毕业论文-交联聚乙烯电缆电树、水树产生原因 及生长的理论分析

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE III -交联聚乙烯电缆电树、水树产生原因 及生长的理论分析摘要电树枝化与水树枝化是影响交联聚乙烯电力电缆安全可靠运行的重要因素，电缆在长期的运行过程中受到电压和温度的影响，绝缘性能逐渐下降，直接威胁到电网的安全运行。特别是伴随电压等级的迅速提高，电树枝化、水树枝化对电缆的可靠性和使用寿命的影响正日益突出。本文以近些年来日本不同电压等级交联聚乙烯电缆的故障和运行状况作为背景，进而展开，从四方面阐述了其绝缘老化的机理。同时，交联聚乙烯电缆与冲油电缆相比较，交联聚乙烯电缆有着敷设安装方便，运行维护简单，不存在

2、油的淌流问题等优点，但其绝缘在运行中存在树枝化放电，造成绝缘老化破坏，很大程度上影响了其寿命。通过分析影响XLPE电缆电树枝引发和生长因素，进而找到防止其发生的措施。与此同时，XLPE电缆水树枝化放电现象在正常运行中也极为常见，其对电网正常安全运行也会构成影响。本文阐述了对水树枝放电产生发展的分析，叙述了水树枝缺陷在线检测的方法。进而得出了工厂企业实际施工中，防止其发生故障的相应方法与对策。国外早在20世纪60年代就开始了关于XLPE电缆绝缘弱点检出和老化检测技术的研究，至今仍在不断深入发展，不乏统计与测试数据，富有参考价值。通过对XLPE电缆绝缘击穿事故统计分析和初步进行现场局部放电测试情况

3、，并借鉴国外技术进展，对XLPE电缆绝缘老化、相应的绝缘检测技术给予叙述，以提高运行管理水平。因此，研究交联聚乙烯电缆电树枝的生长特性对电缆的安全运行具有重要意义。关键词XLPE电缆；电树枝；水树枝；绝缘缺陷；局部放电；老化机理。Electrical Tree in XLPE cable, water tree causes and development of theoretical analysisAbstractThe treeing-induced aging is one of the major factors that undermine the long-term operat

4、ional reliability of high voltage rating cross-linked polyethylene power cables.XLPE cable suffers from thermal and electrical aging stress in the long-term operation.It will deteriorate the insulating performance and threaten the reliability of power grid directly.As to the rapid rise of voltage ra

5、ting in power system, electrical trees and water trees effect to reliability and service life of XLPE cable.Thus,it is necessary to study the characteristics and influencing on factors of electrical trees and water trees in XLPE.The article analyses cable structure and defects of insulation layer,th

6、e defects of insulation layer mainly include air gap and impurity,air gap is one of major factors causes PD and impurity lead to the insulation aging of XLPE cable. By analyzing the influential XLPE power cables and growth factors caused the branches, and then find the measures to prevent the occurr

7、ence. At the same time, XLPE cable water dendronized discharge in the normal operation of the phenomenon is common, the normal operation of power grids safety will constitute the influence. This paper expounds the water discharge to produce branches analysis of the development, described the water b

8、ranches defects detection method of online. And a conclusion that the factory enterprise actual construction, to prevent the occurrence of fault corresponding methods and countermeasures.Foreign as early as in the 1960 s began about XLPE insulated cables weakness detection and aging detection techno

9、logy research, still in the further development, is many statistics and test data, rich reference value. Through to XLPE insulated cables breakdown accident statistics analysis and preliminary test the partial discharge, and draw lessons from foreign technology progress, to LPE cable insulation agin

10、g, corresponding insulation testing technology to give, makes a thorough development of this field of comprehensive investigation and research, in order to improve the operation management level. Therefore, the crosslinked polyethylene cable electric branch growth properties of the safe operation of

11、 the cable has important significance.Keywords XLPE Cable；Electrical Trees；Water Trees；Insulation Defects；Partial Discharge；Aging Mechanisms.PAGE II- - PAGE V -目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II HYPERLINK l _Toc328553207 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328553207 h 1 HYPERLINK l _Toc328553208 1.1 高压XLPE电缆及

12、其附件的绝缘损坏 PAGEREF _Toc328553208 h 1 HYPERLINK l _Toc328553209 1.2 日本不同等级XLPE电缆近年运行情况 PAGEREF _Toc328553209 h 1 HYPERLINK l _Toc328553210 1.2.1 日本不同电压等级XLPE电缆绝缘损坏比较 PAGEREF _Toc328553210 h 1 HYPERLINK l _Toc328553211 1.2.2 日本66kV级XLPE电缆线路绝缘损坏故障分布状况 PAGEREF _Toc328553211 h 2 HYPERLINK l _Toc328553212 1

13、.2.3 日本高压级XLPE电缆线路运行情况 PAGEREF _Toc328553212 h 2 HYPERLINK l _Toc328553213 1.3 绝缘之间的接口问题 PAGEREF _Toc328553213 h 2 HYPERLINK l _Toc328553214 1.4 我国需关注绝缘老化问题 PAGEREF _Toc328553214 h 2 HYPERLINK l _Toc328553215 1.5 本章小结 PAGEREF _Toc328553215 h 3 HYPERLINK l _Toc328553216 第2章 XLPE电缆系统绝缘老化的机理分析 PAGEREF

