溫度梯度下海底電纜交聯聚乙烯絕緣電樹枝特性研究

韋 敏， 周魯川， 王柏森

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257000）

0 引 言

近年來，隨著大陸架海域石油與天然氣開采量的不斷增加，海洋資源開發和空間利用規模的不斷擴大，海洋工程已成為解決當下能源危機的重要手段。其中，海洋石油與天然氣的開發和利用對全球經濟可持續發展起著至關重要的作用。據統計，海洋石油資源約占全球石油資源總量的34%，而探明率只占到30%；分布于大陸架的油氣資源則約占全球海洋油氣資源的60%。在海洋油氣的開采過程中，電力作為海上油氣平臺的主要動力能源，關系著海上平臺生產生活的順利進行，其穩定性、安全性和經濟性成為近年來研究的重點和熱點[1-2]。

由于海上平臺難以就近產生足夠的電力，大部分海上平臺需依賴陸地電網的電力輸送。而由于海上輸電難以實現架空線等方式，為實現遠距離的電力安全輸送，海底電纜成為最有效的途徑。隨著絕緣材料技術的發展與電纜制造工藝水平的提升，海底電纜普遍采用交聯聚乙烯（XLPE）作為主要絕緣材料。由于海底電纜為典型的容性結構，任何一處絕緣的破壞都將導致整個絕緣系統的失效，研究表明導致絕緣失效的主要原因為材料內產生的電樹枝劣化[3-4]。

電樹枝劣化是指發生在絕緣內部，由于放電形成的樹枝狀放電通道，其主要由電纜絕緣內雜質、電纜外力破壞、水樹枝缺陷等引發。電樹枝是一種發展較緩慢的絕緣劣化，其形成后將極大地威脅整個電纜系統的安全運行[5]。溫度一直以來被認為是影響電樹枝劣化的重要因素，溫度的升高會使XLPE內電樹枝起始電壓降低并且會引發叢林狀電樹枝[6-7]，在較低的溫度下（<0℃），電樹枝的起始概率及生長速率將隨著溫度的降低而減小[8]。而在實際的電纜運行狀態下，其絕緣材料內并非均一的恒定溫度場，而是存在由纜芯向外的徑向溫度梯度分布[9-10]，這一溫度梯度在直流電纜中將會極大影響絕緣內電場分布，因此學者們對直流電纜絕緣在溫度梯度下的特性開展了研究[11-13]。研究表明SiR材料鏈段松弛以及低密度區電荷密度上升會導致針尖溫度較高時電樹枝的起始概率升高，且更容易形成密集、短小的枝干結構[14]；直流-沖擊復合電場及直流諧波復合電場下的XLPE內電樹枝生長特性均受溫度梯度影響而呈現出不同的形態及生長速率，導致這一現象的主要原因是不同溫度下的空間電荷動態特性不同[15]。而交流電壓下的電場分布與材料的介電常數變化相關，因此溫度梯度也可能通過影響材料的介電常數而導致電場分布的差異，進而影響材料中的電樹枝特性。已有研究發現在0～-196℃內的溫度梯度會引起XLPE在不同溫區內的電樹枝形態發生改變[16]，而更高溫度區間內的交流電樹枝特性研究則較少。在海上平臺供電系統中，海底電纜外部為恒溫的海水，其內部導體溫度則與電纜載流量呈正相關，由于平臺產能的不斷擴大，電纜的載流量一般較大，使得電纜長時間處于接近最大負荷狀態，從而使得其纜芯溫度與護套溫度存在較大差異，形成較大溫度梯度，這一溫度梯度將導致設計中均一的絕緣性能，例如介電常數、載流子遷移特性等發生改變，隨著絕緣各區域溫度的不同，對溫度極為敏感的電樹枝將在不同溫差下呈現出較大差異的生長特性，而目前對于10 kV海底電纜絕緣在溫度梯度下的電樹枝特性研究較少。

本研究搭建大溫度梯度下的10 kV海底電纜XLPE絕緣電樹枝劣化實驗平臺，獲得不同溫度梯度下交流電樹枝的生長特性，分析其起始電壓、生長速度、形態與擊穿概率等與溫度梯度的關聯性，并結合XLPE介電特性及聚集態特性的溫度相關性分析電樹枝生長機理。

