抗水树交联聚乙烯绝缘电力电缆的研究.pdf

2 0 1 0年第 4期 No 4 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 01 0年 8月 Aug ， 2 01 0 抗水树交联聚乙烯绝缘电力 电缆的研究 赵 海 燕 ( 特变 电工 山东鲁能泰山电缆有限公司 ， 山东 新泰 2 7 1 2 0 0 ) 摘要 ： 分析 了国内外交联 聚乙烯( X L P E ) 绝缘 电力 电缆 的使 用情况 ， 以及 容 易产 生水树的原 因机 理。从如何 避免水树的产 生和发展 ， 以提 高电缆运行寿命 ， 提 出了抗 水树 的机理和抗水树 X L P E电缆 的设计理 念 ， 并对其 试验流程和试验 结果进行 了统计分析 。 关键词 ： 抗水树交联 聚 乙烯电力电缆 ； 水树枝 ； 抗 水树机理 ； 研 究； 试验 中图分类号 ： T M 2 4 7 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 0 4 -04 S t u dy o f t he Tr e e - Re t a r d a nt XLPE Po we r Ca b l e s ZHAO Ha i v a n ( S p e c i a l E l e c t r i c A p p a r a t u s L u n e n g T a i s h a n E l e c t ri c Ca b l e C o ，L t d ，Xi n t a i 2 7 1 2 0 0，C h i n a ) Abs t r a c t ：The a p pl i c a t i o n a t h o me a n d a b r o a d o f XL PE p o we r c a b l e s a n d t h e c a us e a nd me c h a n i s m o f t r e e g e n e r a t i o n we r e a n a l y z e dTh e me c h a n i s m o f t r e e r e t a r d a n c e a n d de s i g n p h i l o s o p hy o f TR XLP E c a bl e s we r e p r o p o s e d f r o m t h e v i e w po i n t o f a v o i di n g t r e e g e ne r a t i o n a n d g r o wt h S O a s t o l e n g t h e n t h e c a b l e s e r v i c e l i f e S t a t i s t i c a l a na l y s i s wa s ma d e o n t he t e s t p r o c e d u r e a n d r e s u l t s Ke y wo r ds：TR XLPE p o we r ca b l e；t r e e；me c h a n i s m o f t r e e r e t a r d a n c e；s t u dy；t e s t 0 引 言 交联 聚 乙烯 ( X L P E) 绝 缘 电力 电缆 ( 以下 简 称 交联 电缆 ) 在 电场 和水 的作 用 下会 产 生树 枝 状放 电 通道 ， 这种现象称为水树 。水树会随着时 间的发展 继续生长， 最终导致绝缘击穿 ， 成为电力 电缆早期损 坏 的重要原 因 。 普通 的交 联 电缆的生 产及应 用 已有 近三 十年的 历史 ， 其在 干燥 环境 下具有 优 良的电气 和机械性 能 ， 但在 实际应用 中电缆 敷设 的环 境通 常 比较恶 劣 ， 电 缆经 常需要短 期或 长 期浸 泡 在 水 中 ， 或 者 处 在潮 气 湿度很大的环境下 ， 而普通交联 电缆完全不具有抗 水树能力， 在长期使用下绝缘会逐渐吸收环境 中的 水分 ， 再由于电缆绝缘中存在大量的微小空隙， 因此 在微孑 L 中会充 满水 分 ， 而 充水 微 孑 L 可在 很 低 的 电压 下产生水树。在电场的长期作用下 ， 电缆绝缘层 中 会引发大量的水树枝 ， 水树老化使绝缘分子开裂 ； 当 微孔中水树达到饱和状态时 ， 绝缘电气和机械性能 将急剧下降 ， 导电的水树枝 ( 电树枝) 会损耗大量的 电能 ， 并最终引起 电缆绝缘层的击穿， 从而大大减少 电缆 寿命 。