交联聚乙烯电力电缆水树产生机理、检测及预防

2009年第4期NO42009电线电缆ELECTRICWIRECABLE2009年8月AUG，2009交联聚乙烯电力电缆水树产生机理、检测及预防陈涛，魏娜娜，陈守娥，王连成，王雨特变电工山东鲁。能泰山电缆有限公司，山东新泰271200摘要分析交联聚乙烯电力电缆绝缘中水树产生的机理及检测方法，并对如何防止绝缘中水树产生提出了解决措施。关键词交联聚乙烯电力电缆；水树；产生机理；预防中图分类号TM2471文献标识码A文章编号16726901200904000104MECHANISM，DETECTIONANDPREVENTIONOFWATERTREEINGINXLPEPOWERCABLESCHENTAOETALSPECIALELECTRICAPPARATUSLUNENGTAISHANELECTRICCABLECO，LTD，XINTAI271200，CHINAABSTRACTINTHISPAPERTHEMECHANISMANDDETECTIONOFWATERTREEINGINTHEXLPECABLEINSULATIONWEREANALYZEDMEASURESTOPREVENTWATERTREEINGGENERATIONINTHECABLEINSULATIONWERERECOMMENDEDKEYWORDSXLPEPOWERCABLE；WATERTREEING；MECHANISMOFGENERATION；PREVENTIONO引言目前，交联聚乙烯XLPE绝缘电力电缆产品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。在此条件下长期使用，绝缘会逐渐吸收环境中的水分，在电场的作用下久而久之会在电缆绝缘中引发大量的水树，水树老化使绝缘高分子裂解。当绝缘中水树达到饱和状态时，绝缘电气和机械性能将急剧下降，导电的水树即电树会损耗大量的电能，并最终引起电缆绝缘击穿，从而大大减少电缆寿命。据统计，国内城网1035KV电力系统中，地下使用的普通XLPE绝缘电缆，普遍在运行8至12年生长出大量水树，致使大量交联电缆因水树而发生击穿事故，影响电网的安全运行。日本曾对电缆老化现状做过调查，并对空气中与浸水中电缆进行老化特性的比较，得出以下结论1对经历了12年、124年、14年运行的3回77KV电缆干法交联、三层共挤结构撤出后进行了工频、冲击击穿试验，结果显示其绝缘击穿电压均比投产初期降低2550。同时，水树分布的考收稿日期2009212作者简介陈涛1977一，男，工程师作者地址山东新泰市金斗路568号271200察结果显示，地下电缆被水浸泡造成水树的生长情况比在空气中的情况要显著。2对275KV具有径向防水构造的铝包XLPE电缆投入使用10年后抽检，撤出3条25IN长电缆做绝缘击穿测试，结果显示与投入使用前性能相近。其领结形水树的长度最大约为160M，被确认绝缘性能没受影响。3曾对仅有普通PVC外护层、含铅箔的简易防水层、铝护套等3种型式66KV电缆做研究。按外部浸水条件做对比测试，结果显示具有径向防水构造的电缆绝缘性能与初始性能相同；而没有径向防水层的普通PVC外护层电缆，在不长时间其绝缘性能已有降低趋势。因此，水树对于交联电缆的危害性是很大的，需要对其产生机理、检测及预防方法进行认真研究分析1水树产生机理分析水树是电缆绝缘中水分在高压电场作用下形成的发散形或领结形的气隙见图L、图2。在交联电缆绝缘中的空隙有水树、电树和化学树等形状，它们产生的机理都不完全相同，但在它们生长的过程中却可以相互转化、相互促进。自1967年发现XLPE绝缘水树老化后，目前已确认水树是交联电缆绝缘老化的主要原因。大量试验表明水树会造成局部应力增大。高温下水树会发生明显的氧化，导致吸水性增大，导电性升高，最终2009年第4期NO42009电线电缆ELECTRICWIRECABLE2009年8月AUG，2009图1发散形水树图2领结形水树会出现热击穿；低温下，水树经较长时间氧化或转化为电树，破坏性就更严重。在理论研究过程中，一般假设电缆水树存在区域为典型的圆柱形电场。交联电缆在运行中产生较高的电场，使绝缘层在相对较低的电场强度下就会遭到破坏而出现树枝状空隙。目前国内外研究水树生长机理的理论及观点较多，其中已经得到广泛认同的主要有下面三点。