交联聚乙烯中水树枝抑制实验研究

王金锋　郑晓泉

摘 要：为研究不同添加剂对XLPE中水树枝的抑制效果，选用聚乙二醇（PEG）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）三种材料作为添加剂。室温下，采用水针电极法培养水树枝，并观测水树枝形态、统计水树枝尺寸和引发率。同时观测了试样的结晶形态，并测试了试样的屈服应力。研究发现，添加PEG能很好的抑制水树枝的引发，但对水树枝的尺寸影响不大；添加EVA和SEBS使体系屈服强度减弱，水树枝引发率和水树枝尺寸均上升。材料屈服强度对水树枝老化特性影响显著；在加速老化条件下，几种添加剂的抗水树效果并不明显。

关键词：电力电缆；绝缘劣化；交联聚乙烯；水树枝；添加剂

1 引言

水树枝老化是中低压交联聚乙烯（XLPE）电力电缆提前失效的主要诱因[1]。水树枝的产生和发展大大缩短了电力电缆的使用寿命，对电网的供电安全产生严重的潜在威胁。虽然上世纪60年代就已经在电缆绝缘中发现了水树枝劣化现象，但截至今日，专家学者对水树枝的引发生长机理仍然没有达成共识。根据不同引发生长机理开发的抗水树枝化电缆料，抗水树枝化效果也参差不齐。

目前，市面上的抗水树枝化电缆料主要是通过向XLPE中添加各种添加剂实现抗水树性能。本文通过向XLPE中添加PEG、EVA和SEBS三种专利[2-4]中常用的抗水树添加剂，根据水树枝的引发生长机理，结合试样的结晶形态和屈服应力对水树枝老化特性的影响，对含有不同添加剂的XLPE中水树枝的老化特性进行了分析讨论。

2 实验方法

2.1 试样制备

实验选用濮阳义达生产的YJ-35型XLPE、德国MERCK生产的PEG、北欧化工生产的EVA和岳阳石化生产SEBS作为实验材料，制得厚度为1mm和5mm的两种试样。1mm厚试样用于力学性能测试，5mm厚的试样用于水树枝加速老化试验。

根据相关研究结果[5-7]，XLPE/PEG体系中，mPEG：mXLPE=1：200；XLPE/EVA体系中，mVA：mXLPE=1：49；XLPE/SEBS体系中，mSEBS：mXLPE=3：20。

2.2 水树枝的培养及观测

试验条件参照IEC/TS 61956拟定，具体如下：50Hz、7kV（有效值）、1.8mol/L的NaCl溶液、2±0.1mm的针板距离、室温下老化480h。

老化试验完成后，将试样取出，切成厚度约2mm的薄片。将薄片用亚甲基蓝溶液染色后，在显微镜下进行水树枝观测。对每个针尖处生长的水树枝，分别沿电场方向（纵向）和垂直电场方向（横向）进行长度测量，纵向以针尖为起点，横向取最大宽度，选取每个方向上的最大长度作为该方向上水树枝的长度。

2.3 结晶形态观察及屈服应力测试

室温下，将试样浸入高锰酸钾/浓硫酸刻蚀溶液进行刻蚀。刻蚀完成后，用金相显微镜观测试样的结晶形态，并测量其尺寸。参考GB/T 528-2009，测定试样的拉伸屈服应力。

3 实验结果与分析

为方便图表说明，将四种试样编号如下：1#，纯XLPE；2#，XLPE/PEG；3#，XLPE/EVA；4#，XLPE/SEBS。

3.1 结晶形态及屈服应力

由图1、图2可知，混合添加剂以后，试样的晶块尺寸均明显减小，屈服应力均明显降低。

3.2 水树枝老化

由图4可知，添加PEG之后，水树枝的引发率下降了31.6%；添加EVA和SEBS以后，水树枝的引发率分别上升了4.2%和12.3%。由图5可知：混合添加剂以后，试样中水树枝尺寸均有不同程度的增加。

Maxwell应力理论认为，材料屈服应力越大，越不利于水树枝的引发和生长。另有研究表明：晶块大而疏，水树枝长度较大，晶块小而密，水树枝长度较小。

根据实验结果：XLPE中添加PEG之后，体系屈服应力基本不变，晶块尺寸减小了48.2%，水树枝引发率大幅下降，水树枝尺寸基本不變；XLPE中添加EVA之后，体系屈服强度下降10.1%，晶块尺寸减小33.9%，水树枝的引发率和尺寸均大幅增加；XLPE中添加SEBS之后，体系屈服强度下降13.6%，晶块尺寸减小26.0%，水树枝引发率和尺寸均大幅增加。由实验结果可知，随材料屈服应力的下降，水树枝尺寸增加，且屈服应力的下降幅度与水树枝尺寸增加幅度正比例对应；相比较而言，结晶形态对水树枝生长的影响较屈服应力小。

4 结论

1）屈服应力对材料水树枝老化特性的影响明显。随着屈服应力下降，水树枝的引发率和尺寸呈增大趋势。

2）混合添加剂以后，晶块尺寸有不同程度的减小。本实验中，晶块尺寸对水树枝老化特性的影响不明显。

3）在水树枝加速老化实验条件下，PEG对水树枝引发率抑制效果明显，EVA和SEBS的抗水树效果不明显。

参考文献

[1]金天雄，黄兴溢，江平开，等.用有限元法分析水树尺寸对电场分布的影响[J]. 高电压技术，2008，34（3）：489～564.

[2]上海交通大学. 一种抗水树电缆绝缘材料的制备方法[P].中国专利，CN101717542A，2010.

[3]浙江万马高分子材料股份有限公司. 抗水树电缆绝缘材料[P]. 中国专利，CN101149994，2008.

[4]上海新上化高分子材料有限公司. 中高压抗水树绝缘电缆料及其制备方法[P]. 中国专利，CN101724192A.

[5]武立锋. 改性交联聚乙烯抗水树性能研究[D].西安：西安交通大学，2009.

[6]Jun-Ho Lee， Suh K S， Sang-Joon K， et al. Water tree retardation and electrical properties of EVA blended XLPE[C]， Proceedings of the 4th International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics， 1992.

[7]杨君胜，黄兴溢，汪平开等. 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）.946～951.