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 - 1 0 作者简介 ： 赵海燕 ( 1 9 7 0一) ， 女 ， 工程师 作者地址 ： 山东新泰市金斗路 5 6 8号 2 7 1 2 0 0 2 0 1 0年第 4期 No 4 2 O1 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g， 2 01 0 究作简 要介 绍 。 1 水树枝的定义及产 生的机理 D L T 1 0 7 0 -2 0 0 7标 准 对 水树 的 定 义是 “ 在 绝 缘 中存 在水 分 、 电应 力 和 某 些诱 发 因素 ， 如杂 质 、 突 起 、 空 间 电荷 或 离子 时发展 成 的一 些微 通道 ” 。 水 树 产 生 机 理 的 分 析 目前 尚有 几 种 不 同 的理 论 ， 相 比之下 有 两个 主流 的理论 是得 到广泛 的认 可 ， 一 是 电应力 理论 ， 二是 电化 学氧 化理 论 。 电应力理论认为 ， 电缆在生产和运行过程中的 内部应力是促进水树枝生长的主要原 因。当电缆在 经受 电压和水 时 ， 在 高压工 频 电场 中 ， 极性 水分 子产 生强烈 的迁移 并 将 电场 能 转 化 为 动 能和 热 能 ， 获 得 巨大能 量 的水 分 子在绝 缘 内部剧 烈运 动 。当水分 子 能量足 以打 断 电 缆 绝 缘层 X L P E分 子 链 的时候 ， 就 会在绝缘内部产 生细微的裂纹 ， 导 体附近 的 X L P E 绝 缘 的应变 就 会 增 加 ， 而 在 应 变 较 大 的 区域 ( 如 杂 质 和气 孔等处 ) 便 生成 水树 枝 。 电化学 氧 化 理论 认 为 ， 水 中存 在 的离 子会 促 进 聚合物发生氧化作用 ， 氧化作用破坏了聚合物分子 链 ， 于是在聚合物 内部形成小孑 L 。氧化 产生 的羧酸 阴离子使得水树的小孔壁更加亲水 ， 所 以渗透的离 子溶 解 于亲水 性 的小孔 内 。 另外 ， 还 有一 种理论 认 为 ， 水 树枝 生长 与局部 放 电为 彼此 的诱 因 ， 在 局部 放 电高压 电场 下 ， 电缆绝缘 内部 的水 分 子 从 电 场 中 获 得 能 量 ， 产 生 水 锤 效 应 。 在水分子的撞击下， X L P E高分子链发生断裂， 并在 电缆绝缘层中出现细微气隙。气隙不断长大逐步生 成水树枝。 2 中压交联 电缆 常见 的质 量缺 陷及 引起 的 水树枝放 电现象 表 1 为 中压 交联 电缆 常见 的质量 缺 陷及其 引起 的水树枝形态。 表 1 中压 交联 电缆常见质量缺陷及其引起的水树枝的形态 常见的质量缺陷 引起的水树枝形态 内外半导 电层突起 内 、 外导 型水树枝 ， 多为发散形 绝缘与外半导电层的剥离空隙 外导型水树枝 微孔 电晕放电电气 水树枝 水分 细胞 水树枝 绝缘中杂质 、 琥珀类物质 当内、 外半导电层与绝缘层之间存在突起时， 如 存在剥离或空隙 ， 将引起 电场集 中， 并 以此为起点 ， 向绝缘层一侧产生树枝 ， 形成 了内、 外导型水树枝。 当绝缘体 中存在空穴异物时 ， 会造成电场集中， 并以此为起点产生蝴蝶状树枝 ； 当绝缘体中存在微 孔时， 将会产生电晕放电树枝 ， 通常其 比上述水树枝 先形成并即发生电气放 电。图 2图 4分别为几种 因 电缆 质量 的缺 陷引起 的水 树枝 形态 。 图 2发散 形水 树枝 之一 ( 存在于 内屏蔽缺陷处) 图 3 发散形水树枝之二 ( 存在 于内、 外屏蔽缺陷处 ) 图 4 领结形水树 ( 存 在于绝缘 缺陷处 ) 3 水树枝 的危害 水 树枝 微观 结 构 为 直 径 大 约 为 0 11 m 的 连接或者不连接 的充水小孔。随着水树枝 的生长， 水树枝尖端的电场愈加集中， 促使水树枝的延伸 ， 局 部的高电场最终会 导致水树枝尖端引发 电树枝 ， 最 后 大 面积 贯 穿 整 个 绝缘 体 的 树 枝 导 致 电缆 击 穿 破 坏。高温下水树枝会发生 明显的氧化 ， 导致吸水性 增 大和导 电性 升 高 ， 最 终会 出现 热 击 穿 ； 低 温下 ， 水 2 0 1 0年第 4期 No 4 2 Ol 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g ， 2 01 0 树枝经较长时间氧化或转化为电树枝 ， 破坏性就越 来越严重。