14、_Toc328553216 h 4 HYPERLINK l _Toc328553217 2.1 局部放电 PAGEREF _Toc328553217 h 4 HYPERLINK l _Toc328553218 2.2 电树枝老化 PAGEREF _Toc328553218 h 4 HYPERLINK l _Toc328553219 2.3 水树老化 PAGEREF _Toc328553219 h 5 HYPERLINK l _Toc328553220 2.4 热老化 PAGEREF _Toc328553220 h 5 HYPERLINK l _Toc328553221 2.5 本章小结 PAG

15、EREF _Toc328553221 h 5 HYPERLINK l _Toc328553222 第3章 XLPE的电树枝化放电分析 PAGEREF _Toc328553222 h 6 HYPERLINK l _Toc328553223 3.1 交联聚乙烯电缆电树枝老化研究的意义 PAGEREF _Toc328553223 h 6 HYPERLINK l _Toc328553224 3.2 电树枝的定义及分类 PAGEREF _Toc328553224 h 7 HYPERLINK l _Toc328553225 3.2.1 电树枝的定义 PAGEREF _Toc328553225 h 7 HY

16、PERLINK l _Toc328553226 3.2.2 电树枝的分类 PAGEREF _Toc328553226 h 7 HYPERLINK l _Toc328553227 3.3 影响电树枝引发和生长的因素 PAGEREF _Toc328553227 h 8 HYPERLINK l _Toc328553228 3.3.1 影响电树枝引发的因素 PAGEREF _Toc328553228 h 8 HYPERLINK l _Toc328553229 交流迭加冲击电压下XLPE 中的电树枝起始特性 PAGEREF _Toc328553229 h 8 HYPERLINK l _Toc328553

17、230 残存机械应力对电树枝引发时间的影响 PAGEREF _Toc328553230 h 8 HYPERLINK l _Toc328553231 缺陷对XLPE 中的电树枝起始特性的影响 PAGEREF _Toc328553231 h 9 HYPERLINK l _Toc328553232 3.3.2 影响电树枝生长的因素 PAGEREF _Toc328553232 h 9 HYPERLINK l _Toc328553233 外施电压 PAGEREF _Toc328553233 h 9 HYPERLINK l _Toc328553234 频率 PAGEREF _Toc328553234 h

18、12 HYPERLINK l _Toc328553235 残余机械应力 PAGEREF _Toc328553235 h 14 HYPERLINK l _Toc328553236 温度 PAGEREF _Toc328553236 h 14 HYPERLINK l _Toc328553237 3.3.3 XLPE 电缆绝缘中电树枝的抑制方法 PAGEREF _Toc328553237 h 15 HYPERLINK l _Toc328553238 3.4 交联聚乙烯电缆绝缘中的导电和非导电型电树枝概述 PAGEREF _Toc328553238 h 15 HYPERLINK l _Toc328553

19、239 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc328553239 h 16 HYPERLINK l _Toc328553240 第4章 XLPE的水树枝化放电分析 PAGEREF _Toc328553240 h 17 HYPERLINK l _Toc328553241 4.1 水树枝现象 PAGEREF _Toc328553241 h 17 HYPERLINK l _Toc328553242 4.2 水树枝的类型 PAGEREF _Toc328553242 h 20 HYPERLINK l _Toc328553243 4.3 水树枝产生的机理 PAGEREF _Toc328553243 h

20、 20 HYPERLINK l _Toc328553244 4.4 水树枝产生发展与环境温度、水质和电压的关系 PAGEREF _Toc328553244 h 22 HYPERLINK l _Toc328553245 4.5 XLPE的水树枝缺陷在线监测系统 PAGEREF _Toc328553245 h 23 HYPERLINK l _Toc328553246 4.5.1 交联聚乙烯电缆在线监测方法 PAGEREF _Toc328553246 h 23 HYPERLINK l _Toc328553247 直流分量法 PAGEREF _Toc328553247 h 23 HYPERLINK l

21、 _Toc328553248 直流迭加法 PAGEREF _Toc328553248 h 23 HYPERLINK l _Toc328553249 介损法 PAGEREF _Toc328553249 h 23 HYPERLINK l _Toc328553250 差频法 PAGEREF _Toc328553250 h 24 HYPERLINK l _Toc328553251 复合判定法 PAGEREF _Toc328553251 h 24 HYPERLINK l _Toc328553252 4.5.2 系统原理 PAGEREF _Toc328553252 h 24 HYPERLINK l _To

22、c328553253 4.6 工厂企业防止XLPE电缆因水树枝劣化而发生电缆故障的对策 PAGEREF _Toc328553253 h 24 HYPERLINK l _Toc328553254 4.6.1 设计及选型阶段 PAGEREF _Toc328553254 h 24 HYPERLINK l _Toc328553255 选型 PAGEREF _Toc328553255 h 24 HYPERLINK l _Toc328553256 电缆敷设方式设计 PAGEREF _Toc328553256 h 25 HYPERLINK l _Toc328553257 4.6.2 订货及施工阶段 PAGE