1 實 驗

1.1 電樹枝試樣制備及電極設置

選取10 kV海底電纜作為實驗樣品。為清晰地觀測到電樹枝的生長過程，在實驗開始前將電纜進行橫向切片，切片厚度為3 mm，切片后去除外部鉛封及銅屏蔽層。在電力電纜運行過程中，電纜內部存在的絕緣缺陷可能導致電樹枝的生成，其直接原因為內部缺陷導致的電場畸變。為實現對于局部電場畸變的模擬，選用針電極作為高壓電極，試樣制作過程中將針電極由內半導電層扎入XLPE絕緣層，針尖位置距離外半導電層2 mm，如圖1所示。實驗過程中針電極接高壓，外半導電層接地。

圖1 電纜切片試樣及電極設置Fig.1 Cable slice sample and electrode setting

依據運行標準[17]，XLPE絕緣電纜允許的短時最高運行溫度約為90℃，而海水溫度約保持為4℃，因此設置高溫區溫度最高為90℃，考慮鉛封等作用，將絕緣外側的低溫區溫度設置為10℃。為防止高壓電源放電，實驗中使用陶瓷加熱片進行高溫區的加熱及溫度控制，控制誤差為±2℃，使用循環油浴實現低溫區的控制，油管為塑料管，溫度控制誤差為±2℃，如圖1所示。實驗過程中整個試樣置于顯微鏡下，以冷光源及工業CCD同步開展電樹枝生長過程的錄制。

1.2 溫度梯度設置

為實現對溫度梯度的模擬，分別對針電極和地電極溫度實現單獨控制，實驗過程中保持高溫區的溫度為30～90℃，間隔10℃，設置低溫區溫度為10℃，如表1所示。實驗過程中由于針電極自身較高的熱導率，加熱5 min后針尖溫度可上升至與高溫區接近的溫度。因此，實驗中首先分別對高低溫區加熱，使其溫度到達設定值，5 min后開始對試樣加壓開展電樹枝實驗。為保證實驗數據的重復性，每個溫度梯度下進行15組電樹枝生長實驗。

表1 溫度梯度設置Tab.1 Temperature gradient setting℃

1.3 電壓設置

試驗電壓采用50 Hz工頻電壓，經升壓器施加至針電極。在電樹枝起始電壓測試過程中，升壓速率設置為200 V/s，連續升壓至6 kV后以200 V梯度升壓，每個梯度升壓完成后等待30 s以觀測是否有電樹枝生成。當在顯微鏡內觀測到長度大于20 μm的電樹枝通道時，認為已有電樹枝生成，以此時的電壓作為電樹枝的起始電壓。

在電樹枝生長實驗中，將電壓升壓至8 kV，同步記錄電樹枝生長過程。為掌握不同溫度梯度下的電樹枝特征，記錄電樹枝產生后60 min時的電樹枝形態作為該溫度梯度下的典型樹枝形態。為分析XLPE在不同溫度梯度下的擊穿特性，以電樹枝產生后120 min時的擊穿概率作為擊穿特征參數。

1.4 性能測試

1.4.1 電導率測試

為分析不同溫度下XLPE的電導率特性，使用圖2所示的三電極系統測量不同溫度下XLPE切片的電導率，皮安表型號為Keysight B2981A。被測試樣直徑為8 mm，厚度為500 μm，測量過程中施加電場為3 kV/mm，溫度為0～90℃，溫度間隔為10 ℃。

圖2 電導率測試裝置Fig.2 Conductivity testing device

選取3 000 s時的穩定電流數據作為電導率計算的依據，并依據公式（1）計算出不同溫度下XLPE的電導率。

式（1）中：U為施加電壓；I為測試電流；l為試樣厚度；r為測量電極半徑。

1.4.2 寬頻介電譜測試

為獲得不同溫度下XLPE的相對介電常數，采用NOVOCONTROL Concept 80型寬頻介電阻抗譜測試系統測量10～90℃下XLPE的相對介電常數，頻率范圍為0.1 Hz～10 MHz。

1.4.3 差示掃描量熱測試

采用梅特勒-托利多822E型差示掃描量熱儀（DSC）測試電纜XLPE絕緣的結晶及熔融特性。測試樣品質量為4.3 mg，溫度范圍為10～140℃，變溫速度設定為10℃/min。測試過程采用氮氣保護，流速為50 mL/min。

