在線注入有機(jī)硅修復(fù)液對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜中水樹生長的影響

黃 明 周 凱 楊 滴 楊明亮

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 成都 610065)

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在線注入有機(jī)硅修復(fù)液對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜中水樹生長的影響

黃 明 周 凱 楊 滴 楊明亮

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 成都 610065)

提出了水樹老化電纜的在線修復(fù)方法，討論了在交變電場下修復(fù)液對(duì)水樹的抑制作用及其絕緣修復(fù)機(jī)理。采用高頻高壓水針電極法對(duì)新樣本、預(yù)修復(fù)樣本和在線修復(fù)樣本進(jìn)行加速水樹老化。老化一個(gè)月后，使用顯微鏡觀察樣本中水樹形態(tài)并測量其水樹長度。通過差示掃描量熱法分析樣本絕緣層的劣化程度，同時(shí)利用掃描電鏡和能譜分析儀對(duì)比水樹區(qū)域的微觀形貌及化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。研究表明，在線注入有機(jī)硅修復(fù)液能有效地抑制水樹的生長。在電場的作用下，修復(fù)液分子和水分子同時(shí)向強(qiáng)電場區(qū)域(如微孔、水樹區(qū)域等)進(jìn)行擴(kuò)散并發(fā)生反應(yīng)，消耗水分并且生成凝膠顆粒填充微孔，一定程度上緩解了絕緣的劣化。

交聯(lián)聚乙烯電纜 水樹 硅氧烷 電場 取向 介電泳力

0 引言

隨著電纜運(yùn)行年限的增加，我國20世紀(jì)90年代城市配電網(wǎng)改造中被大量使用的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜逐步進(jìn)入老化故障高發(fā)期[1，2]。普通的交聯(lián)聚乙烯電纜在運(yùn)行15年后電纜的擊穿強(qiáng)度急劇下降，最嚴(yán)重可下降近50%[3，4]。水樹老化是導(dǎo)致電纜絕緣性能下降、壽命縮短的主要原因之一[5，6]。水樹主要是由納米級(jí)通道和微米級(jí)孔洞構(gòu)成的親水性樹枝狀絕緣缺陷[7，8]，其在過電壓的作用下將可能引發(fā)電樹，造成不可逆的絕緣破壞，并最終導(dǎo)致電纜絕緣失效[9，10]。雖然新型TR-XLPE電纜的抗水樹能力得到了提升[5]，但是由于電纜敷設(shè)和經(jīng)濟(jì)效益原因，并不能快速、完全地更換早期已投運(yùn)的電纜。因此，探索有效的水樹修復(fù)方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)電纜絕緣修復(fù)方面進(jìn)行多年研究和實(shí)踐后，相繼報(bào)道了對(duì)水樹老化電纜具有良好修復(fù)效果的硅氧烷修復(fù)液注入技術(shù)[11-17]。文獻(xiàn)[12]對(duì)其修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了比較詳細(xì)地分析，認(rèn)為修復(fù)液與和水樹空洞內(nèi)微量的水分進(jìn)行了水解-縮合反應(yīng)，消耗絕緣內(nèi)部水分并生成有機(jī)低聚物填充水樹微孔或通道，防止局部電場畸變，從而有效地修復(fù)了水樹。文獻(xiàn)[14，15]也針對(duì)水樹修復(fù)問題進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)一步證明了修復(fù)液可修復(fù)水樹電纜，改善水樹老化電纜的絕緣性能。此外，文獻(xiàn)[18]報(bào)道了有機(jī)硅修復(fù)液對(duì)電纜絕緣中新水樹的生長及水樹數(shù)量具有抑制作用。但目前為止，大多數(shù)文獻(xiàn)都只是對(duì)水樹老化電纜的一次性注入修復(fù)效果及修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了研究。為了更有效地抑制電纜絕緣中的水樹，有必要探討長期在線注入有機(jī)硅修復(fù)液對(duì)水樹生長的影響及修復(fù)液在電場作用下的修復(fù)機(jī)理。

