抗水樹(shù)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的研究

趙海燕

(特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271200)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜(以下簡(jiǎn)稱交聯(lián)電纜)在電場(chǎng)和水的作用下會(huì)產(chǎn)生樹(shù)枝狀放電通道，這種現(xiàn)象稱為水樹(shù)。水樹(shù)會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展繼續(xù)生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，成為電力電纜早期損壞的重要原因。

普通的交聯(lián)電纜的生產(chǎn)及應(yīng)用已有近三十年的歷史，其在干燥環(huán)境下具有優(yōu)良的電氣和機(jī)械性能，但在實(shí)際應(yīng)用中電纜敷設(shè)的環(huán)境通常比較惡劣，電纜經(jīng)常需要短期或長(zhǎng)期浸泡在水中，或者處在潮氣濕度很大的環(huán)境下，而普通交聯(lián)電纜完全不具有抗水樹(shù)能力，在長(zhǎng)期使用下絕緣會(huì)逐漸吸收環(huán)境中的水分，再由于電纜絕緣中存在大量的微小空隙，因此在微孔中會(huì)充滿水分，而充水微孔可在很低的電壓下產(chǎn)生水樹(shù)。在電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，電纜絕緣層中會(huì)引發(fā)大量的水樹(shù)枝，水樹(shù)老化使絕緣分子開(kāi)裂;當(dāng)微孔中水樹(shù)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，絕緣電氣和機(jī)械性能將急劇下降，導(dǎo)電的水樹(shù)枝(電樹(shù)枝)會(huì)損耗大量的電能，并最終引起電纜絕緣層的擊穿，從而大大減少電纜壽命。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)城網(wǎng)10～35 kV系統(tǒng)中，地下使用的普通XLPE絕緣電纜，普遍在運(yùn)行8～12年后就會(huì)生長(zhǎng)出大量水樹(shù)，致使大量交聯(lián)電纜發(fā)生因水樹(shù)擊穿而造成線路事故，降低了電纜使用壽命，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

歐洲和北美電力系統(tǒng)中抗水樹(shù)的中壓交聯(lián)電纜市場(chǎng)占有率高達(dá)95%以上并已具有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，安全可靠和使用壽命十分理想。在過(guò)去20年中，北美的電力企業(yè)已在主干線配電線路中采用抗水樹(shù)中壓電纜，在歐洲抗水樹(shù)交聯(lián)電纜的使用效果也較好。圖1為北美地區(qū)普通型交聯(lián)(XLPE)電纜和抗水型交聯(lián)(TR-XLPE)電纜使用情況的比較。

圖1 北美地區(qū)交聯(lián)電纜使用情況的比較

為此，我公司2002年開(kāi)始立項(xiàng)研發(fā)抗水樹(shù)交聯(lián)電纜，并與武漢高壓研究所合作研究抗水樹(shù)交聯(lián)電纜加速水樹(shù)老化的性能試驗(yàn)，于2005年獲得了武高所提供的抗水樹(shù)性能鑒定試驗(yàn)報(bào)告，2007年通過(guò)山東省科技廳產(chǎn)品的成果鑒定。本文主要是對(duì)這項(xiàng)研究作簡(jiǎn)要介紹。

1 水樹(shù)枝的定義及產(chǎn)生的機(jī)理

DL/T 1070—2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水樹(shù)的定義是“在絕緣中存在水分、電應(yīng)力和某些誘發(fā)因素，如雜質(zhì)、突起、空間電荷或離子時(shí)發(fā)展成的一些微通道”。

水樹(shù)產(chǎn)生機(jī)理的分析目前尚有幾種不同的理論，相比之下有兩個(gè)主流的理論是得到廣泛的認(rèn)可，一是電應(yīng)力理論，二是電化學(xué)氧化理論。

電應(yīng)力理論認(rèn)為，電纜在生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)力是促進(jìn)水樹(shù)枝生長(zhǎng)的主要原因。當(dāng)電纜在經(jīng)受電壓和水時(shí)，在高壓工頻電場(chǎng)中，極性水分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的遷移并將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和熱能，獲得巨大能量的水分子在絕緣內(nèi)部劇烈運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水分子能量足以打斷電纜絕緣層X(jué)LPE分子鏈的時(shí)候，就會(huì)在絕緣內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微的裂紋，導(dǎo)體附近的XLPE絕緣的應(yīng)變就會(huì)增加，而在應(yīng)變較大的區(qū)域(如雜質(zhì)和氣孔等處)便生成水樹(shù)枝。

電化學(xué)氧化理論認(rèn)為，水中存在的離子會(huì)促進(jìn)聚合物發(fā)生氧化作用，氧化作用破壞了聚合物分子鏈，于是在聚合物內(nèi)部形成小孔。氧化產(chǎn)生的羧酸陰離子使得水樹(shù)的小孔壁更加親水，所以滲透的離子溶解于親水性的小孔內(nèi)。

