交聯(lián)聚乙烯中水樹(shù)枝抑制實(shí)驗(yàn)研究

王金鋒　鄭曉泉

摘 要：為研究不同添加劑對(duì)XLPE中水樹(shù)枝的抑制效果，選用聚乙二醇（PEG）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）三種材料作為添加劑。室溫下，采用水針電極法培養(yǎng)水樹(shù)枝，并觀測(cè)水樹(shù)枝形態(tài)、統(tǒng)計(jì)水樹(shù)枝尺寸和引發(fā)率。同時(shí)觀測(cè)了試樣的結(jié)晶形態(tài)，并測(cè)試了試樣的屈服應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，添加PEG能很好的抑制水樹(shù)枝的引發(fā)，但對(duì)水樹(shù)枝的尺寸影響不大；添加EVA和SEBS使體系屈服強(qiáng)度減弱，水樹(shù)枝引發(fā)率和水樹(shù)枝尺寸均上升。材料屈服強(qiáng)度對(duì)水樹(shù)枝老化特性影響顯著；在加速老化條件下，幾種添加劑的抗水樹(shù)效果并不明顯。

關(guān)鍵詞：電力電纜；絕緣劣化；交聯(lián)聚乙烯；水樹(shù)枝；添加劑

1 引言

水樹(shù)枝老化是中低壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜提前失效的主要誘因[1]。水樹(shù)枝的產(chǎn)生和發(fā)展大大縮短了電力電纜的使用壽命，對(duì)電網(wǎng)的供電安全產(chǎn)生嚴(yán)重的潛在威脅。雖然上世紀(jì)60年代就已經(jīng)在電纜絕緣中發(fā)現(xiàn)了水樹(shù)枝劣化現(xiàn)象，但截至今日，專家學(xué)者對(duì)水樹(shù)枝的引發(fā)生長(zhǎng)機(jī)理仍然沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。根據(jù)不同引發(fā)生長(zhǎng)機(jī)理開(kāi)發(fā)的抗水樹(shù)枝化電纜料，抗水樹(shù)枝化效果也參差不齊。

目前，市面上的抗水樹(shù)枝化電纜料主要是通過(guò)向XLPE中添加各種添加劑實(shí)現(xiàn)抗水樹(shù)性能。本文通過(guò)向XLPE中添加PEG、EVA和SEBS三種專利[2-4]中常用的抗水樹(shù)添加劑，根據(jù)水樹(shù)枝的引發(fā)生長(zhǎng)機(jī)理，結(jié)合試樣的結(jié)晶形態(tài)和屈服應(yīng)力對(duì)水樹(shù)枝老化特性的影響，對(duì)含有不同添加劑的XLPE中水樹(shù)枝的老化特性進(jìn)行了分析討論。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)選用濮陽(yáng)義達(dá)生產(chǎn)的YJ-35型XLPE、德國(guó)MERCK生產(chǎn)的PEG、北歐化工生產(chǎn)的EVA和岳陽(yáng)石化生產(chǎn)SEBS作為實(shí)驗(yàn)材料，制得厚度為1mm和5mm的兩種試樣。1mm厚試樣用于力學(xué)性能測(cè)試，5mm厚的試樣用于水樹(shù)枝加速老化試驗(yàn)。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[5-7]，XLPE/PEG體系中，mPEG：mXLPE=1：200；XLPE/EVA體系中，mVA：mXLPE=1：49；XLPE/SEBS體系中，mSEBS：mXLPE=3：20。

2.2 水樹(shù)枝的培養(yǎng)及觀測(cè)

試驗(yàn)條件參照IEC/TS 61956擬定，具體如下：50Hz、7kV（有效值）、1.8mol/L的NaCl溶液、2±0.1mm的針板距離、室溫下老化480h。

老化試驗(yàn)完成后，將試樣取出，切成厚度約2mm的薄片。將薄片用亞甲基藍(lán)溶液染色后，在顯微鏡下進(jìn)行水樹(shù)枝觀測(cè)。對(duì)每個(gè)針尖處生長(zhǎng)的水樹(shù)枝，分別沿電場(chǎng)方向（縱向）和垂直電場(chǎng)方向（橫向）進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，縱向以針尖為起點(diǎn)，橫向取最大寬度，選取每個(gè)方向上的最大長(zhǎng)度作為該方向上水樹(shù)枝的長(zhǎng)度。

2.3 結(jié)晶形態(tài)觀察及屈服應(yīng)力測(cè)試

室溫下，將試樣浸入高錳酸鉀/濃硫酸刻蝕溶液進(jìn)行刻蝕?？涛g完成后，用金相顯微鏡觀測(cè)試樣的結(jié)晶形態(tài)，并測(cè)量其尺寸。參考GB/T 528-2009，測(cè)定試樣的拉伸屈服應(yīng)力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為方便圖表說(shuō)明，將四種試樣編號(hào)如下：1#，純XLPE；2#，XLPE/PEG；3#，XLPE/EVA；4#，XLPE/SEBS。

3.1 結(jié)晶形態(tài)及屈服應(yīng)力

由圖1、圖2可知，混合添加劑以后，試樣的晶塊尺寸均明顯減小，屈服應(yīng)力均明顯降低。

3.2 水樹(shù)枝老化

由圖4可知，添加PEG之后，水樹(shù)枝的引發(fā)率下降了31.6%；添加EVA和SEBS以后，水樹(shù)枝的引發(fā)率分別上升了4.2%和12.3%。由圖5可知：混合添加劑以后，試樣中水樹(shù)枝尺寸均有不同程度的增加。

Maxwell應(yīng)力理論認(rèn)為，材料屈服應(yīng)力越大，越不利于水樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)。另有研究表明：晶塊大而疏，水樹(shù)枝長(zhǎng)度較大，晶塊小而密，水樹(shù)枝長(zhǎng)度較小。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：XLPE中添加PEG之后，體系屈服應(yīng)力基本不變，晶塊尺寸減小了48.2%，水樹(shù)枝引發(fā)率大幅下降，水樹(shù)枝尺寸基本不變；XLPE中添加EVA之后，體系屈服強(qiáng)度下降10.1%，晶塊尺寸減小33.9%，水樹(shù)枝的引發(fā)率和尺寸均大幅增加；XLPE中添加SEBS之后，體系屈服強(qiáng)度下降13.6%，晶塊尺寸減小26.0%，水樹(shù)枝引發(fā)率和尺寸均大幅增加。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨材料屈服應(yīng)力的下降，水樹(shù)枝尺寸增加，且屈服應(yīng)力的下降幅度與水樹(shù)枝尺寸增加幅度正比例對(duì)應(yīng)；相比較而言，結(jié)晶形態(tài)對(duì)水樹(shù)枝生長(zhǎng)的影響較屈服應(yīng)力小。

4 結(jié)論

1）屈服應(yīng)力對(duì)材料水樹(shù)枝老化特性的影響明顯。隨著屈服應(yīng)力下降，水樹(shù)枝的引發(fā)率和尺寸呈增大趨勢(shì)。

2）混合添加劑以后，晶塊尺寸有不同程度的減小。本實(shí)驗(yàn)中，晶塊尺寸對(duì)水樹(shù)枝老化特性的影響不明顯。

3）在水樹(shù)枝加速老化實(shí)驗(yàn)條件下，PEG對(duì)水樹(shù)枝引發(fā)率抑制效果明顯，EVA和SEBS的抗水樹(shù)效果不明顯。

參考文獻(xiàn)

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