23、REF _Toc328553257 h 25 HYPERLINK l _Toc328553258 电缆的选择 PAGEREF _Toc328553258 h 25 HYPERLINK l _Toc328553259 电缆的防潮 PAGEREF _Toc328553259 h 25 HYPERLINK l _Toc328553260 施工的监管 PAGEREF _Toc328553260 h 25 HYPERLINK l _Toc328553261 4.6.3 投用后的检测 PAGEREF _Toc328553261 h 25 HYPERLINK l _Toc328553262 在线检测 PAG

24、EREF _Toc328553262 h 25 HYPERLINK l _Toc328553263 定期进行预防性试验 PAGEREF _Toc328553263 h 26 HYPERLINK l _Toc328553264 4.7 本章小结 PAGEREF _Toc328553264 h 26 HYPERLINK l _Toc328553265 结论 PAGEREF _Toc328553265 h 27 HYPERLINK l _Toc328553266 致谢 PAGEREF _Toc328553266 h 28 HYPERLINK l _Toc328553267 参考文献 PAGEREF

25、_Toc328553267 h 29 HYPERLINK l _Toc328553268 附录A 英文文献 PAGEREF _Toc328553268 h 31 HYPERLINK l _Toc328553269 附录B非线性绝缘中的电树建模 PAGEREF _Toc328553269 h 36- PAGE 10 - PAGE 37 -绪论 高压XLPE电缆及其附件的绝缘损坏 广州供电系统在国内较早地使用高压XLPE电缆，迄今110kV级XLPE电缆总长度已达636km。19952000年共发生110kVXLPE电缆绝缘击穿事故11起，分类如下：电缆本体7起，均属外力破坏造成；电缆接头4起，其

26、中3起为投入运行不久出现，是归属于构成材料、工艺所致，另1起则是绝缘击穿，其接头无防水构造，并运行了10年，经分析是水树老化所致。上述绝缘击穿事故显示了电缆本体未出现绝缘老化损坏，但运行时间终究有限，是否出现绝缘老化的异常指标，尚未经测试，XLPE电缆是否都能够可靠运行至预期使用寿命还是个待研究的问题。而有一起电缆接头已出现绝缘老化，则至少表明对于包含附件在内的电缆系统绝缘老化问题需引起重视。现不妨借鉴国外较早应用高压XLPE电缆及其附件的实践经验1,2，结合予以分析。 日本不同等级XLPE电缆近年运行情况 日本不同电压等级XLPE电缆绝缘损坏比较 一般XLPE电缆高压级比中压级的本体绝缘老化

27、损坏较少，如日本19651995年按电压级统计电缆绝缘事故率，显示了随电压级增高其相应的电缆绝缘损坏率依次较低，见表一。这或许是XLPE电缆的制造工艺对高电压级有较严格的质量目标管理，加之110kV及以上电压级电缆均采用金属层径向防水构造的缘故。 HYPERLINK /PicnewsList/ t _blank 表一 日本66kV级XLPE电缆线路绝缘损坏的分布次数绝缘损坏影响因素电缆电缆附件水树12侵水7外伤1015异物27半导电层突起2界面空隙12形状不良11其它22 日本66kV级XLPE电缆线路绝缘损坏故障分布状况 日本在19771995年66kVXLPE电缆线路发生82次绝缘损坏故障

28、，其分布特点有： a)电缆本体因水树老化导致绝缘损坏达12起，它存在于沿电缆纵向的局部位置，但这些电缆是19751980年投产的一批，当时的制造工艺含湿法交联(20世纪80年代后才完全为干法交联)，且电缆构造没有径向防水层。因之，历经1219年运行后出现绝缘击穿。 b)电缆附件因形状不良、接口空隙导致绝缘损坏达23起，占相当大比例。其电缆接头基本上为绕包型，安装质量受作业环境、技术熟练等条件制约，人为过失因素较显著。 日本高压级XLPE电缆线路运行情况 高压交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术述评日本110kV及以上电压级XLPE电缆线路至2005年已使用1705km，迄今未出现电缆本体绝缘损坏

29、。已运行的4000多个电缆附件中，虽未出现水树老化导致绝缘击穿，但发生过1次接头绝缘损坏，是模塑型接头绝缘挤出作业中有纤维性异物混入所致。 绝缘之间的接口问题 荷兰150kVXLPE电缆系统在1993年1天中曾发生多个电缆终端一连串绝缘击穿，造成大范围停电。经分析判明，原因是干式构造终端的预制橡胶应力锥与XLPE绝缘之间的接口问题。后对该系统出现绝缘击穿前已退出运行的电缆终端检查，发现接口上存在电树枝痕迹，表明形成电树枝已有较长时日。这一界面问题已引起欧、日等业界重视。绝缘之间的接口问题是不同绝缘接口间出现的缺陷，或因电缆的交联聚乙烯与附件的硅橡胶部件各有不同热膨胀系数而形成位移，或运行一定时

