中壓電纜絕緣材料的水樹老化分析

中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 云 浩 汪 亮 劉大為 張益舟

XLPE電纜結(jié)構(gòu)性能良好，具有易于彎曲、電氣性能好、傳輸量大、安裝便捷等多個特點，XLPE電纜材料的生產(chǎn)效率更高，在生產(chǎn)過程中主要以計算機(jī)控制為主，能有效減少突發(fā)情況的發(fā)生，尤其是對于充油紙電源電纜漏油引發(fā)火災(zāi)的控制效果更為良好。同時也能有效減少環(huán)境污染的情況，設(shè)備維護(hù)活動也隨之減少。就世界范圍的發(fā)展情況來看，XLPE材料已成為世界公認(rèn)的電纜材料，在中高壓電力電纜中占據(jù)重要地位。

1 中壓XLPE電纜絕緣材料概述

電力電纜中初次嘗試絕緣材料的為LDPE，經(jīng)歷了大約10年之久，LDPE才真正占據(jù)絕緣材料的市場地位，并取代了傳統(tǒng)橡膠及聚氯乙烯，這一材料是在PVC之后問世，解決了二戰(zhàn)對橡膠類材料缺乏的困擾。XLPE材料在20世紀(jì)50年代由美國物理學(xué)家查理氏貝在原子核反應(yīng)堆實驗中發(fā)現(xiàn)，它在生成XLPE材料時主要借助輻射能將聚乙烯分子交聯(lián)，而后利用輻照法來生產(chǎn)此材料。由于材料由線狀分子的變?yōu)榫W(wǎng)狀分子因子，XLPE能保持絕緣的高介電性能。其中介電常數(shù)為2.3，介電損耗角正切在0.001以下，在絕緣材料中的性能最為優(yōu)越與穩(wěn)固。另外XLPE溫度高達(dá)90度，與傳統(tǒng)未交聯(lián)材料相比溫度更高。而且XLPE材料的物理性能、耐環(huán)境性能更高，其他塑料材料難以達(dá)到這些需求。

到了20世紀(jì)50年代末，美國GE公司采取了與查理氏貝輻照關(guān)聯(lián)法不同的生產(chǎn)方法，此種方法為化學(xué)法，主要利用過氧化物DCP作對交聯(lián)劑。隨后此公司在電纜工業(yè)創(chuàng)造了蒸汽濕法，并制造生產(chǎn)XLPE電纜線。而日本緊接著也開發(fā)了干式交聯(lián)法生產(chǎn)XLPE電纜線；北歐采取中高壓全干式交聯(lián)法生產(chǎn)。XLPE的電纜等級也從最開始的110千伏上升到220千伏、500千伏，而傳輸能量也實現(xiàn)了有效提高，當(dāng)前XLPE絕緣材料在全球中壓電纜中占據(jù)了重要地位。

我國屬于發(fā)展中國家，但在能源、交通等多個行業(yè)也得到了全面發(fā)展，為確保國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，電力行業(yè)也帶動了電纜材料的快速發(fā)展。隨著改革開放的政策落實，國家實現(xiàn)快速發(fā)展，我國電力裝備也實現(xiàn)了高速發(fā)展，并早在2012年就達(dá)到12億kW，并實現(xiàn)了2020年的裝機(jī)容量。即使我國已達(dá)到發(fā)展的目標(biāo)，人均也只是在1kW，但美國人均達(dá)到了3kW以上，我國與其相比還存在較大差距，仍需快速發(fā)展。隨著裝機(jī)容量的不斷提升，所需要配套輸變電設(shè)備也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增多，電纜的需求量較大。

在城市配電網(wǎng)中中壓電網(wǎng)電壓等級主要包括6千伏、20千伏、35千伏，中壓電網(wǎng)中采取的絕緣電纜主要為XLPE。XLPE電纜材料經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，可初步確定絕緣材料應(yīng)用過程中在水、電場與離子的影響下會出現(xiàn)材料老化、也就是水樹枝化，最終水樹老化會引發(fā)電樹擊穿電纜，這是XLPE材料應(yīng)用中存在的主要問題。為確保絕緣材料的安全性與可靠性，應(yīng)對中壓電纜絕緣材料的水樹枝化現(xiàn)象進(jìn)行綜合探討。日本初次發(fā)現(xiàn)了XLPE電纜絕緣材料水樹枝化的擊穿現(xiàn)象，隨后美國也出現(xiàn)此種問題，并針對這一情況推出了抗水樹化XLPE絕緣材料。

