抗水樹電纜的研制

賀金紅 上海電纜廠有限公司 (200093）

賀金紅（1980年～），女，碩士，工程師，主要從事電線電纜研制。

0 引言

在潮氣和電場的共同作用下，水樹是誘發電力電纜破壞的主要原因。近年來，水樹對電纜的破壞受到高度關注。人們意識到必須采取措施，及早避免和遏制水樹導致電纜損壞上升的趨勢。20世紀80年代末，世界上就開始了抗水樹電纜的研制，抗水樹電纜雖在北美和歐洲地區已有20多年的成功運行歷史，但國內抗水樹交聯電纜技術處于初期階段。我國中壓交聯電纜年投運量大，如果能夠使抗水樹交聯電纜在國內電網中廣泛使用，則可以大大提高中壓電纜線路的運行壽命，提高電網安全質量。因此，為了電網運行的安全，迫切需要開發國產抗水樹交聯聚乙烯電纜。

1 水樹引發和生長機理

近年來，國內外對電纜水樹的研究較多，Chen等通過研究認為，水樹基本由一系列沿電場方向排列的含水微孔構成。Suzuki等從三維等效電路對水樹進行了分析，Lee等研究了水樹老化交聯聚乙烯的交流擊穿強度與空間電荷分布的關系，Fan等研究了交聯聚乙烯中水樹的微觀結構。諸多研究觀點主要分為兩種，一種觀點認為水樹形成機理是物理作用，滲入到材料內部的小水珠在電場的作用下發生沿電場方向的形變，形狀由球形變成橢球形，并同時對材料施加沿電場方向的擠壓力，當它施加給材料的能量超過材料分子鏈的鍵能時，就會導致分子鏈斷裂以及材料的破壞，在這些區域就會形成一些微小的充水孔穴。水樹形成的另一個機理是化學反應理論，是由水、離子、聚乙烯共同參與完成的，在電場作用下首先水被電離形成自由基，自由基再與聚合物發生反應。形成的聚合物自由基與聚合物中的氧發生作用，導致材料的氧化降解，形成水樹。

2 抗水樹電纜的設計與制造

2.1 抗水樹電纜發展現狀

抗水樹交聯電纜，主要是通過半導電材料的抗水分子滲透性能，降低水分子侵入絕緣層內部的幾率，提高絕緣材料的分子穩定性，增強交聯電纜材料的抗水樹生長特性等方面來提高抗水樹性能。美國、日本、德國從20世紀80年代末、90 年代初就開始研究制造一種具有防水功能的中壓交聯電纜，使電纜的安全、可靠性和使用壽命成倍地提高，在北美及歐洲地區，抗水樹絕緣材料占主導地位。制造精良的交聯聚乙烯電纜通常情況下可以平均使用20～25年，而抗水樹交聯聚乙烯電纜預計可以使用40年以上。

我國在1995年頒布的GB50217-94《電力工程電纜設計規范》中指出，用在中、高壓回路的交聯聚乙烯電纜，應選擇屬于具備耐水樹特性的絕緣構造型式。2007年DL/1070-2007《中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求》編訂出版，國網武漢高壓研究所已經開展抗水樹電纜鑒定試驗。近年來，國內的一些原材料及電纜制造企業在抗水樹交聯聚乙烯的材料、產品方面也相繼展開研究工作。

2.2 抗水樹電纜設計

水樹主要是絕緣中水分、電應力和某些誘發因素（微孔、雜質、半導電層突起、空間電荷或離子）發展成的一些微通道。為了防止外部水分的侵入，特高壓電纜主要通過采用鉛護套結構和超潔凈絕緣材料，通訊電纜則主要是采用鋁塑縱包結構。但對于用量巨大的中壓電力電纜來說，上述兩種方法均成本太高，因此，要抑制水樹，最現實有效的方法是除去微隙、雜質、突起等產生水樹的因素，具體來說就是采用抗水樹絕緣料和潔凈生產工藝。

抗水樹電纜用的絕緣料，通過在絕緣料中添加專效添加劑，以分散并減緩水、離子以及其他導電物質在交聯聚乙烯內的擴散，從而減少在潮濕條件下出現局部電場應力增強和電降解、產生水樹等問題。由于材料質量的優劣對抗水樹電纜產品質量有著直接的影響，因而材料的選擇尤其重要。這里介紹的抗水樹電纜，所選陶式抗水樹絕緣材料經多次驗證試驗，在抗水樹性能、交流電擊穿電壓和預計使用壽命方面，其性能均優于交聯聚乙烯，圖1、圖2分別為所用抗水樹交聯聚乙烯絕緣料與交聯聚乙烯絕緣抗水樹性能和交流擊穿耐壓試驗對比。

