抗水樹交聯聚乙烯絕緣電力電纜的研究

2010-06-26 10:29:10趙海燕

電線電纜 2010年4期

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

交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜(以下簡稱交聯電纜)在電場和水的作用下會產生樹枝狀放電通道，這種現象稱為水樹。水樹會隨著時間的發展繼續生長，最終導致絕緣擊穿，成為電力電纜早期損壞的重要原因。

普通的交聯電纜的生產及應用已有近三十年的歷史，其在干燥環境下具有優良的電氣和機械性能，但在實際應用中電纜敷設的環境通常比較惡劣，電纜經常需要短期或長期浸泡在水中，或者處在潮氣濕度很大的環境下，而普通交聯電纜完全不具有抗水樹能力，在長期使用下絕緣會逐漸吸收環境中的水分，再由于電纜絕緣中存在大量的微小空隙，因此在微孔中會充滿水分，而充水微孔可在很低的電壓下產生水樹。在電場的長期作用下，電纜絕緣層中會引發大量的水樹枝，水樹老化使絕緣分子開裂;當微孔中水樹達到飽和狀態時，絕緣電氣和機械性能將急劇下降，導電的水樹枝(電樹枝)會損耗大量的電能，并最終引起電纜絕緣層的擊穿，從而大大減少電纜壽命。

據統計，國內城網10～35 kV系統中，地下使用的普通XLPE絕緣電纜，普遍在運行8～12年后就會生長出大量水樹，致使大量交聯電纜發生因水樹擊穿而造成線路事故，降低了電纜使用壽命，影響電網的安全運行。

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

圖1 北美地區交聯電纜使用情況的比較

為此，我公司2002年開始立項研發抗水樹交聯電纜，并與武漢高壓研究所合作研究抗水樹交聯電纜加速水樹老化的性能試驗，于2005年獲得了武高所提供的抗水樹性能鑒定試驗報告，2007年通過山東省科技廳產品的成果鑒定。本文主要是對這項研究作簡要介紹。

1 水樹枝的定義及產生的機理

DL/T 1070—2007標準對水樹的定義是“在絕緣中存在水分、電應力和某些誘發因素，如雜質、突起、空間電荷或離子時發展成的一些微通道”。

水樹產生機理的分析目前尚有幾種不同的理論，相比之下有兩個主流的理論是得到廣泛的認可，一是電應力理論，二是電化學氧化理論。

電應力理論認為，電纜在生產和運行過程中的內部應力是促進水樹枝生長的主要原因。當電纜在經受電壓和水時，在高壓工頻電場中，極性水分子產生強烈的遷移并將電場能轉化為動能和熱能，獲得巨大能量的水分子在絕緣內部劇烈運動。當水分子能量足以打斷電纜絕緣層XLPE分子鏈的時候，就會在絕緣內部產生細微的裂紋，導體附近的XLPE絕緣的應變就會增加，而在應變較大的區域(如雜質和氣孔等處)便生成水樹枝。

電化學氧化理論認為，水中存在的離子會促進聚合物發生氧化作用，氧化作用破壞了聚合物分子鏈，于是在聚合物內部形成小孔。氧化產生的羧酸陰離子使得水樹的小孔壁更加親水，所以滲透的離子溶解于親水性的小孔內。

另外，還有一種理論認為，水樹枝生長與局部放電為彼此的誘因，在局部放電高壓電場下，電纜絕緣內部的水分子從電場中獲得能量，產生水錘效應。在水分子的撞擊下，XLPE高分子鏈發生斷裂，并在電纜絕緣層中出現細微氣隙。氣隙不斷長大逐步生成水樹枝。