30、间后接口变得干燥，或接口间压力随时间推移而减低，或安装时的杂质带入等。 我国需关注绝缘老化问题 从上述事例可以看到，无径向防水构造的高压XLPE电缆、绕包式接头、预制干式终端或接头，已在高压级XLPE电缆运行中出现过绝缘老化。国内110kV级XLPE电缆在使用早期多缺乏径向防水层，又多采用绕包式接头，近年110220kV级大量使用预制干式电缆附件，故而需关注绝缘老化问题。另一方面，由于110220kV级XLPE电缆制造已按绝缘弱点目标实施质量管理，加之具有金属套构造达到有效防水，因此可认为不存在一般中压XLPE电缆那样多的水树老化，从而其预防性老化检测可较为简化。本章小结对国内外部分高压交联聚

31、乙烯电缆(XLPE)系统的绝缘损坏作了统计，分析了电缆及其附件绝缘老化原因和形态，叙述了XLPE电缆绝缘老化的机理。指出对高压电缆附件和缺乏径向防水构造的XLPE电缆需重视绝缘老化问题。对于XLPE电缆本体绝缘老化检测，认为高压级可比中压级简化。概述了国外绝缘老化诊断新技术的发展。最后，对局部放电检测绝缘老化技术方法作了试验探讨。 交联聚乙烯(简称XLPE)绝缘电缆由于敷设容易、运行维护简便，现已是10220kV供电电缆的主流。近20年来，大量引进的66220kV级和国产的66220kV级XLPE电缆已广泛应用于城网送电系统中。随着时间的推移，如今运行的66kV及以上高压的XLPE电缆，有些已

32、逐渐进入电缆及其附件预期寿命的“中年期”。电缆系统在实际使用状况下，能够继续长时期可靠工作或因绝缘老化加速而缩减使用寿命是运行管理部门十分关注的问题。 国外早在20世纪60年代就开始了关于XLPE电缆绝缘弱点检出和老化检测技术的研究，至今仍在不断深入发展，不乏统计与测试资料，富有参考意义。XLPE电缆系统绝缘老化的机理分析 局部放电 在运行电压下，局部放电能够存在于电树枝、孔隙、裂纹、杂质以及剥离的接口上。当绝缘中存在微孔或绝缘层与内、外半导电层间有空隙时，将由于局部放电侵蚀绝缘而使绝缘性降低，以致发生老化形态，表现为绝缘击穿。 根据绝缘层中存在微孔的模型，由下面经验式算出允许最大微孔尺寸：

33、（2-1）式中 2a微孔直径，； U施加电压，kV； 绝缘层内半径，mm； 绝缘层外半径，mm。 高压XLPE电缆按满足(2-1)关系式进行设计，能保证在正常运行场强下不发生局部放电，这或许是在正常使用条件下未出现因局部放电导致绝缘老化击穿事例的缘故。但当电缆本身受到外伤或附件组装不善时，就可能出现起因于局部放电导致绝缘老化的绝缘击穿。 电树枝老化 它是由于绝缘材料中含杂质，形成场强集中部位发生局部放电，具有树枝状痕迹逐步伸展至全部路径而击穿的老化形态。对于XLPE绝缘，由电树枝出现到全部路径击穿的时间较短，这是电树枝与水树有所区分的一个特点1,3。 在XLPE电缆绝缘层，由于杂质或半导电层突

34、起，出现场强集中就存在有害性，其有害性的界限可按下式算出： （2-2）式中 发生树枝的场强，kV/mm； 才最大工作场强，kV/mm； 温度校正因子，取1.2； 寿命换算因子，取2.52； 场强增大系数(它与杂质尺寸2a等参数有关) 为界定有害杂质容许多大，最严酷的情况是：假定杂质位于内半导电层上，其曲率半径为10m，发生电树枝的场强300kV/mm。曾对66275kV电缆计算，结果2a在190320m范围。 在聚乙烯(PE)料生产厂与电缆制造厂为降低杂质水平，反映PE化合物中杂质含量大小的值已从1974年27降至1984年接近于0。如日本275kV级电缆杂质的实现了琥珀物尺寸在250m以下；

35、其它为100m以下。从有害杂质水平来看，已有充分裕度。 水树老化 日本曾对电缆老化现状做调查，并进行空气中与浸水中电缆老化特性比较，有以下结论1,3： a)对经历12年、12.4年、14年运行的3回77kV电缆(干法交联、三层共挤构造)撤出后进行了工频、冲击击穿试验，结果显示绝缘击穿电压均比投产初期降低25%50%。同时，水树分布结果显示地下电缆被水浸造成水树的生长情况比在空气中要显著。 b)对275kV具有径向防水构造的铝包XLPE电缆投产10年后抽检，撤出3条25m长电缆做绝缘击穿测试，结果显示与投产前性能相近。其蝶形水树的长度最大约为160m，被确认绝缘性能没受影响。 c)曾对仅有普通P