圖1 抗水樹交聯聚乙烯絕緣料與交聯聚乙烯絕緣料水樹長度對比試驗

圖2 抗水樹交聯聚乙烯絕緣料與交聯聚乙烯絕緣料交流擊穿耐壓試驗

根據DL/1070-2007《中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗 方法和要求》電纜鑒定試樣要求，對抗水樹電纜進行了設計，電壓等級為8.7/10kV，電纜導體截面為50mm2，電纜結構如圖3所示。電纜工藝流程：銅導體→三層共擠→銅帶屏蔽→無紡布包帶→PVC護套。

圖3 TR-YJV 8.7/10kV 1×50mm2 電纜結構示意

2.3 抗水樹電纜制造工藝設計

根據水樹形成機理，水樹的形成與諸多因素有關，除了原材料這一重要因素外，對抗水樹電纜性能影響最主要的另一重要因素是制造工藝。抗水樹電纜的質量水平與原材料潔凈度、導體制造、絕緣擠出交聯等工藝密切相關。

(1)導體制造。銅絞線要求絕對光滑清潔，無任何毛刺、銅屑。設計采用鉆石涂覆膜作為絞線的緊壓模，拉制的絞線不僅線徑均勻，且光潔、無毛刺；同時又在最后一道緊壓模后，安裝除屑裝置，確保絞線清潔、無灰屑。

(2)三層共擠。絕緣中的熱應力和不均勻性會影響電纜的質量和使用壽命。熱應力和不均勻性（包括交聯度的不均勻）可引發絕緣中的水樹、電樹，加速形成電纜擊穿通道，使電纜在運行中早期擊穿。由于交聯聚乙烯的熱膨脹系數( 330×10-6/°C)為銅導體(17 ×10-6/°C)的近20倍，因此，絕緣交聯過程中加熱和冷卻過程中必然產生應力，這種應力的大小與加熱溫度及速度、冷卻溫度及速度相關，即如果高溫下快速加熱、低溫下快速驟冷，在絕緣中就會產生較大應力。因此，首先在進行三層共擠時，進行導體預熱、塑料進行預干燥、合理控制各區擠出溫度、交聯后對絕緣進行逐段冷卻，盡可能消除絕緣中的氣隙和水分；其次，保證工藝穩定性，防止因為工藝波動導致電纜中出現“工藝界面”，與此同時，配備西科拉在線X射線測偏裝置，保證電纜絕緣線芯的偏心度及厚度均勻性，從而保證交聯聚乙烯絕緣的交聯質量、聚合物分子結晶熱應力的消除和均勻性，以減少交聯過程中產生的熱應力和絕緣不均勻性，提高絕緣電氣強度。

(3)材料潔凈度。微孔尺寸絕緣材料儲存及混料擠壓交聯聚乙烯絕緣時注意防止雜質混入，生產前清理機頭、螺桿、料斗甚至吸料管，嚴防將外包裝及外界的灰塵、垃圾帶進加料裝置。提高制造工藝和防止產生氣隙。采用氮氣干式交聯代替高壓蒸汽加熱交聯法，避免采用蒸汽加熱交聯以至蒸汽進入絕緣，在絕緣層中殘留水分或形成氣隙，在低的場強下產生水樹。為了使絕緣層中不產生雜質，生產中還必須采用潔凈工藝，三層共擠交聯設備重新設計配置高凈度原材料凈化房，其中半導體間：凈化級別一萬級；絕緣材料間：凈化級別十萬級；緩沖間：凈化級別十萬級，以保證原材料的清潔度。同時，精確的三層共擠機頭保證了內屏蔽、絕緣、外屏蔽擠出時沒有氣隙和雜質，從而保證電纜絕緣性能。

3 抗水樹電纜鑒定試驗

對于電纜加速水樹老化試驗，當前國際上主要為美國和歐洲兩套標準。其中，北美使用的中壓電纜鑒定規范是美國絕緣電纜工程師學會《ANSI/ICEA S-94-649-2004》，該標準規定了加速水樹老化試驗(AWTT)方法，試驗內容包括對未老化和分別經過120、180天和360天老化的15kV電纜進行的一系列的工頻和沖擊擊穿強度試驗。在歐洲，德國目前已經制訂出協調后的CENELEC（歐洲電工標準化委員會）標準HD605 S1 HD 605 S1:1994/A3:2002 《電纜—補充測試方法》。其中包含為期兩年的水中老化實驗，同時該試驗包括了對電纜在分別老化了6個月、1年和2年后的工頻擊穿試驗內容。國內出版的電力行業標準DL/1070-2007《中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗、方法和要求》，其中主要采用《ANSI/ICEA S-94-649-2004》和武高所科研成果，此標準僅對交聯聚乙烯絕緣電力電纜的纜芯材料（導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽）的抗水性能進行鑒定，電纜其他性能應符合GB/T12706.2,3的規定。DL/1070-2007標準對導體屏蔽絕緣和絕緣屏蔽組合的制造工藝鑒定試驗包括工頻逐級擊穿試驗、熱沖擊逐級擊穿試驗、14天負荷循環，加速水樹老化試驗、電氣測量和水樹的檢查與統計等。

