低溫環(huán)境下XLPE材料中水樹生長(zhǎng)特性的研究

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(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

中國(guó)在城市化建設(shè)過(guò)程中，在城市配電網(wǎng)中敷設(shè)了大量交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜。然而由于早期敷設(shè)的電纜制造工藝落后，并且由于敷設(shè)過(guò)程中存在不規(guī)范操作等，在電纜絕緣層中不可避免地存在一些微觀的缺陷，如微孔、裂縫等。當(dāng)環(huán)境中的水分侵入電纜絕緣層后，在絕緣中的微觀缺陷處將形成應(yīng)力集中區(qū)，在電壓長(zhǎng)期作用下容易在缺陷部位引發(fā)水樹[1-6]，甚至電樹(過(guò)電壓作用)，并導(dǎo)致電纜發(fā)生擊穿事故[7-8]。由于中國(guó)幅員遼闊，東北、西北等局部地區(qū)的冬季平均氣溫接近甚至低于0 ℃。此外，由于負(fù)荷波動(dòng)等原因，電纜絕緣將受到低溫的作用，在低溫條件下的水樹生長(zhǎng)特征值得研究。

不同溫度下水樹的生長(zhǎng)特性是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)。然而對(duì)于在不同的溫度下XLPE電纜中水樹生長(zhǎng)的規(guī)律，目前的研究尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。有研究認(rèn)為在高溫下水樹生長(zhǎng)速率提高，但同時(shí)也有研究認(rèn)為隨著溫度升高，水樹生長(zhǎng)速率將下降。另有研究表明低溫下水樹生長(zhǎng)速率將增加[9-11]。以往的研究大多集中在研究不同溫度下水樹形態(tài)、生長(zhǎng)速率等方面，尚未關(guān)注在一個(gè)較長(zhǎng)的老化時(shí)期內(nèi)低溫下的水樹生長(zhǎng)特征，例如水樹生長(zhǎng)速率隨著老化時(shí)間的變化及其原因分析。有關(guān)此方面的研究有助于進(jìn)一步探索水樹在低溫下的生長(zhǎng)規(guī)律，此外對(duì)于提高局部寒冷地區(qū)XLPE電纜的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)及運(yùn)維管理水平亦有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)價(jià)值。

在低溫(0 ℃)條件下將3組XLPE樣本分別進(jìn)行為期14 d、21 d、28 d(d為天數(shù))的加速水樹老化，觀測(cè)了老化XLPE樣本中水樹的微觀形貌和水樹長(zhǎng)度，并通過(guò)電場(chǎng)仿真分析低溫下水樹生長(zhǎng)速率變化的原因。

1 樣本制作及加速老化實(shí)驗(yàn)

在3 mm厚的XLPE薄片上截取6片邊長(zhǎng)50 mm、厚度3 mm的正方形XLPE薄片，將6片樣本分為A、B、C三組。其中樣本1、2屬于A組，樣本3、4屬于B組，樣本5、6屬于C組。之后選取3組樣本正中間的圓形區(qū)域(直徑25 mm)作為水樹老化區(qū)，采用注射器針頭在此區(qū)域制作3行平行的針孔缺陷(針孔深度1.5 mm)。注射器針頭的參數(shù)如下：

1)斜面長(zhǎng)度3 mm；2)針尖倒角(17±2)°；3)針尖曲率半徑(2.5±0.5) μm。XLPE水樹老化樣本如圖1所示。

圖1 XLPE薄片樣本

將A、B、C 3組薄片樣本放置于IEC/TS 61956推薦的杯狀試驗(yàn)裝置，杯狀實(shí)驗(yàn)裝置中裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氯化鈉溶液。將杯狀實(shí)驗(yàn)裝置放置于恒溫箱中，將恒溫箱的溫度設(shè)置為0 ℃。將杯狀實(shí)驗(yàn)裝置下電極接地，上電極施加高頻高壓(有效值7.5 kV，頻率400 Hz)，在0 ℃恒溫條件下進(jìn)行加速水樹老化[11-12]，如圖2所示。A、B、C 3組薄片樣本的老化時(shí)間分別為14 d、21 d、28 d。

圖2 加速水樹老化實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了觀測(cè)XLPE薄片樣本中水樹的生長(zhǎng)情況，加速水樹老化結(jié)束后，將A、B、C 3組樣本切片進(jìn)行水樹觀測(cè)。在垂直于樣本表面方向上，利用切片機(jī)沿針孔邊緣切出厚度為100±10 μm的切片。之后利用亞甲基藍(lán)溶液在90 ℃時(shí)將切片染色，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察水樹形態(tài)(顯微鏡放大倍數(shù)為64倍和160倍)。低溫下不同老化時(shí)間的水樹形態(tài)如圖3所示。

由圖3可以看到，在低溫環(huán)境下，水樹從缺陷處引發(fā)，沿電場(chǎng)方向向前生長(zhǎng)。老化14 d時(shí)水樹形態(tài)呈片狀，即水樹枝相互連接，水樹的枝狀特征并不明顯。而老化21 d后，水樹的分枝狀特征已經(jīng)較為明顯，在針孔周圍均存在枝狀的水樹枝。而老化28 d后，水樹的分枝狀特征更為明顯，且越靠近水樹尖端，水樹枝越尖。另外，隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)，水樹染色逐漸加深。由圖3(c)可見，老化28 d以后，針孔尖端的水樹染色明顯加深。

為了進(jìn)一步研究低溫下水樹的生長(zhǎng)速率變化，統(tǒng)計(jì)3組樣本中的水樹平均長(zhǎng)度。測(cè)量水樹長(zhǎng)度時(shí)是以針尖為起點(diǎn)，以針尖正前方最長(zhǎng)水樹枝末端為終點(diǎn)。水樹長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖3 3組樣本中的水樹形態(tài)

