高电压交联聚乙烯绝缘的树枝化放电老化

交联聚乙烯绝缘电力电缆虽然具有优异的电气性能和敷设维护方便 等诸多优点,但经运行和研究表明,交联聚乙烯绝缘在运行中易产生树枝 化放电,造成绝缘老化破坏,严重地影响了交联聚乙烯绝缘电力电缆的使 用寿命。应据其生成机理,找出抑制树枝化放电老化的方法和措施。

树枝化放电据其形态和生成机理不同主要分为电树枝和水树枝。可 简介如下：

1.电树枝

主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂,形成细小的通道,其通道 内空,管壁上有放电产生的碳粒痕迹。分枝少而清晰,呈冬天的树枝状。 如图 25 - 7 所示。其产生机理主要有：

(1)由于机械应力的破坏使交联聚乙烯绝缘产生应变造成气隙和裂 纹,产生电树。这些机械应力,一方面是由于在电力电缆生产和敷设运行 中不可避免地弯曲,拉伸等外力产生应力,另一方面是由于电缆在运行中 电动力对绝缘产生的应力。其电动力

尤其在线路短路情况下将会产生更大的电磁力。其

数值为

F = 2 x 10 - 7l(N)

式中,i 1,i2 为短路电流；s 为两导体之间的距离；l 为

电缆长度。

图 25 - 7    电缆绝缘

从而使交联聚乙烯绝缘产生应力和应变。               中树枝示意图    (2)气隙放电造成电树的生长。近代全干式交 1— 电树枝  2—水树枝

联生产线仅管可以消除某些宏观气隙,但仍有 1 -

10以m 或少量的 20 - 30以m 的气隙形成微观多孔结构。多孔结构中的放电 形式主要以电晕放电为主。通道中的放电所产生的气体压力增加,导致 了树枝的扩展和形状的变化。

树枝通道内充气的程度,气化的能量由放电决定。放电后气体体积 增加。一个脉冲放电能可表示为

J =0u

式中,0 为一个脉冲放电的电荷；u 为外施电压。

因一个脉冲放电能量所产生的体积为

v = J/Jp

式中,Jp 为有机材料的气化能,单位为 J/cm3,聚乙烯的气化能为 3057J/ cm3。

最大放电量 0m 和树枝长度 L 之间的关系为

0m = aLβ

式中,a、β为有关的系数。

故得放电产生的气体体积和气隙长度的关系为

(3)场致发射效应造成电树的引发。在高电场作用下,电极发射的电 子由于隧道效应注入介质,电子在注入路程中获得足够的动能,使电子不 断地与介质碰撞引起介质破坏,导致树枝的引发。

电子的发射是受电场库仑力的作用。在电场作用下,若电子从电场 中获得的能量为 A,而电子通过晶格受质点的振动也会发生能量的转移, 这个过程称为"散射"。设电子在散射中损耗的能量为 B,据费罗利赫 (Frohlich)理论,若 A > B 成立,电子会有能量的积累而加速,不断对介质

进行轰击。一般带电粒子有 10eV 能量,而高分子键能低于 10eV。因而带 电粒子的轰击可能破坏高分子结构,造成裂解。

另一方面,轰击介质的高能电子不仅来自电极的冷发射效应,而且还 要包括介质内的电子离开价带跃迁到空带的场致介质发射效应。

这两种综合效应的电子,在交变电场作用下,获得足够的动能,与聚 合物分子不断碰撞引起介质的化学变化导致树枝的引发。

(4)缺陷论。缺陷主要是导体屏蔽上的节疤和绝缘

屏蔽中的尖刺及绝缘内的杂质和空穴。缺陷可造成电

场集中,使节疤等附近的场强提高。如一电缆如图 25 -

8 所示。设尖凸物的曲率半径为 R,绝缘厚度为 d,且 R

若以 35kV 塑力缆为例,相电压为 21kV,R1 = 5mm,R2 = 14mm,设 R = 4 x 10 - 1 mm,d = 9mm 则 k = 5 .74,最大场强增大近 6 倍。

电场集中会引起场致发射。高能电子轰击聚合物,导致高聚物裂解, 进而出现微裂缝,即树枝状开裂。

2.水树枝

主要是由于水分浸入交联聚乙烯绝缘,在电场作用下形成的树枝状 物,如图 2 - 21 所示。它的特点是引发树枝的空隙含有水分,且在较低的 场强下发生。水树枝的产生,将会使介质损耗增加,绝缘电阻和击穿电压 下降,电缆的寿命明显缩短。据此也可通过非破坏性试验来判断电缆老 化程度和电缆的使用寿命。