11应力作用在生产和运行过程中电缆的内部应力是促进水树生长的主要原因，其中剩余应变使水树增长在理论研究中被普遍重视。当电缆在经受电压和水分作用时，导体附近的交联聚乙烯绝缘的应变就会增加，而在应变较大的区域便生成水树。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电缆内部剧烈运动。当水分子能量足以打断电缆绝缘层交联聚乙烯分子链的时候，就会在绝缘内部产生细微的裂纹。电缆应变大致有三类，即在生产过程中引起的应变、在敷设过程中由于拉伸和弯曲引起的应变，以及在电缆运行中由于绝缘间隙中的水分在电场作用下引起的应变即剩余应变。剩余应变形成水树主要有两种原因一是间隙内的水分由于损耗发热而产生热膨胀力。电缆中的损耗主要是导电线芯损耗、介质损耗、金属屏蔽和铠装损耗，由于损耗发热2会使温度升高。据日本东京电力工业研究所计算，间隙内的水分每升高10CI，压力会升高473KGCM，从而造成微观间隙的生长；另一个原因是电致伸缩力。一个充水的间隙在电场的作用下会受到向间隙外的、沿着电场方向的麦克斯韦应力和海默霍德应力，称为电致伸缩外向力。同时水的表面张力会对抗外向力造成电致伸缩。此时间隙受到的净压力P为P14410一E006式中，R为水的半径；E为电场强度。这个应力沿电力线方向，且从间隙向外，产生的机械应力可达几十KGCM。如该方向上存在无定型区和杂质，便会使间隙扩大发展，导致水树生长。12化学势作用电场下的化学势作用发展了水树。若将绝缘浸在水中，并对绝缘施加电场E。，少量的水分子将会扩散进绝缘，其化学势为。，当绝缘内有一充分的微观空隙，其化学势为，场强为E，外界水的化学势为。，则绝缘内电场的总的化学势为OO一1E式中，。为真空介电系数；P为水的密度；为水的介电系数。水向化学势较小的部分运动，直至平衡，即。微观空隙中的水和扩散进绝缘材料中的水之间的平衡状态会对间隙产生压力PPL0KOPE一P式中，K。为常数，K。79X10I2MKG；P为水的密度；P为界面对微观空隙中的水施加的压力。假定微观空隙是圆球形，则P百2A一8OE式中，仪为水和绝缘之间的界面张力NM；R为微观空隙的半径。若P0，则微观空隙的水便会产生一个促使绝缘材料流动变形的力，于是会增加微观空隙的体积，即水树的生长。13水树生长与局部放电彼此的诱因在局部放电高压电场下，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，交联聚乙烯高分子链发生断裂，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。按照电位移定理，EEE占，水树气隙内部的电场强度明显高于绝缘中电场强度，并产生2009年第4期NO42009电线电缆ELECTRICWIRECABLE2009年8月AUG，2009电场集中。根据下式可以计算含水分子的气隙中相对介电常数值相对电容率，2、R十经计算，在20OC、1013KPA、相对湿度为60的气隙中，相对电容率为100071，略大于干燥气体的相对电容率100058。随着气隙的增长，气隙内空气湿度水分子含量会有所降低，同时气隙能够承受的放电电场场强随气腔增大而增大，所以随着水树气隙的长大，生长速度逐渐减慢。除了水树生长引起电场的变化，我们还能够看到电场在水树生长过程中起到的作用。避免水树的生长，不仅需要避免水汽和残余水分的存在，而且还需要改善电缆绝缘内部电场分布。2水树老化检测方法21场致发光法加拿大国家科学研究协会曾对XLPE电缆绝缘的电树成长过程进行了深入研究。结果表明，在电树起始前聚合物中电场强度增高点发射出的光，不是因局部放电引起的，而是由一种“场致发光”引起。由于场致发光EL在水树转化为电树之前就发射出来，所以可藉以察觉聚合物材料出现水树老化，因为一旦电树开始，电缆击穿就即将发生。22HFPD信号检测法HFPD信号处理的频率范围为100500MHZ，适用于短段电缆和电缆附件。荷兰运用HFPD在150KV电缆线路实施运行检测的电缆终端已达100个左右。其噪声水平仅为工频下传统局部放电的131100，通常1个人每天可检测6个终端。如某终端运行2年后发生故障，而击穿前数月HFPD水平已有大幅增加，且检查该终端界面确存在水树现象，因而可以确认HFPD有效。日本也早已开发此类技术，采取550MHZ的信号处理。