交聯聚乙烯中水樹枝抑制實驗研究

王金鋒　鄭曉泉

摘 要：為研究不同添加劑對XLPE中水樹枝的抑制效果，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水樹枝，并觀測水樹枝形態、統計水樹枝尺寸和引發率。同時觀測了試樣的結晶形態，并測試了試樣的屈服應力。研究發現，添加PEG能很好的抑制水樹枝的引發，但對水樹枝的尺寸影響不大；添加EVA和SEBS使體系屈服強度減弱，水樹枝引發率和水樹枝尺寸均上升。材料屈服強度對水樹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效果并不明顯。

關鍵詞：電力電纜；絕緣劣化；交聯聚乙烯；水樹枝；添加劑

1 引言

水樹枝老化是中低壓交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜提前失效的主要誘因[1]。水樹枝的產生和發展大大縮短了電力電纜的使用壽命，對電網的供電安全產生嚴重的潛在威脅。雖然上世紀60年代就已經在電纜絕緣中發現了水樹枝劣化現象，但截至今日，專家學者對水樹枝的引發生長機理仍然沒有達成共識。根據不同引發生長機理開發的抗水樹枝化電纜料，抗水樹枝化效果也參差不齊。

目前，市面上的抗水樹枝化電纜料主要是通過向XLPE中添加各種添加劑實現抗水樹性能。本文通過向XLPE中添加PEG、EVA和SEBS三種專利[2-4]中常用的抗水樹添加劑，根據水樹枝的引發生長機理，結合試樣的結晶形態和屈服應力對水樹枝老化特性的影響，對含有不同添加劑的XLPE中水樹枝的老化特性進行了分析討論。

2 實驗方法

2.1 試樣制備

實驗選用濮陽義達生產的YJ-35型XLPE、德國MERCK生產的PEG、北歐化工生產的EVA和岳陽石化生產SEBS作為實驗材料，制得厚度為1mm和5mm的兩種試樣。1mm厚試樣用于力學性能測試，5mm厚的試樣用于水樹枝加速老化試驗。

根據相關研究結果[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 水樹枝的培養及觀測

試驗條件參照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。將薄片用亞甲基藍溶液染色后，在顯微鏡下進行水樹枝觀測。對每個針尖處生長的水樹枝，分別沿電場方向（縱向）和垂直電場方向（橫向）進行長度測量，縱向以針尖為起點，橫向取最大寬度，選取每個方向上的最大長度作為該方向上水樹枝的長度。

2.3 結晶形態觀察及屈服應力測試

室溫下，將試樣浸入高錳酸鉀/濃硫酸刻蝕溶液進行刻蝕。刻蝕完成后，用金相顯微鏡觀測試樣的結晶形態，并測量其尺寸。參考GB/T 528-2009，測定試樣的拉伸屈服應力。

3 實驗結果與分析

為方便圖表說明，將四種試樣編號如下：1#，純XLPE；2#，XLPE/PEG；3#，XLPE/EVA；4#，XLPE/SEBS。

3.1 結晶形態及屈服應力

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，屈服應力均明顯降低。

3.2 水樹枝老化

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

Maxwell應力理論認為，材料屈服應力越大，越不利于水樹枝的引發和生長。另有研究表明：晶塊大而疏，水樹枝長度較大，晶塊小而密，水樹枝長度較小。

根據實驗結果：XLPE中添加PEG之后，體系屈服應力基本不變，晶塊尺寸減小了48.2%，水樹枝引發率大幅下降，水樹枝尺寸基本不變；XLPE中添加EVA之后，體系屈服強度下降10.1%，晶塊尺寸減小33.9%，水樹枝的引發率和尺寸均大幅增加；XLPE中添加SEBS之后，體系屈服強度下降13.6%，晶塊尺寸減小26.0%，水樹枝引發率和尺寸均大幅增加。由實驗結果可知，隨材料屈服應力的下降，水樹枝尺寸增加，且屈服應力的下降幅度與水樹枝尺寸增加幅度正比例對應；相比較而言，結晶形態對水樹枝生長的影響較屈服應力小。

4 結論

1）屈服應力對材料水樹枝老化特性的影響明顯。隨著屈服應力下降，水樹枝的引發率和尺寸呈增大趨勢。

2）混合添加劑以后，晶塊尺寸有不同程度的減小。本實驗中，晶塊尺寸對水樹枝老化特性的影響不明顯。

3）在水樹枝加速老化實驗條件下，PEG對水樹枝引發率抑制效果明顯，EVA和SEBS的抗水樹效果不明顯。

參考文獻

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[3]浙江萬馬高分子材料股份有限公司. 抗水樹電纜絕緣材料[P]. 中國專利，CN101149994，2008.

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