本文在總結(jié)前期水樹老化和修復(fù)研究的基礎(chǔ)上[15-17，19-22]，提出了一種新的針對(duì)正在運(yùn)行電纜的水樹老化在線修復(fù)方法。通過對(duì)比不同樣本中水樹長度及水樹區(qū)域劣化程度，分析在線修復(fù)對(duì)水樹生長的抑制效果。同時(shí)，通過掃描電鏡(SEM)和能量分散光譜(EDS)分析水樹區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)變化，討論了在交變電場作用下修復(fù)液對(duì)水樹老化電纜的絕緣修復(fù)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與測試

1.1 樣本與實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文采用YJLV223×95型8.7/10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜制作實(shí)驗(yàn)樣本。將去除外護(hù)套、鋼鎧及銅屏蔽層的電纜截?cái)喑砷L約40 cm的短電纜，并去除樣本兩端約2.5 cm的絕緣層，露出纜芯。剝除樣本兩端長約10 cm的外半導(dǎo)電層，使用鋼針在樣本留有外半導(dǎo)電層的區(qū)域等間距(5 mm)扎深度約為3 mm的小孔，并套上母排熱縮管。將實(shí)驗(yàn)電纜樣本分成3組。一組樣本在套上熱縮管后不做其他處理，并作為新樣本;一組樣本通過壓力注入裝置將配置好的有機(jī)硅修復(fù)液向其纜芯注入，待修復(fù)液注滿纜芯及兩端適配器后關(guān)閉通氣閥門，并在0.2 MPa氣壓下保持4 h，取下適配器作為預(yù)修復(fù)樣本;一組樣本則待修復(fù)液注滿纜芯及兩端適配器后關(guān)閉通氣閥門，同樣在0.2 MPa氣壓下保持4 h，此后將壓力罐的氣壓降至在較小范圍內(nèi)以保證纜芯內(nèi)有足夠的修復(fù)液。隨后向熱縮管的空腔內(nèi)注入20%濃度的NaCl溶液，并插入銅電極接地。最后采用7.5 kV，400 Hz高頻高壓水針電極法對(duì)3組電纜樣本進(jìn)行加速水樹老化，如圖1所示。

圖1 電纜試樣及在線修復(fù)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Cable sample and its on-line rejuvenation experimental schematic diagram

1.2 水樹觀測

待3組電纜樣本水樹老化約30天后，使用切片機(jī)在電纜樣本針孔附近將其切成厚度為100 μm左右的薄片，并將薄片樣本浸在亞甲基藍(lán)溶液中放置于90 ℃烘箱內(nèi)染色0.5 h。當(dāng)薄片樣本被充分染色后，使用光學(xué)顯微鏡觀察樣本中水樹的微觀形態(tài)并測量水樹的長度。

1.3 DSC測試

選取3組電纜樣本針孔下方水樹區(qū)域作為DSC測試試樣，為保證靈敏度，控制試樣質(zhì)量在6 mg左右。采用TA—Q2000調(diào)制型差示掃描量熱儀(MDMC)，以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃升溫至140 ℃，在140 ℃下恒溫3 min，再以10 ℃/min的降溫速率從140 ℃下降至20 ℃進(jìn)行測試。測試過程中用高純度氮?dú)夂秃庾鳛楸Ｗo(hù)。

1.4 SEM與EDS測試

采用JEOL公司JSM-7500F型配備了可抽拉式背散射電子探頭、EDS等附件的超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡，分析電纜樣本針孔下方水樹區(qū)的微觀形貌和化學(xué)元素變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 水樹形態(tài)與長度統(tǒng)計(jì)

將加速老化一個(gè)月后的3組電纜樣本均制作成相應(yīng)的薄片樣本，并利用光學(xué)顯微鏡觀察水樹的微觀形態(tài)。如圖2所示，左側(cè)為放大64倍下的水樹形態(tài)，右側(cè)為放大160倍下的水樹形態(tài)。從圖中可以看出，3組樣本中針孔尖端均有明顯的水樹缺陷生成，水樹形貌呈現(xiàn)簇狀，并從針孔向外沿電場方向發(fā)散狀生長，在水樹尖端可觀察到明顯的樹枝狀結(jié)構(gòu)。對(duì)比3組樣本中水樹區(qū)域的亞甲基藍(lán)染色情況可以發(fā)現(xiàn)，新樣本老化一個(gè)月后的水樹區(qū)域顏色最深，說明其生長的水樹枝也最為密集。在線修復(fù)樣本和預(yù)修復(fù)樣本老化一個(gè)月后的水樹區(qū)域染色都較淺，說明其生長的水樹枝較為稀疏。

