摘要：交联聚乙烯（XLPE）电缆以其优异的性能被广泛应用于电网中。但是随着潮湿环境中敷设的XLPE电缆绝缘出现水树枝老化现象，导致在运行中的XLPE电缆绝缘击穿事故不断发生。本文旨在探究绝缘电缆中水树枝老化原因以及对绝缘材料性能的影响。
关键词：水树枝；XLPE电缆；老化
1.引言
交联聚乙烯电缆，因具有良好的电气性能和机械性能，不仅适合于中低压，还应用于高压和超高压系统中，因此被广泛应用于电缆业。但在实际运行中的电缆敷设的环境通常都比较恶劣，比如经常需要浸泡在水中或者处于湿度比较大的环境中的现象，致使电缆绝缘微孔充满水分。在电场的作用下会致使充水微孔引发电缆绝缘水树，长期作用下的电缆绝缘层会引发大量的水树，而且水树枝还会进一步老化。当微孔中水树达到饱和状态时，XLPE电缆绝缘的电气性能和机械性能将会急剧下降，进一步发展成为电树，致使电缆绝缘层击穿，从而大大减少电缆的使用寿命，给电力系统的安全运行埋下了安全隐患。本文通过对水树老化前后进行实验分析比较发现，水树对XLPE绝缘性能的影响现象得出水树枝生长和发展的机理和规律，从根本上去抑制水树现象的产生和发展。
2.水树枝老化研究方法
为了研究XLPE电缆中水树的老化机理，选择用偏光显微镜观察试验来对水树的生长形态进行观察；为了定性的表征水树，采用FTIR红外光谱实验分别对老化前后试样进行光谱分析来研究水树区和非水树区的化学组成，进一步表征水树的老化机理；为了探究水树对XLPE电缆性能的影响，分别对老化前后试样进行了同步热分析实验，探究水树老化对XLPE电缆结构形态的影响；此外还通过密度测试实验对水树老化前后分别进行对比，进一步研究水树枝化对XLPE电缆密度的影响。
3.水树枝老化现象的实验及分析
目前已经确认水树枝化是XLPE电缆绝缘老化的主要原因，水树是XLPE电缆绝缘中的水在电场的作用下形成的气隙，究竟是何原因导致水树的生长，国内外水树没有达成一致结论。本文以实验数据结合理论探究水树的生长机理。
3.1 XLPE电缆绝缘层水树枝生长形态
XLPE电缆绝缘层中的水树分为领结状水树和放射状水树。放射状水树主要发生在XLPE电缆绝缘屏蔽层和绝缘层的交界面处，且沿电场的方向生长，特别是内外导体边缘毛刺等不对称结构极易产生该类水树；领结状水树发生在绝缘内部，沿电场方向相反的两个方向生长，主要发生在XLPE电缆绝缘缺陷处，如微孔、杂质等，领结状水树数量的多少可以反应绝缘抗水树生长的能力。图1是对取自实际运行中多年的电缆试样进行切片，并在偏光显微镜下观察到的不同区域水树生长形态图。
图1水树生长形态
通过偏光显微镜对不同位置水树形态的观察结果可以发现，试样XLPE电缆中的放射状水树较少，屏蔽层较光滑，屏蔽层和绝缘层结合程度较好。试样中大多数水树为领结状水树，经过一段时间的增长之后，其增长速度会大幅度的降低，所以领结状水树不会成为绝缘击穿的主要原因。
3.2 XLPE水树老化后微观结构变化的FTIR分析
FTIR是分子振动光谱，基团频率和特征吸收峰红外光谱可以反映物质的分子结构。通过分析老化前后XLPE电缆绝缘红外光谱相应波数区间对应吸收峰的官能团产物，可以获得发生水树老化的XLPE电缆试样的分子结构的信息，从而进一步分析XLPE电缆水树老化机理。图2和图3是老化前后的XLPE电缆试样红外光谱对比曲线。
图3老化后FTIR实验
由图可以观察到，老化后的电缆红外光谱图中水树老化前后羰基的吸收峰峰值和强度不同，可以认为水树生成是电化学降解作用。
3.3 水树老化对XLPE结构形态的影响
