潮濕水環(huán)境引起低壓交聯(lián)電纜絕緣快速老化的原因分析

【摘 要】交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，由于無油，附屬設(shè)備較少，在一定防護(hù)條件下無火災(zāi)危險(xiǎn)。安裝敷設(shè)以及運(yùn)行維護(hù)簡單，而成為城市電風(fēng)改造和建設(shè)所需電力電纜的首選電纜。電纜投入運(yùn)行后，絕緣會(huì)受到電、熱、機(jī)械和水分等因素的作用而發(fā)生老化，影響電纜的運(yùn)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(dǎo)致交聯(lián)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(shè)在潮濕有水環(huán)境的低壓 0.6/1kV交聯(lián)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(huì)加速老化，最終交聯(lián)聚乙烯絕緣層出現(xiàn)了老化、降解和碎裂現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】交聯(lián)電纜老化；降解；碎裂

1.絕緣老化現(xiàn)象

聚乙烯經(jīng)過溫水交聯(lián)后，其分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，使熱塑性的聚乙烯變?yōu)闊峁绦缘慕宦?lián)聚乙烯，大幅度提高了材料的耐熱性能和機(jī)械性能，并保持了優(yōu)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(xiàng)。在電纜敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)生電纜絕緣層開裂的是YJV0.6/1kV低壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，其所采用的絕緣料是交聯(lián)聚乙烯。此電力電纜在使用 l～2年后，發(fā)生短路。電纜不能正常使用，電纜抽出經(jīng)檢查分析后認(rèn)為：電纜由于安裝敷設(shè)時(shí)，外護(hù)套局部刮傷，電纜絕緣長時(shí)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(yùn)行和研究表明，聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯和一些其他聚合物的絕緣破壞，主要先經(jīng)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(chǎng)影響。產(chǎn)生介質(zhì)較弱部位的枝狀放電或枝狀結(jié)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(huì)直接導(dǎo)致絕緣擊穿，但它會(huì)孕育電樹枝，水樹枝在發(fā)展過程中即使長度不再增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也在變化。醞釀著導(dǎo)發(fā)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(nèi)比較重視的一個(gè)項(xiàng)目。我們已經(jīng)知道絕緣中含水會(huì)引發(fā)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(gè)微米的許多微觀充水空隙所組成的放電通路。電場(chǎng)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(shù)量有所不同。最長的水樹可達(dá)600～800μm，每立方毫米最多可有二三十個(gè)。XLPE絕緣含有水分時(shí)（不一定要飽和），并在不高的電場(chǎng)強(qiáng)度（如在工作場(chǎng)）作用下，就會(huì)在它的關(guān)鍵位產(chǎn)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(nèi)的孔、隙數(shù)是有變化的。微孔的密度與電場(chǎng)強(qiáng)度有密切關(guān)系。電場(chǎng)愈大，密度愈大。不管產(chǎn)生這種微孔、隙的機(jī)理如何，水樹枝的產(chǎn)生總是與局部的電場(chǎng)強(qiáng)度大小和絕緣含水飽和度有關(guān)。第一微孔（隙）出現(xiàn)，即水樹枝的起始，總是在絕緣與水分接觸的分界上的電場(chǎng)最大的地方，水樹枝一經(jīng)發(fā)生，在一定條件下會(huì)逐步發(fā)展。根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，可以證明當(dāng)水在XLPE絕緣中的飽和比超過一定范圍時(shí)，水樹枝在生成后會(huì)繼續(xù)發(fā)展和增長。

人們對(duì)水樹枝的產(chǎn)生和發(fā)展和機(jī)理提出不少理論，但淌無一致的說法。主要理論可分為化學(xué)作用說和機(jī)械作用說兩大類。化學(xué)論的觀點(diǎn)認(rèn)為水樹枝的生成是由于注射進(jìn)了電子，從而引起了化學(xué)變化或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了絕緣物的局部化學(xué)損傷。機(jī)械作用論的觀點(diǎn)認(rèn)為水樹枝是由于絕緣局部受到了機(jī)械應(yīng)力（Mechanical Overstressing）作用所致，也有理論認(rèn)為二者之間有一定聯(lián)系，機(jī)械可以加強(qiáng)化學(xué)作用，而化學(xué)老化也會(huì)降低聚合物的機(jī)械強(qiáng)度。

2.2熱、氧老化作用

電纜絕緣外護(hù)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(shí)間通電工作，導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱引起絕緣材料溫度上升，加速交聯(lián)聚乙烯的碎裂老化進(jìn)程。在與氧氣隔絕的條件下受熱 ，包括聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯在內(nèi)的聚烯烴類材料特性是穩(wěn)定的。而在氧氣環(huán)境下，即使溫度較低 ，聚稀烴類材料也能發(fā)生氧化反應(yīng) 。和光氧化反應(yīng)一樣，交聯(lián)聚乙烯的氧化反應(yīng)的歷程非常復(fù)雜，包括聚合物的氧化、斷裂降解等過程。其終極產(chǎn)物包括羰基化合物、過氧化物、烷氧基化合物等。對(duì)于絕緣材料，氧、熱二者的作用是相輔相成的，是一種協(xié)同作用的方式。在低溫的條件下，化學(xué)反應(yīng)非常緩慢；但有熱的情況下，能加速氧在材料中的擴(kuò)散。因此，氧、熱二者的共同作用下，高分子材料的斷裂老化會(huì)大大加速。

2.3熱應(yīng)力作用

在電纜的制造過程中，如果生產(chǎn)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(shí)間松弛，急劇冷卻后絕緣收縮不均勻會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。而聚乙烯是對(duì)應(yīng)力非常敏感的材料，在應(yīng)力的作用下，它容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂現(xiàn)象。交聯(lián)聚乙烯是將線型結(jié)構(gòu)的聚乙烯經(jīng)蒸汽交聯(lián)處理后生成網(wǎng)狀立體型結(jié)構(gòu)；交聯(lián)后分子間鍵合力增大，不利于分子鏈的滑脫，相應(yīng)的應(yīng)力作用不易造成內(nèi)部缺陷。但熱應(yīng)力的作用始終存在，只能在生產(chǎn)中從模具、生產(chǎn)速度和冷卻上有意識(shí)地采用防范措施來減少。

3.結(jié)束語

不管水樹枝能否直接導(dǎo)致絕緣擊穿，它總會(huì)降低絕緣強(qiáng)度，起著快速（飽和水）漫長絕緣老化作用。當(dāng)水氣滲入電纜絕緣以后，電場(chǎng)強(qiáng)度在關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)，會(huì)在很大程度上使電纜老化，水樹的出現(xiàn)和擴(kuò)大總是在電場(chǎng)強(qiáng)度最大的地方。通過以上的剖析，認(rèn)為水、氧、熱和機(jī)械應(yīng)力造成電纜的加速老化，那么在今后的電纜敷設(shè)中，加強(qiáng)電纜的護(hù)層保護(hù)，防止水分滲入電纜絕緣，加強(qiáng)電纜制造中的熱應(yīng)力控制.所以減少和防止水分滲入電纜應(yīng)當(dāng)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(xiàn)】

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