在城網(wǎng)10～35千伏采用的為中壓XLPE電纜材料，大部分需在運行10年后才會出現(xiàn)水樹枝化現(xiàn)象。而中壓XLPE電纜絕緣材因水樹枝化而出現(xiàn)電纜擊穿等事故，導(dǎo)致電纜絕緣材料直接受到影響，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全運行。通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，在XLPE電纜絕緣材料中采用新型抗水樹技術(shù)，不僅能提高其抗水樹性能，也能有效增強(qiáng)電纜的可靠性與安全性，最終電纜壽命將超過30年[1]。

就歐美電力系統(tǒng)中對XLPE電纜材料的應(yīng)用情況來看，中壓抗水樹絕緣材料的應(yīng)用占據(jù)了絕大部分市場，也已擁有了較為成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗，絕緣材料的可靠性與使用壽命都十分可觀。早在21世紀(jì)起，美國在選擇高壓絕緣材料時已全部使用抗水樹XLPE絕緣電纜。就我國對電纜的使用情況來看，在電纜行業(yè)價格戰(zhàn)的影響下，除用戶的特定需求，一般使用的抗水樹XLPE絕緣材料的推廣難度較大，雖然水樹枝化是中壓電纜的最大問題，影響安全性與可靠性，但如果出現(xiàn)電纜擊穿現(xiàn)象，仍需在投入運行十年左右之后才會出現(xiàn)，如何實現(xiàn)有效預(yù)防，還需學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗。

2 中壓XLPE電纜水樹枝化研究概述

日本在發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣材料出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)了水樹枝老化的現(xiàn)象，并認(rèn)為中壓電纜是導(dǎo)致PE電纜老化的主要因素。從干式交聯(lián)生產(chǎn)到發(fā)現(xiàn)XLPE電纜原材料擊穿問題只有六年，如果從購入美國濕法交聯(lián)生產(chǎn)的電纜原材料算起，電纜也不過才運行8年。因此通過多方研究，針對水樹枝化的定義是指聚乙烯絕緣材料長時間與水共存，然后在電場作用的影響下，形成了充滿水的樹枝通道或者氣隙。但此定義會給研究帶來一定偏見，認(rèn)為水樹枝化只是由于聚乙烯材料導(dǎo)致，事實上所有物電介質(zhì)在水與電場的影響下都會出現(xiàn)水樹枝化現(xiàn)象，甚至在瓷器、紙張中也經(jīng)常存在。

英國科學(xué)家在局部放電角度出發(fā)，研究了聚乙烯材料在樹枝化通道中的成長情況。20世紀(jì)70年代，美國針對XLPE電纜擊穿現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在電纜材料運行5年后大部分電纜絕緣中都出現(xiàn)了水樹現(xiàn)象[2]。在早期，美國生產(chǎn)電纜的方法主要以濕法交聯(lián)為主，這與電纜運行五年后出現(xiàn)問題存在一定關(guān)聯(lián)。

隨后美國科學(xué)家的聚乙烯絕緣材料出現(xiàn)水樹枝化的現(xiàn)象進(jìn)行綜合研究，由于在20世紀(jì)70年代美國應(yīng)用XLPE絕緣材料出現(xiàn)擊穿電纜現(xiàn)象的情況時有發(fā)生，因此絕緣材料的供應(yīng)商、制造商在將全部注意力集中到XLPE絕緣材料的抗樹化絕緣性能的研究之中。美國一電力公司在篩查聚乙烯絕緣材料電纜計擊穿現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)此類電纜絕緣材料中都出現(xiàn)了樹枝化現(xiàn)象。而這一研究人員認(rèn)為，無論是聚乙烯絕緣材料還是XLPE絕緣材料作為主要組成，即使材料中出現(xiàn)高濃度水樹枝化的電纜材料，但只要不出現(xiàn)電纜擊穿現(xiàn)象，其綜合性能仍然能滿足供電需求，但這也存在著安全隱患。

70年代美國大量電纜材料由于水樹枝化現(xiàn)象導(dǎo)致電纜擊穿，爆發(fā)了水樹枝問題，許多學(xué)者都在積極探究水樹枝化產(chǎn)生的原理。比如使用濕法交聯(lián)生產(chǎn)XLPE電纜材料的擊穿水平會下降，但由于的70年代末所采用的大多數(shù)為干式交聯(lián)，電纜出現(xiàn)水樹枝化現(xiàn)象的情況明顯減少。即使采用蒸汽交聯(lián)生產(chǎn)、采用干燥處理措施后，水樹枝問題仍然會消失，絕緣品質(zhì)恢復(fù)。此種錯誤報道是誤導(dǎo)人們研究的主要原因。

