低温环境下XLPE材料中水树生长特性的研究

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(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065)

0 引 言

中国在城市化建设过程中，在城市配电网中敷设了大量交联聚乙烯(XLPE)电缆。然而由于早期敷设的电缆制造工艺落后，并且由于敷设过程中存在不规范操作等，在电缆绝缘层中不可避免地存在一些微观的缺陷，如微孔、裂缝等。当环境中的水分侵入电缆绝缘层后，在绝缘中的微观缺陷处将形成应力集中区，在电压长期作用下容易在缺陷部位引发水树[1-6]，甚至电树(过电压作用)，并导致电缆发生击穿事故[7-8]。由于中国幅员辽阔，东北、西北等局部地区的冬季平均气温接近甚至低于0 ℃。此外，由于负荷波动等原因，电缆绝缘将受到低温的作用，在低温条件下的水树生长特征值得研究。

不同温度下水树的生长特性是国内外研究者关注的重点。然而对于在不同的温度下XLPE电缆中水树生长的规律，目前的研究尚未得到统一的结论。有研究认为在高温下水树生长速率提高，但同时也有研究认为随着温度升高，水树生长速率将下降。另有研究表明低温下水树生长速率将增加[9-11]。以往的研究大多集中在研究不同温度下水树形态、生长速率等方面，尚未关注在一个较长的老化时期内低温下的水树生长特征，例如水树生长速率随着老化时间的变化及其原因分析。有关此方面的研究有助于进一步探索水树在低温下的生长规律，此外对于提高局部寒冷地区XLPE电缆的绝缘状态监测及运维管理水平亦有现实的指导价值。

在低温(0 ℃)条件下将3组XLPE样本分别进行为期14 d、21 d、28 d(d为天数)的加速水树老化，观测了老化XLPE样本中水树的微观形貌和水树长度，并通过电场仿真分析低温下水树生长速率变化的原因。

1 样本制作及加速老化实验

在3 mm厚的XLPE薄片上截取6片边长50 mm、厚度3 mm的正方形XLPE薄片，将6片样本分为A、B、C三组。其中样本1、2属于A组，样本3、4属于B组，样本5、6属于C组。之后选取3组样本正中间的圆形区域(直径25 mm)作为水树老化区，采用注射器针头在此区域制作3行平行的针孔缺陷(针孔深度1.5 mm)。注射器针头的参数如下：

1)斜面长度3 mm；2)针尖倒角(17±2)°；3)针尖曲率半径(2.5±0.5) μm。XLPE水树老化样本如图1所示。

图1 XLPE薄片样本

将A、B、C 3组薄片样本放置于IEC/TS 61956推荐的杯状试验装置，杯状实验装置中装有质量分数为20%的氯化钠溶液。将杯状实验装置放置于恒温箱中，将恒温箱的温度设置为0 ℃。将杯状实验装置下电极接地，上电极施加高频高压(有效值7.5 kV，频率400 Hz)，在0 ℃恒温条件下进行加速水树老化[11-12]，如图2所示。A、B、C 3组薄片样本的老化时间分别为14 d、21 d、28 d。

图2 加速水树老化实验装置

2 实验结果

为了观测XLPE薄片样本中水树的生长情况，加速水树老化结束后，将A、B、C 3组样本切片进行水树观测。在垂直于样本表面方向上，利用切片机沿针孔边缘切出厚度为100±10 μm的切片。之后利用亚甲基蓝溶液在90 ℃时将切片染色，通过光学显微镜观察水树形态(显微镜放大倍数为64倍和160倍)。低温下不同老化时间的水树形态如图3所示。

由图3可以看到，在低温环境下，水树从缺陷处引发，沿电场方向向前生长。老化14 d时水树形态呈片状，即水树枝相互连接，水树的枝状特征并不明显。而老化21 d后，水树的分枝状特征已经较为明显，在针孔周围均存在枝状的水树枝。而老化28 d后，水树的分枝状特征更为明显，且越靠近水树尖端，水树枝越尖。另外，随着老化时间增长，水树染色逐渐加深。由图3(c)可见，老化28 d以后，针孔尖端的水树染色明显加深。