2 結果及分析

2.1 不同溫度下XLPE材料特性

圖3為不同溫度下XLPE的電導率測試結果。由圖3可知，當溫度由0℃升高至90℃時，XLPE的電導率呈現單調遞增特征，其數值跨度達1個數量級，這表明高溫下XLPE內會激發出更多的載流子，XLPE電導率的變化將影響溫度梯度下的電荷遷移特性。

圖3 不同溫度下XLPE的電導率Fig.3 Conductivity of XLPE at different temperatures

圖4為不同溫度下XLPE的相對介電常數。從圖4可以看出，在0.1 Hz～10 MHz內，XLPE的相對介電常數隨溫度升高而小幅增大，且在低頻段（10 Hz以下）增大趨勢較為明顯。該變化與高溫下增多的載流子在低頻下積聚所引發的電極極化及界面極化有關[18-19]。

圖4 不同溫度下XLPE的相對介電常數Fig.4 Relative permittivity of XLPE at different temperatures

圖5為不同溫度下XLPE的DSC測量結果。由圖5中熔融曲線可知，當XLPE溫度升高至50℃時，XLPE的吸熱曲線開始緩慢上升，在76℃時出現第一個熔融峰，該峰值歸因于工廠脫氣工藝中形成的小尺寸晶粒的熔融[20]，當溫度升高至105℃時出現最大峰值，這表明當溫度逐漸升高到一定程度時，XLPE晶區開始出現較為劇烈的分子熱運動，分子熱運動的出現將逐漸破壞晶區的致密結構。

圖5 DSC測量結果Fig.5 DSC test results

2.2 不同溫度梯度下的電樹枝起始特性

根據第1節中實驗方案開展電樹枝起始特性研究，獲得不同溫度梯度下的電樹枝起始形態及起始電壓等特征。

2.2.1 電樹枝起始形態

不同溫度梯度下的電樹枝生長60 s后的起始形態如圖6所示。

圖6 不同溫度梯度下的電樹枝起始形態Fig.6 Initial morphology of electrical tree under different temperature gradients

從圖6可以看出，XLPE電樹枝起始后60 s時刻的電樹枝形態具有明顯的差異。隨著溫度梯度的增大，起始電樹枝分枝數呈現明顯的增多趨勢，其分枝由最初的樹枝狀發展至多枝狀。導致這一形態變化的主要原因為不同溫度下XLPE的結晶狀態發生了改變。在溫度梯度為20℃和50℃時，電樹枝起始段均為樹枝狀，而隨著溫度梯度增大，晶區開始出現部分熔融，XLPE內的絕緣薄弱區增多[6]，初始電樹枝生長過程中的新通道生成方向更加隨機，因此出現了圖6(c)所示的大量樹枝通道交錯的現象。

2.2.2 電樹枝起始電壓

圖7為不同溫度梯度下的電樹枝起始電壓。從圖7可以看出，隨著溫度梯度的增大，電樹枝的起始電壓呈非線性變化特征。當溫度梯度由20℃增大至40℃時，電樹枝起始電壓由7.2 kV升高至7.8 kV達到最高值。之后隨著溫度梯度的增大，電樹枝起始電壓開始呈現減小趨勢。在電樹枝起始機理中，電荷尤其是電子的注入與抽出是引發電樹枝的主要原因[21]。在交流電壓的負半周，大量電子由針電極注入XLPE內，由于XLPE內存在深陷阱，部分電子入陷進而形成空間電荷，隨著外施電壓的極性變化，這些入陷的電子將在正半周電場的作用下獲得足夠能量從陷阱中脫出，并加速向針電極抽出。在注入-抽出過程中，具有較高動能的電子在運動過程中不斷撞擊XLPE分子鏈，導致其發生斷裂并在針尖附近產生低密度區。隨著低密度區的增大，外施高壓將在此區域產生局部放電進而形成初始電樹枝，完成電樹枝的引起。電樹枝起始電壓的差異主要由針尖電場的改變及溫升導致的XLPE分子聚集態變化引發。由于不同溫度下XLPE的介電常數發生了變化，且在50 Hz頻率下的10～50℃溫度范圍內略有升高，從而使得相同電壓下針尖處的電場隨溫度升高而略有降低，而由這一溫度區間內的DSC曲線可知，分子鏈熱運動特性并未發生明顯改變，因此電場的降低成為導致電樹枝起始電壓升高的主要原因。隨著溫度的進一步升高，XLPE分子鏈自身的熱運動逐漸成為影響電樹枝起始電壓變化的主要因素，在60～90℃溫度范圍內，XLPE分子鏈段的熱運動逐漸加劇，且晶區開始熔融[22]，在這一過程中自由體積將發生膨脹，從而導致在相同電場下電子獲得更高的加速度，使分子鏈更容易被破壞，這也是溫度梯度為50～80℃時電樹枝起始電壓降低的主要原因。