36、VC外护层、含铅箔的简易防水层、铝套3种型式66kV电缆，按外部浸水条件做对比研究，显示具有径向防水构造的电缆绝缘性能与初始情况相同，而没有径向防水层的普通PVC外护层电缆，在不长时间其绝缘性能已有降低趋势。 热老化 热老化是XLPE绝缘物在长时间高温作用下由于过热氧化发生质变，物理特性(抗张性、伸长等)和电气特性(介损、绝缘击穿电压等)均降低。110kV及以上XLPE电缆一般不超过运行温度90，选用且多留有裕度，故很少因过热引起绝缘老化。本章小结 在一个绝缘系统中，老化因素可以使材料的特性产生不可逆转的改变，并可能影响到绝缘性能。从实际线路归纳XLPE电缆的老化原因和老化形态，一般认为局部放

37、电、电树枝、水树的发生，是影响电缆及其附件绝缘性能降低的主要原因，且频度较高。XLPE的电树枝化放电分析交联聚乙烯电缆电树枝老化研究的意义高压电力电缆是输配电网络中的基础设备之一。交联聚乙烯电缆因其与传统油纸绝缘电缆相比不仅重量轻，传输容量大而且运行维护方便，因而在与传统油纸绝缘电缆的竞争中占据优势，成为电力电缆行业的主要发展方向。一些发达国家交联聚乙烯电缆的电压等级已达到750kV，分割导体截面积达到2500 mm2，最大设计工作电场强度从3.54.5kV/mm增加到1015kV/mm。我国自1970年至今，已先后研制成功了6、10、35、63、110kV交联聚乙烯电力电缆，220kV和50

38、0kV电压等级的交联聚乙烯电缆也已通过国家鉴定并投入使用，更高电压等级的研制工作正在进行中。相信大量采用地下电力电缆线路取代架空输电线路的输配电方式将会成为国内外城市输配电网今后发展的主要趋势。大多数聚合物绝缘在强电场的长期作用下，由于受到电、热、机械、化学等多因素综合作用导致绝缘性能下降，其击穿场强随着电压作用时间的增长而降低最后导致聚合物绝缘击穿。电树枝绝缘性能的下降和击穿都会导致电缆运行故障。根据有关部门统计，电缆事故占电气设备事故总数的比例约为28%，而电缆的树枝老化所引起的事故占电缆事故的42。日本等发达国家分析了交联聚乙烯电力电缆的老化原因和老化形态，认为电缆老化的起点为气隙、杂质

39、、凸起毛刺等缺陷，再加上电场热、机械力、环境等老化因素，就会以局部放电、水树枝之类的老化形态表现出来，最终都归结于电树枝而导致绝缘击穿。目前交联聚乙烯材料树枝化的研究很多，但国内外学者更注重于宏观性能本身的研究。而对于电树枝的研究，除了进行实验研究了解破坏时间及其电树枝形态，最为基本的是了解在电树枝化破坏的材料区域所发生的物理、化学性能变化。另一方面，许多实验都是在针板电极试验中进行的，与实际电缆的情况有很大的差距。因此，借助合适的试验电极系统，模拟电树枝的引发和生长过程，研究交联聚乙烯材料的物理化学特性，分析老化机理，找到电树枝化的防止或抑止措施，有重要的学术和实际意义。4 电树枝的定义及分

40、类 电树枝的定义电树枝的准确定义还很难统一。一般认为，电树枝是一种出现在XLPE 电缆中的电致裂纹现象，它是在聚合物的局部区域内，由于杂质、气泡等缺陷造成局部电场集中所导致的局部微击穿，进而形成树枝状放电破坏通道，因其形状与树枝相似而得名。电气学会的技术报告对它的定义是“电树枝老化是由于绝缘材料中含有杂质，形成场强集中部位发生局部放电,具有树枝状痕迹逐步伸展至全部路径而击穿的老化形态”。对于XLPE 电缆绝缘，电树枝出现到绝缘厚度全部击穿的时间极短，这是电树枝与水树枝区别的特征之一。国内外研究公认,电树枝从引发到生长过程都是一种极其复杂的电腐蚀现象,包括电荷注入- 抽出、局部放电、局部气压、局

41、部高温、电- 机械力、物理变形、化学分解等在内的复杂综合过程；介质种类不同、状态的不同、微观结构的差异都增大了电树枝的引发和发展的随机性。5 电树枝的分类由于对电树枝的引发、生长机理并没有完全弄清楚，因此对电树枝作明确的分类是比较困难的。本文按结构可将XLPE 电缆绝缘中的电树枝结构归纳为3 类5 种。3类分别为枝状、丛林状和混合状，其中混合状分为枝- 丛林，枝- 藤枝和枝- 松枝状3 种；后2 种混合状双结构电树枝是电缆内侧绝缘结构不均匀，缺陷集中的必然结果6。就生长速度而言，同等实验条件下这3类电树枝生长速度存在巨大差异。枝状树生长最快，混合树其次，丛林状树最慢。就电树枝颜色而言，枝状电树

