阻水型电力电缆材料及结构设计

第四章 水树对电线电缆的影响

进水后，在电场的作用下，会发生水树老化现象，{zh1}导致电缆击穿。水树是直径在 0.1m到几微米充满水的空隙集合。绝缘存在中的杂质、气孔及绝缘与内外半导电层结合面的不均匀处所形成的局部高电场部位是发生水树的起点。水树发生过程一般在八年以上，湿度、温度、电压越高，水中所含离子越多，则水树发展越高。在潮气和电场的共同作用下，水树是诱发高压电力电缆的主要原因。自从日本遇到水树这种现象以来，许多文献中都涉及到这一问题。在人们对材料的超纯性以及材料表面的光滑性的重要作用识别以后，这一方面的技术己取得了巨大的进步。尽管对于电缆和其材料的水树测试是必要的，但目前的电力电缆己基本具备了抑制水树的能力。

4.1 水树的定义

在交流电场和水分的作用下，水树是聚合物绝缘材料发生降解的一种现象。然而在这种条件下也可以产生电树和聚合物的xx击穿，这依赖于准确的实验条件。电树和击穿与水树是有区别的。出于这种考虑，对水树的准确定义是非常必要的。

水树是聚合物的降解结构，降解结构具有下列的性能：

(1){yj}性；

(2)在极少的潮气和极小的电场下可以成长；

(3)与原始的材料相比较，当潮湿时有极小的电应力，但水树不是短路也不是击穿；(4)实质上降解结构比原始聚合物有较强的亲水性。

在PE中其典型的吸水量超过1%。第(3)和第(4)的性能仍然没有定量化。水树枝化的降解过程就产生了水树。另一重要性是这个定义并不依赖水的含量。水树实际上是聚合物的降解结构，该结构有利于水的进入，并存在于降解结构中。一串水滴并不是水树。水树是亲水性的内含物或者是亲水性空洞。依据这个定义，如果水树中的不蒸发了，那么水树并不流失，而仅仅是变干了。另外，这个定义也可以应用于LDPE、XLPE和EPR(乙丙胶)等材料。

4.2 水树的分类

由于对水树的发生、进展的机理并没有xx弄清楚，因此对水树作明确的分类是比较困难的。但就水树的形成而言，一般分为蝴蝶结构和空穴型水树。对电缆而言，一般看得见发生的地方，比较多的认为大致可分为两种类别，即在绝缘体上半导电层（以下简称外导）和导体上的半导电层（以下简称内导）的表面发生的水树和绝缘体中的发生的水树。属于前者的水树有发生起源于内导和外导表面的，是向绝缘体内部进展的水树，这种水树在电缆的内导和外导用棉织带作半导电层特别容易发生，内导的棉织带端部和起毛等不整齐部位是绝大多数水树发生和进展的起源。另外，用导电性丝织带、半导电性尼龙带、半导电性聚酯带以代替半导电电性棉织带后，实验己确认发生水树的程度要少些。关于这些有内导和外导发生的水树，有许多例子在以前的报告中己讲述过。

另外，从内导发生的水树中，在绝缘体中产生白浊环状物，它的进展认为会促进水树。关于内导和外导发生这些水树的事例，在采用内外半导电挤出层，内导不整齐部分用加速老化实验也发生了水树，但这种挤出层一般能防止水树的发生，使抑制树枝有了可能。

除中看到的水树外，实验室里有用各种模型试验来观察水树。这种水树都可分为两种不同类型，而模型试验中看到的水树多少有点不同。{sx}，由水电极生长的水树，进行加热处理时并没有xx消失，形状和电缆中的水树有点不同，且短时间能够发生、进展，这是它的优点。在实际电缆中，水树的发生、进展机理也许是和有不同的。

以上是聚乙稀中的水树。若把材料分类，在其它有机绝缘材料中也会有水树的分类，在其它有机绝缘材料也会有水树的发生。特别是在水电极中的硅树脂的水树，能短时间内发生并具有在外加电压消失的性能。还有，在最近的电机通用的环氧树脂中，在水或湿气中也能发生水树，能在短时间发生并具有在外加电压消失的性能。还有，在最近的电机通用的环氧树脂中，在水或湿气中也能发生水树。此外，聚丙烯、聚氧乙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等确实也有水树的发生。