目前国内外研究水树枝生长机理的理论繁多,其中主要有：

(1)剩余应变使水树枝增长。当电缆在经受电压和水时,导体附近的

交联聚乙烯绝缘的应变就会增加,而在应变较大的区域便生成水树枝。

电缆的应变大致有三类,即在生产过程中引起的应变,在敷设过程中 由于拉伸和弯曲引起的应变以及在电缆运行中由于绝缘间隙中的水在电 场作用下引起的应变即剩余应变。

剩余应变形成水树枝主要有两种原因。一个是间隙内的水由于损耗 发热而产生热膨胀力。电缆中的损耗主要是线芯损耗,介质损耗,金属屏 蔽和铠装损耗。 由于损耗发热会使温度升高。据日本东京电力工业研究 所计算,间隙内的水每升高 l0℃,压力会升高 47 .3kg/cm2,从而造成微观 间隙的生长。

剩余应变导致水树枝的另一个原因是电致伸缩力。

如图 25 - 9,一个充水的间隙在电场的作用下会受到向间隙外的、沿 着电场方向 Maxwell 应力和 Helmholtz 应力,称为电致伸缩外向力。同时水 的表面张力会对抗外向力造成电致伸缩,此时间隙受到的净压力

p = l .44 x l0 - l0E x

式中,r 为水的半径；E 为电场强度。

这个应力沿电力线方向,且从间隙向外,产生的机械应力可达几十 kg/ cm2 。如该方向上存在无定形区和杂质便会使间隙扩大发展。

(2)电场下的化学势作用发展了水树。如图 25 - l0 为一绝缘模型。 将绝缘浸在水中,并对绝缘施加电场 E0 。少量的水分子扩散进绝缘,其化 学势为 以l 。绝缘内有一充分的微观空隙,其化学势为 以2,场强为 El 。

以= 以00 -s0 E02 ()

式中,s0 为真空介电系数；p为水的密度；s为水的介电系数。

水向着化学势较小的部分运动,直至平衡。以2 = 以l = 以00。微观空隙 中的水和扩散进绝缘材料中的水之间的平衡状态会对间隙产生压力 p l。

p l =s0 k0 pEl2 - Ps

式中,k0 为常数,k0 = 7 .9 x l0 - 2 m3/ kg；p为水的密度；Ps 为界面能对微观 空隙中的水施加的压力。

假定微观空隙是圆球形,则

Ps = 2-s0 E02

式中,a为水和绝缘之间的界面张力,单位为 N/m2；R 为微观空隙的半径。

若 p l > 0 则微观空隙的水便会产生一个促使绝

缘材料流动变形的力,于是便会增加微观空隙的体

积即水树枝的生长。

(3)电泳与扩散力理论。介质电泳可以认为是

不带电荷,但是已极化的粒子或分子在畸变电场中

的运动。若绝缘中存在一个含水杂质粒子,如图 25

- ll 若令 U 为施加的电压,rl  为导体的半径,r2  为

绝缘半径,a为杂质粒子半径,r 为杂质中心至线芯

表面的距离,s0  为真空介电系数,sl  为绝缘介电系

图 25 - ll

数,s2 为粒子的介电系数。 r0  为单位半径矢量。则

据 Pohl 计算粒子将受到电场力

这个力和所施加的电压平方成正比,故和电压的极性无关。力的方向和 半径矢量相反,在 F 的作用下,含水杂质会向导电线芯附近的高场区集 聚。该区的温度亦高,则水会反复受热膨胀,造成很大的应力,使间隙扩 大,即引起水树枝扩大和发展。

3.  目前减少和抑制树枝化放电的方法

各类树枝引发和生长的机理及条件不尽相同,因而抑制的方法也很 多,仅简单归纳如下：

(l)改进电缆结构,消除电缆绝缘结构中电场局部集中的缺陷,如采

用内外半导电屏蔽和防电子发射屏蔽等。

(2)严格加工工艺生产条件,采用三层同时挤出的全干式交联工艺, 精选净化原材料,防止杂质,水分污染,采用封闭式生产加工流水线。

(3)减少气隙数 目和气隙尺寸,防止局部放电,可加入液体浸渍剂或 固体粉末填料。

(4)采用共混聚合物代替单一介质；加入电压稳压剂,减少电子注入 的能量；溶以少量的强电解质如 Na2 s04  等降低间隙内的电场强度和增大 化学势等。

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