整个的发展是 由多种 因素所决定 ， 通常 使用 8年后会开始发生由水树枝造成 的电缆击穿。 4抗水树 交联 电缆的设计思路 4 1 设 计思 路 电缆在使用过程 中， 要达到很好的抗水树效果， 具体对策是要尽量减少绝缘体中的水分和空穴， 要 去除半导电层与绝缘层之间界面容易引起电场集中 的突起部分 ， 减小树枝放 电的扩展 ， 即使 发生水树 枝， 也能够抑制水树的继续生长和抑制水树枝放电。 基于这种抗水树交联电缆的设计思路， 我们从 电缆 的结构设计 、 原材料使用 、 工艺控制 、 敷设安装等四 大方面考虑 ， 使电缆的使用寿命达到最优化。为此 ， 在电缆制造工艺中采用如下的对策 ： ( 1 )材料储存和产品生产在高洁净度条件下 ； ( 2 )采用全干式三层共挤生产线 ； ( 3 )内外屏蔽采用进 口超光滑半导 电屏蔽料 ， 绝缘采用进 口超净级抗水树型 X L P E绝缘材料。 这样保证 了电缆三层界面非常光滑， 将发散形 水树枝产生的隐患降到最小， 同时将绝缘层 中杂质 含量控制在最低限度 ， 避免 了绝缘 内部杂质水分等 应 力集 中缺 陷诱 发领结 形水树 。 4 2 抗水 树交联 电缆 的结构 图 5为 Y J V 1 0 k V抗水树电缆的结构 ， 其 中： 铜 导体截面积为 5 0 mm ， 圆形、 绞合和紧压 ； 导体屏蔽 标称厚度为 0 6 m m， 挤 出型半导电共聚物， 原材料 型号为 H F D A 0 5 8 6 ； 绝缘标称厚度为 4 5 m m， 挤 出 抗 水树 X L P E绝缘 ， 原材 料 型号 为 HF D B 4 2 0 2 N T； 绝缘屏蔽标 称厚度 为 0 8 m m， 挤 出型半导 电共聚 物， 原材料型号为 H F D A 0 6 9 3 ； 金属屏蔽采用铜带规 格为 0 1 2 m m 2 5 m m， 重叠绕包。 图 5 Y J V 1 0 k V抗水树 电缆结构示意图 4 3绝缘 的设 计要 求 表 2为超净抗水树 T R - X L P E绝缘料 的指标要 6 求， 其具有高的洁净度和抗水树能力 ， 能保留原有普 通型 X L P E相同的优 良机械物理 和电气性能， 具有 较低 的介质损 耗 。 表 2超净抗水树 T R- X L P E绝缘料的指标要求 项 目名称 指标要求 牌号名称 HF D B 4 2 0 2 N T 密度 ( g c m ) 0 9 2 抗张强度 MP a 2 0 断裂伸长率 5 0 0 介质损耗( 6 0 H z I MHz ) 0 0 0 0 5 介电常数( 6 0 Hz 1 MHz ) 2 3 体积电阻率( n c m) 11 0 注 ： 该绝缘料为高性能抗水树 塑料， 运用于地下 中压 电缆， 具有 使用寿命极长的性能。 5 抗水树交联电缆试验项 目和流程 参 照 I C E A S - 9 4 - 6 4 9标 准 ， 对 抗 水 树 交 联 电缆 进行成 品性能试 验 ， 试 验项 目和试验 流程见 图 6 。 5 1交流 逐级 击穿试 验 交流逐级击穿试验 ( 图 7 )旨在考核试样在 l 4 天负荷循环前后以及加速水树老化后的工频击穿性 能 。其 中 ， 样 品 1 、 2 、 3是 负荷循环 ( 1 4天 ) 前 的击穿 试验 ， 其击穿场强值均大于 I C E A S - 9 4 -64 9要求 的 2 4 4 k V mm； 样 品 7、 8 、 9是负 荷循 环 ( 1 4天 ) 后 的 击穿试验 ， 其击穿场强值均大于标准要求的 2 6 k V mm。以下为加速水树 老化后击 穿试验 ： 样 品 1 3 、 1 4 、 1 5是 1 2 0天后的击穿试验 ， 其击穿场强值均大 于标准要求的 2 6 k V m m； 样品 1 6 、 1 7 、 1 8是 1 8 0天 后 的击 穿 试 验 ， 其 击 穿 场 强 值 均 大 于 标 准 要 求 的 2 2 8 k V m m； 样 品 1 9、 2 0 、 2 l是 3 6 0天 后 的击 穿 试 验 ， 其击穿场强值均大于标准要求的 1 5 k V m m。 5 2 热冲 击逐级 击穿试 验 热冲击逐级击穿试验( 图 8 ) 是为了考核试样 的 冲击电压性能， 其中样品 4 、 5 、 6是循环负荷试验前 进行的热冲击逐级击穿试验 ， 样品 1 0 、 1 1 、 1 2是循环 负荷试验后进行的热冲击逐级击穿试验。其击穿场 强值都远远大于标准要求的 4 7 2 k V m m。 