我國通過對電纜故障檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，XLPE絕緣材料運行超過5年之后，中壓XLPE電纜絕緣材料大部分都出現(xiàn)了水樹枝化的現(xiàn)象，尤其是在南方城市環(huán)境中應(yīng)用XLPE電纜絕緣材料出現(xiàn)水樹枝化的現(xiàn)象則更為普遍，尤其是嚴(yán)重的水樹枝化厚度接近70%。上海供電局針對上海地區(qū)所鋪設(shè)的XLPE電纜進(jìn)行取樣，并送研究中心針對XLPE電纜水樹枝化情況進(jìn)行研究。

我國在八十年代使用的為蒸汽交聯(lián)XLPE電纜絕緣材料，隨后使用干法交聯(lián)生產(chǎn)XLPE電纜，在投入使用五年后出現(xiàn)水樹枝化現(xiàn)象，7～10年左右出現(xiàn)電纜擊穿的現(xiàn)象，其中40%以上的擊穿電纜進(jìn)行更換[3]。而更換后新應(yīng)用的電纜材料在10年左右又出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，對電網(wǎng)安全送電產(chǎn)生了較大威脅，電纜使用壽命的延長根源在于其抗水樹能力的提升。蔣佩男先生作為專業(yè)研究電纜的專家，在其論文集中12篇論文都在探究水樹枝化現(xiàn)象，可見探究XLPE電纜絕緣材料水樹枝問題具有重要意義。

3 中壓XLPE電纜絕緣材料水樹枝化分析

通過對水樹質(zhì)化現(xiàn)象的研究，可發(fā)現(xiàn)進(jìn)入固定材料中的水含量較大、大約為10%，受到水的影響，材料的物理性能則會隨之改變。而在水樹現(xiàn)象觀察中發(fā)現(xiàn)存在高密度充水微隙，這也就間接證明了水樹對電纜絕緣材料造成的影響。受到同一電場的影響，聚合物損害特性曲線與材料物理性能之間成正比關(guān)系。在20世紀(jì)80年代末，邁耶、斯萊特貝克提出了與之前水樹現(xiàn)象研究不同的兩種理論模式，首先假設(shè)水樹枝是由多條通路組成，是一種裝滿水、容易被拉伸的圓柱體；其次，電場所引發(fā)的機(jī)械力屬于經(jīng)驗壓力在動能多少中存在電荷，隨著不同的參數(shù)，電荷也會隨之變化，無論是在通路的幾何形狀中，還是水的傳導(dǎo)性中認(rèn)為如此。

但實際上只需通過考慮通路的幾何形狀即可，水的傳導(dǎo)性則作為無窮數(shù)。結(jié)合材料的特性曲線來看，這兩種計算方法存在一定差異。斯萊特貝克認(rèn)為，在正常情況下，如果壓力超過預(yù)先的機(jī)械強(qiáng)度通路則會延長；邁耶應(yīng)用斷裂力學(xué)理論指出：在通路末梢位置，電場提供能量時會超過臨界能量，尤其是在交流電壓中通路也會蔓延。這種現(xiàn)象則認(rèn)為在疲勞狀態(tài)下的環(huán)境應(yīng)力開裂。因此，大部分公司更注重在疲勞狀態(tài)下研究如何提高絕緣體系的耐應(yīng)力性能，中央絕緣材料的重點在于對聚合物自身性質(zhì)的改變。

通過多年的研究與分析發(fā)現(xiàn)，水樹枝生長機(jī)理也擁有諸多解釋，一般主要分為兩種類型：其一認(rèn)為材料內(nèi)部滲透小水珠，而小水會在電場的影響下沿著電場的方向發(fā)生改變，而形狀也會由球形變化為橢球形，隨后向材料施加沿電場方向的力，當(dāng)材料的能量超過載量分子鍵能時，分子鏈則會出現(xiàn)變形與斷裂，而在這一區(qū)域內(nèi)則會出現(xiàn)微小充水空穴；另一觀點則認(rèn)為：水樹會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、尤其是氧化還原反應(yīng)，是由水、離子與聚乙烯材料共同組成，分子間斷裂則是由于電纜在運行過程中處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致缺陷處電場過于集中引發(fā)高溫斷裂。

事實上，導(dǎo)致破壞的因素較為復(fù)雜，包括電滲透電、化學(xué)氧化電質(zhì)應(yīng)力等，但就中壓XLPE電纜絕緣材料情況看，除電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了阻水、隔水措施，材料的質(zhì)量性能與工藝的選擇主要也存在影響。另外屏蔽量與絕緣體的質(zhì)量對電纜有直接影響，因此在處理導(dǎo)體界面時不僅要選擇最優(yōu)質(zhì)的屏蔽料，同時也應(yīng)控制絕緣體內(nèi)空隙、雜質(zhì)等形成與大小[4]。每次在生產(chǎn)前應(yīng)當(dāng)標(biāo)記出缺陷物的實際尺寸，在選擇材料與模具設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格控制施工工藝。

