在線注入有機硅修復液對交聯聚乙烯電纜中水樹生長的影響

黃 明 周 凱 楊 滴 楊明亮

(四川大學電氣信息學院 成都 610065)

?

在線注入有機硅修復液對交聯聚乙烯電纜中水樹生長的影響

黃 明 周 凱 楊 滴 楊明亮

(四川大學電氣信息學院 成都 610065)

提出了水樹老化電纜的在線修復方法，討論了在交變電場下修復液對水樹的抑制作用及其絕緣修復機理。采用高頻高壓水針電極法對新樣本、預修復樣本和在線修復樣本進行加速水樹老化。老化一個月后，使用顯微鏡觀察樣本中水樹形態并測量其水樹長度。通過差示掃描量熱法分析樣本絕緣層的劣化程度，同時利用掃描電鏡和能譜分析儀對比水樹區域的微觀形貌及化學結構變化。研究表明，在線注入有機硅修復液能有效地抑制水樹的生長。在電場的作用下，修復液分子和水分子同時向強電場區域(如微孔、水樹區域等)進行擴散并發生反應，消耗水分并且生成凝膠顆粒填充微孔，一定程度上緩解了絕緣的劣化。

交聯聚乙烯電纜 水樹 硅氧烷 電場 取向 介電泳力

0 引言

隨著電纜運行年限的增加，我國20世紀90年代城市配電網改造中被大量使用的交聯聚乙烯(XLPE)電纜逐步進入老化故障高發期[1，2]。普通的交聯聚乙烯電纜在運行15年后電纜的擊穿強度急劇下降，最嚴重可下降近50%[3，4]。水樹老化是導致電纜絕緣性能下降、壽命縮短的主要原因之一[5，6]。水樹主要是由納米級通道和微米級孔洞構成的親水性樹枝狀絕緣缺陷[7，8]，其在過電壓的作用下將可能引發電樹，造成不可逆的絕緣破壞，并最終導致電纜絕緣失效[9，10]。雖然新型TR-XLPE電纜的抗水樹能力得到了提升[5]，但是由于電纜敷設和經濟效益原因，并不能快速、完全地更換早期已投運的電纜。因此，探索有效的水樹修復方法具有現實意義。

國內外學者在對電纜絕緣修復方面進行多年研究和實踐后，相繼報道了對水樹老化電纜具有良好修復效果的硅氧烷修復液注入技術[11-17]。文獻[12]對其修復機理進行了比較詳細地分析，認為修復液與和水樹空洞內微量的水分進行了水解-縮合反應，消耗絕緣內部水分并生成有機低聚物填充水樹微孔或通道，防止局部電場畸變，從而有效地修復了水樹。文獻[14，15]也針對水樹修復問題進行了深入的研究，并進一步證明了修復液可修復水樹電纜，改善水樹老化電纜的絕緣性能。此外，文獻[18]報道了有機硅修復液對電纜絕緣中新水樹的生長及水樹數量具有抑制作用。但目前為止，大多數文獻都只是對水樹老化電纜的一次性注入修復效果及修復機理進行了研究。為了更有效地抑制電纜絕緣中的水樹，有必要探討長期在線注入有機硅修復液對水樹生長的影響及修復液在電場作用下的修復機理。

本文在總結前期水樹老化和修復研究的基礎上[15-17，19-22]，提出了一種新的針對正在運行電纜的水樹老化在線修復方法。通過對比不同樣本中水樹長度及水樹區域劣化程度，分析在線修復對水樹生長的抑制效果。同時，通過掃描電鏡(SEM)和能量分散光譜(EDS)分析水樹區的微觀結構變化，討論了在交變電場作用下修復液對水樹老化電纜的絕緣修復機理。

