交聯聚乙烯絕緣電力電纜抗水樹機理初探

李彥雄 楊健銳

【摘 要】交聯聚乙烯絕緣電力電纜以其優異的性能廣泛應用于電力系統之中，水樹枝老化是導致其提前失效的主要誘因之一。本文從防水型電纜結構和研發抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料兩方面介紹了交聯聚乙烯絕緣電力電纜的抗水樹機理。

【關鍵詞】水樹枝； 交聯聚乙烯；電力電纜

1引言

交聯聚乙烯電力電纜以其優異的介電與機械性能深受廣大電力用戶的歡迎，自從二十世紀八十年代以來逐漸成為電力電纜的主流。雖然交聯聚乙烯電力電纜設計壽命可達30～40年之久；但是由于制造工藝缺陷、電纜運行環境惡劣、以及電纜敷設傷害等因素，許多電纜內部產生了氣隙、雜質、毛刺和凸起等缺陷，上述缺陷在電場、熱場、機械應力以及潮濕環境等老化因素的作用下，就會引發局部放電和水樹枝現象。其中交聯聚乙烯電力電纜中的水樹枝老化現象，進一步會發展為電樹枝從而導致電纜絕緣擊穿，造成電纜壽命大幅縮短，對電力系統穩定性和可靠性造成極大威脅。因此，研發抗水樹型交聯聚乙烯絕緣電力電纜對保證電力系統供電安全具有重要意義。

2水樹枝引發與生長原理。

水樹枝老化是交聯聚乙烯電力電纜在潮濕環境中發生擊穿的主要誘因之一[1-2]。自從1969年在波士頓舉行的電氣絕緣會議上，日本學者宮下首次提到水樹枝現象，各國學者對水樹枝現象進行了廣泛深入的研究。一般認為，水樹枝是交聯聚乙烯電力電纜在潮濕環境下發生老化、降解的一種現象。在潮濕環境中，水樹枝可以在運行電壓下長期緩慢地生長。一般來說水樹枝的生長不會直接導致電纜絕緣層的擊穿，只有隨著水樹枝的不斷生長，水樹枝尖端電場的不斷集中，局部高電場最終會引發水樹枝尖端產生電樹枝，從而導致聚乙烯絕緣層在短時間內被擊穿。

經過幾十年的研究，國內外學者們關于水樹枝的引發、生長機理提出了一些規律、模型。研究表明，關于水樹引發、生長的機理主要有：電致機械應力模型、親水物質的擴散模型和電化學氧化模型。關于水樹枝的生長模型，人們在過去幾十年展開了熱烈的討論。經過討論，沒有足夠證據支持任何一種生長機理可以解釋所有情況下水樹枝的現象。事實上，通過綜合考慮眾多學者的觀點，可以發現上述的各種情況都有可能發生。因此，有學者認為水樹枝化是多種進程共存的材料劣化過程，具體哪種進程起主導作用，取決于電纜所處的老化環境。于是，有學者提出了條件依賴模型。持這種觀點的學者認為，眾多文獻中結論的矛盾之處可以追溯到老化條件的不同。老化條件不僅包括電氣參數，也包括雜質的化學性質等等。條件依賴模型綜合考慮了實際老化條件下水樹枝生長的各種可能出現的過程，反映了水樹枝化是一個復雜的多種條件共同作用的劣化過程，在電纜的水樹枝老化過程中哪種進程起主導作用還需根據老化條件具體分析。

交聯聚乙烯電力電纜中產生水樹枝的原因主要有一下幾個方面：一是制造工藝的問題，上世紀七十、八十年代使用的交聯聚乙烯電纜多為水蒸氣濕法交聯工藝制造，在交聯過程中，水蒸氣在高壓下容易向熔融的聚乙烯中滲透，使XLPE中的水分含量有所上升；二是敷設不當、外力破壞和地下污水腐蝕等引起的，隨著水分的滲入，交聯聚乙烯電力電纜絕緣在電場、水分和雜質等缺陷的協同作用下，逐漸產生樹枝狀劣化。

