中壓電纜絕緣材料的水樹老化分析

中核武漢核電運行技術股份有限公司 云 浩 汪 亮 劉大為 張益舟

XLPE電纜結構性能良好，具有易于彎曲、電氣性能好、傳輸量大、安裝便捷等多個特點，XLPE電纜材料的生產效率更高，在生產過程中主要以計算機控制為主，能有效減少突發情況的發生，尤其是對于充油紙電源電纜漏油引發火災的控制效果更為良好。同時也能有效減少環境污染的情況，設備維護活動也隨之減少。就世界范圍的發展情況來看，XLPE材料已成為世界公認的電纜材料，在中高壓電力電纜中占據重要地位。

1 中壓XLPE電纜絕緣材料概述

電力電纜中初次嘗試絕緣材料的為LDPE，經歷了大約10年之久，LDPE才真正占據絕緣材料的市場地位，并取代了傳統橡膠及聚氯乙烯，這一材料是在PVC之后問世，解決了二戰對橡膠類材料缺乏的困擾。XLPE材料在20世紀50年代由美國物理學家查理氏貝在原子核反應堆實驗中發現，它在生成XLPE材料時主要借助輻射能將聚乙烯分子交聯，而后利用輻照法來生產此材料。由于材料由線狀分子的變為網狀分子因子，XLPE能保持絕緣的高介電性能。其中介電常數為2.3，介電損耗角正切在0.001以下，在絕緣材料中的性能最為優越與穩固。另外XLPE溫度高達90度，與傳統未交聯材料相比溫度更高。而且XLPE材料的物理性能、耐環境性能更高，其他塑料材料難以達到這些需求。

到了20世紀50年代末，美國GE公司采取了與查理氏貝輻照關聯法不同的生產方法，此種方法為化學法，主要利用過氧化物DCP作對交聯劑。隨后此公司在電纜工業創造了蒸汽濕法，并制造生產XLPE電纜線。而日本緊接著也開發了干式交聯法生產XLPE電纜線；北歐采取中高壓全干式交聯法生產。XLPE的電纜等級也從最開始的110千伏上升到220千伏、500千伏，而傳輸能量也實現了有效提高，當前XLPE絕緣材料在全球中壓電纜中占據了重要地位。

我國屬于發展中國家，但在能源、交通等多個行業也得到了全面發展，為確保國民經濟水平的不斷提升，電力行業也帶動了電纜材料的快速發展。隨著改革開放的政策落實，國家實現快速發展，我國電力裝備也實現了高速發展，并早在2012年就達到12億kW，并實現了2020年的裝機容量。即使我國已達到發展的目標，人均也只是在1kW，但美國人均達到了3kW以上，我國與其相比還存在較大差距，仍需快速發展。隨著裝機容量的不斷提升，所需要配套輸變電設備也應當適當增多，電纜的需求量較大。

在城市配電網中中壓電網電壓等級主要包括6千伏、20千伏、35千伏，中壓電網中采取的絕緣電纜主要為XLPE。XLPE電纜材料經過半個世紀的發展，可初步確定絕緣材料應用過程中在水、電場與離子的影響下會出現材料老化、也就是水樹枝化，最終水樹老化會引發電樹擊穿電纜，這是XLPE材料應用中存在的主要問題。為確保絕緣材料的安全性與可靠性，應對中壓電纜絕緣材料的水樹枝化現象進行綜合探討。日本初次發現了XLPE電纜絕緣材料水樹枝化的擊穿現象，隨后美國也出現此種問題，并針對這一情況推出了抗水樹化XLPE絕緣材料。

在城網10～35千伏采用的為中壓XLPE電纜材料，大部分需在運行10年后才會出現水樹枝化現象。而中壓XLPE電纜絕緣材因水樹枝化而出現電纜擊穿等事故，導致電纜絕緣材料直接受到影響，進而影響電網的安全運行。通過大量試驗發現，在XLPE電纜絕緣材料中采用新型抗水樹技術，不僅能提高其抗水樹性能，也能有效增強電纜的可靠性與安全性，最終電纜壽命將超過30年[1]。

就歐美電力系統中對XLPE電纜材料的應用情況來看，中壓抗水樹絕緣材料的應用占據了絕大部分市場，也已擁有了較為成熟的生產經驗，絕緣材料的可靠性與使用壽命都十分可觀。早在21世紀起，美國在選擇高壓絕緣材料時已全部使用抗水樹XLPE絕緣電纜。就我國對電纜的使用情況來看，在電纜行業價格戰的影響下，除用戶的特定需求，一般使用的抗水樹XLPE絕緣材料的推廣難度較大，雖然水樹枝化是中壓電纜的最大問題，影響安全性與可靠性，但如果出現電纜擊穿現象，仍需在投入運行十年左右之后才會出現，如何實現有效預防，還需學習國外先進經驗。

