在线注入有机硅修复液对交联聚乙烯电缆中水树生长的影响

黄 明 周 凯 杨 滴 杨明亮

(四川大学电气信息学院 成都 610065)



在线注入有机硅修复液对交联聚乙烯电缆中水树生长的影响

黄 明 周 凯 杨 滴 杨明亮

(四川大学电气信息学院 成都 610065)

提出了水树老化电缆的在线修复方法，讨论了在交变电场下修复液对水树的抑制作用及其绝缘修复机理。采用高频高压水针电极法对新样本、预修复样本和在线修复样本进行加速水树老化。老化一个月后，使用显微镜观察样本中水树形态并测量其水树长度。通过差示扫描量热法分析样本绝缘层的劣化程度，同时利用扫描电镜和能谱分析仪对比水树区域的微观形貌及化学结构变化。研究表明，在线注入有机硅修复液能有效地抑制水树的生长。在电场的作用下，修复液分子和水分子同时向强电场区域(如微孔、水树区域等)进行扩散并发生反应，消耗水分并且生成凝胶颗粒填充微孔，一定程度上缓解了绝缘的劣化。

交联聚乙烯电缆 水树 硅氧烷 电场 取向 介电泳力

0 引言

随着电缆运行年限的增加，我国20世纪90年代城市配电网改造中被大量使用的交联聚乙烯(XLPE)电缆逐步进入老化故障高发期[1，2]。普通的交联聚乙烯电缆在运行15年后电缆的击穿强度急剧下降，最严重可下降近50%[3，4]。水树老化是导致电缆绝缘性能下降、寿命缩短的主要原因之一[5，6]。水树主要是由纳米级通道和微米级孔洞构成的亲水性树枝状绝缘缺陷[7，8]，其在过电压的作用下将可能引发电树，造成不可逆的绝缘破坏，并最终导致电缆绝缘失效[9，10]。虽然新型TR-XLPE电缆的抗水树能力得到了提升[5]，但是由于电缆敷设和经济效益原因，并不能快速、完全地更换早期已投运的电缆。因此，探索有效的水树修复方法具有现实意义。

国内外学者在对电缆绝缘修复方面进行多年研究和实践后，相继报道了对水树老化电缆具有良好修复效果的硅氧烷修复液注入技术[11-17]。文献[12]对其修复机理进行了比较详细地分析，认为修复液与和水树空洞内微量的水分进行了水解-缩合反应，消耗绝缘内部水分并生成有机低聚物填充水树微孔或通道，防止局部电场畸变，从而有效地修复了水树。文献[14，15]也针对水树修复问题进行了深入的研究，并进一步证明了修复液可修复水树电缆，改善水树老化电缆的绝缘性能。此外，文献[18]报道了有机硅修复液对电缆绝缘中新水树的生长及水树数量具有抑制作用。但目前为止，大多数文献都只是对水树老化电缆的一次性注入修复效果及修复机理进行了研究。为了更有效地抑制电缆绝缘中的水树，有必要探讨长期在线注入有机硅修复液对水树生长的影响及修复液在电场作用下的修复机理。

本文在总结前期水树老化和修复研究的基础上[15-17，19-22]，提出了一种新的针对正在运行电缆的水树老化在线修复方法。通过对比不同样本中水树长度及水树区域劣化程度，分析在线修复对水树生长的抑制效果。同时，通过扫描电镜(SEM)和能量分散光谱(EDS)分析水树区的微观结构变化，讨论了在交变电场作用下修复液对水树老化电缆的绝缘修复机理。

1 实验设置与测试

1.1 样本与实验设置

本文采用YJLV223×95型8.7/10 kV交联聚乙烯电缆制作实验样本。将去除外护套、钢铠及铜屏蔽层的电缆截断成长约40 cm的短电缆，并去除样本两端约2.5 cm的绝缘层，露出缆芯。剥除样本两端长约10 cm的外半导电层，使用钢针在样本留有外半导电层的区域等间距(5 mm)扎深度约为3 mm的小孔，并套上母排热缩管。将实验电缆样本分成3组。一组样本在套上热缩管后不做其他处理，并作为新样本;一组样本通过压力注入装置将配置好的有机硅修复液向其缆芯注入，待修复液注满缆芯及两端适配器后关闭通气阀门，并在0.2 MPa气压下保持4 h，取下适配器作为预修复样本;一组样本则待修复液注满缆芯及两端适配器后关闭通气阀门，同样在0.2 MPa气压下保持4 h，此后将压力罐的气压降至在较小范围内以保证缆芯内有足够的修复液。随后向热缩管的空腔内注入20%浓度的NaCl溶液，并插入铜电极接地。最后采用7.5 kV，400 Hz高频高压水针电极法对3组电缆样本进行加速水树老化，如图1所示。