3 抗水樹型電力電纜的研發方向

盡管水樹枝不會直接導致交聯聚乙烯電力電纜發生擊穿，當水樹枝發展為電樹枝時，電纜絕緣會在短時間內被擊穿。為了保證電力系統的供電安全性，研發抗水樹型交聯聚乙烯絕緣電力電纜具有重要應用意義。通過水樹枝引發和生長理論的研究，為抑制水樹枝提供了理論基礎。為了使交聯聚乙烯電力電纜在潮濕環境下具有更好的抗水樹性能，除了采用更潔凈的絕緣材料并改進工藝以使絕緣表面更光滑外，還可以從兩個方面入手[3-5]：即采用防水型電纜結構和研發抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料。防水型電纜結構是從水樹引發和生長的條件入手，阻斷了環境中的水分向電纜絕緣中的入侵，從而減少電纜絕緣中水樹枝的引發。抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料的研發，則是通過改變聚乙烯絕緣材料的形態或者向聚乙烯絕緣材料中加入添加劑改變復合材料的物理特性，以增強聚乙烯絕緣材料本身對水樹化的抑制性能。

3.1采用防水型電纜結構

目前實際運行中的防水型電纜一般使用徑向阻水或者縱向阻水，有時兩種方法同時使用。為防止水分通過護套擴散而出現徑向入侵，就需要采用徑向防水層。徑向阻水在結構上一般采用：聚乙烯外護套；鉛、鋁等金屬套；鋁塑、鋁塑復合綜合護層。目前中壓電纜的這種徑向防水層一般采用鋁塑復合綜合護層，高壓電力電纜采用鋁護套，通過縱包的鋁塑復合帶、鋁護套和擠包的聚乙烯外護套共同作用達到阻水目的。而為了避免在護套受損傷后，護套下層發生軸向的水入侵，就需要使用縱向防水層。這類防水層位于護套和纜芯之間，在纜芯成纜工藝中，填充阻水紗、繩及繞包半導電阻水帶。這些阻水材料可以吸收經過塑料外護套擴散進入電纜的水蒸汽，從而使電纜長期保持較低的相對濕度。

3.2 抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料的研發

電力電纜絕緣材料的生產商和電纜制造商一道，大力研發抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料，主要表現為向交聯聚乙烯料中混入少量添加劑以改變其抑制水樹性能。直到上世紀70年代的后期，大多數添加劑的選擇還是比較盲目的嘗試。目前，由于對水樹化機理理解的不同，對添加劑的選擇也有所不同。如傾向于水樹枝電致機械引發機理的采用對聚乙烯微觀形態改性的方法；傾向水樹枝電化學引發機理的使用抑制氧化反應的添加劑。這兩種方法在一定程度上都有效果。另一個比較“中立”的方法是使用旨在減少水滴凝聚的添加劑，或者同時使用兩種方法。

（1）物理方法：有研究證實，對交聯聚乙烯的化學組成進行適當的改變可以顯著提高其抗水樹性能，即改變聚合物分子結構、聚合物結構形態，或者采用不同聚合物材料共混，或者采用聚合物合金。這方面已經有商業化生產的產品。這種方法以歐洲最主要的電纜用聚烯烴供應商北歐化工（Borealis）為代表。

（2）化學方法：這種方法是向聚合物材料中加入與基體材料分子鏈有親和作用的添加劑，例如改善聚合物與水的相互作用，以獲得抗水樹特性。這種方法以美國陶氏化學公司為代表。在這些添加劑中，已知可以同時降低水樹引發和生長的苯丙酮和抗氧化劑同時可以抑制電樹的發生。

4結論

經過多年的研究，目前電力電纜的防水結構的工藝已經非常成熟了。市場上目前也出現了商品化的抗水樹型交聯聚乙烯絕緣材料，雖然沒有哪一種能夠完全消除水樹，但一般都能夠減少水樹的發生或者將水樹的生長速率減緩約 40%到 50%。要想完全消除水樹枝，還有待于進一步研究。

【參考文獻】

[1] 楊君勝， 黃興溢， 汪根林， et al. SEBS對交聯聚乙烯的電性能及水樹抑制的影響[J]. 高電壓技術， 2010，04）.

[2] 王金鋒， 劉志民， 李彥雄， et al. 化學交聯方式對聚乙烯水樹枝老化特性的影響[J]. 高電壓技術， 2011，10）.

[3] 王金鋒， 鄭曉泉， 孔志達， et al. 防水型交聯聚乙烯絕緣電力電纜結構分析[J]. 電線電纜， 2009，06）.

[4] 王金鋒， 鄭曉泉， 柳立為， et al. LDPE結晶形態對水樹枝老化特性的影響[J]. 高電壓技術， 2010，03）.

[5] 屠德民， 何軍. XLPE電纜絕緣中水樹的形成機理和抑制方法分析[J]. 絕緣材料， 2008，06）.