另外，還有一種理論認(rèn)為，水樹(shù)枝生長(zhǎng)與局部放電為彼此的誘因，在局部放電高壓電場(chǎng)下，電纜絕緣內(nèi)部的水分子從電場(chǎng)中獲得能量，產(chǎn)生水錘效應(yīng)。在水分子的撞擊下，XLPE高分子鏈發(fā)生斷裂，并在電纜絕緣層中出現(xiàn)細(xì)微氣隙。氣隙不斷長(zhǎng)大逐步生成水樹(shù)枝。

2 中壓交聯(lián)電纜常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷及引起的水樹(shù)枝放電現(xiàn)象

表1為中壓交聯(lián)電纜常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷及其引起的水樹(shù)枝形態(tài)。

表1 中壓交聯(lián)電纜常見(jiàn)質(zhì)量缺陷及其引起的水樹(shù)枝的形態(tài)

當(dāng)內(nèi)、外半導(dǎo)電層與絕緣層之間存在突起時(shí)，如存在剝離或空隙，將引起電場(chǎng)集中，并以此為起點(diǎn)，向絕緣層一側(cè)產(chǎn)生樹(shù)枝，形成了內(nèi)、外導(dǎo)型水樹(shù)枝。

當(dāng)絕緣體中存在空穴異物時(shí)，會(huì)造成電場(chǎng)集中，并以此為起點(diǎn)產(chǎn)生蝴蝶狀樹(shù)枝;當(dāng)絕緣體中存在微孔時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電暈放電樹(shù)枝，通常其比上述水樹(shù)枝先形成并即發(fā)生電氣放電。圖2～圖4分別為幾種因電纜質(zhì)量的缺陷引起的水樹(shù)枝形態(tài)。

圖2 發(fā)散形水樹(shù)枝之一(存在于內(nèi)屏蔽缺陷處)

圖3 發(fā)散形水樹(shù)枝之二(存在于內(nèi)、外屏蔽缺陷處)

圖4 領(lǐng)結(jié)形水樹(shù)(存在于絕緣缺陷處)

3 水樹(shù)枝的危害

水樹(shù)枝微觀結(jié)構(gòu)為直徑大約為0.1～1 μm的連接或者不連接的充水小孔。隨著水樹(shù)枝的生長(zhǎng)，水樹(shù)枝尖端的電場(chǎng)愈加集中，促使水樹(shù)枝的延伸，局部的高電場(chǎng)最終會(huì)導(dǎo)致水樹(shù)枝尖端引發(fā)電樹(shù)枝，最后大面積貫穿整個(gè)絕緣體的樹(shù)枝導(dǎo)致電纜擊穿破壞。高溫下水樹(shù)枝會(huì)發(fā)生明顯的氧化，導(dǎo)致吸水性增大和導(dǎo)電性升高，最終會(huì)出現(xiàn)熱擊穿;低溫下，水樹(shù)枝經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間氧化或轉(zhuǎn)化為電樹(shù)枝，破壞性就越來(lái)越嚴(yán)重。整個(gè)的發(fā)展是由多種因素所決定，通常使用8年后會(huì)開(kāi)始發(fā)生由水樹(shù)枝造成的電纜擊穿。

4 抗水樹(shù)交聯(lián)電纜的設(shè)計(jì)思路

4.1 設(shè)計(jì)思路

電纜在使用過(guò)程中，要達(dá)到很好的抗水樹(shù)效果，具體對(duì)策是要盡量減少絕緣體中的水分和空穴，要去除半導(dǎo)電層與絕緣層之間界面容易引起電場(chǎng)集中的突起部分，減小樹(shù)枝放電的擴(kuò)展，即使發(fā)生水樹(shù)枝，也能夠抑制水樹(shù)的繼續(xù)生長(zhǎng)和抑制水樹(shù)枝放電。基于這種抗水樹(shù)交聯(lián)電纜的設(shè)計(jì)思路，我們從電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料使用、工藝控制、敷設(shè)安裝等四大方面考慮，使電纜的使用壽命達(dá)到最優(yōu)化。為此，在電纜制造工藝中采用如下的對(duì)策:

(1)材料儲(chǔ)存和產(chǎn)品生產(chǎn)在高潔凈度條件下;

(2)采用全干式三層共擠生產(chǎn)線;

(3)內(nèi)外屏蔽采用進(jìn)口超光滑半導(dǎo)電屏蔽料，絕緣采用進(jìn)口超凈級(jí)抗水樹(shù)型XLPE絕緣材料。

這樣保證了電纜三層界面非常光滑，將發(fā)散形水樹(shù)枝產(chǎn)生的隱患降到最小，同時(shí)將絕緣層中雜質(zhì)含量控制在最低限度，避免了絕緣內(nèi)部雜質(zhì)水分等應(yīng)力集中缺陷誘發(fā)領(lǐng)結(jié)形水樹(shù)。

4.2 抗水樹(shù)交聯(lián)電纜的結(jié)構(gòu)