图1 电缆试样及在线修复实验示意图Fig.1 Cable sample and its on-line rejuvenation experimental schematic diagram

1.2 水树观测

待3组电缆样本水树老化约30天后，使用切片机在电缆样本针孔附近将其切成厚度为100 μm左右的薄片，并将薄片样本浸在亚甲基蓝溶液中放置于90 ℃烘箱内染色0.5 h。当薄片样本被充分染色后，使用光学显微镜观察样本中水树的微观形态并测量水树的长度。

1.3 DSC测试

选取3组电缆样本针孔下方水树区域作为DSC测试试样，为保证灵敏度，控制试样质量在6 mg左右。采用TA—Q2000调制型差示扫描量热仪(MDMC)，以10 ℃/min的升温速率从20 ℃升温至140 ℃，在140 ℃下恒温3 min，再以10 ℃/min的降温速率从140 ℃下降至20 ℃进行测试。测试过程中用高纯度氮气和氦气作为保护。

1.4 SEM与EDS测试

采用JEOL公司JSM-7500F型配备了可抽拉式背散射电子探头、EDS等附件的超高分辨率场发射扫描电镜，分析电缆样本针孔下方水树区的微观形貌和化学元素变化。

2 结果与讨论

2.1 水树形态与长度统计

将加速老化一个月后的3组电缆样本均制作成相应的薄片样本，并利用光学显微镜观察水树的微观形态。如图2所示，左侧为放大64倍下的水树形态，右侧为放大160倍下的水树形态。从图中可以看出，3组样本中针孔尖端均有明显的水树缺陷生成，水树形貌呈现簇状，并从针孔向外沿电场方向发散状生长，在水树尖端可观察到明显的树枝状结构。对比3组样本中水树区域的亚甲基蓝染色情况可以发现，新样本老化一个月后的水树区域颜色最深，说明其生长的水树枝也最为密集。在线修复样本和预修复样本老化一个月后的水树区域染色都较浅，说明其生长的水树枝较为稀疏。

图2 老化一个月后3组电缆样本中的水树形态Fig.2 Morphology of water trees in the three group cable samples after a month aging

为了分析在线修复对水树生长的抑制效果，统计了3组电缆样本持续老化一个月后其绝缘层中水树的长度，如图3所示。在线修复电缆样本中水树长度最短，预修复样本中水树长度次之，而新电缆样本中的水树长度最长。在线修复样本中水树长度在170～260 μm，其平均长度为232.27 μm。预修复样本中水树长度在190～300 μm，平均长度为250.57 μm。而新样本中水树长度在260～410 μm，其平均长度为338.53 μm。在加速水树老化条件下样本被老化一个月后，在线修复样本和预修复样本中水树的平均长度分别是新样本的0.686倍、0.740倍，并且前两者水树长度分布也较为集中，较长水树所占的比重也较小。说明在相对较短时间内长期在线注入修复液和一次性预注入修复液都能较为有效地抑制电缆绝缘中水树的生长。

图3 3组电缆样本中水树长度方框统计图Fig.3 Statistical data of the length of water trees in the three group cable samples

但是，由于新电缆绝缘中的微孔数量和含有的水分都很少，一次性预注入电缆绝缘层中的大部分修复液会在50 h内渗出[23]，而只有电缆缆芯中存留少量的修复液(特别是针对缆芯截面较小型号的电缆而言)。在加速水树老化过程中，水分会不断浸入到绝缘层中，不断消耗修复液而使修复液含量逐渐减少。因此，水树老化一个月后，在线修复比一次性预修复对水树的抑制效果更好。可以预期，随着老化时间的增加，在线修复对水树的抑制效果相比于预修复而言会更好。

2.2 水树区热稳定性

通过DSC熔融过程，可以观测3组电缆样本中绝缘层的劣化程度情况。由图4和表1可看出，3组电缆样本绝缘的熔点温度没有表现出明显的变化规律。然而进一步分析样本的熔融过程其他参数后发现，老化一个月后3组样本的熔融热焓和融程相比于新样本均有不同程度的减小。此外，这两者呈现出相同的变化趋势：D>C>B，即老化一个月后的在线修复样本的熔融热焓和融程最大而老化一个月后的新样本的熔融热焓和融程最小。