1 實驗設置與測試

1.1 樣本與實驗設置

本文采用YJLV223×95型8.7/10 kV交聯聚乙烯電纜制作實驗樣本。將去除外護套、鋼鎧及銅屏蔽層的電纜截斷成長約40 cm的短電纜，并去除樣本兩端約2.5 cm的絕緣層，露出纜芯。剝除樣本兩端長約10 cm的外半導電層，使用鋼針在樣本留有外半導電層的區域等間距(5 mm)扎深度約為3 mm的小孔，并套上母排熱縮管。將實驗電纜樣本分成3組。一組樣本在套上熱縮管后不做其他處理，并作為新樣本;一組樣本通過壓力注入裝置將配置好的有機硅修復液向其纜芯注入，待修復液注滿纜芯及兩端適配器后關閉通氣閥門，并在0.2 MPa氣壓下保持4 h，取下適配器作為預修復樣本;一組樣本則待修復液注滿纜芯及兩端適配器后關閉通氣閥門，同樣在0.2 MPa氣壓下保持4 h，此后將壓力罐的氣壓降至在較小范圍內以保證纜芯內有足夠的修復液。隨后向熱縮管的空腔內注入20%濃度的NaCl溶液，并插入銅電極接地。最后采用7.5 kV，400 Hz高頻高壓水針電極法對3組電纜樣本進行加速水樹老化，如圖1所示。

圖1 電纜試樣及在線修復實驗示意圖Fig.1 Cable sample and its on-line rejuvenation experimental schematic diagram

1.2 水樹觀測

待3組電纜樣本水樹老化約30天后，使用切片機在電纜樣本針孔附近將其切成厚度為100 μm左右的薄片，并將薄片樣本浸在亞甲基藍溶液中放置于90 ℃烘箱內染色0.5 h。當薄片樣本被充分染色后，使用光學顯微鏡觀察樣本中水樹的微觀形態并測量水樹的長度。

1.3 DSC測試

選取3組電纜樣本針孔下方水樹區域作為DSC測試試樣，為保證靈敏度，控制試樣質量在6 mg左右。采用TA—Q2000調制型差示掃描量熱儀(MDMC)，以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃升溫至140 ℃，在140 ℃下恒溫3 min，再以10 ℃/min的降溫速率從140 ℃下降至20 ℃進行測試。測試過程中用高純度氮氣和氦氣作為保護。

1.4 SEM與EDS測試

采用JEOL公司JSM-7500F型配備了可抽拉式背散射電子探頭、EDS等附件的超高分辨率場發射掃描電鏡，分析電纜樣本針孔下方水樹區的微觀形貌和化學元素變化。

2 結果與討論

2.1 水樹形態與長度統計

將加速老化一個月后的3組電纜樣本均制作成相應的薄片樣本，并利用光學顯微鏡觀察水樹的微觀形態。如圖2所示，左側為放大64倍下的水樹形態，右側為放大160倍下的水樹形態。從圖中可以看出，3組樣本中針孔尖端均有明顯的水樹缺陷生成，水樹形貌呈現簇狀，并從針孔向外沿電場方向發散狀生長，在水樹尖端可觀察到明顯的樹枝狀結構。對比3組樣本中水樹區域的亞甲基藍染色情況可以發現，新樣本老化一個月后的水樹區域顏色最深，說明其生長的水樹枝也最為密集。在線修復樣本和預修復樣本老化一個月后的水樹區域染色都較淺，說明其生長的水樹枝較為稀疏。

圖2 老化一個月后3組電纜樣本中的水樹形態Fig.2 Morphology of water trees in the three group cable samples after a month aging

為了分析在線修復對水樹生長的抑制效果，統計了3組電纜樣本持續老化一個月后其絕緣層中水樹的長度，如圖3所示。在線修復電纜樣本中水樹長度最短，預修復樣本中水樹長度次之，而新電纜樣本中的水樹長度最長。在線修復樣本中水樹長度在170～260 μm，其平均長度為232.27 μm。預修復樣本中水樹長度在190～300 μm，平均長度為250.57 μm。而新樣本中水樹長度在260～410 μm，其平均長度為338.53 μm。在加速水樹老化條件下樣本被老化一個月后，在線修復樣本和預修復樣本中水樹的平均長度分別是新樣本的0.686倍、0.740倍，并且前兩者水樹長度分布也較為集中，較長水樹所占的比重也較小。說明在相對較短時間內長期在線注入修復液和一次性預注入修復液都能較為有效地抑制電纜絕緣中水樹的生長。