2 中壓交聯電纜常見的質量缺陷及引起的水樹枝放電現象

表1為中壓交聯電纜常見的質量缺陷及其引起的水樹枝形態。

表1 中壓交聯電纜常見質量缺陷及其引起的水樹枝的形態

當內、外半導電層與絕緣層之間存在突起時，如存在剝離或空隙，將引起電場集中，并以此為起點，向絕緣層一側產生樹枝，形成了內、外導型水樹枝。

當絕緣體中存在空穴異物時，會造成電場集中，并以此為起點產生蝴蝶狀樹枝;當絕緣體中存在微孔時，將會產生電暈放電樹枝，通常其比上述水樹枝先形成并即發生電氣放電。圖2～圖4分別為幾種因電纜質量的缺陷引起的水樹枝形態。

圖2 發散形水樹枝之一(存在于內屏蔽缺陷處)

圖3 發散形水樹枝之二(存在于內、外屏蔽缺陷處)

圖4 領結形水樹(存在于絕緣缺陷處)

3 水樹枝的危害

水樹枝微觀結構為直徑大約為0.1～1 μm的連接或者不連接的充水小孔。隨著水樹枝的生長，水樹枝尖端的電場愈加集中，促使水樹枝的延伸，局部的高電場最終會導致水樹枝尖端引發電樹枝，最后大面積貫穿整個絕緣體的樹枝導致電纜擊穿破壞。高溫下水樹枝會發生明顯的氧化，導致吸水性增大和導電性升高，最終會出現熱擊穿;低溫下，水樹枝經較長時間氧化或轉化為電樹枝，破壞性就越來越嚴重。整個的發展是由多種因素所決定，通常使用8年后會開始發生由水樹枝造成的電纜擊穿。

4 抗水樹交聯電纜的設計思路

4.1 設計思路

電纜在使用過程中，要達到很好的抗水樹效果，具體對策是要盡量減少絕緣體中的水分和空穴，要去除半導電層與絕緣層之間界面容易引起電場集中的突起部分，減小樹枝放電的擴展，即使發生水樹枝，也能夠抑制水樹的繼續生長和抑制水樹枝放電。基于這種抗水樹交聯電纜的設計思路，我們從電纜的結構設計、原材料使用、工藝控制、敷設安裝等四大方面考慮，使電纜的使用壽命達到最優化。為此，在電纜制造工藝中采用如下的對策:

(1)材料儲存和產品生產在高潔凈度條件下;

(2)采用全干式三層共擠生產線;

(3)內外屏蔽采用進口超光滑半導電屏蔽料，絕緣采用進口超凈級抗水樹型XLPE絕緣材料。

這樣保證了電纜三層界面非常光滑，將發散形水樹枝產生的隱患降到最小，同時將絕緣層中雜質含量控制在最低限度，避免了絕緣內部雜質水分等應力集中缺陷誘發領結形水樹。

4.2 抗水樹交聯電纜的結構

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

圖5 YJV-10 kV抗水樹電纜結構示意圖

4.3 絕緣的設計要求

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

表2 超凈抗水樹TR-XLPE絕緣料的指標要求

5 抗水樹交聯電纜試驗項目和流程

參照ICEA S-94-649標準，對抗水樹交聯電纜進行成品性能試驗，試驗項目和試驗流程見圖6。

5.1 交流逐級擊穿試驗

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

5.2 熱沖擊逐級擊穿試驗

熱沖擊逐級擊穿試驗(圖8)是為了考核試樣的沖擊電壓性能，其中樣品4、5、6是循環負荷試驗前進行的熱沖擊逐級擊穿試驗，樣品10、11、12是循環負荷試驗后進行的熱沖擊逐級擊穿試驗。其擊穿場強值都遠遠大于標準要求的47.2 kV/mm。

5.3 局部放電試驗

圖9為局部放電試驗數據，是為了考核試樣14天負荷循環前后及加速水樹老化后的局部放電性能。其中，樣品1、2、3是負荷循環(14天)前試驗數據，樣品7、8、9是14天負荷循環后的試驗數據。以下為加速水樹老化后局部放電的試驗數據:樣品13、14、15 是120 天后的試驗數據，樣品16、17、18 是180天后的試驗數據，樣品19、20、21是360天后的試驗數據。其試驗結果全部滿足標準要求，即局部放電量不大于5 pC。