水分对交联聚乙烯中电树枝生长的影响

摘 要：本文对已经引发的电树枝断电、充水、重新加压，研究水分对电树枝生长的影响。研究表明，1）电树枝生长过程中，断电重加压不影响其生长特性；2）湿润电树枝的危害远远大于干燥电树枝；3）停止生长的电树枝，无论干燥还是潮湿，承受的电压达到一定程度均会在很短的时间内导致电缆绝缘击穿。

关键词：电力电缆；水树枝；电树枝；绝缘

0 引言

长期运行在潮湿环境下的交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆，电缆绝缘中除产生水树枝之外，也可能直接引发电树枝。电树枝一般在雷电过电压和操作过电压下引发[1]。电树枝引发以后失去高压，停止生长，在潮湿环境下停止生长的电树枝可能充满水分。运行电压下，充满水分的电树枝可能转变成水树枝，也可能以电树枝的形式继续发展。电树枝一旦产生，在不间断加压的情况下，绝缘在很短的时间内就会击穿。若电树枝在一定情况下能转变成水树枝，则能延长电缆绝缘的寿命。研究水分存在情况下电树枝引发生长特性具有重要的实用意义。自电树枝现象被发现以来，人们已经对聚合物中电树枝的引发、生长机理及其抑制方法进行了广泛深入的研究[2]。以往对电树枝的研究主要是在干燥环境下进行，水分对电树枝引发生长影响的研究相对较少。

本文对已经引发的电树枝断电、充水、重新加压，研究水分对电树枝生长的影响。同时在干燥情况下研究了二次加压对电树枝生长的影响。

2 实验

实验选用濮阳义达生产的YJ-35型XLPE作为实验材料。实验采用电树枝实验平台，将试样固定在硅油槽子的底座上，用实时显微数字摄像系统观测电树枝的引发和生长。

本研究中电树枝老化实验共分为两部分：（1）15kV恒定电压下，二次加压对电树枝生长特性的影响研究；（2）15kV恒定电压下，水分（盐水、自来水）对电树枝生长特性的影响研究。

3 实验结果与讨论

3.1二次加压对电树枝生长的影响

15kV连续加压和间断加压情况下，电树枝的生长特性图1所示。图示5条曲线分别代表5个试样，其中3个试样进行了断电二次加压电树枝生长特性研究。由图1可知，连续加压和二次加压电树枝的生长曲线基本吻合，说明二次加压对电树枝生长特性没有影响或影响很小。所以断电向电树枝注水后再加压，与连续加压情况下电树枝的生长特性具有对比性。

3.3水分对电树枝生长的影响

分别研究了15kV下，自来水和1mol/L NaCl溶液对电树枝生长特性的影响，实验结果如表1。重加压前的电树枝均为丛状电树枝。

由表1可知：（1）注水后电树枝的生长加速，绝大部分试样加压即引发新的枝状电树枝，不到1min即发生击穿；（2）注水重加压试样中，新电树枝的引发位置多元化，原树枝尖端、原树枝侧面以及地电极附近均有电树枝的引发现象；（3）15kV下，电解液浓度对电树枝充水重加压生长特性的影响不明显。

电树枝引发后注入水分，电场沿充满水的电树枝通道向前延伸，树枝尖端成为新的“针尖”，“电树枝尖端-地电极”距离成为新的“针-板”距离。“针尖”锐化、“针-板距离”缩短致使材料中局部电场强度大大增强，超过剩余绝缘的击穿强度，从而促使电树枝快速发展，在较短的时间内导致材料击穿。

电树枝引发过程中，非树枝通道的材料中也会形成多孔状劣化区。若持续加压，电树枝发展方向上的此类劣化区会成为电树枝通道，而电树枝侧面的劣化区则会停止发展。注入水分后，材料中局部电场强度大大提高，原本不会发展成电树枝的劣化区也可能发生局部放电，成为电树枝引发的起点。

在本文的实验电压下，电解液浓度对电树枝充水重加压生长特性的影响不明显。两种试样都是加压新电树枝即迅速发展，并在相当短的时间内发生击穿。出现这种实验结果的原因，应该是实验电压太高，以至于电解液浓度差异对电树枝生长特性的影响被掩盖。

本文是对水分存在情况下电树枝重加压继续发展的初步探讨。湿润电树枝在何种情况下能转化成水树枝、已经存在树枝劣化的绝缘还能承受多高的电压以及如何阻止已经停止生长的电树枝继续生长尚没有得到结论，需要后续进一步的研究和探讨

4 结论

1）电树枝生长过程中，断电重加压不影响其生长特性。

2）湿润电树枝的危害远远大于干燥电树枝。注水以后电树枝生长加速，并在极短的时间内导致材料击穿。

3）停止生长的电树枝，无论干燥还是潮湿，承受的电压达到一定程度均会在很短的时间内导致电缆绝缘击穿。因此，及时发现电缆绝缘中出现的电树枝劣化现象，并断电更换相应的电缆，可预防电力系统发生恶性击穿事故。

参考文献

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

[2]Xiaoquan Z， Chen G. Propagation mechanism of electrical tree in XLPE cable insulation by investigating a double electrical tree structure[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2008， 15（3）：800-807.

作者简介：王金锋（1984-），男（汉族），河南许昌人，工程师，从事电力电缆老化机理研究。