圖4 3組樣本中的平均水樹長(zhǎng)度

由圖4可以看到，老化14 d后水樹的平均長(zhǎng)度為85 μm，21 d后水樹平均長(zhǎng)度為183 μm，28 d后水樹平均長(zhǎng)度為313 μm。老化時(shí)間越長(zhǎng)，水樹生長(zhǎng)速率增大: 老化0～14 d，水樹平均生長(zhǎng)速率為6 μm/d；15～21 d，水樹的平均生長(zhǎng)速率為14 μm/d；22～28 d，水樹的平均生長(zhǎng)速率為18 μm/d。22～28 d，水樹增加的長(zhǎng)度是15～21 d增加的水樹長(zhǎng)度的1.3倍。

3 討 論

水樹枝的產(chǎn)生和發(fā)展是電場(chǎng)和水分共同作用的結(jié)果，絕緣層中的缺陷和半導(dǎo)電層的凸起會(huì)成為局部電場(chǎng)應(yīng)力集中點(diǎn)，在外加交流電場(chǎng)作用下，XLPE分子鏈將受到周期性麥克斯韋應(yīng)力作用并發(fā)生疲勞斷裂，進(jìn)而形成水樹枝[13]。麥克斯韋應(yīng)力公式為[14]

F=(ε0/2)(εr-1)E2

(1)

式中：ε0為真空的介電常數(shù)；εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。式(1)表明，電場(chǎng)越強(qiáng)，XLPE分子鏈?zhǔn)艿降柠溈怂鬼f應(yīng)力越大，越容易發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致水分?jǐn)U散速率及水樹生長(zhǎng)速率越大。值得注意的是，由于在水樹生長(zhǎng)過(guò)程中，水樹生長(zhǎng)速率主要是由水樹尖端電場(chǎng)強(qiáng)度所決定的，因此有必要研究低溫下不同水樹長(zhǎng)度時(shí)水樹尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度。

為此，根據(jù)圖3水樹枝觀測(cè)結(jié)果，利用多物理場(chǎng)有限元仿真軟件建立如圖5所示的XLPE薄片水樹仿真模型。依據(jù)0 ℃不同老化時(shí)間下的水樹長(zhǎng)度，設(shè)置水樹長(zhǎng)度(沿針孔方向從針孔缺陷尖端到水樹尖端的距離)分別為100 μm、200 μm、300 μm，計(jì)算沿著針孔方向AB水樹尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖5所示。仿真分析中，薄片及水樹區(qū)域的電場(chǎng)參數(shù)如表1所示[1-5]。電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 水樹仿真模型

圖6 不同老化時(shí)期水樹尖端電場(chǎng)仿真結(jié)果

由圖6可知，在水樹尖端存在嚴(yán)重的電場(chǎng)畸變。水樹老化14 d時(shí)，水樹尖端電場(chǎng)為7 MV/m；老化21 d時(shí)，水樹尖端電場(chǎng)為7.2 MV/m；老化28 d時(shí)，水樹尖端電場(chǎng)為7.8 MV/m。由此可見，當(dāng)水樹長(zhǎng)度增加時(shí)，水樹尖端電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)。事實(shí)上，在低溫下進(jìn)行水樹老化時(shí)，由于此時(shí)XLPE材料的彈性模量較高，相對(duì)于高溫，材料受同樣的應(yīng)力作用時(shí)形變量較小，水樹空洞在電場(chǎng)作用下更容易被“拉長(zhǎng)”，導(dǎo)致水樹枝尖端電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)由于XLPE材料本身結(jié)構(gòu)的不均勻性，在材料局部存在一些更大的缺陷(例如微裂紋等)，在這些地方水樹枝更容易沿著電場(chǎng)方向向前生長(zhǎng)，從而造成在這些區(qū)域的水樹生長(zhǎng)速率高于臨近區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致水樹逐漸出現(xiàn)分枝狀特征，并且隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)這種分枝狀特征更為明顯，水樹尖端電場(chǎng)亦隨之增強(qiáng)(如圖3所示)。

由此可知，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，水樹尖端電場(chǎng)增強(qiáng)，XLPE分子鏈?zhǔn)艿降柠溈怂鬼f應(yīng)力越大，分子鏈更容易發(fā)生疲勞斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致水樹生長(zhǎng)速率升高。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果一致，圖4與圖6結(jié)果均表明：老化時(shí)間越長(zhǎng)，水樹枝生長(zhǎng)速率越快。因此，當(dāng)水樹橋接絕緣的大部分時(shí)，應(yīng)該引起足夠的重視，進(jìn)一步采取措施，否則在過(guò)電壓(操作或雷電過(guò)電壓)作用下，水樹尖端容易引發(fā)電樹，導(dǎo)致發(fā)生電纜擊穿事故。

4 結(jié) 語(yǔ)

在0 ℃下進(jìn)行水樹老化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了水樹形態(tài)，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)老化階段的水樹長(zhǎng)度，并通過(guò)電場(chǎng)仿真分析了低溫環(huán)境下水樹的生長(zhǎng)速率提升的現(xiàn)象。得出以下結(jié)論：

1)在低溫條件下，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，水樹的生長(zhǎng)速率逐漸增加。

2)在低溫下進(jìn)行水樹老化時(shí)，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，水樹尖端電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致水樹生長(zhǎng)速率逐漸增加。

3)水樹在低溫下的生長(zhǎng)速率變化與XLPE材料在低溫下的力學(xué)特性密切相關(guān)。在低溫下材料的彈性模量更高，水樹空洞被拉長(zhǎng)，從而形成分枝狀特征并導(dǎo)致水樹尖端電場(chǎng)增強(qiáng)。