2 中壓XLPE電纜水樹枝化研究概述

日本在發現XLPE絕緣材料出現擊穿現象后發現了水樹枝老化的現象，并認為中壓電纜是導致PE電纜老化的主要因素。從干式交聯生產到發現XLPE電纜原材料擊穿問題只有六年，如果從購入美國濕法交聯生產的電纜原材料算起，電纜也不過才運行8年。因此通過多方研究，針對水樹枝化的定義是指聚乙烯絕緣材料長時間與水共存，然后在電場作用的影響下，形成了充滿水的樹枝通道或者氣隙。但此定義會給研究帶來一定偏見，認為水樹枝化只是由于聚乙烯材料導致，事實上所有物電介質在水與電場的影響下都會出現水樹枝化現象，甚至在瓷器、紙張中也經常存在。

英國科學家在局部放電角度出發，研究了聚乙烯材料在樹枝化通道中的成長情況。20世紀70年代，美國針對XLPE電纜擊穿現象進行研究，發現在電纜材料運行5年后大部分電纜絕緣中都出現了水樹現象[2]。在早期，美國生產電纜的方法主要以濕法交聯為主，這與電纜運行五年后出現問題存在一定關聯。

隨后美國科學家的聚乙烯絕緣材料出現水樹枝化的現象進行綜合研究，由于在20世紀70年代美國應用XLPE絕緣材料出現擊穿電纜現象的情況時有發生，因此絕緣材料的供應商、制造商在將全部注意力集中到XLPE絕緣材料的抗樹化絕緣性能的研究之中。美國一電力公司在篩查聚乙烯絕緣材料電纜計擊穿現象時，發現此類電纜絕緣材料中都出現了樹枝化現象。而這一研究人員認為，無論是聚乙烯絕緣材料還是XLPE絕緣材料作為主要組成，即使材料中出現高濃度水樹枝化的電纜材料，但只要不出現電纜擊穿現象，其綜合性能仍然能滿足供電需求，但這也存在著安全隱患。

70年代美國大量電纜材料由于水樹枝化現象導致電纜擊穿，爆發了水樹枝問題，許多學者都在積極探究水樹枝化產生的原理。比如使用濕法交聯生產XLPE電纜材料的擊穿水平會下降，但由于的70年代末所采用的大多數為干式交聯，電纜出現水樹枝化現象的情況明顯減少。即使采用蒸汽交聯生產、采用干燥處理措施后，水樹枝問題仍然會消失，絕緣品質恢復。此種錯誤報道是誤導人們研究的主要原因。

我國通過對電纜故障檢測結果發現，XLPE絕緣材料運行超過5年之后，中壓XLPE電纜絕緣材料大部分都出現了水樹枝化的現象，尤其是在南方城市環境中應用XLPE電纜絕緣材料出現水樹枝化的現象則更為普遍，尤其是嚴重的水樹枝化厚度接近70%。上海供電局針對上海地區所鋪設的XLPE電纜進行取樣，并送研究中心針對XLPE電纜水樹枝化情況進行研究。

我國在八十年代使用的為蒸汽交聯XLPE電纜絕緣材料，隨后使用干法交聯生產XLPE電纜，在投入使用五年后出現水樹枝化現象，7～10年左右出現電纜擊穿的現象，其中40%以上的擊穿電纜進行更換[3]。而更換后新應用的電纜材料在10年左右又出現擊穿現象，對電網安全送電產生了較大威脅，電纜使用壽命的延長根源在于其抗水樹能力的提升。蔣佩男先生作為專業研究電纜的專家，在其論文集中12篇論文都在探究水樹枝化現象，可見探究XLPE電纜絕緣材料水樹枝問題具有重要意義。

3 中壓XLPE電纜絕緣材料水樹枝化分析

通過對水樹質化現象的研究，可發現進入固定材料中的水含量較大、大約為10%，受到水的影響，材料的物理性能則會隨之改變。而在水樹現象觀察中發現存在高密度充水微隙，這也就間接證明了水樹對電纜絕緣材料造成的影響。受到同一電場的影響，聚合物損害特性曲線與材料物理性能之間成正比關系。在20世紀80年代末，邁耶、斯萊特貝克提出了與之前水樹現象研究不同的兩種理論模式，首先假設水樹枝是由多條通路組成，是一種裝滿水、容易被拉伸的圓柱體；其次，電場所引發的機械力屬于經驗壓力在動能多少中存在電荷，隨著不同的參數，電荷也會隨之變化，無論是在通路的幾何形狀中，還是水的傳導性中認為如此。

但實際上只需通過考慮通路的幾何形狀即可，水的傳導性則作為無窮數。結合材料的特性曲線來看，這兩種計算方法存在一定差異。斯萊特貝克認為，在正常情況下，如果壓力超過預先的機械強度通路則會延長；邁耶應用斷裂力學理論指出：在通路末梢位置，電場提供能量時會超過臨界能量，尤其是在交流電壓中通路也會蔓延。這種現象則認為在疲勞狀態下的環境應力開裂。因此，大部分公司更注重在疲勞狀態下研究如何提高絕緣體系的耐應力性能，中央絕緣材料的重點在于對聚合物自身性質的改變。