XLPE是一种半结晶聚合物，其结晶度、晶体尺寸及晶体分布对材料的性能有很大的影响。为进一步揭示XLPE电缆绝缘水树枝化对绝缘材料形态的影响，在相同热历史条件下，对老化前后的XLPE电缆绝缘试样进行了DSC分析，比较其熔化过程和结晶过程，可揭示出水树对绝缘材料结构形态的影响。如图4所示。
（a）结晶曲线 （b）熔化曲线
图4水树老化前后DSC对比
图中DSC曲线图的横轴代表的是实验过程中的温度变化，纵轴是热量变化率。实验过程中随着温度的不断升高，通过（b）图的熔化曲线可以看出，老化后的XLPE电缆试样熔化过程与老化前XLPE电缆试样相比熔化峰变得更加陡，使得老化后的XLPE电缆熔化过程变得更短；（a）图中的结晶曲线可以直观地反映出老化后的XLPE电缆结晶曲线与未发生水树老化的XLPE电缆相比较同样结晶曲线变得更加陡，说明发生水树老化的XLPE电缆结晶过程会减短，极大地降低了电缆的电性能，不利于电缆的安全长期运行。
3.4 水树老化对试样热稳定性的影响
热重分析法（TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种技术。由于物质在加热过程中，会发生脱水、氧化、分解等现象而引起重量的变化，记录重量随温度变化的关系绘成的曲线，从而可以得到水树枝化对XLPE电缆密度的影响。XLPE电缆TG（热重）曲线和微分曲线如图5所示。
（a）老化前后XLPE的TG曲线 （b）老化前后XLPE的微分曲线
图5老化前后的XLPE电缆绝缘TG和微分曲线
为了精确地分析TG和微分曲线，进而探究水树枝对XLPE电缆的热稳定性研究，对曲线中的几个重要的分析参数进行了提取，如表格1。
表1 水树老化前后的XLPE电缆试样的的TGA分析参数
水树老化的XLPE电缆试样失重5%的温度相对于未老化的XLPE电缆试样降低了62.4℃，表明发生水树老化的XLPE电缆绝缘试样抗老化性能明显降低；XLPE电缆试样失重50%时的温度反而升高了1.6℃，表明长期运行中的电缆中受外界因素及杂质的影响较明显；对实验过程中的残炭量进行分析，发现水树老化前的XLPE电缆试样的剩余残碳量由2.11%变为老化后的14.49%，残炭含量有所增加。综上所述，XLPE电缆绝缘发生水树老化后的热稳定性发生了明显的降低。
4.结论
本文采取了一系列的实验研究方法，得出如下结论：
（1）取自实际运行中的电缆经切片观察发现，绝缘中领结状水树占多数，主要是外界运行恶劣环境及绝缘内部缺陷导致的。
（2）水树老化过程中产生了新的官能团羰基，水树生成是电化学作用。
（3）水树老化改变了绝缘材料的结构形态，熔融焓和结晶焓都降低，熔点和结晶峰值温度降低，结晶速率加快。
（4）水树老化使得绝缘材料的热稳定性能降低，残炭量增加。
（5）水树老化使绝缘材料的密度有所降低，主要是因为水树的生成切断了分子链，产生了不可逆的裂纹。
5.参考文献
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[5]王乐.聚合物水树枝化的试验方法及研究规律：[硕士学位论文].西安：西安交通大学电气工程，2007
论文作者:延俊磊,武 刚,李树枝
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/26
标签：电缆论文; 试样论文; 树枝论文; 曲线论文; 结晶论文; 绝缘材料论文; 领结论文; 《基层建设》2018年第36期论文;