交联聚乙烯绝缘电力电缆抗水树机理初探

李彦雄 杨健锐

【摘 要】交联聚乙烯绝缘电力电缆以其优异的性能广泛应用于电力系统之中，水树枝老化是导致其提前失效的主要诱因之一。本文从防水型电缆结构和研发抗水树型交联聚乙烯绝缘材料两方面介绍了交联聚乙烯绝缘电力电缆的抗水树机理。

【关键词】水树枝； 交联聚乙烯；电力电缆

1引言

交联聚乙烯电力电缆以其优异的介电与机械性能深受广大电力用户的欢迎，自从二十世纪八十年代以来逐渐成为电力电缆的主流。虽然交联聚乙烯电力电缆设计寿命可达30～40年之久；但是由于制造工艺缺陷、电缆运行环境恶劣、以及电缆敷设伤害等因素，许多电缆内部产生了气隙、杂质、毛刺和凸起等缺陷，上述缺陷在电场、热场、机械应力以及潮湿环境等老化因素的作用下，就会引发局部放电和水树枝现象。其中交联聚乙烯电力电缆中的水树枝老化现象，进一步会发展为电树枝从而导致电缆绝缘击穿，造成电缆寿命大幅缩短，对电力系统稳定性和可靠性造成极大威胁。因此，研发抗水树型交联聚乙烯绝缘电力电缆对保证电力系统供电安全具有重要意义。

2水树枝引发与生长原理。

水树枝老化是交联聚乙烯电力电缆在潮湿环境中发生击穿的主要诱因之一[1-2]。自从1969年在波士顿举行的电气绝缘会议上，日本学者宫下首次提到水树枝现象，各国学者对水树枝现象进行了广泛深入的研究。一般认为，水树枝是交联聚乙烯电力电缆在潮湿环境下发生老化、降解的一种现象。在潮湿环境中，水树枝可以在运行电压下长期缓慢地生长。一般来说水树枝的生长不会直接导致电缆绝缘层的击穿，只有随着水树枝的不断生长，水树枝尖端电场的不断集中，局部高电场最终会引发水树枝尖端产生电树枝，从而导致聚乙烯绝缘层在短时间内被击穿。

经过几十年的研究，国内外学者们关于水树枝的引发、生长机理提出了一些规律、模型。研究表明，关于水树引发、生长的机理主要有：电致机械应力模型、亲水物质的扩散模型和电化学氧化模型。关于水树枝的生长模型，人们在过去几十年展开了热烈的讨论。经过讨论，没有足够证据支持任何一种生长机理可以解释所有情况下水树枝的现象。事实上，通过综合考虑众多学者的观点，可以发现上述的各种情况都有可能发生。因此，有学者认为水树枝化是多种进程共存的材料劣化过程，具体哪种进程起主导作用，取决于电缆所处的老化环境。于是，有学者提出了条件依赖模型。持这种观点的学者认为，众多文献中结论的矛盾之处可以追溯到老化条件的不同。老化条件不仅包括电气参数，也包括杂质的化学性质等等。条件依赖模型综合考虑了实际老化条件下水树枝生长的各种可能出现的过程，反映了水树枝化是一个复杂的多种条件共同作用的劣化过程，在电缆的水树枝老化过程中哪种进程起主导作用还需根据老化条件具体分析。

交联聚乙烯电力电缆中产生水树枝的原因主要有一下几个方面：一是制造工艺的问题，上世纪七十、八十年代使用的交联聚乙烯电缆多为水蒸气湿法交联工艺制造，在交联过程中，水蒸气在高压下容易向熔融的聚乙烯中渗透，使XLPE中的水分含量有所上升；二是敷设不当、外力破坏和地下污水腐蚀等引起的，随着水分的渗入，交联聚乙烯电力电缆绝缘在电场、水分和杂质等缺陷的协同作用下，逐渐产生树枝状劣化。

