE材料的非晶区分子链会逐渐沿着某个方向作定向排列。在外界未加电场作用前, XLPE材料的分子链总是趋于无序排列,此时的XLPE分子链表现出各向异性,无取向行为发生。在外加电场作用后,针尖及其附近的场强均已超过临界取向场强值,故均已发生局部取向。XLPE材料的分子链主要以共价键力和范德华力为主,范德华力的键能较小,极易在外力作用下发生断裂,而共价键力则刚好相反。当水分子沿XLPE材料的针孔缺陷侵入非晶区的分子链时,会在交界面处形成麦克斯韦应力,XLPE分子链上的范德华力受到幅值不断变化的麦克斯韦应力的作用产生机械疲劳而更容易断裂,并且局部取向的程度取决于麦克斯韦应力的大小。麦克斯韦应力越大,局部取向程度越大, XLPE分子链的范德华力越容易被破坏,水树沿局部取向方向的生长通道越长,故水树生长(沿取向方向)速率越快。

4 结 论

本文针对XLPE电缆的水树老化问题,通过水树老化实验、PDC电流测试和切片试样的微观检测相结合的方式对不同气压环境下电缆的水树枝生长特性进行详细研究,得出以下结论:

1)宏观参数结果表明,老化14 d后,气压环境对电缆老化程度影响不大;老化28 d后,随着气压升高,电缆老化程度也随之增大。老化前期和老化中期高场强区位置不同,使电场力方向及大小有所改变,导致气压对离子运动速度的影响不同,且交联聚乙烯分子链在老化前期不易断裂,老化中期键能下降,易受到气压影响使分子链断裂加剧,导致水树老化程度的加深。同时,气压因素对水树老化的影响与时间相关。根据老化因子可知,气压从0.1到0.3 MPa,老化14 d的试样老化因子增加了1.6%,而老化28 d的试样老化因子增加了7.1%,可以认为在老化前期,水树处于引发阶段,此阶段气压作用不明显,而在水树生长阶段,气压升高明显可促进水树生长。

2)通过红外光谱测试结果计算了电缆的含水指数,能够表征XLPE电缆内部水树老化程度,并对水树体积和含水指数进行拟合,验证了其与水树体积呈线性相关关系。在老化前期,交联聚乙烯分子链的力学模量保持良好,高气压对水树的促进作用十分有限。到了老化中期,高场强位置从针孔处转变为水树通道末端,并且此时交联聚乙烯分子链已经发生了形变,气压对离子扩散速度的提升导致分子链断裂速度加剧,对水树枝的生长产生促进作用。

3)将不同条件下老化后电缆的宏观参数与水树密度进行拟合,得到基于直流电导率、0.1 Hz介质损耗因数及老化因子的水树密度预测模型,提供了一种对XLPE电缆水树老化程度无损检测的新方法。水树密度越大代表电缆水树老化程度越深,内部微观缺陷也越多,该方法将电缆的宏观参数与微观形貌相结合,实现了对不同气压环境老化后XLPE电缆水树老化程度的无损检测。