图4 电缆样本水树区域的DSC测试结果Fig.4 DSC test results of the water tree areas

表1 各组电缆样本水树区域的DSC熔融过程参数Tab.1 DSC melting process parameters of the water tree areas in the cable samples

利用式(1)对各组样本绝缘层的结晶度进行计算，结果见表1。

(1)

式中，ΔHm为材料的熔融热焓；ΔH0为完全结晶时XLPE的熔融热焓，一般取ΔH0=287.3 J/g。

根据文献[24-26]，水树生长行为对交联聚乙烯绝缘材料的结晶度、片晶大小等都有一定影响。水树老化过程中，水分子将沿着球晶之间的非晶区和球晶内部的片晶之间迁移，对片晶施加交变的应力而引起连接结构紧密的片晶与外层松散的小片晶的较为薄弱的分子链断裂。因此水树老化一定程度上伴随着材料内晶区的破坏，导致片晶厚度逐渐减小，使得材料结晶度在一定程度上下降。由表1可知3组样本绝缘的结晶度均有所下降，B样本下降最为严重，而D样本下降最少。由此说明长期的在线修复有效抑制了水树的生长，一定程度上缓解了交联聚乙烯绝缘层的劣化。

2.3 水树区微观结构分析

通过扫描电镜观察3组电缆样本中水树区域的微观形貌，结果如图5所示。在老化一个月后的新样本的水树区域可观察到轮廓清晰的微米级孔洞且其数量较多，这一现象与水树区域的染色情况相符合。预修复样本水树区域的微孔轮廓较浅、数量较少，并有少量尺寸在微米数量级的颗粒状填充物质。而在线修复样本水树区域的微孔数量很少且轮廓也最为模糊，与预修复样本相比其填充颗粒较小但分布较均匀，将放大倍数从2000倍调整到5000倍后在少数微孔内可明显地观察到颗粒状的填充物。

图5 SEM下电缆样本中水树区的微观形貌Fig.5 Morphology of water tree areas by scanning electron microscope

经能谱仪分析测试得到填充物的能谱图如图6所示。去除水溶液中含有的Cl元素和喷金所用的Au元素，填充物质的主要成分是C、O和Si，结合修复液与水的催化反应方程式[19，21]，证明了填充物是修复液与水发生水解-缩合生成的有机硅低聚物。

图6 填充物的能谱分析结果Fig.6 Element composition analysis of the particles in water tree area of insulation layer by EDS

2.4 长期在线修复对水树生长的抑制机理

根据电-机械老化理论[3，5]，材料中的微观缺陷处往往容易形成高场强区，水分在不均匀电场的作用下极化且受介电泳力向电场集中区域迁移，导致缺陷处介电常数发生变化。在交变电场的作用下，缺陷周围的XLPE分子链受到周期性麦克斯韦应力的作用，产生应力疲劳而发生断裂，生成一些微小的裂纹。水分进入裂纹就在这些区域形成微小的充水小孔，随着材料中渗入的水分增多，致使微孔不断扩张和聚集。这些充水小孔不断发展并连在一起就形成了水树枝。

但是，对于加速水树老化的在线修复样本，其电缆缆芯中的修复液分子(修复液的相对介电常数为6.3)同样也会在不均匀电场的作用下极化，且受介电泳力通过绝缘层非晶区的空隙渗透到高场强区域(如微孔、水树区域等)。此外，外施加的电场使聚合物材料沿电场方向发生取向，有利于修复液分子在材料内的扩散。这样水分子和修复液分子在强电场区域聚集并发生水解-缩合反应，消耗绝缘中侵入的水分并且生成硅树脂类凝胶颗粒填充已有的微孔缺陷，如图7所示。由于反应生成的有机硅低聚物的相对介电常数在2.6～2.8(交联聚乙烯材料的相对介电常数为2.3)，这不仅对微小孔洞起到良好的填充作用，而且可有效地均匀缺陷位置的局部高电场，减少材料在电场畸变点的电机械应力，从而有效抑制电缆绝缘中水树的生长。

相比于一次性预注入修复液样本，在线修复样本缆芯中充足的修复液可以保证绝缘中有足够的修复液渗入，在微孔缺陷没有进一步发展及扩大之前与水分发生反应并填充缺陷。这与扫描电镜下看到的水树区域微观形貌相一致。在线修复样本水树区域微孔数量很少，填充的凝胶颗粒较多且其尺寸也相对较小。进一步说明电缆内修复液含量越多其对水树的抑制效果越好，长期的在线修复方法可有效地抑制水树的生长。