圖3 3組電纜樣本中水樹長度方框統計圖Fig.3 Statistical data of the length of water trees in the three group cable samples

但是，由于新電纜絕緣中的微孔數量和含有的水分都很少，一次性預注入電纜絕緣層中的大部分修復液會在50 h內滲出[23]，而只有電纜纜芯中存留少量的修復液(特別是針對纜芯截面較小型號的電纜而言)。在加速水樹老化過程中，水分會不斷浸入到絕緣層中，不斷消耗修復液而使修復液含量逐漸減少。因此，水樹老化一個月后，在線修復比一次性預修復對水樹的抑制效果更好。可以預期，隨著老化時間的增加，在線修復對水樹的抑制效果相比于預修復而言會更好。

2.2 水樹區熱穩定性

通過DSC熔融過程，可以觀測3組電纜樣本中絕緣層的劣化程度情況。由圖4和表1可看出，3組電纜樣本絕緣的熔點溫度沒有表現出明顯的變化規律。然而進一步分析樣本的熔融過程其他參數后發現，老化一個月后3組樣本的熔融熱焓和融程相比于新樣本均有不同程度的減小。此外，這兩者呈現出相同的變化趨勢：D>C>B，即老化一個月后的在線修復樣本的熔融熱焓和融程最大而老化一個月后的新樣本的熔融熱焓和融程最小。

圖4 電纜樣本水樹區域的DSC測試結果Fig.4 DSC test results of the water tree areas

表1 各組電纜樣本水樹區域的DSC熔融過程參數Tab.1 DSC melting process parameters of the water tree areas in the cable samples

利用式(1)對各組樣本絕緣層的結晶度進行計算，結果見表1。

(1)

式中，ΔHm為材料的熔融熱焓；ΔH0為完全結晶時XLPE的熔融熱焓，一般取ΔH0=287.3 J/g。

根據文獻[24-26]，水樹生長行為對交聯聚乙烯絕緣材料的結晶度、片晶大小等都有一定影響。水樹老化過程中，水分子將沿著球晶之間的非晶區和球晶內部的片晶之間遷移，對片晶施加交變的應力而引起連接結構緊密的片晶與外層松散的小片晶的較為薄弱的分子鏈斷裂。因此水樹老化一定程度上伴隨著材料內晶區的破壞，導致片晶厚度逐漸減小，使得材料結晶度在一定程度上下降。由表1可知3組樣本絕緣的結晶度均有所下降，B樣本下降最為嚴重，而D樣本下降最少。由此說明長期的在線修復有效抑制了水樹的生長，一定程度上緩解了交聯聚乙烯絕緣層的劣化。

2.3 水樹區微觀結構分析

通過掃描電鏡觀察3組電纜樣本中水樹區域的微觀形貌，結果如圖5所示。在老化一個月后的新樣本的水樹區域可觀察到輪廓清晰的微米級孔洞且其數量較多，這一現象與水樹區域的染色情況相符合。預修復樣本水樹區域的微孔輪廓較淺、數量較少，并有少量尺寸在微米數量級的顆粒狀填充物質。而在線修復樣本水樹區域的微孔數量很少且輪廓也最為模糊，與預修復樣本相比其填充顆粒較小但分布較均勻，將放大倍數從2000倍調整到5000倍后在少數微孔內可明顯地觀察到顆粒狀的填充物。

圖5 SEM下電纜樣本中水樹區的微觀形貌Fig.5 Morphology of water tree areas by scanning electron microscope