42、枝最浅，混合电树枝其次，丛林状电树枝最深，显示3 种电树枝通道内的腐蚀(碳沉积) 程度存在很大差异,生长机理各不相同。也可将XLPE 电缆绝缘中引发和生长的电树枝分为枝状、丛林状、藤枝状、松枝状和混合状等5 类，图3-1 给出了这5 种典型的电树枝形状。 图3-1 典型的电树枝形状根据电树枝信道的导电特征，可为导电型、非导电型和混合型3 种，对应于不同的生长机理，主要取决于介质的聚集态和施压频率等。均匀晶态中的电树枝为导电型，非均匀结晶态大球晶界面的电树枝为非导电型；频率会促进非导电型电树枝发展，但对导电型电树枝的引发与生长不产生显著影响。非导电型电树枝引发过程较弱时，会缓慢发展成为混合型。7

43、 影响电树枝引发和生长的因素根据研究，通常在实验室采用针板电极法来对XLPE 电缆进行加速老化。影响的因素有：外加电压和频率；温度;缺陷；机械应力；温度等。 影响电树枝引发的因素 交流迭加冲击电压下XLPE 中的电树枝起始特性张秀阁等人根据对迭加冲击和交流电压下XLPE 绝缘中的电树枝起始特性的研究发现8,9 ，在交流电压相对较小的范围内，XLPE 的冲击电压起晕值只决定于所加的冲击电压，与预加的交流电压无关；但当交流电压增大到一定值时，冲击电压起晕值则随着预加交流电压的增大而减小。因电树枝形成过程中低密度区的形成和空间电荷的积累均需要一定的时间，因此XLPE 电缆绝缘中电树枝的引发有一定的时

44、间延迟。 残存机械应力对电树枝引发时间的影响表3-1为在XLPE 电缆试样中所得到的残余机械应力和电树枝引发时间的关系10 。为了产生残余机械应力，在加热过程中保持对试样施加机械压力，然后用强风使试样和模具冷却。试样中产生机械应力的标志是在其边缘出现了挤出变形。实验表明，有残余机械应力试样中，电树枝起始电压比无机械应力的试样低。有应力试样使电树枝引发时间大为缩短。表3-1 残余机械应力对电树枝引发时间的影响频率Hz5025050010002000无应力min6758.850.33412有应力min505071 缺陷对XLPE 中的电树枝起始特性的影响王志钧, 吴炯11研究500 kV XLPE

45、 电缆中电树枝引发场强与缺陷尖端半径关系(见图3-2) , 表明树枝起始场强随着针尖半径减小而增加，在一定曲率半径之后，场强不再急剧下降。缺陷尖端半径很小时，电树枝引发场强大于1000 kV/ mm，这是由于围绕着缺陷的场强松弛，过氧化物分解产物的介电电泳现象出现，以及由于空间电荷形成所引起。12,13图3-2 XLPE 电缆中电树枝引发场强与缺陷尖端半径关系 影响电树枝生长的因素 外施电压不同工频电压下的电树枝D S Kang 等人15对XLPE 研究发现，电树枝在引发之后生长的早期阶段，总是枝状结构，随着外施电压的提高，电树枝的形状会发生从枝状向丛林状过渡的变化，而生长率却随着丛林状树枝的

46、形成而降低。当电压较低或电极间距离较长时，电树枝并不是持续生长到平板电极，而是存在滞长期。当电树枝滞长一段时间以后，随着施加电压的提高，电树枝又会出现快速生长的现象。即在原来丛林状的结构端部上又长出枝状电树枝，此时就是丛林加枝状的混合型树枝。图3-3 不同电压值下的电树枝照片不同工频电压下的击穿信道施加不同电压，直至试样击穿，获得击穿通道的形态不同。 (a)15kV击穿通道 (b)18kV击穿通道 (c)21kV击穿通道图3-4 不同电压下的击穿信道可以看出不同电压下击穿的时间先后顺序由快到慢依次为: 枝状密枝状丛状，同时不同电压下电树枝的引发时间也有很大差异。随着电压的升高，局部放电起始时间

47、缩短，平均生长速率减慢。从图3-4中看出，在不同电压下，击穿信道炭化程度是不同的，同时击穿通道也表现出不同的形态，21kV下击穿通道更宽。图3-5 不同电压下电缆击穿时间曲线不同升压速度下的电树枝大量的交联聚乙烯电缆电树枝化受到加压时升压速度的影响，为分析制作了电缆样品x、y分别以0.1kV/s的升压速度升压至12kV和15kV后稳定，在最大局部放电量达到1500pC时停止加压，切片后观测电树枝，并与1kV/s升压速度下得到的结果进行比较，结果如下所示，其中图片3-6为横截面观测的电树枝照片。 (a)12kV横截面 (b)15kV横截面图3-6 0.1kV/s升压速度不同电压下电树枝照片从图3

48、-6中看到，随着升压速度升高，会显著缩短局部放电的起始时间，同时电树枝的形态更加稀疏。二次施加电压的电树枝为分析停止加压对电树枝生长过程的影响，制作了电缆样品k，以1kV/s升压速度升压至15kV，局部放电起始1分钟后切断电源，稳定1分钟后再次以1kV/s升压速度升压至15kV，在最大局部放电量达到1500pC时停止加压，横截面切片观测电树枝，电树枝形态如图3-7所示。图3-7 二次加压下的电树枝照片从图7中可以看出，通过二次加压生成的电树枝，其形态上在原树枝端部发展出一条强分支。 频率对电树枝引发与频率关系研究表明16, 由于XLPE 的半结晶聚集态物理结构，在小于250 Hz 施压频率下会