3 抗水树型电力电缆的研发方向

尽管水树枝不会直接导致交联聚乙烯电力电缆发生击穿，当水树枝发展为电树枝时，电缆绝缘会在短时间内被击穿。为了保证电力系统的供电安全性，研发抗水树型交联聚乙烯绝缘电力电缆具有重要应用意义。通过水树枝引发和生长理论的研究，为抑制水树枝提供了理论基础。为了使交联聚乙烯电力电缆在潮湿环境下具有更好的抗水树性能，除了采用更洁净的绝缘材料并改进工艺以使绝缘表面更光滑外，还可以从两个方面入手[3-5]：即采用防水型电缆结构和研发抗水树型交联聚乙烯绝缘材料。防水型电缆结构是从水树引发和生长的条件入手，阻断了环境中的水分向电缆绝缘中的入侵，从而减少电缆绝缘中水树枝的引发。抗水树型交联聚乙烯绝缘材料的研发，则是通过改变聚乙烯绝缘材料的形态或者向聚乙烯绝缘材料中加入添加剂改变复合材料的物理特性，以增强聚乙烯绝缘材料本身对水树化的抑制性能。

3.1采用防水型电缆结构

目前实际运行中的防水型电缆一般使用径向阻水或者纵向阻水，有时两种方法同时使用。为防止水分通过护套扩散而出现径向入侵，就需要采用径向防水层。径向阻水在结构上一般采用：聚乙烯外护套；铅、铝等金属套；铝塑、铝塑复合综合护层。目前中压电缆的这种径向防水层一般采用铝塑复合综合护层，高压电力电缆采用铝护套，通过纵包的铝塑复合带、铝护套和挤包的聚乙烯外护套共同作用达到阻水目的。而为了避免在护套受损伤后，护套下层发生轴向的水入侵，就需要使用纵向防水层。这类防水层位于护套和缆芯之间，在缆芯成缆工艺中，填充阻水纱、绳及绕包半导电阻水带。这些阻水材料可以吸收经过塑料外护套扩散进入电缆的水蒸汽，从而使电缆长期保持较低的相对湿度。

3.2 抗水树型交联聚乙烯绝缘材料的研发

电力电缆绝缘材料的生产商和电缆制造商一道，大力研发抗水树型交联聚乙烯绝缘材料，主要表现为向交联聚乙烯料中混入少量添加剂以改变其抑制水树性能。直到上世纪70年代的后期，大多数添加剂的选择还是比较盲目的尝试。目前，由于对水树化机理理解的不同，对添加剂的选择也有所不同。如倾向于水树枝电致机械引发机理的采用对聚乙烯微观形态改性的方法；倾向水树枝电化学引发机理的使用抑制氧化反应的添加剂。这两种方法在一定程度上都有效果。另一个比较“中立”的方法是使用旨在减少水滴凝聚的添加剂，或者同时使用两种方法。

（1）物理方法：有研究证实，对交联聚乙烯的化学组成进行适当的改变可以显著提高其抗水树性能，即改变聚合物分子结构、聚合物结构形态，或者采用不同聚合物材料共混，或者采用聚合物合金。这方面已经有商业化生产的产品。这种方法以欧洲最主要的电缆用聚烯烃供应商北欧化工（Borealis）为代表。

（2）化学方法：这种方法是向聚合物材料中加入与基体材料分子链有亲和作用的添加剂，例如改善聚合物与水的相互作用，以获得抗水树特性。这种方法以美国陶氏化学公司为代表。在这些添加剂中，已知可以同时降低水树引发和生长的苯丙酮和抗氧化剂同时可以抑制电树的发生。

4结论

经过多年的研究，目前电力电缆的防水結构的工艺已经非常成熟了。市场上目前也出现了商品化的抗水树型交联聚乙烯绝缘材料，虽然没有哪一种能够完全消除水树，但一般都能够减少水树的发生或者将水树的生长速率减缓约 40%到 50%。要想完全消除水树枝，还有待于进一步研究。

【参考文献】

[1] 杨君胜， 黄兴溢， 汪根林， et al. SEBS对交联聚乙烯的电性能及水树抑制的影响[J]. 高电压技术， 2010，04）.

[2] 王金锋， 刘志民， 李彦雄， et al. 化学交联方式对聚乙烯水树枝老化特性的影响[J]. 高电压技术， 2011，10）.

[3] 王金锋， 郑晓泉， 孔志达， et al. 防水型交联聚乙烯绝缘电力电缆结构分析[J]. 电线电缆， 2009，06）.

[4] 王金锋， 郑晓泉， 柳立为， et al. LDPE结晶形态对水树枝老化特性的影响[J]. 高电压技术， 2010，03）.

[5] 屠德民， 何军. XLPE电缆绝缘中水树的形成机理和抑制方法分析[J]. 绝缘材料， 2008，06）.