經能譜儀分析測試得到填充物的能譜圖如圖6所示。去除水溶液中含有的Cl元素和噴金所用的Au元素，填充物質的主要成分是C、O和Si，結合修復液與水的催化反應方程式[19，21]，證明了填充物是修復液與水發生水解-縮合生成的有機硅低聚物。

圖6 填充物的能譜分析結果Fig.6 Element composition analysis of the particles in water tree area of insulation layer by EDS

2.4 長期在線修復對水樹生長的抑制機理

根據電-機械老化理論[3，5]，材料中的微觀缺陷處往往容易形成高場強區，水分在不均勻電場的作用下極化且受介電泳力向電場集中區域遷移，導致缺陷處介電常數發生變化。在交變電場的作用下，缺陷周圍的XLPE分子鏈受到周期性麥克斯韋應力的作用，產生應力疲勞而發生斷裂，生成一些微小的裂紋。水分進入裂紋就在這些區域形成微小的充水小孔，隨著材料中滲入的水分增多，致使微孔不斷擴張和聚集。這些充水小孔不斷發展并連在一起就形成了水樹枝。

但是，對于加速水樹老化的在線修復樣本，其電纜纜芯中的修復液分子(修復液的相對介電常數為6.3)同樣也會在不均勻電場的作用下極化，且受介電泳力通過絕緣層非晶區的空隙滲透到高場強區域(如微孔、水樹區域等)。此外，外施加的電場使聚合物材料沿電場方向發生取向，有利于修復液分子在材料內的擴散。這樣水分子和修復液分子在強電場區域聚集并發生水解-縮合反應，消耗絕緣中侵入的水分并且生成硅樹脂類凝膠顆粒填充已有的微孔缺陷，如圖7所示。由于反應生成的有機硅低聚物的相對介電常數在2.6～2.8(交聯聚乙烯材料的相對介電常數為2.3)，這不僅對微小孔洞起到良好的填充作用，而且可有效地均勻缺陷位置的局部高電場，減少材料在電場畸變點的電機械應力，從而有效抑制電纜絕緣中水樹的生長。

相比于一次性預注入修復液樣本，在線修復樣本纜芯中充足的修復液可以保證絕緣中有足夠的修復液滲入，在微孔缺陷沒有進一步發展及擴大之前與水分發生反應并填充缺陷。這與掃描電鏡下看到的水樹區域微觀形貌相一致。在線修復樣本水樹區域微孔數量很少，填充的凝膠顆粒較多且其尺寸也相對較小。進一步說明電纜內修復液含量越多其對水樹的抑制效果越好，長期的在線修復方法可有效地抑制水樹的生長。

圖7 長期在線修復對水樹生長的抑制機理Fig.7 Inhibition mechanism of on-line rejuvenation for water trees

3 結論

本文通過對比老化一個月后的新電纜樣本、預修復電纜樣本和在線修復電纜樣本中水樹的生長情況，分析了3組電纜樣本水樹區域聚合物結構、微觀形貌和化學元素的變化，討論了在線注入有機硅修復液對XLPE電纜絕緣中水樹生長的抑制效果和作用機理，并得到了以下結論：

1)通過對比3組樣本中水樹長度以及水樹區域DSC測試結果，說明了長期在線修復方法可有效地抑制水樹的生長，從而緩解絕緣的劣化。

2)對比長期在線修復樣本和一次性預修復樣本中的水樹長度，說明修復液含量越多，其對水樹的抑制效果越好。

3)電場在電纜水樹老化和絕緣修復過程中扮演著“相反”的角色。電場是影響電纜水樹老化的主要誘因之一。但是，在電纜絕緣修復過程中，電場使材料取向利于修復液分子滲透，同時修復液分子和水分子受介電泳力向缺陷處聚集并反應，消耗水分并生成凝膠顆粒填充微孔，從而改善局部電場。

[1] 陳濤，魏娜娜，陳守娥，等.交聯聚乙烯電力電纜水樹產生機理、檢測及預防[J].電線電纜，2009 (4)：1-3. Chen Tao，Wei Nana，Chen Shoue，et al.Mechanism，detection and prevention of water treeing in XLPE power cables[J].Electric Wire & Cable，2009 (4)：1-3.