圖5為YJV-10 kV抗水樹(shù)電纜的結(jié)構(gòu)，其中:銅導(dǎo)體截面積為50 mm2，圓形、絞合和緊壓;導(dǎo)體屏蔽標(biāo)稱厚度為0.6 mm，擠出型半導(dǎo)電共聚物，原材料型號(hào)為HFDA 0586;絕緣標(biāo)稱厚度為4.5 mm，擠出抗水樹(shù)XLPE絕緣，原材料型號(hào)為HFDB 4202 NT;絕緣屏蔽標(biāo)稱厚度為0.8 mm，擠出型半導(dǎo)電共聚物，原材料型號(hào)為HFDA 0693;金屬屏蔽采用銅帶規(guī)格為0.12 mm×25 mm，重疊繞包。

圖5 YJV-10 kV抗水樹(shù)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 絕緣的設(shè)計(jì)要求

表2為超凈抗水樹(shù)TR-XLPE絕緣料的指標(biāo)要求，其具有高的潔凈度和抗水樹(shù)能力，能保留原有普通型XLPE相同的優(yōu)良機(jī)械物理和電氣性能，具有較低的介質(zhì)損耗。

表2 超凈抗水樹(shù)TR-XLPE絕緣料的指標(biāo)要求

5 抗水樹(shù)交聯(lián)電纜試驗(yàn)項(xiàng)目和流程

參照ICEA S-94-649標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抗水樹(shù)交聯(lián)電纜進(jìn)行成品性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)流程見(jiàn)圖6。

5.1 交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)(圖7)旨在考核試樣在14天負(fù)荷循環(huán)前后以及加速水樹(shù)老化后的工頻擊穿性能。其中，樣品1、2、3是負(fù)荷循環(huán)(14天)前的擊穿試驗(yàn)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均大于ICEA S-94-649要求的24.4 kV/mm;樣品 7、8、9 是負(fù)荷循環(huán)(14 天)后的擊穿試驗(yàn)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的26 kV/mm。以下為加速水樹(shù)老化后擊穿試驗(yàn):樣品13、14、15是120天后的擊穿試驗(yàn)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的26 kV/mm;樣品16、17、18是180天后的擊穿試驗(yàn)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的22.8 kV/mm;樣品 19、20、21 是 360天后的擊穿試驗(yàn)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的15 kV/mm。

5.2 熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)(圖8)是為了考核試樣的沖擊電壓性能，其中樣品4、5、6是循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)前進(jìn)行的熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)，樣品10、11、12是循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)后進(jìn)行的熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)。其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的47.2 kV/mm。

5.3 局部放電試驗(yàn)

圖9為局部放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是為了考核試樣14天負(fù)荷循環(huán)前后及加速水樹(shù)老化后的局部放電性能。其中，樣品1、2、3是負(fù)荷循環(huán)(14天)前試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣品7、8、9是14天負(fù)荷循環(huán)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以下為加速水樹(shù)老化后局部放電的試驗(yàn)數(shù)據(jù):樣品13、14、15 是120 天后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣品16、17、18 是180天后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣品19、20、21是360天后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其試驗(yàn)結(jié)果全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即局部放電量不大于5 pC。

圖6 抗水樹(shù)交聯(lián)電纜成品的試驗(yàn)項(xiàng)目和流程

圖7 交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

圖8 熱沖擊逐級(jí)擊穿試驗(yàn)

5.4 水樹(shù)的檢查和計(jì)數(shù)

對(duì)已完成交流逐級(jí)擊穿試驗(yàn)的樣品13、14、15、16、17、18、19、20、21 進(jìn)行了水樹(shù)檢查。對(duì)每一個(gè)樣品，都在擊穿點(diǎn)附近切取30個(gè)圓片，使用亞甲基藍(lán)染色并晾干后，在顯微鏡下觀察水樹(shù)的生長(zhǎng)情況。觀察后未發(fā)現(xiàn)大于0.25 mm的管狀水樹(shù)，但存在大、小型領(lǐng)結(jié)狀水樹(shù)，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3、表4。

圖9 局部放電試驗(yàn)

表3 小型領(lǐng)結(jié)狀(0.14～0.25 mm)水樹(shù)分布密度的統(tǒng)計(jì)(單位:個(gè)/cm3)

表4 大型領(lǐng)結(jié)狀(0.26～1.02 mm)水樹(shù)分布密度的統(tǒng)計(jì)(單位:個(gè)/cm3)

由上述可知，抗水樹(shù)交聯(lián)電纜YJV-8.7/10 kV 1×50 mm2，參照ICEA S-94-649標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了加速水樹(shù)老化性能研究，試驗(yàn)結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了該電纜具有優(yōu)良的抗水樹(shù)老化性能。

［1］ICEA S-94-649 額定電壓5～46 kV同心中性線電纜標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］AEIC CS8-00 額定電壓5～46 kV擠包絕緣屏蔽型電力電纜技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］孫 穎，曹曉瓏.聚合物抗水樹(shù)性能的評(píng)估方法及試驗(yàn)研究［C］//2009年中國(guó)線纜材料大會(huì)論文集.南京:2009.