通過多年的研究與分析發現，水樹枝生長機理也擁有諸多解釋，一般主要分為兩種類型：其一認為材料內部滲透小水珠，而小水會在電場的影響下沿著電場的方向發生改變，而形狀也會由球形變化為橢球形，隨后向材料施加沿電場方向的力，當材料的能量超過載量分子鍵能時，分子鏈則會出現變形與斷裂，而在這一區域內則會出現微小充水空穴；另一觀點則認為：水樹會出現化學反應、尤其是氧化還原反應，是由水、離子與聚乙烯材料共同組成，分子間斷裂則是由于電纜在運行過程中處于高溫狀態，導致缺陷處電場過于集中引發高溫斷裂。

事實上，導致破壞的因素較為復雜，包括電滲透電、化學氧化電質應力等，但就中壓XLPE電纜絕緣材料情況看，除電纜結構設計采取了阻水、隔水措施，材料的質量性能與工藝的選擇主要也存在影響。另外屏蔽量與絕緣體的質量對電纜有直接影響，因此在處理導體界面時不僅要選擇最優質的屏蔽料，同時也應控制絕緣體內空隙、雜質等形成與大小[4]。每次在生產前應當標記出缺陷物的實際尺寸，在選擇材料與模具設計時應嚴格控制施工工藝。

在進行質量控制時，可分別從定性與定量的角度出發解決當下的根本問題。而在加工工藝上也可針對結晶與非結晶的穩定性完善質量控制措施，聚合物在結晶過程中只要包括形成晶核與晶體生長，不同溫度會對晶核的生長速度帶來不同的影響，如果溫度過高分子的熱運動則會過于激烈，難以形成晶核或其定性難以保證；如果溫度過低且接近玻璃化溫度的區域，鏈段的活動性能則會降低，晶核雖然能形成但并不利于晶體的生長，因此須控制在合理溫度范圍內，既要滿足晶核生長的需求，也要實現晶體的正常生長。

4 中壓XLPE絕緣水樹的診斷及改性方法

中壓XLPE絕緣水樹的生長情況可通過多種理化性能與電氣性能進行診斷，其中理化性能包括顯微鏡觀察、掃描電鏡分析、傅里葉紅外光譜測試等；電氣性能包括PDC測試、工頻介損測試、耐壓測試等。這些測試的進行能有效探測到水樹的生長情況，以及時采取預算措施。

水樹枝老化形成的主要原因是由于存在水，XLPE材料在應用過程中受到交變電場的影響，則會引發水樹枝并快速生長，最終形成樹枝化。因此就可對中壓XLPE絕緣材料分別采取堵、疏與填的形式。

堵。結構決定著絕緣材料的整體性能，通過堵能改變絕緣材料的整體結構，在加入成核劑后XLPE則會由大球晶轉換為小球晶，而整體上則會連接緊密，材料的致密度更高。這主要是由于大球晶之間的間隙較大，而小球晶所產生的間隙較小，同時隨著小球晶數量的增加、無定形區域的面積也隨之減少，而水樹枝化常發生于此區域，隨著面積的減小水樹枝化發生的原因也會明顯減少，進而起到阻止水侵入的作用。

疏。主要思路在于加入EAA、EVA等高聚物，這主要是由于水屬于極性物質，XLPE則作為屬于非極性位置，且疏水性更強。XLPE對水的排斥性較強，也就是指XLPE對水具有一定的吸引力，且小于水分子的內聚力，所以在材料表面水往往會形成水滴，不會形成連接的水膜。疏水性的大小受到接觸角的影響，如果接觸角大于90度時作為疏水性材料，接觸角小于90度時則為親水性材料[5]。引發水樹的關鍵要點在于交變電場導致水滴出現極化現象。當交變電場出現正負極變化時水滴則會出現極化變形，從圓形水滴轉換為橢圓形水滴，在50赫茲的影響下出現縱橫變化。在對絕緣材料進行張馳疲勞實驗時這屬于一種破壞運動，這也是導致水樹現象發生及電纜擊穿的主要因素。而加入EAA、EVA等極性材料后，由于極性材料接觸角小于90度，自身的親水性更強，進而將水轉換為水墨，減少電致應力的發生。

填。近年來在XLPE絕緣材料生產中會加入納米SiO2、MgO、蒙脫土。通過實驗研究可發現，加入納米材料可有效減少無定形區域缺陷與微孔隙，起到良好的阻水效果，與堵的思路大致相同。也有部分實驗認為，在絕緣材料中加入雜質陶土，也能有效提高材料的抗水樹性能及電性能。而在實際應用中，在PVC電纜材料配方中加入少量煅燒陶土，確實可提高電性能，陶土能有效堵塞微小空隙，捕獲導電粒子。

總而言之，增加中壓電纜絕緣材料的抗水樹化性能能有效延長絕緣材料的使用壽命，起到保護電纜的作用，減少電網出現故障情況的發生。本文以XLPE為例，探究其基本性能以及導致水樹枝老化的原因，給出了水樹的檢測方法，并通過填、堵、疏三種策略延長電纜材料的使用壽命，同時也應當積極借鑒國外的先進經驗，增強其使用效果，維護電網的綜合性能。