图7 长期在线修复对水树生长的抑制机理Fig.7 Inhibition mechanism of on-line rejuvenation for water trees

3 结论

本文通过对比老化一个月后的新电缆样本、预修复电缆样本和在线修复电缆样本中水树的生长情况，分析了3组电缆样本水树区域聚合物结构、微观形貌和化学元素的变化，讨论了在线注入有机硅修复液对XLPE电缆绝缘中水树生长的抑制效果和作用机理，并得到了以下结论：

1)通过对比3组样本中水树长度以及水树区域DSC测试结果，说明了长期在线修复方法可有效地抑制水树的生长，从而缓解绝缘的劣化。

2)对比长期在线修复样本和一次性预修复样本中的水树长度，说明修复液含量越多，其对水树的抑制效果越好。

3)电场在电缆水树老化和绝缘修复过程中扮演着“相反”的角色。电场是影响电缆水树老化的主要诱因之一。但是，在电缆绝缘修复过程中，电场使材料取向利于修复液分子渗透，同时修复液分子和水分子受介电泳力向缺陷处聚集并反应，消耗水分并生成凝胶颗粒填充微孔，从而改善局部电场。

[1] 陈涛，魏娜娜，陈守娥，等.交联聚乙烯电力电缆水树产生机理、检测及预防[J].电线电缆，2009 (4)：1-3. Chen Tao，Wei Nana，Chen Shoue，et al.Mechanism，detection and prevention of water treeing in XLPE power cables[J].Electric Wire & Cable，2009 (4)：1-3.

[2] 刘刚，刘斯亮，金尚儿，等.基于理、化、电特性的110kV XLPE绝缘电缆剩余寿命的综合评估[J].电工技术学报，2016，31(12)：72-78. Liu Gang，Liu Siliang，Jin Shanger，et al.Comprehensive evaluation of remaining life of 110kV XLPE insulated cable based on physical，chemical and electrical properties[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(12)：72-78.

[3] Ross R.Inception and propagation mechanisms of water treeing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1998，5(5)：660-680.

[4] 党智敏，亢婕，屠德民.新型抗水树聚乙烯绝缘电缆料的研究[J].中国电机工程学报，2002，22(1)：8-11. Dang Zhimin，Kang Jie，Tu Demin.Study on new cable material of resisting water treeing in polyethylene[J].Proceedings of the CSEE，2002，22(1)：8-11.

[5] Wang Z，Marcolongo P，Lemberg J A，et al.Mechanical fatigue as a mechanism of water tree propagation in TR-XLPE[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19(1)：321-330.

[6] Boggs S，Xu J.Water treeing-filled versus unfilled cable insulation[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2001，17(1)：23-29.

[7] Miyashita T.Deterioration of water-immersed polyethylene-coated wire by treeing[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1971，EI-6(3)：129-135.

[8] 赵威，周凯，刘凡，等.在XLPE电缆加速老化过程中理解水树的自愈性[J].电工技术学报，2014，29(6)：311-317. Zhao Wei，Zhou Kai，Liu Fan，et al.Understanding self-healing of water tree in process of accelerated aging of XLPE cables[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(6)：311-317.

[9] Boggs S，Densley J，Kuang J.Mechanism for impulse conversion of water trees to electrical trees in XLPE[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(2)：310-315.

[10]郑晓泉，王金锋，李彦雄.交联聚乙烯中水树枝向电树枝的转化[J].中国电机工程学报，2013，33(22)：166-174. Zheng Xiaoquan，Wang Jinfeng，Li Yanxiong.Transformation of electrical tree from water tree degradation in XLPE[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(22)：166-174.

[11]Nannery P R，Tarpey J W，Lacenere J S，et al.Extending the service life of 15kV polyethylene URD cable using silicone liquid[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1989，9(10)：1991-1996.

[12]Bertini G J，Keitges N E.Silicone injection：better with pressure[J].IEEE Power Energy Society Insulated Conductor Committee，2009，19(5)：1-7.

[13]Pelissou S，Lessard G.Underground medium-voltage cable rejuvenation—part I：laboratory tests on cables[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2324-2332.

[14]朱晓辉.修复水树老化XLPE电缆的修复液注入技术[J].高电压技术，2004，30(S1)：16-17. Zhu Xiaohui.The repair liquid injection technology of XLPE cable for repairing water tree[J].High Voltage Engineering，2004，30(S1)：16-17.