[2] 劉剛，劉斯亮，金尚兒，等.基于理、化、電特性的110kV XLPE絕緣電纜剩余壽命的綜合評估[J].電工技術學報，2016，31(12)：72-78. Liu Gang，Liu Siliang，Jin Shanger，et al.Comprehensive evaluation of remaining life of 110kV XLPE insulated cable based on physical，chemical and electrical properties[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(12)：72-78.

[3] Ross R.Inception and propagation mechanisms of water treeing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5(5)：660-680.

[4] 黨智敏，亢婕，屠德民.新型抗水樹聚乙烯絕緣電纜料的研究[J].中國電機工程學報，2002，22(1)：8-11. Dang Zhimin，Kang Jie，Tu Demin.Study on new cable material of resisting water treeing in polyethylene[J].Proceedings of the CSEE，2002，22(1)：8-11.

[5] Wang Z，Marcolongo P，Lemberg J A，et al.Mechanical fatigue as a mechanism of water tree propagation in TR-XLPE[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19(1)：321-330.

[6] Boggs S，Xu J.Water treeing-filled versus unfilled cable insulation[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，17(1)：23-29.

[7] Miyashita T.Deterioration of water-immersed polyethylene-coated wire by treeing[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1971，EI-6(3)：129-135.

[8] 趙威，周凱，劉凡，等.在XLPE電纜加速老化過程中理解水樹的自愈性[J].電工技術學報，2014，29(6)：311-317. Zhao Wei，Zhou Kai，Liu Fan，et al.Understanding self-healing of water tree in process of accelerated aging of XLPE cables[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(6)：311-317.

[9] Boggs S，Densley J，Kuang J.Mechanism for impulse conversion of water trees to electrical trees in XLPE[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(2)：310-315.

[10]鄭曉泉，王金鋒，李彥雄.交聯聚乙烯中水樹枝向電樹枝的轉化[J].中國電機工程學報，2013，33(22)：166-174. Zheng Xiaoquan，Wang Jinfeng，Li Yanxiong.Transformation of electrical tree from water tree degradation in XLPE[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(22)：166-174.

[11]Nannery P R，Tarpey J W，Lacenere J S，et al.Extending the service life of 15kV polyethylene URD cable using silicone liquid[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1989，9(10)：1991-1996.

[12]Bertini G J，Keitges N E.Silicone injection：better with pressure[J].IEEE Power Energy Society Insulated Conductor Committee，2009，19(5)：1-7.

[13]Pelissou S，Lessard G.Underground medium-voltage cable rejuvenation—part I：laboratory tests on cables[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2324-2332.

[14]朱曉輝.修復水樹老化XLPE電纜的修復液注入技術[J].高電壓技術，2004，30(S1)：16-17. Zhu Xiaohui.The repair liquid injection technology of XLPE cable for repairing water tree[J].High Voltage Engineering，2004，30(S1)：16-17.

[15]Zhou Kai，Tao Xiantao，Wang Xiaojun，et al.Insight into the new role of titanium isopropoxide catalyst on rejuvenation for water tree aged cables[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2015，22(1)：611-618.

[16]楊滴，周凱，陶霰韜，等.交聯聚乙烯電纜水樹修復前后電纜微觀結構的變化[J].電工技術學報，2015，30(1)：228-234. Yang Di，Zhou Kai，Tao Xiantao，et al.Microstructure changes of XLPE cable in water tree area before and after injection rejuvenation[J].Transactions of China Electro technical Society，2015，30(1)：228-234.