在進(jìn)行質(zhì)量控制時，可分別從定性與定量的角度出發(fā)解決當(dāng)下的根本問題。而在加工工藝上也可針對結(jié)晶與非結(jié)晶的穩(wěn)定性完善質(zhì)量控制措施，聚合物在結(jié)晶過程中只要包括形成晶核與晶體生長，不同溫度會對晶核的生長速度帶來不同的影響，如果溫度過高分子的熱運動則會過于激烈，難以形成晶核或其定性難以保證；如果溫度過低且接近玻璃化溫度的區(qū)域，鏈段的活動性能則會降低，晶核雖然能形成但并不利于晶體的生長，因此須控制在合理溫度范圍內(nèi)，既要滿足晶核生長的需求，也要實現(xiàn)晶體的正常生長。

4 中壓XLPE絕緣水樹的診斷及改性方法

中壓XLPE絕緣水樹的生長情況可通過多種理化性能與電氣性能進(jìn)行診斷，其中理化性能包括顯微鏡觀察、掃描電鏡分析、傅里葉紅外光譜測試等；電氣性能包括PDC測試、工頻介損測試、耐壓測試等。這些測試的進(jìn)行能有效探測到水樹的生長情況，以及時采取預(yù)算措施。

水樹枝老化形成的主要原因是由于存在水，XLPE材料在應(yīng)用過程中受到交變電場的影響，則會引發(fā)水樹枝并快速生長，最終形成樹枝化。因此就可對中壓XLPE絕緣材料分別采取堵、疏與填的形式。

堵。結(jié)構(gòu)決定著絕緣材料的整體性能，通過堵能改變絕緣材料的整體結(jié)構(gòu)，在加入成核劑后XLPE則會由大球晶轉(zhuǎn)換為小球晶，而整體上則會連接緊密，材料的致密度更高。這主要是由于大球晶之間的間隙較大，而小球晶所產(chǎn)生的間隙較小，同時隨著小球晶數(shù)量的增加、無定形區(qū)域的面積也隨之減少，而水樹枝化常發(fā)生于此區(qū)域，隨著面積的減小水樹枝化發(fā)生的原因也會明顯減少，進(jìn)而起到阻止水侵入的作用。

疏。主要思路在于加入EAA、EVA等高聚物，這主要是由于水屬于極性物質(zhì)，XLPE則作為屬于非極性位置，且疏水性更強(qiáng)。XLPE對水的排斥性較強(qiáng)，也就是指XLPE對水具有一定的吸引力，且小于水分子的內(nèi)聚力，所以在材料表面水往往會形成水滴，不會形成連接的水膜。疏水性的大小受到接觸角的影響，如果接觸角大于90度時作為疏水性材料，接觸角小于90度時則為親水性材料[5]。引發(fā)水樹的關(guān)鍵要點在于交變電場導(dǎo)致水滴出現(xiàn)極化現(xiàn)象。當(dāng)交變電場出現(xiàn)正負(fù)極變化時水滴則會出現(xiàn)極化變形，從圓形水滴轉(zhuǎn)換為橢圓形水滴，在50赫茲的影響下出現(xiàn)縱橫變化。在對絕緣材料進(jìn)行張馳疲勞實驗時這屬于一種破壞運動，這也是導(dǎo)致水樹現(xiàn)象發(fā)生及電纜擊穿的主要因素。而加入EAA、EVA等極性材料后，由于極性材料接觸角小于90度，自身的親水性更強(qiáng)，進(jìn)而將水轉(zhuǎn)換為水墨，減少電致應(yīng)力的發(fā)生。

填。近年來在XLPE絕緣材料生產(chǎn)中會加入納米SiO2、MgO、蒙脫土。通過實驗研究可發(fā)現(xiàn)，加入納米材料可有效減少無定形區(qū)域缺陷與微孔隙，起到良好的阻水效果，與堵的思路大致相同。也有部分實驗認(rèn)為，在絕緣材料中加入雜質(zhì)陶土，也能有效提高材料的抗水樹性能及電性能。而在實際應(yīng)用中，在PVC電纜材料配方中加入少量煅燒陶土，確實可提高電性能，陶土能有效堵塞微小空隙，捕獲導(dǎo)電粒子。

總而言之，增加中壓電纜絕緣材料的抗水樹化性能能有效延長絕緣材料的使用壽命，起到保護(hù)電纜的作用，減少電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況的發(fā)生。本文以XLPE為例，探究其基本性能以及導(dǎo)致水樹枝老化的原因，給出了水樹的檢測方法，并通過填、堵、疏三種策略延長電纜材料的使用壽命，同時也應(yīng)當(dāng)積極借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗，增強(qiáng)其使用效果，維護(hù)電網(wǎng)的綜合性能。