5 3局部放 电试验 图 9为局部放电试验数据 ， 是为了考核试样 l 4 天负荷 循环 前 后 及 加 速 水 树 老 化 后 的 局 部 放 电 性 能 。其 中 ， 样 品 1 、 2 、 3是 负荷循 环 ( 1 4天 ) 前试 验 数 据， 样品 7 、 8 、 9是 1 4天负荷循环后的试验数据。以 下为加速水树 老化后局 部放 电的试验数 据 ： 样 品 l 3 、 1 4 、 1 5是 1 2 0天后 的试验 数据 ， 样品 1 6 、 1 7 、 1 8是 2 0 1 0年第 4期 No 4 2 01 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 1 0年 8月 Au g ， 201 0 1 8 0天后 的试验 数据 ， 样 品 1 9 、 2 0、 2 1是 3 6 0天 后 的 试验数据。其试验结果全部满足标准要求 ， 即局部 放 电量 不大 于 5 p C 。 + 电 气 测 量 鞣样 品 ， ， I I 样 品 1 + 交流逐级击穿试验 样品 1 ， 2 ， 3 + 结构检查 样 品 1 电气测量 I 1 4 天负 荷循环试验 样品7 I 样品7 2 1 1 r I 交流逐级击穿试验 热冲击逐级击穿试验 l 样品7 ， 8 ， 9 样品 l 0 ， l 1 ， 1 2 + l 结构检查 l 样品7 l 电气测量 一 I 1 2 0 天加速水树老化试验 l 样品l 3 I( A W T T ) l 交流逐级击穿试验 I 样 品 13 ，1 4 ， 1 5 + 1 8 0 天加速水树老化后 3 6 0 天加速水树老化后 I 结构检查 的交流逐级击穿试验 的交流逐级击穿试验 【 样品1 3 样品 l 6 1 7 。 l 8 样品 1 9 ， 2 O ， 2 l + + + 水 树 的 检 查 和 计 数 I 水 树 的 检 查 和 计 数I l 水 树 的 检 查 和 计 数 l 言 尊 鼎 墀 酞 佑 图 6 抗 水树交联 电缆成品 的试验项 目和流程 1 2 0 1 0o 8 O 6 0 4 0 2 0 l 2 3 7 8 9 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 l 8 1 9 2 0 2 1 样 品编号 图 7 交流逐级击穿试 验 4 5 6 l 0 1 l 1 2 样 品编号 图 8热 冲击逐级 击穿试验 5 4水树 的检 查 和计 数 对 已完成 交 流逐级 击 穿 试 验 的样 品 1 3 、 1 4 、 1 5 、 1 6 、 1 7 、 1 8 、 1 9 、 2 0、 2 1进行 了水树检查。对每一个样 品 ， 都在击穿点附近切取 3 0个 圆片 ， 使用亚 甲基蓝 染色并晾干后 ， 在显微镜 下观察水 树的生长情 况。 观察后未发现 大于 0 2 5 mm 的管状水树 ， 但存 在 大 、 小型领结状水树 ， 详细统计见表 3 、 表 4 。 U 棚 辎 赣 哩 图 9 局部放 电试验 表 3小型领结状 ( 0 1 4 0 2 5 mm) 水树分 布密度的统计 ( 单位 ： 个 e m ) 样 品编号 l 3 l 4 1 5 l 6 l 7 l 8 1 9 2 0 2 l 水树分 布密度 O l O 5 2 9 7 O 3 4 表 4大型领结状 ( 0 2 61 0 2 mm) 水树分布 密度的统计 ( 单位 ： 个 e m ) 水树尺寸 m m 样 品编号 0 2 6O 5 l 0 5 20 7 7 0 7 81 O 2 l 3 O 0 O 1 4 O 0 O 1 5 O 0 0 1 6 O 0 0 1 7 4 0 0 l 8 O O O 1 9 O O O 2 0 O O 0 2 l l O O 由上述 可知 ， 抗 水树 交联 电缆 Y J V 一 8 7 1 0 k V 1 5 0 mm ， 参 照 I C E A S - 9 4 - 6 4 9标 准 进 行 了加 速 水 树老化性能研究 ， 试验结果完全符合标准要求 ， 验证 了该电缆具有优 良的抗水树老化性能。 参考文献 ： 1 I C E A S 04 4 9额 定 电压 54 6 k V 同心 中 性线 电缆标 准 S 2 A E I C C S 8 0 额定 电压 54 6 k V挤 包绝缘 屏蔽型 电力 电缆 技术规范 S 3 孙颖 ， 曹 晓珑 聚 合物抗 水树 性 能的评 估方 法及 试验研 究 C 2 0 0 9年中国线缆材料大会论文集 南京 ： 2 0 0 9 们 加 m 0 一 日g ， I) 醺辑酞懵