[17]楊明亮，周凱，吳科，等.基于納米SiO2復合填充的交聯聚乙烯電纜水樹修復新技術[J].電工技術學報，2015，30(14)：481-487. Yang Mingliang，Zhou Kai，Wu Ke，et al.A new rejuvenation technology based on formation of nano-SiO2composite fillers for water tree aged XLPE cables[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(14)：481-487.

[18]Shu W，Boggs S A.Effect of cable restoration fluid on inhibiting water tree initiation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1)：97-100.

[19]周凱，趙威，管順剛，等.硅氧烷對水樹老化后的交聯聚乙烯電纜的修復研究[J].電工技術學報，2013，28(1)：29-35. Zhou Kai，Zhao Wei，Guan Shungang，et al.Study of siloxane injection technology on XLPE cables for water tree aging[J].Transactions of China Electro technical Society，2013，28(1)：29-35.

[20]周凱，趙威，陶文彪，等.XLPE電纜絕緣水樹老化的無機修復機理及試驗分析[J].高電壓技術，2014，40(1)：67-73. Zhou Kai，Zhao Wei，Tao Wenbiao，et al.Method and mechanism of the inorganic rejuvenation for water tree aged XLPE cables[J].High Voltage Engineering，2014，40(1)：67-73.

[21]周凱，陶霰韜，趙威，等.在水樹通道內生成納 米 TiO2 的電纜修復方法及其絕緣增強機制研究[J].中國電機工程學報，2013，33(7)：202-210. Zhou Kai，Tao Xiantao，Zhao Wei，et al.A cable rejuvenation method based on for mation of nano-Ti02 inside water tree and it’s insulation enhancement mechanism[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(7)：202-210.

[22]Zhou Kai，Zhao Wei，Tao Xiantao.Toward understanding the relationship between insulation recovery and micro structure in water tree degraded XLPE cables[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2013，20(6)：2135-2142.

[23]Bertini G J，Vincent G A.Rejuvenation reformulated[C]//ICC Sub A，2007.

[24]Raharimalala V，Poggi Y，Filippini J C.Influence of polymer morphology on water treeing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1(6)：1094-1103.

[25]Fan Z H，Yoshimura N.The influence of crystalline morphology on the growth of water trees in PE[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3(6)：849-858.

[26]Li Jianying，Zhao Xuetong，Yin Guilai，et al.The effect of accelerated water tree ageing on the properties of XLPE cable insulation[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18(5)：1562-1569.

Effect of On-Line Rejuvenation on Water Tree Propagation in XLPE Cables

Huang Ming Zhou Kai Yang Di Yang Mingliang

(College of Electronics and Information Engineering Sichuan University Chengdu 610065 China)

A novel method of on-line rejuvenation for water trees in service cross-linked polyethylene (XLPE) cables is presented，the inhibition effect and the rejuvenation mechanism are also discussed.A 30-day accelerated water tree aging experiment was done on the new samples，the prior rejuvenation samples and the on-line rejuvenation samples.After that，a microscope was used to observe the morphology of water trees and measure the length of the water trees.By differentially scanning calorimetry (DSC)，the insulation degradation degree of the three group samples was analyzed.Meanwhile，the changes of micromorphology and chemical structure in water-tree areas were observed by scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscopy (EDS).The results show that the on-line rejuvenation method can effectively inhibit the propagation of water trees.Under the effect of electric field，the siloxane and water molecules are driven to the high electric field areas (such as void，water tree area，etc.) for reaction，which eliminates the deterioration in the insulation and generates gel particles to fill the areas，relieving the insulation degradation to some degree.

XLPE cable，water tree，siloxane，electric field，chain orientation，dielectrophoretic force

國家自然科學基金資助項目(51477106)。

2015-06-17 改稿日期2015-07-31

TM854

黃 明 男，1990年生，碩士研究生，研究方向為電纜絕緣診斷及修復技術。

E-mail：hm_scu@163.com(通信作者)

周 凱 男，1975年生，博士，教授，碩士生導師，研究方向為電纜絕緣診斷及修復技術。

E-mail：zhoukai_scu@163.com