圖2 老化一個(gè)月后3組電纜樣本中的水樹形態(tài)Fig.2 Morphology of water trees in the three group cable samples after a month aging

為了分析在線修復(fù)對(duì)水樹生長的抑制效果，統(tǒng)計(jì)了3組電纜樣本持續(xù)老化一個(gè)月后其絕緣層中水樹的長度，如圖3所示。在線修復(fù)電纜樣本中水樹長度最短，預(yù)修復(fù)樣本中水樹長度次之，而新電纜樣本中的水樹長度最長。在線修復(fù)樣本中水樹長度在170～260 μm，其平均長度為232.27 μm。預(yù)修復(fù)樣本中水樹長度在190～300 μm，平均長度為250.57 μm。而新樣本中水樹長度在260～410 μm，其平均長度為338.53 μm。在加速水樹老化條件下樣本被老化一個(gè)月后，在線修復(fù)樣本和預(yù)修復(fù)樣本中水樹的平均長度分別是新樣本的0.686倍、0.740倍，并且前兩者水樹長度分布也較為集中，較長水樹所占的比重也較小。說明在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)長期在線注入修復(fù)液和一次性預(yù)注入修復(fù)液都能較為有效地抑制電纜絕緣中水樹的生長。

圖3 3組電纜樣本中水樹長度方框統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical data of the length of water trees in the three group cable samples

但是，由于新電纜絕緣中的微孔數(shù)量和含有的水分都很少，一次性預(yù)注入電纜絕緣層中的大部分修復(fù)液會(huì)在50 h內(nèi)滲出[23]，而只有電纜纜芯中存留少量的修復(fù)液(特別是針對(duì)纜芯截面較小型號(hào)的電纜而言)。在加速水樹老化過程中，水分會(huì)不斷浸入到絕緣層中，不斷消耗修復(fù)液而使修復(fù)液含量逐漸減少。因此，水樹老化一個(gè)月后，在線修復(fù)比一次性預(yù)修復(fù)對(duì)水樹的抑制效果更好。可以預(yù)期，隨著老化時(shí)間的增加，在線修復(fù)對(duì)水樹的抑制效果相比于預(yù)修復(fù)而言會(huì)更好。

2.2 水樹區(qū)熱穩(wěn)定性

通過DSC熔融過程，可以觀測3組電纜樣本中絕緣層的劣化程度情況。由圖4和表1可看出，3組電纜樣本絕緣的熔點(diǎn)溫度沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。然而進(jìn)一步分析樣本的熔融過程其他參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，老化一個(gè)月后3組樣本的熔融熱焓和融程相比于新樣本均有不同程度的減小。此外，這兩者呈現(xiàn)出相同的變化趨勢：D>C>B，即老化一個(gè)月后的在線修復(fù)樣本的熔融熱焓和融程最大而老化一個(gè)月后的新樣本的熔融熱焓和融程最小。

圖4 電纜樣本水樹區(qū)域的DSC測試結(jié)果Fig.4 DSC test results of the water tree areas

表1 各組電纜樣本水樹區(qū)域的DSC熔融過程參數(shù)Tab.1 DSC melting process parameters of the water tree areas in the cable samples

利用式(1)對(duì)各組樣本絕緣層的結(jié)晶度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

(1)

式中，ΔHm為材料的熔融熱焓；ΔH0為完全結(jié)晶時(shí)XLPE的熔融熱焓，一般取ΔH0=287.3 J/g。

根據(jù)文獻(xiàn)[24-26]，水樹生長行為對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的結(jié)晶度、片晶大小等都有一定影響。水樹老化過程中，水分子將沿著球晶之間的非晶區(qū)和球晶內(nèi)部的片晶之間遷移，對(duì)片晶施加交變的應(yīng)力而引起連接結(jié)構(gòu)緊密的片晶與外層松散的小片晶的較為薄弱的分子鏈斷裂。因此水樹老化一定程度上伴隨著材料內(nèi)晶區(qū)的破壞，導(dǎo)致片晶厚度逐漸減小，使得材料結(jié)晶度在一定程度上下降。由表1可知3組樣本絕緣的結(jié)晶度均有所下降，B樣本下降最為嚴(yán)重，而D樣本下降最少。由此說明長期的在線修復(fù)有效抑制了水樹的生長，一定程度上緩解了交聯(lián)聚乙烯絕緣層的劣化。