为了进一步研究低温下水树的生长速率变化，统计3组样本中的水树平均长度。测量水树长度时是以针尖为起点，以针尖正前方最长水树枝末端为终点。水树长度统计结果如图4所示。

图3 3组样本中的水树形态

图4 3组样本中的平均水树长度

由图4可以看到，老化14 d后水树的平均长度为85 μm，21 d后水树平均长度为183 μm，28 d后水树平均长度为313 μm。老化时间越长，水树生长速率增大: 老化0～14 d，水树平均生长速率为6 μm/d；15～21 d，水树的平均生长速率为14 μm/d；22～28 d，水树的平均生长速率为18 μm/d。22～28 d，水树增加的长度是15～21 d增加的水树长度的1.3倍。

3 讨 论

水树枝的产生和发展是电场和水分共同作用的结果，绝缘层中的缺陷和半导电层的凸起会成为局部电场应力集中点，在外加交流电场作用下，XLPE分子链将受到周期性麦克斯韦应力作用并发生疲劳断裂，进而形成水树枝[13]。麦克斯韦应力公式为[14]

F=(ε0/2)(εr-1)E2

(1)

式中：ε0为真空的介电常数；εr为电介质的相对介电常数；E为电场强度。式(1)表明，电场越强，XLPE分子链受到的麦克斯韦应力越大，越容易发生疲劳断裂，导致水分扩散速率及水树生长速率越大。值得注意的是，由于在水树生长过程中，水树生长速率主要是由水树尖端电场强度所决定的，因此有必要研究低温下不同水树长度时水树尖端的电场强度。

为此，根据图3水树枝观测结果，利用多物理场有限元仿真软件建立如图5所示的XLPE薄片水树仿真模型。依据0 ℃不同老化时间下的水树长度，设置水树长度(沿针孔方向从针孔缺陷尖端到水树尖端的距离)分别为100 μm、200 μm、300 μm，计算沿着针孔方向AB水树尖端的电场强度，如图5所示。仿真分析中，薄片及水树区域的电场参数如表1所示[1-5]。电场仿真结果如图6所示。

图5 水树仿真模型

图6 不同老化时期水树尖端电场仿真结果

由图6可知，在水树尖端存在严重的电场畸变。水树老化14 d时，水树尖端电场为7 MV/m；老化21 d时，水树尖端电场为7.2 MV/m；老化28 d时，水树尖端电场为7.8 MV/m。由此可见，当水树长度增加时，水树尖端电场逐渐增强。事实上，在低温下进行水树老化时，由于此时XLPE材料的弹性模量较高，相对于高温，材料受同样的应力作用时形变量较小，水树空洞在电场作用下更容易被“拉长”，导致水树枝尖端电场强度增强。同时由于XLPE材料本身结构的不均匀性，在材料局部存在一些更大的缺陷(例如微裂纹等)，在这些地方水树枝更容易沿着电场方向向前生长，从而造成在这些区域的水树生长速率高于临近区域，进而导致水树逐渐出现分枝状特征，并且随着老化时间增长这种分枝状特征更为明显，水树尖端电场亦随之增强(如图3所示)。

由此可知，随着老化时间的增长，水树尖端电场增强，XLPE分子链受到的麦克斯韦应力越大，分子链更容易发生疲劳断裂，进而导致水树生长速率升高。仿真结果与实验所得结果一致，图4与图6结果均表明：老化时间越长，水树枝生长速率越快。因此，当水树桥接绝缘的大部分时，应该引起足够的重视，进一步采取措施，否则在过电压(操作或雷电过电压)作用下，水树尖端容易引发电树，导致发生电缆击穿事故。

4 结 语

在0 ℃下进行水树老化实验，通过光学显微镜观察了水树形态，统计了各个老化阶段的水树长度，并通过电场仿真分析了低温环境下水树的生长速率提升的现象。得出以下结论：

1)在低温条件下，随着老化时间的增长，水树的生长速率逐渐增加。

2)在低温下进行水树老化时，随着老化时间的增长，水树尖端电场逐渐增强，导致水树生长速率逐渐增加。

3)水树在低温下的生长速率变化与XLPE材料在低温下的力学特性密切相关。在低温下材料的弹性模量更高，水树空洞被拉长，从而形成分枝状特征并导致水树尖端电场增强。