49、生成枝状、枝状与丛林混合状及纯丛林状3 类电树枝，在500 Hz 以上高频下则只能生成稠密枝状电树枝。低频下电树枝生长特性和电树枝结构与材料的聚集态密切相关，而高频下的电树枝生长特性与材料的聚集态关系不大。（1）低频电压下XLPE 试样中的电树枝在低频下会生成三种电树枝：纯枝状稀疏电树枝如图3-8 (a)；枝状和丛林状混合电树枝如图3-8(b)，和在极个别情况下生成的浓密丛林状电树枝图3-8(c)。生长的速度特征：枝状树最快，混合树其次，丛林状树最慢（图3-9）。就电树枝颜色而言，枝状电树枝最浅，混合电树枝其次，丛林状电树枝最深，显示三种电树枝通道内的腐蚀（碳沉积）程度存在很大差异，生长机理各

50、不相同。就生长速度而言，同等实验条件下三种电树枝生长速度存在巨大差异，显示树枝信道壁的电导特性有较大差别。由图3-10 电树枝颜色的转变过程知，起始时的浅色电树枝生长迅速与图3-8(a)相似，其后颜色逐渐变黑，生长趋缓，是典型的非导电型电树枝向导电型电树枝的转化过程。 注：引发9min，生长21min 注：引发2412min，生长826min 注：引发80min，生长840min(a) 浅色枝状树 (b) 深色混合树 (c) 深色丛林树图3-8 50Hz 下几种电树枝的结构注：图中的a、b、c、d 分别对应于图3-2 的(a)、(b)、(c)和图4图3-9 几种低频电树枝的生长速度 图3-10

51、 50Hz 下的电树枝色度变化过程（2s 引发）(2)高频电压下XLPE 试样中的电树枝高频电压下（大于500Hz）通常生成丛林状或者说稠密枝状电树枝（图3-11）。对于同种电树枝结构（浅色或深色），频率越高，树枝越稠密，生长速度也越快（图3-12）。从电树枝颜色来看，颜色浅的电树枝引发时间远小于深色电树枝，而生长速度远高于深色电树枝，规律与低频时相似。表明高频下电树枝通道仍存在两种电导结构，非导电型电树枝生长速度大于导电型电树枝。 图3-11 几种高频电树枝形状图3-12 高频电树枝的生长速度 残余机械应力含有残余机械应力的XLPE 电缆绝缘试样中电树枝的引发时间短，生长速度快，低频下生长的

52、电树枝常有类似于松树枝的结构，高频下则为单纯稠密枝状结构。无应力试样中低频电树枝则为枝状或枝状与局部丛林状共存的混合结构。 温度图3-1317为At sushi Maruyama 等人在XL PE 试样中所获温度为70 以上的实验结果，电树枝生长特性与温度的关系并不单调，而是存在一个明显的分界。在90 以下区域存在一个速度峰值，在90 以上区域生长速度随温度单调上升，在90 正好对应最稠密丛林状电树枝和最慢的纵向生长速度。显而易见，温度对电树枝的生长速度影响主要是由于材料的聚集态变化，即结晶融化导致了纯粹的无定形结构，树枝信道由于碳化导致信道内局部放电停止，碳化层将电场导引至树枝尖端，进而电树

53、枝生长机理转化为树枝尖端微击穿，形成最稠密的丛状电树枝。a.50C b.70C图3-13 温度对XLPE 电树枝形状的影响XLPE 电缆绝缘中电树枝的抑制方法目前对XLPE 电缆电树枝化的抑制途径的研究主要表现在3 个方面: 在电缆结构设计上可采取的措施; 在制造工艺上采取的措施。 在材料成份方面的改进，减少绝缘中空间电荷的积累，明显减少电树枝的形成概率。交联聚乙烯电缆绝缘中的导电和非导电型电树枝概述由电树枝引发与生长速度、色度及施压频率关系表3 知，浅色电树枝的引发与生长时间远小于深色电树枝；频率升高时浅色电树枝的引发与生长时间均减少；频率升高使深色电树枝的引发时间大为缩短，但对深色电树枝的

54、生长时间并无显著影响。为证实频率对深色电树枝生长的影响，继续对图3-2(c)试样施加1000Hz 同样大小（7000V 有效值）正弦电压600min，电树枝结构与长度未发生显著变化，证明频率对深色电树枝的生长影响不大。深色表明树枝通道壁残留有碳黑，树枝通道的电导大于浅色电树枝，由于树枝通道壁上的导电物质直接将电场移向树枝尖端，树枝中的局部放电、电荷复合等效应小于浅色电树枝。鉴于局部放电量和高能电子复合等效应强烈依赖于树枝通道的绝缘特性和施压频率，据此推断浅色电树枝为非导电型而深色电树枝为导电型是合理的。18同样也说明，局部放电、电荷复合等效应是非导电型电树枝快速生长的主要原因，而尖端局部击穿是