[15]Zhou Kai，Tao Xiantao，Wang Xiaojun，et al.Insight into the new role of titanium isopropoxide catalyst on rejuvenation for water tree aged cables[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2015，22(1)：611-618.

[16]杨滴，周凯，陶霰韬，等.交联聚乙烯电缆水树修复前后电缆微观结构的变化[J].电工技术学报，2015，30(1)：228-234. Yang Di，Zhou Kai，Tao Xiantao，et al.Microstructure changes of XLPE cable in water tree area before and after injection rejuvenation[J].Transactions of China Electro technical Society，2015，30(1)：228-234.

[17]杨明亮，周凯，吴科，等.基于纳米SiO2复合填充的交联聚乙烯电缆水树修复新技术[J].电工技术学报，2015，30(14)：481-487. Yang Mingliang，Zhou Kai，Wu Ke，et al.A new rejuvenation technology based on formation of nano-SiO2composite fillers for water tree aged XLPE cables[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(14)：481-487.

[18]Shu W，Boggs S A.Effect of cable restoration fluid on inhibiting water tree initiation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1)：97-100.

[19]周凯，赵威，管顺刚，等.硅氧烷对水树老化后的交联聚乙烯电缆的修复研究[J].电工技术学报，2013，28(1)：29-35. Zhou Kai，Zhao Wei，Guan Shungang，et al.Study of siloxane injection technology on XLPE cables for water tree aging[J].Transactions of China Electro technical Society，2013，28(1)：29-35.

[20]周凯，赵威，陶文彪，等.XLPE电缆绝缘水树老化的无机修复机理及试验分析[J].高电压技术，2014，40(1)：67-73. Zhou Kai，Zhao Wei，Tao Wenbiao，et al.Method and mechanism of the inorganic rejuvenation for water tree aged XLPE cables[J].High Voltage Engineering，2014，40(1)：67-73.

[21]周凯，陶霰韬，赵威，等.在水树通道内生成纳 米 TiO2 的电缆修复方法及其绝缘增强机制研究[J].中国电机工程学报，2013，33(7)：202-210. Zhou Kai，Tao Xiantao，Zhao Wei，et al.A cable rejuvenation method based on for mation of nano-Ti02 inside water tree and it’s insulation enhancement mechanism[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(7)：202-210.

[22]Zhou Kai，Zhao Wei，Tao Xiantao.Toward understanding the relationship between insulation recovery and micro structure in water tree degraded XLPE cables[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2013，20(6)：2135-2142.

[23]Bertini G J，Vincent G A.Rejuvenation reformulated[C]//ICC Sub A，2007.

[24]Raharimalala V，Poggi Y，Filippini J C.Influence of polymer morphology on water treeing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1994，1(6)：1094-1103.

[25]Fan Z H，Yoshimura N.The influence of crystalline morphology on the growth of water trees in PE[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3(6)：849-858.

[26]Li Jianying，Zhao Xuetong，Yin Guilai，et al.The effect of accelerated water tree ageing on the properties of XLPE cable insulation[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18(5)：1562-1569.

Effect of On-Line Rejuvenation on Water Tree Propagation in XLPE Cables

Huang Ming Zhou Kai Yang Di Yang Mingliang

(College of Electronics and Information Engineering Sichuan University Chengdu 610065 China)

A novel method of on-line rejuvenation for water trees in service cross-linked polyethylene (XLPE) cables is presented，the inhibition effect and the rejuvenation mechanism are also discussed.A 30-day accelerated water tree aging experiment was done on the new samples，the prior rejuvenation samples and the on-line rejuvenation samples.After that，a microscope was used to observe the morphology of water trees and measure the length of the water trees.By differentially scanning calorimetry (DSC)，the insulation degradation degree of the three group samples was analyzed.Meanwhile，the changes of micromorphology and chemical structure in water-tree areas were observed by scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscopy (EDS).The results show that the on-line rejuvenation method can effectively inhibit the propagation of water trees.Under the effect of electric field，the siloxane and water molecules are driven to the high electric field areas (such as void，water tree area，etc.) for reaction，which eliminates the deterioration in the insulation and generates gel particles to fill the areas，relieving the insulation degradation to some degree.

XLPE cable，water tree，siloxane，electric field，chain orientation，dielectrophoretic force

国家自然科学基金资助项目(51477106)。

2015-06-17 改稿日期2015-07-31

TM854

黄 明 男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电缆绝缘诊断及修复技术。

E-mail：hm_scu@163.com(通信作者)

周 凯 男，1975年生，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电缆绝缘诊断及修复技术。

E-mail：zhoukai_scu@163.com