4 結果與討論

4.1 抗水樹性能鑒定試驗結果及分析

樣品制成后，在樣品進行抗水樹試驗鑒定前，按照GB/T12706.2對試驗樣品在進行全性能型式試驗，結果表明樣品性能均達到或優于標準要求。同時，在送樣鑒定前取三個試驗進行了交流逐級擊穿試驗，試驗結果均優于標準要求。

根據DL/T1070-2007標準試驗需求，共截取18個樣品段，并依次編號。試驗內容及方法按照DL/1070-2007標準對導體屏蔽絕緣和絕緣屏蔽組合的制造工藝鑒定試驗進行，試驗流程見圖4所示。

圖4 抗水樹鑒定試驗項目流程

4.1.1 交流逐級擊穿試驗

交流逐級擊穿試驗結果，見表1和圖5。

表1 交流逐級擊穿試驗結果

圖5 交流逐級擊穿試驗最大耐受場強

由表1和圖5可以看出，經過120天及180天加速水樹老化試驗，電纜的工頻擊穿場強與原始工頻擊穿場強相比沒有明顯變化，原始試樣的最大耐受場強均大于標準要求24.4kV/mm，14天負荷循環后和AWTT120天后的最大耐受場強均大于標準要求26.0kV/mm，AWTT180天后的最大耐受場強均大于標準要求22.8kV/mm。試驗結果均優于DL/T1070-2007標準的工頻逐級擊穿強度要求，表明電纜具有優異的長期可靠性。

4.1.2 熱沖擊逐級擊穿試驗

DL/T1070-2007標準中要求電纜最小耐受沖擊場強為47.6 kV/mm，由表4可以看出，試驗結果實測值均超過標準要求值，兩組試樣結果分散性小，且裕度較大。熱沖擊電壓試驗在熱的作用下，更易發現絕緣內部缺陷，能更準確地評價絕緣材料絕緣性能，進一步表明所生產電纜具有優異電氣強度，具有抗熱沖擊性能，試驗結果見圖6。

圖6 熱沖擊逐級擊穿最大耐受場強

4.1.3 水樹統計

水樹統計結果見表2。

表2 AWTT120天、180天后試樣領結狀水樹統計

由表4可以看出，電纜經過120天及180天的水樹加速老化過程后，未檢測出領結形水樹及管狀水樹。領結狀水樹主要是由絕緣層中的雜質和其他缺陷處開始以直徑方向向絕緣屏蔽和導體屏蔽發展的水樹，領結形水樹是產生在絕緣內部的，可以反映出絕緣層抗水樹的能力，管狀水樹則主要是從導體屏蔽和絕緣屏蔽上開始發展生長起來的水樹，進一步表明所試制電纜具有抗水樹的性能。

4.1.4 電氣測量和結構尺寸檢查

分別按照試驗流程對規定試樣進行了電氣測量和結構尺寸檢查。從電氣性能、局部放電和半導電絕緣屏蔽剝離力來看，局部放電在原始狀態和14天負荷循環后，經過120天和180天加速水樹老化后局部放電量均≤背景值且符合標準要求，介電常數和介質損耗因數在原始狀態和180天加速水樹老化后沒有發生明顯變化，工頻逐級擊穿試驗后在擊穿點附近取樣進行結構尺寸檢查和絕緣屏蔽層的剝離，在14天負荷循環前后以及加速水樹老化前后，均滿足標準要求。

綜上所述，鑒定結果表明，所研制生產交聯聚乙烯絕緣電纜具有抗水樹性能。

5 結論

水樹是誘發電力電纜破壞的主要原因之一，因而研制抗水樹電纜對提高我國中壓電力電纜線路的運行壽命具有重要的意義。按照DL/1070-2007電纜鑒定試樣要求進行了抗水樹電纜的研制，在研制過程中重點對原材料的潔凈度和工藝制造過程進行優化控制，并且鑒定試驗結果表明所研制電纜具有抗水樹性能。實際上，抗水樹電纜的抗水樹性能驗證是一個系統工程，它不僅要求電纜制造廠生產研制出的電纜通過抗水樹鑒定試驗，更重要的是電纜要經受在惡劣環境下長期使用過程中的實際使用檢驗驗證，因此，作為電纜制造方，應跟蹤關注電纜長期使用情況，進一步不斷優化改進生產工藝，深入探討抗水樹電纜性能與工藝條件的關聯性，生產出更優質的抗水樹電纜。

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