55、导电型电树枝生长的主要因素。导电型电树枝生长缓慢的主要原因有两个，一是各电树枝尖端电场的互相屏蔽作用；二为介质中空间电荷的屏蔽作用。L. Dissado1，J.Champion2、J.Densley等人对环氧树脂和XLPE 中丛林状电树枝和枝状电树枝的局部放电测量结果，在同等条件下，枝状电树枝的局部放电量远大于丛林状，也可间接证实上述深色丛林状电树为导电型而浅色枝状电树枝为非导电型的推测。高频下电树枝引发时间缩短的原因是在电树枝引发机理的诸因素中，电荷由针尖向材料注入和抽出、孔穴放电等均随频率升高而加剧。本章小结随着国民经济的发展以及城网供电电压等级的提高，交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE）以

56、其合理的工艺和结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，在国内外获得越来越广泛的使用。尤其在高压输电领域更取得了巨大的进展。与充油电缆相比，交联电缆敷设安装方便，运行维护简单，不存在油的淌流问题。但是，近年来研究表明，交联聚乙烯电缆的绝缘在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重影响交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用寿命。因此，充分认识交联电缆的绝缘特性，及时有效地发现和预防绝缘中存在的缺陷，对保障设备乃至系统的安全运行具有重要意义。以下阐述了影响交联电缆绝缘的主要因素以及电缆的交接试验原理，认为在现场对交联电缆实施交流耐压试验是必要和可行的。XLPE的水树枝化放电分析 水树枝现象出现“水树枝

57、”的必要条件是电缆内部有水，来源多从外部侵入，也有制造时绝缘内部就夹杂了微量水分，如采用蒸汽硫化，绝缘内含水量达0.3%。从国外资料说明，电缆芯和外护套层内侵入水份后，加上交流电压(V0)时，存在于线芯内部和护套内的水分将在电场应力作用下，在绝缘表层夹有杂质的污点、气孔或与内屏蔽之间有毛茸状物质等电场集中处，产生电化学的“水树枝”。“水树枝”的产生，有的在24年内便可达到0.5毫米左右，当发展到1.5毫米时，绝缘强度将显著下降。21 “水树枝”的形状见图4-1、4-2。图4-1 从绝缘外径施以不同电压时的“水树枝”形状图4-2 从绝缘外表面出现的“水树枝”(100倍)交联聚乙烯电缆的线芯结构、

58、内外屏蔽层有两种型式。如多股线芯，一种是用某种填料填满间隙，以防水侵入，另一种没有充填物，水很易侵入。内外屏蔽一种采用半导体布(纸)带绕包;另一种用半导体乙丙橡胶之类材料挤出法制造。前者由于表面毛绒状纤维多，使电场不均，易出现“水树枝”或“电树枝”现象，而后者情况则要好得多。事实上，内屏蔽即使是挤出型，表面的毛绒状物质、金属(铝的氧化物)微粒也仍然存在。在与交联聚乙烯绝缘交界处，从100630倍显微镜下，可以清楚地看见挤塑交联聚乙烯电缆内屏蔽表面的毛绒状物质、金属微粒被交联绝缘所包含的情况(图4-3)。用作内屏蔽的半导体乙丙橡胶本身，在800倍显微镜下也可看到不少似海绵状的空腔，它提供了水分从

59、线芯渗透到交联绝缘交界处的通道。从现场进水达半年多的电缆上取回的样品，在400倍显微镜下观察到内屏蔽与绝缘交界处存在白色发亮的水分，切片送进50烘箱中烘烤片刻后，再进行检查，水分即消失。图4-3 内屏蔽与交联绝缘交界处毛绒物(100倍)a-内屏蔽为半导体布带;b-内屏蔽为半导体纸带，c-内屏蔽为半导体挤出图4-4 6.6千伏交联聚乙烯电缆浸泡在水中后开始出现“水树枝”交联聚乙烯绝缘本身在400630倍显微镜下(用偏振光)，可清楚看到金属夹渣，特别在存在空腔和微小气孔，其直径仅为几微米，微孔中有制造过程中带进去的水汽。上述情况构成了产生“水树枝”的条件。交联绝缘本身微孔存在较普遍，每立方毫米中可

60、按下列公式求出: (4-1)式中 n视野内的微孔数;d视野直径，;t焦点深度，。从实验确定，绝缘中出现的微孔数。当出现直径大于1的微孔时，树枝状放电就会随之增长。绝缘中的微孔，是在硫化过程中形成的，微孔中的水分是在用气体或蒸汽介质硫化时混进去的，气体硫化比蒸汽硫化带进去的水分要少。水分往往在绝缘外层较多，在干燥空气中放置半年以上或经过干燥，水分可大量蒸发。经过干燥后的绝缘，再较长时间浸入水中，未发现有水分吸入表层内的现象。把出现有“水树枝”的交联聚乙烯绝缘切片，放在400倍显微镜下，可发现“水树枝”的尖端是由一串串微孔腔组成，每个孔腔里充满水分，在烘箱中烘烤后“水树枝”消失，重新浸入水中，“水