2.3 水樹區(qū)微觀結(jié)構(gòu)分析

通過掃描電鏡觀察3組電纜樣本中水樹區(qū)域的微觀形貌，結(jié)果如圖5所示。在老化一個(gè)月后的新樣本的水樹區(qū)域可觀察到輪廓清晰的微米級(jí)孔洞且其數(shù)量較多，這一現(xiàn)象與水樹區(qū)域的染色情況相符合。預(yù)修復(fù)樣本水樹區(qū)域的微孔輪廓較淺、數(shù)量較少，并有少量尺寸在微米數(shù)量級(jí)的顆粒狀填充物質(zhì)。而在線修復(fù)樣本水樹區(qū)域的微孔數(shù)量很少且輪廓也最為模糊，與預(yù)修復(fù)樣本相比其填充顆粒較小但分布較均勻，將放大倍數(shù)從2000倍調(diào)整到5000倍后在少數(shù)微孔內(nèi)可明顯地觀察到顆粒狀的填充物。

圖5 SEM下電纜樣本中水樹區(qū)的微觀形貌Fig.5 Morphology of water tree areas by scanning electron microscope

經(jīng)能譜儀分析測試得到填充物的能譜圖如圖6所示。去除水溶液中含有的Cl元素和噴金所用的Au元素，填充物質(zhì)的主要成分是C、O和Si，結(jié)合修復(fù)液與水的催化反應(yīng)方程式[19，21]，證明了填充物是修復(fù)液與水發(fā)生水解-縮合生成的有機(jī)硅低聚物。

圖6 填充物的能譜分析結(jié)果Fig.6 Element composition analysis of the particles in water tree area of insulation layer by EDS

2.4 長期在線修復(fù)對(duì)水樹生長的抑制機(jī)理

根據(jù)電-機(jī)械老化理論[3，5]，材料中的微觀缺陷處往往容易形成高場強(qiáng)區(qū)，水分在不均勻電場的作用下極化且受介電泳力向電場集中區(qū)域遷移，導(dǎo)致缺陷處介電常數(shù)發(fā)生變化。在交變電場的作用下，缺陷周圍的XLPE分子鏈?zhǔn)艿街芷谛喳溈怂鬼f應(yīng)力的作用，產(chǎn)生應(yīng)力疲勞而發(fā)生斷裂，生成一些微小的裂紋。水分進(jìn)入裂紋就在這些區(qū)域形成微小的充水小孔，隨著材料中滲入的水分增多，致使微孔不斷擴(kuò)張和聚集。這些充水小孔不斷發(fā)展并連在一起就形成了水樹枝。

但是，對(duì)于加速水樹老化的在線修復(fù)樣本，其電纜纜芯中的修復(fù)液分子(修復(fù)液的相對(duì)介電常數(shù)為6.3)同樣也會(huì)在不均勻電場的作用下極化，且受介電泳力通過絕緣層非晶區(qū)的空隙滲透到高場強(qiáng)區(qū)域(如微孔、水樹區(qū)域等)。此外，外施加的電場使聚合物材料沿電場方向發(fā)生取向，有利于修復(fù)液分子在材料內(nèi)的擴(kuò)散。這樣水分子和修復(fù)液分子在強(qiáng)電場區(qū)域聚集并發(fā)生水解-縮合反應(yīng)，消耗絕緣中侵入的水分并且生成硅樹脂類凝膠顆粒填充已有的微孔缺陷，如圖7所示。由于反應(yīng)生成的有機(jī)硅低聚物的相對(duì)介電常數(shù)在2.6～2.8(交聯(lián)聚乙烯材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.3)，這不僅對(duì)微小孔洞起到良好的填充作用，而且可有效地均勻缺陷位置的局部高電場，減少材料在電場畸變點(diǎn)的電機(jī)械應(yīng)力，從而有效抑制電纜絕緣中水樹的生長。