如一种适于绝缘接头的金属箔电极法局部放电检测，运用至275KVXLPE电缆长95KM线路，在10MHZ下检出灵敏度为1PC，对相距617ILL的邻近接头在3MHZ下检出灵敏度为15PC。23耐压试验法耐压试验法是判断绝缘性能最直接方式，它实质归属于破坏性试验。迄今，鉴于工程实践中对于XLPE电缆绝缘老化检测的有效性方法极为有限，因而仍需依赖耐压试验法做出判断。试验电压波形选择要考虑水树检测能力、对健全绝缘部位的影响、试验装置体积大小以及试验耗费等因素。日本基于测试实践对波形的评价，综合认为评估电缆残余寿命的水树检测，以超低频试验电压波形较宜。理想试验电压的考虑方式，是使能继续运行的电缆经受耐压，使不能继续运行的电缆经由耐压试验击穿。因击穿电压具有一定的离散性，故需对各试验电压结果呈现的概率作统计分析。3预防水树的方法31采用可靠的密封金属护套径向防水构造1996年广州地区曾发生一起运行LO年的绝缘接头破坏事故，其接头为非金属防水结构，分析认为水树老化是引起接头失效的主要原因。另外，结合本文引言中所述的日本做过的调查可以知道，交联电缆的径向防水构造对于防止电缆水树产生至关重要，特别是处于潮湿地方运行的电缆，应采用可靠的密封金属护套径向防水构造，设法确保电缆金属护套的完整性，避免水汽和环境水进入电缆内部。32改进电缆结构和生产工艺，消除电缆绝缘结构中局部应力集中的缺陷根据实际经验，发散形水树经常产生在导体屏蔽和绝缘的交界处，一般是由于导体屏蔽缺陷凸起、凹陷、杂质等引起，因此在生产过程中应采用超光滑半导电屏蔽料导体屏蔽和绝缘界面无大于005MM的突起，合理调整屏蔽和绝缘挤出量，使导体屏蔽和绝缘界面无嵌入现象，这样可以有效防止发散形水树产生。领结形水树一般产生在绝缘内部，在绝缘内部应力变化较大处易引发领结形水树，如气孔、杂质、水分等，因此在生产过程中应采用超净级交联聚乙烯绝缘材料无大于005MM的不透明杂质，在高洁净度条件下通过全干式交联生产线完成三层共挤及交联反应，可以有效避免绝缘内部杂质水分等应力集中缺陷诱发领结形水树。33在生产和敷设过程中尽量减少内部应力电缆内部未释放的应力在运行过程中受到内部电场和外部环境的作用后，会促使电缆绝缘结构发生分解和变形，导致电缆绝缘性能下降，易引发水树产生。所以在交联绝缘线芯生产时应采用应力消除装置，脱气时间要充足，另外在电缆敷设安装过程中要禁止野蛮施工，要严格满足电缆允许的弯曲半径要求。34绝缘采用抗水树交联绝缘料以抗水树交联绝缘料制造的交联电缆，在北美和欧洲二十多年的现场实际应用中表现非常优异，在中压交联电缆领域拥有高达95的市场占有率。下转第7页2009年第4期NO42009电线电缆ELECTFICWIRECABLE2009年8月AUG，2009表410KV电力电缆主要性能测试结果序号项目名称指标试验结果L局放试验173U0，5MINPCL02324H工频电压试验4U0不击穿通过绝缘平均厚度MM45473绝缘最薄处厚度MM39545热延伸试验20NCM，200，15MIN4负载下延伸率17550冷却后变形率L555热收缩试验130，1H4L6绝缘吸水试验85，14DMGCM1003老化前抗拉强度MPAL25189断裂伸长率200545老化后7抗拉强度MPA221抗拉强度变化率25169断裂伸长率578断裂伸长率变化率256注本试验数据摘自国冢电线电缆质量监督检验中心检验报告。设备均匀交联的厚度可达L65MM以上，为原来的7倍。31KV电缆的分色标识问题得到了解决。4电缆材料的耐温等级有了重大突破，研制开发了9O、105OC、125OC、135OC等系列紫外光电缆材料。5低烟无卤阻燃光交联电缆料配方体系小试成功，为研制开发特种电缆提供了技术支持。6成功研制了以微波激发无极灯为光源的紫外光辐照交联设备。7发展了适合于紫外光辐照交联的“2I”挤出光辐照交联新工艺技术。8研制成功光交联聚乙烯绝缘10KV电缆新产品。9将光交联技术应用于三元乙丙橡胶EPDM、乙烯一醋酸乙烯EVA等系列材料，拓宽了光交联技术的应用领域。由上述可知，紫外光交联聚乙烯新技术目前仍处在发展和完善的过程中，工业应用才刚刚起步，因此，应用领域尚须拓宽，应用基础研究还须进一步加强，特别是在研制与高分子材料有更好相容性的光引发剂和交联剂，完善光交联工艺技术等还有许多的研究工作要做。参考文献1瞿保钧，施文芳聚乙烯光引发交联及其工业应用研究的新进展J高分子材料科学与工程，19906372瞿保钧，梁任又，徐云华，等