圖7 不同溫度梯度下的電樹枝起始電壓Fig.7 Initial voltage of electrical tree under different temperature gradients

由上述分析可知，在電樹枝起始的過程中，由于介電常數差異引起的電場分布不均與由于XLPE聚集態變化引起的自由體積變化共同影響了電樹枝的起始電壓特性，導致了其非線性變化特征。而在上述兩個原因中，聚集態變化是導致電樹枝起始電壓在高溫區減小的主要原因。

2.3 不同溫度梯度下的電樹枝生長特性

2.3.1 電樹枝形態分布

在本研究中主要出現了3種電樹枝形態，分別為主干數量較少的藤枝狀電樹枝（如圖8(a)所示）、樹枝通道較細且較為密集的叢林狀電樹枝（如圖8(b)所示）及叢林-藤枝混合狀電樹枝（如圖8(c)所示）。其中藤枝狀電樹枝主要由幾個較少的藤狀主干構成，各枝干間距離較遠，未出現彼此重疊；而在叢林狀電樹枝中，無法區分主干，各通道彼此重疊形成濃密的樹枝區域；隨著溫度梯度的變化，某些電樹枝并不是單一結構，很多溫度梯度下出現了幾種樹枝形態的復合結構，針尖附近為叢林狀，地電極附近為藤枝狀。

圖8 3種典型電樹枝形態Fig.8 Three typical electrical tree morphologies

隨著溫度梯度的變化，在60 min時刻試樣內的電樹枝形態出現變化，3種電樹枝形態的占比隨溫度梯度的變化如表2所示。由表2可知，在溫度梯度為20℃、30℃時，試樣內的電樹枝以藤枝狀為主，占比90%以上。而隨著溫度梯度增大，單一藤枝狀電樹枝占比逐漸減小，同時出現了較多的叢林及叢林-藤枝混合狀電樹枝，可見針尖附近溫度的升高明顯改變了樹枝形態，而地電極附近較低的溫度則限制了低溫區電樹枝形態的變化。當針尖溫度升高至70℃及以上時，藤枝狀電樹枝形態消失，電樹枝以叢林-藤枝混合狀為主。

表2 不同溫度梯度下的電樹枝類型占比Tab.2 Proportion of electrical tree types under different temperature gradients%

以往研究表明，XLPE中的溫度差異會導致不同類型電樹枝的生成[23]。在較低的溫度下，XLPE中較常見的樹枝類型為樹枝狀與藤枝狀；在高溫下的電樹枝形態則具有明顯差異，大多數呈現短而密集的叢林狀形態。但在溫度梯度條件下，隨著電樹枝的生長，其最前端樹枝將穿越不同的溫區，在這些溫區內，XLPE由于溫度的差異而處于不同的聚集態，使得樹枝通道的形成規律不同。因此在XLPE整體溫度都較低的溫度梯度（20～30℃）內，不同溫區的跨度較小，XLPE具有接近的聚集態結構，電樹枝的生長并不會隨著溫區的變化形成不同的形態，整體呈現出明顯的均一藤枝狀結構。隨著針尖附近溫度的升高，使得初始電樹枝通道增多的同時，也會使后續的電樹枝生長呈現出明顯差異，溫度的升高有利于通道內局部放電導致的新樹枝通道的形成，這些樹枝通道交疊呈現濃密的叢林狀特征，開始在針尖附近出現叢林狀電樹枝區域。而隨著叢林狀電樹枝生長，其樹枝邊緣將進入溫度較低的區域，此時某些叢林狀電樹枝邊緣將隨機產生一個或多個藤枝狀結構，且在較低溫度區域持續生長，因此在溫度梯度為40～80℃時，XLPE中出現了大量的叢林狀電樹枝及叢林-藤枝混合狀電樹枝。