相比于一次性預(yù)注入修復(fù)液樣本，在線修復(fù)樣本纜芯中充足的修復(fù)液可以保證絕緣中有足夠的修復(fù)液滲入，在微孔缺陷沒有進(jìn)一步發(fā)展及擴(kuò)大之前與水分發(fā)生反應(yīng)并填充缺陷。這與掃描電鏡下看到的水樹區(qū)域微觀形貌相一致。在線修復(fù)樣本水樹區(qū)域微孔數(shù)量很少，填充的凝膠顆粒較多且其尺寸也相對(duì)較小。進(jìn)一步說明電纜內(nèi)修復(fù)液含量越多其對(duì)水樹的抑制效果越好，長期的在線修復(fù)方法可有效地抑制水樹的生長。

圖7 長期在線修復(fù)對(duì)水樹生長的抑制機(jī)理Fig.7 Inhibition mechanism of on-line rejuvenation for water trees

3 結(jié)論

本文通過對(duì)比老化一個(gè)月后的新電纜樣本、預(yù)修復(fù)電纜樣本和在線修復(fù)電纜樣本中水樹的生長情況，分析了3組電纜樣本水樹區(qū)域聚合物結(jié)構(gòu)、微觀形貌和化學(xué)元素的變化，討論了在線注入有機(jī)硅修復(fù)液對(duì)XLPE電纜絕緣中水樹生長的抑制效果和作用機(jī)理，并得到了以下結(jié)論：

1)通過對(duì)比3組樣本中水樹長度以及水樹區(qū)域DSC測試結(jié)果，說明了長期在線修復(fù)方法可有效地抑制水樹的生長，從而緩解絕緣的劣化。

2)對(duì)比長期在線修復(fù)樣本和一次性預(yù)修復(fù)樣本中的水樹長度，說明修復(fù)液含量越多，其對(duì)水樹的抑制效果越好。

3)電場在電纜水樹老化和絕緣修復(fù)過程中扮演著“相反”的角色。電場是影響電纜水樹老化的主要誘因之一。但是，在電纜絕緣修復(fù)過程中，電場使材料取向利于修復(fù)液分子滲透，同時(shí)修復(fù)液分子和水分子受介電泳力向缺陷處聚集并反應(yīng)，消耗水分并生成凝膠顆粒填充微孔，從而改善局部電場。

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Effect of On-Line Rejuvenation on Water Tree Propagation in XLPE Cables

Huang Ming Zhou Kai Yang Di Yang Mingliang

(College of Electronics and Information Engineering Sichuan University Chengdu 610065 China)

A novel method of on-line rejuvenation for water trees in service cross-linked polyethylene (XLPE) cables is presented，the inhibition effect and the rejuvenation mechanism are also discussed.A 30-day accelerated water tree aging experiment was done on the new samples，the prior rejuvenation samples and the on-line rejuvenation samples.After that，a microscope was used to observe the morphology of water trees and measure the length of the water trees.By differentially scanning calorimetry (DSC)，the insulation degradation degree of the three group samples was analyzed.Meanwhile，the changes of micromorphology and chemical structure in water-tree areas were observed by scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscopy (EDS).The results show that the on-line rejuvenation method can effectively inhibit the propagation of water trees.Under the effect of electric field，the siloxane and water molecules are driven to the high electric field areas (such as void，water tree area，etc.) for reaction，which eliminates the deterioration in the insulation and generates gel particles to fill the areas，relieving the insulation degradation to some degree.

XLPE cable，water tree，siloxane，electric field，chain orientation，dielectrophoretic force

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477106)。

2015-06-17 改稿日期2015-07-31

TM854

黃 明 男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娎|絕緣診斷及修復(fù)技術(shù)。

E-mail：hm_scu@163.com(通信作者)

周 凱 男，1975年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娎|絕緣診斷及修復(fù)技術(shù)。

E-mail：zhoukai_scu@163.com