潮濕水環境引起低壓交聯電纜絕緣快速老化的原因分析

【摘 要】交聯聚乙烯絕緣電力電纜，由于無油，附屬設備較少，在一定防護條件下無火災危險。安裝敷設以及運行維護簡單，而成為城市電風改造和建設所需電力電纜的首選電纜。電纜投入運行后，絕緣會受到電、熱、機械和水分等因素的作用而發生老化，影響電纜的運行可靠性和使用壽命。研究表明，樹枝老化是電纜絕緣老化的重要原因。樹枝老化主要包括水樹枝老化和電樹枝老化。其中，水樹枝老化是導致交聯聚乙烯電纜絕緣壽命縮短的重要因素。在電纜的安裝使用中，敷設在潮濕有水環境的低壓 0.6/1kV交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜，裸露的XLPE絕緣層在電纜的長期工作中會加速老化，最終交聯聚乙烯絕緣層出現了老化、降解和碎裂現象。

【關鍵詞】交聯電纜老化；降解；碎裂

1.絕緣老化現象

聚乙烯經過溫水交聯后，其分子結構轉變為網狀立體結構，使熱塑性的聚乙烯變為熱固性的交聯聚乙烯，大幅度提高了材料的耐熱性能和機械性能，并保持了優良的電氣性能。但任何事物都有它的不完美性，從而提出了它的注意事項。在電纜敷設現場，發生電纜絕緣層開裂的是YJV0.6/1kV低壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜，其所采用的絕緣料是交聯聚乙烯。此電力電纜在使用 l～2年后，發生短路。電纜不能正常使用，電纜抽出經檢查分析后認為：電纜由于安裝敷設時，外護套局部刮傷，電纜絕緣長時間在水，潮濕條件下工作，最終造成絕緣快速老化開裂。

2.絕緣老化主要原因分析

近十幾年的運行和研究表明，聚乙烯、交聯聚乙烯和一些其他聚合物的絕緣破壞，主要先經過老化中樹枝老化過程，“樹枝”（Treeing）是形象名詞，它是絕緣在老化中，受電場影響。產生介質較弱部位的枝狀放電或枝狀結集。按“樹枝”形成的原因及其所起的絕緣破壞作用。可分為“電樹枝”及水樹枝兩種，水樹枝不會直接導致絕緣擊穿，但它會孕育電樹枝，水樹枝在發展過程中即使長度不再增加，內部結構也在變化。醞釀著導發電樹枝，以至擊穿絕緣。

2.1水樹枝的作用

XLPE絕緣電纜含水是近年來國際國內比較重視的一個項目。我們已經知道絕緣中含水會引發絕緣體中形成水樹枝，造成絕緣破壞，水樹枝是直徑小于幾個微米的許多微觀充水空隙所組成的放電通路。電場和水的共同作用形成水樹。視電纜中含水量不勻，水樹的長度和數量有所不同。最長的水樹可達600～800μm，每立方毫米最多可有二三十個。XLPE絕緣含有水分時（不一定要飽和），并在不高的電場強度（如在工作場）作用下，就會在它的關鍵位產生如上述的水樹枝。水樹枝由微隙（Micro-cavitis）或微（Micro-voids）所組成，此等微隙、微孔看來未必互相通連。微孔、微隙的大小幾乎是相等的，約為1～2μm，但在水樹枝不同的地位，單位體積內的孔、隙數是有變化的。微孔的密度與電場強度有密切關系。電場愈大，密度愈大。不管產生這種微孔、隙的機理如何，水樹枝的產生總是與局部的電場強度大小和絕緣含水飽和度有關。第一微孔（隙）出現，即水樹枝的起始，總是在絕緣與水分接觸的分界上的電場最大的地方，水樹枝一經發生，在一定條件下會逐步發展。根據熱動力學的觀點，可以證明當水在XLPE絕緣中的飽和比超過一定范圍時，水樹枝在生成后會繼續發展和增長。

人們對水樹枝的產生和發展和機理提出不少理論，但淌無一致的說法。主要理論可分為化學作用說和機械作用說兩大類。化學論的觀點認為水樹枝的生成是由于注射進了電子，從而引起了化學變化或化學反應，導致了絕緣物的局部化學損傷。機械作用論的觀點認為水樹枝是由于絕緣局部受到了機械應力（Mechanical Overstressing）作用所致，也有理論認為二者之間有一定聯系，機械可以加強化學作用，而化學老化也會降低聚合物的機械強度。

2.2熱、氧老化作用

電纜絕緣外護套刮傷造成絕緣裸露部分和空氣中的氧接觸，加之電纜長時間通電工作，導體會發熱引起絕緣材料溫度上升，加速交聯聚乙烯的碎裂老化進程。在與氧氣隔絕的條件下受熱 ，包括聚乙烯或交聯聚乙烯在內的聚烯烴類材料特性是穩定的。而在氧氣環境下，即使溫度較低 ，聚稀烴類材料也能發生氧化反應 。和光氧化反應一樣，交聯聚乙烯的氧化反應的歷程非常復雜，包括聚合物的氧化、斷裂降解等過程。其終極產物包括羰基化合物、過氧化物、烷氧基化合物等。對于絕緣材料，氧、熱二者的作用是相輔相成的，是一種協同作用的方式。在低溫的條件下，化學反應非常緩慢；但有熱的情況下，能加速氧在材料中的擴散。因此，氧、熱二者的共同作用下，高分子材料的斷裂老化會大大加速。

2.3熱應力作用

在電纜的制造過程中，如果生產速度較快，絕緣表面較快冷卻，高溫下的分子鏈就沒有足夠時間松弛，急劇冷卻后絕緣收縮不均勻會產生較大的內應力。而聚乙烯是對應力非常敏感的材料，在應力的作用下，它容易產生應力開裂現象。交聯聚乙烯是將線型結構的聚乙烯經蒸汽交聯處理后生成網狀立體型結構；交聯后分子間鍵合力增大，不利于分子鏈的滑脫，相應的應力作用不易造成內部缺陷。但熱應力的作用始終存在，只能在生產中從模具、生產速度和冷卻上有意識地采用防范措施來減少。

3.結束語

不管水樹枝能否直接導致絕緣擊穿，它總會降低絕緣強度，起著快速（飽和水）漫長絕緣老化作用。當水氣滲入電纜絕緣以后，電場強度在關鍵區域內，會在很大程度上使電纜老化，水樹的出現和擴大總是在電場強度最大的地方。通過以上的剖析，認為水、氧、熱和機械應力造成電纜的加速老化，那么在今后的電纜敷設中，加強電纜的護層保護，防止水分滲入電纜絕緣，加強電纜制造中的熱應力控制.所以減少和防止水分滲入電纜應當是延長電纜壽命和增加電纜可靠性的有效辦法。 [科]

【參考文獻】

[1]劉平原，賀景亮，邰淑彩.交聯聚乙烯絕緣老化的試驗與建模研究[J].絕緣材料，2012（01）.