2.3.2 電樹枝生長特性

不同溫度梯度下XLPE的電樹枝生長趨勢具有明顯差異。本研究統計了60 min內各樹枝形態的典型生長趨勢，取其不同生長時間的垂直方向最長樹枝為電樹枝長度參數，得到如圖9所示的各類型電樹枝生長趨勢。

圖9 各類型電樹枝生長趨勢Fig.9 Growth trend of various types of electrical tree

從圖9可以看出，叢林狀電樹枝在60 min時的電樹枝長度最小，約為600 μm，在電樹枝開始生長的10 min內，叢林狀電樹枝生長速度較快，之后電樹枝生長幾乎停滯，進入滯長期。導致這一生長趨勢的原因是叢林狀樹枝前端輪廓較整齊，各樹枝前端電場較為均勻，這一均勻的電場將抑制通道內局部放電的產生，從而減緩電樹枝長度的繼續增長。此外，電樹枝新通道的形成原因較多，大多數學者認為局部放電產生的高能電子及通道內氣體、高溫等是促進電樹枝生長的主因，而叢林狀電樹枝內所有通道均與針尖位置互通，內部腔體空間較大，使得通道內無法形成較高的局部氣壓[24-25]。因此，較為均勻的電場與內部較低的氣壓是叢林狀電樹枝生長緩慢的主要原因。在具有較高溫度的針尖附近，初始電樹枝呈現叢林狀，其較為緩慢的生長速度使其前端無法進入溫度較低的XLPE區域，無法形成新的藤枝狀結構。

而在某些叢林狀電樹枝內，當其前端某一電樹枝在形成過程中生成較長的樹枝通道時，其尖端較高的場強將使其內部發生劇烈的局部放電，而這一部分區域處于較低的溫區，新生成的電樹枝將與溫度梯度為20～30℃時的形態接近，呈現出明顯的藤枝狀結構，從而出現叢林-藤枝混合狀電樹枝。由于藤枝狀部分是在叢林區域邊緣開始生長，因此這一樹枝形態并未出現明顯的滯長期，在60 min內長度持續增長。叢林-藤枝混合狀電樹枝的生長趨勢表明不同溫區的聚集態及電場分布是引起電樹枝生長速度變化的重要原因。在溫度較為均一的溫度梯度（20～30℃）內，試樣內溫度變化不大，電場分布差異較小，使得藤枝狀電樹枝最終長度明顯短于叢林-藤枝混合狀電樹枝。

與叢林-藤枝混合狀電樹枝類似，單一的藤枝狀結構電樹枝生長無明顯的滯長期，60 min時其長度約為1 400 μm，這與已有研究中的藤枝狀結構電樹枝生長趨勢類似[26-27]。

2.3.3 電樹枝擊穿特性

為進一步分析不同溫度梯度下的電樹枝擊穿概率，本研究進行了120 min的電樹枝實驗，以觀測這一時長內的電樹枝擊穿情況。圖10為不同溫度梯度下的電樹枝擊穿概率，每種溫度梯度下的試樣數量為10。從圖10可以看出，隨著試樣內叢林狀電樹枝的增多，120 min時電樹枝的擊穿概率明顯降低，而溫度梯度為20～60℃時，電樹枝擊穿概率較高，這是由于藤枝狀電樹枝生長速度快，在120 min內較易生長至地電極而發生擊穿。

圖10 各溫度梯度下電樹枝擊穿概率Fig.10 Breakdown probability of electrical tree under different temperature gradients

3 結 論

本研究搭建了不同溫度梯度下XLPE的電樹枝測試平臺，獲得了各溫度梯度下的電樹枝特征，并統計了電樹枝類型，分析了電樹枝生長趨勢，得到以下主要結論：

（1）不同溫度梯度下XLPE中電樹枝的起始特征明顯不同，較高的針尖溫度將形成通道數量較多的初始電樹枝。

（2）不同溫度下的XLPE材料聚集態及介電特性差異使得電樹枝起始電壓不同，在本研究溫度范圍內，溫度梯度為40℃時，XLPE具有最高的電樹枝起始電壓。

（3）在本研究溫度范圍內，實驗中共出現3種電樹枝類型，溫度梯度為20～30℃時主要為藤枝狀電樹枝，隨著針尖溫度的升高逐漸出現叢林-藤枝混合狀及叢林狀電樹枝，最終藤枝狀電樹枝消失。