潮湿水环境引起低压交联电缆绝缘快速老化的原因分析

潮湿水环境引起低压交联电缆绝缘快速老化的原因分析

【摘要】交联聚乙烯绝缘电力电缆，由于无油，附属设备较少，在一定防护条件下无火灾危险。安装敷设以及运行维护简单，而成为城市电风改造和建设所需电力电缆的首选电缆。电缆投入运行后，绝缘会受到电、热、机械和水分等因素的作用而发生老化，影响电缆的运行可靠性和使用寿命。研究表明，树枝老化是电缆绝缘老化的重要原因。树枝老化主要包括水树枝老化和电树枝老化。其中，水树枝老化是导致交联聚乙烯电缆绝缘寿命缩短的重要因素。在电缆的安装使用中，敷设在潮湿有水环境的低压0.6/1kV交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆，裸露的XLPE绝缘层在电缆的长期工作中会加速老化，最终交联聚乙烯绝缘层出现了老化、降解和碎裂现象。

【关键词】交联电缆老化；降解；碎裂

1.绝缘老化现象

聚乙烯经过温水交联后，其分子结构转变为网状立体结构，使热塑性的聚乙烯变为热固性的交联聚乙烯，大幅度提高了材料的耐热性能和机械性能，并保持了优良的电气性能。但任何事物都有它的不完美性，从而提出了它的注意事项。在电缆敷设现场，发生电缆绝缘层开裂的是YJV0.6/1kV低压交联聚乙烯绝缘电力电缆，其所采用的绝缘料是交联聚乙烯。此电力电缆在使用l～2年后，发生短路。电缆不能正常使用，电缆抽出经检查分析后认为：电缆由于安装敷设时，外护套局部刮伤，电缆绝缘长时间在水，潮湿条件下工作，最终造成绝缘快速老化开裂。

2.绝缘老化主要原因分析

近十几年的运行和研究表明，聚乙烯、交联聚乙烯和一些其他聚合物的绝缘破坏，主要先经过老化中树枝老化过程，“树枝”（Treeing）是形象名词，它是绝缘在老化中，受电场影响。产生介质较弱部位的枝状放电或枝状结集。按“树枝”形成的原因及其所起的绝缘破坏作用。可分为“电树枝”及水树枝两种，水树枝不会直接导致绝缘击穿，但它会孕育电树枝，水树枝在发展过程中即使长度不再增加，内部结构也在变化。酝酿着导发电树枝，以至击穿绝缘。

2.1水树枝的作用

XLPE绝缘电缆含水是近年来国际国内比较重视的一个项目。我们已经知道绝缘中含水会引发绝缘体中形成水树枝，造成绝缘破坏，水树枝是直径小于几个微米的许多微观充水空隙所组成的放电通路。电场和水的共同作用形成水树。视电缆中含水量不匀，水树的长度和数量有所不同。最长的水树可达600～800μm，每立方毫米最多可有二三十个。XLPE绝缘含有水分时（不一定要饱和），并在不高的电场强度（如在工作场）作用下，就会在它的关键位产生如上述的水树枝。水树枝由微隙（Micro-cavitis）或微（Micro-voids）所组成，此等微隙、微孔看

来未必互相通连。微孔、微隙的大小几乎是相等的，约为1～2μm，但在水树枝不同的地位，单位体积内的孔、隙数是有变化的。微孔的密度与电场强度有密切关系。电场愈大，密度愈大。不管产生这种微孔、隙的机理如何，水树枝的产生总是与局部的电场强度大小和绝缘含水饱和度有关。第一微孔（隙）出现，即水树枝的起始，总是在绝缘与水分接触的分界上的电场最大的地方，水树枝一经发生，在一定条件下会逐步发展。根据热动力学的观点，可以证明当水在XLPE绝缘中的饱和比超过一定范围时，水树枝在生成后会继续发展和增长。

人们对水树枝的产生和发展和机理提出不少理论，但淌无一致的说法。主要理论可分为化学作用说和机械作用说两大类。化学论的观点认为水树枝的生成是由于注射进了电子，从而引起了化学变化或化学反应，导致了绝缘物的局部化学损伤。机械作用论的观点认为水树枝是由于绝缘局部受到了机械应力（Mechanical Overstressing）作用所致，也有理论认为二者之间有一定联系，机械可以加强化学作用，而化学老化也会降低聚合物的机械强度。

2.2热、氧老化作用

电缆绝缘外护套刮伤造成绝缘裸露部分和空气中的氧接触，加之电缆长时间通电工作，导体会发热引起绝缘材料温度上升，加速交联聚乙烯的碎裂老化进程。在与氧气隔绝的条件下受热，包括聚乙烯或交联聚乙烯在内的聚烯烃类材料特性是稳定的。而在氧气环境下，即使温度较低，聚稀烃类材料也能发生氧化反应。和光氧化反应一样，交联聚乙烯的氧化反应的历程非常复杂，包括聚合物的氧化、断裂降解等过程。其终极产物包括羰基化合物、过氧化物、烷氧基化合物等。对于绝缘材料，氧、热二者的作用是相辅相成的，是一种协同作用的方式。在低温的条件下，化学反应非常缓慢；但有热的情况下，能加速氧在材料中的扩散。因此，氧、热二者的共同作用下，高分子材料的断裂老化会大大加速。

2.3热应力作用

在电缆的制造过程中，如果生产速度较快，绝缘表面较快冷却，高温下的分子链就没有足够时间松弛，急剧冷却后绝缘收缩不均匀会产生较大的内应力。而聚乙烯是对应力非常敏感的材料，在应力的作用下，它容易产生应力开裂现象。交联聚乙烯是将线型结构的聚乙烯经蒸汽交联处理后生成网状立体型结构；交联后分子间键合力增大，不利于分子链的滑脱，相应的应力作用不易造成内部缺陷。但热应力的作用始终存在，只能在生产中从模具、生产速度和冷却上有意识地采用防范措施来减少。

3.结束语

不管水树枝能否直接导致绝缘击穿，它总会降低绝缘强度，起着快速（饱和水）漫长绝缘老化作用。当水气渗入电缆绝缘以后，电场强度在关键区域内，会在很大程度上使电缆老化，水树的出现和扩大总是在电场强度最大的地方。通过以上的剖析，认为水、氧、热和机械应力造成电缆的加速老化，那么在今后的电缆敷设中，加强电缆的护层保护，防止水分渗入电缆绝缘，加强电缆制造中的热

应力控制.所以减少和防止水分渗入电缆应当是延长电缆寿命和增加电缆可靠性的有效办法。[科]

【参考文献】

[1]刘平原，贺景亮，邰淑彩.交联聚乙烯绝缘老化的试验与建模研究[J].绝缘材料，2012（01）.