4.3 水树的发生和进展

4.3.1 用电子显微镜观察水树

用扫描电子显微镜观察结果的要点如下：

(1)水树发生的部位是0.1μm级的极小气隙的集合，比0.1μm稍大点的气隙也混合一起。

(2)水树在发生端前面部分随着气隙数目的增大加便造成大气隙并混合其中。

和电树不同，管道分支的辨认比较难，要确认气隙和气隙的连结是困难的。

4.3.2 水树的染色性

因为干的水树几乎无法同PE的周围环境相区别，因此对水树的染色几乎在一开始就进行了。自从那时就发展了各种合适的染色方法。CIRGE提出了标准的亚甲基蓝染色方法。早期的染色方法是由Matsubara Yamanouchi Ascraft 和Eichhorn Henkel等提出。亚甲基蓝是一种氧化还原指示剂，是应用其氧状态进行染色的。该溶液以碳酸作为缓冲剂以防亚甲基蓝褪色。染色之后，亚甲基蓝仍然处于氧化状态。因此，染色并不是化学反应而可以认为是扩散过程并且随后使着色缔结在水树中。由于二聚化过程的缔结可以解释染色的稳定性。对水树的选择性染色主要是由于水树形成过程中有较强的亲水性组分生成。

OLLEY许多最近的文章认为{yj}性的刻痕技术可适合用光学方法检测水树的存在，例如扫描电子显微技术（SEM）和透射电子显微技术（TEM）。MOREAU等人描述了用若丹名染色以获得荧光显微的分析方法。

4.4 水树的发生、进展的影响因子

对水树的发生、进展会产生影响的因子有：时间；外加电压和频率；温度；水质；绝缘材料；电极材料。着眼以上些因子，归纳实验结构以表示这些因素的影响。

以下就分别各个因素叙述使用这些电极结构做实验或把电缆作试样的实验结构。

(1)时间：在一定条件下对于外加电压时间和水树伸长或发生数的变化情况，有几个报告是不一样的。例如，在水电极里，外1kHZ、2kV电压时，时间直到140h ，水树对于时间的伸长达到100h的一定值后，观察到几乎不再增加。有时也看到水树伸长与时间的变化关系呈饱和特性。

一般水树随时间变成有饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和倾向的报告较多，饱和时间和水树的饱和长度各个实验是不同的，这是与电极结构、外加电压、浸水条件等各种实验有关。

(2)外加电压和频率水树的伸长随外加电压增加而增加的报告较多。水树伸长和外加电压的关系一般是直线关系。也有水树伸长从电压500V到6kV几乎没有差别。水树伸长和外加电压的关系认为是电极配置与成为水树发生起点的电极曲率半径等有关。一般做实验认为到几千赫兹频率具有加速性。对于水树作加速性研究实验中，试样是否作过吸水处理对实验结果有很大的影响。

(3)一般温度于水树的伸长的影响关系上不明确的，从实验中可得到不同结果。关于水树的发生数，一般是温度越高，则特别小的水树数目变得越多。

以上是温度恒定的时候，然而实际运行的电缆负荷电流常是变化的。因此，常处于热循环的状态下。这时热循环比起常温来则是促进水树老化。

像这样的关于温度对水树影响，依据实验方法得到xx相反的结果，认为这是各种实验条件的微妙的综合结果，现在还没有得到统一的见解。

(4)水质：一般用于实验的水是自来水，用各种电解质和去离子水等作实验的目的在于研究水质的影响。

把电导率相等的三种溶液和去离子水作水电极使用时的水树伸长比较。电解质溶液方面比去离子水的水树伸长来得大的多，这三种电解质认为没有多大差别。用同样的电极的结构作实验，以氯化钠、氯化钾、自来水、去离子水作比较，水树容易发生的顺序是：电解质溶液、自来水、去离子水。还有得到水树的伸长、形状和电解质浓度有关的结果。

(5)绝缘材料：PE的密度、熔解指数（M.I.）和水树进展的速度有关。一般PE的分子量和结晶度对水树的进展特性没有多大的影响。PE以外的有机绝缘材料中确实也发生过水树。

(6)电极材料电极材料对水树的影响，在实际电缆中从防止水树的观点看是很重要的。以碳黑纸、半导电性棉布带、牛皮纸、珞珞（纤维质）纸、半导电性PE作式样，在常温下，外加60Hz、6kV电压时，经100h后，除半导电性PE外，其它发生了水树，其伸长程度没有什么差别。

一般水树不发生在挤出半导电层，但当绝缘接口有凸出等缺陷存在时发生水树。

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