关于交联电缆的电树枝、水树枝问题.docx

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关于交联电缆的电树枝、水树枝问题

1、交联电缆主绝缘缺陷：

电树枝、水树枝

2、电树枝的形成及其特点：

电树枝形成原因：

场强高。

 当电缆的内外半导体层与绝缘层之间存在凹凸不平、气隙，绝缘内有杂质时，局部电场集中引起游离，在绝缘层的薄弱环节逐步形成电树枝，最终导致绝缘击穿。

对于电树枝的引发，以屏蔽突出处为最甚，杂质、气隙次之。

电树枝特点：

在显微镜下观察没有水分，树枝管连续、内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹，分枝少而

清晰。

3、水树枝形成原因：

（1）、由于机械损伤，地埋部分的鼠蚁啃咬造成电缆的外护套破损。

（2）、电缆头、中间头等部位密封不良进水受潮。

在绝缘层中生成电化树枝和水树枝。

特别是电缆沟内及土壤中杂质形成的酸碱性溶液的侵入。

透过护套达

到铜屏蔽层时，或透过绝缘达到芯线处时，与铜屏蔽层芯线发生化学反应，生成亚硫酸铜等化合物，在电场的作用下，于绝缘中逐渐形成树枝状物（也称电化树枝）并逐渐发展后转化为电通道，导致绝缘击穿。

4、电树枝特点：

（1）、水树枝的空隙含有水分，树枝管大体不连续，内凝聚有水分，主干树枝较粗，分枝多而密集。

和电树枝相

比，水树枝在比电树枝低的多的场强下即可发生。

（2）、水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，这时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。

（3）、水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。

水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。

水树枝劣化是交联电缆故障的主要原因，约占事故的70%，多发生与自然劣化。

交联电缆极易发生水树

枝，潮湿环境中的电缆一般3～5年开始生成水树枝，6～8年后饱和，水树枝饱和的电缆其绝缘水平急剧下降，最终导致绝缘击穿、电缆报废。

5、影响水树枝生长的因素：

（1）、水树枝一般是从内半导体层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。

若绝缘体存在气隙或杂质，则会在电场方向上产生并加剧蝶形领结状水树枝。

受半导体层性能和形状、含水率、电压等级、电缆温度以及浸水条件等因素的影响。

（2）、在直流耐压试验中，试验电压为负极性，而水分为正极性。

在试验时，容易使水分由内衬层向绝缘内部渗透，在一定程度上加快了水树枝的发展。

另外直流耐压试验，有电子注入到交联电缆聚合物内部，在半导体层凸出处或微小空隙等处产生空间电荷积累，电缆投运进交流电场后易发生绝缘击穿。

6、交联电缆水树枝劣化特征：

根据现场运行经验，水树枝劣化特征如下：

（1）、仅发生在6kv高压以上的交联聚乙烯电缆中

（2）、从投运到击穿的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。

（3）、贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。

（4）、环境温度高时，劣化进程加快。

（5）、电缆构造与故障有很大关系，对于用棉带做基布的半导体层的电缆应特别注意。

7、抗水树性能鉴定试验

（1）DL/T1070-2007《中压交联电缆抗水树性能鉴定试验方法和要求》

（2）鉴定试验：

用以验证所期望性能特性的高质量电缆用原材料性能的试验。

（3）水树：

在绝缘中存在水分、电应力和某些诱发因素如杂质、突起、空间电荷或离子时发展成的一些微通道。

（4）管状水树：

从绝缘屏蔽层或导体屏蔽层发展起来的水树。

领结状水树：

由绝缘层中的杂质或其它缺陷处开始以直径方向向绝缘屏蔽和导体屏蔽发展的水树。

（5）抗水树交联聚乙烯绝缘：

含有能延缓绝缘中水树发展和生长的添加剂、聚合物改性剂或填料的交联聚

乙烯绝缘。

交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理

交联绝缘老化的原因有两个方面：

1、游离放电老化

这是在绝缘层与屏蔽层的空隙产生游离放电，而使绝缘受到侵蚀所造成的绝缘老化现象，不过在正常相电压下，游离放电一般不会发生，而仅在电缆内部有缺陷时才会成为问题。

2、树老化

树老化有两种：

电树和水树

电树是在局部高电场（绝缘与内半导电层的界面等）作用下，某些缺陷在绝缘层中呈现树状伸展，最终导致绝缘击穿。

电树枝是由绝缘体系内部种种缺陷所产生的局部放电所导致，它一般在较高场强下才能产生和发展。

电树枝的放电多数从材料的非连续介面，内外半导体屏蔽层介面等）上开始的，也有从水树枝上导发的，电树枝一般分枝清晰，枝管连续，内无水分，管壁有焦化炭粒痕迹，这种树枝是不可恢复的，发展到一定程度，会在绝缘中打出一导电通道，造成击穿。

无隙绝缘中也可能引发枝状放电，这主要是由空间负荷所导致。

在绝缘中注入电子部分被吸收成为空间负荷，空间负荷逐渐积集，在无隙绝缘中产生电树枝就是突然释放这部分积集空间负荷的结果。

无论是电荷释放或局部放电所形成的电树枝，都会逐步按电场方向导致绝缘局部击穿。

从而打出一条树枝形通道，通道愈延伸，电极间绝缘距离愈缩短，短至应有击穿场强时，绝缘就被迅速击穿，电树枝的发展是比较缓慢的过程。

水树枝，近年来水树枝认为是导致高压XLPE电缆绝缘老化的重要原因。

在PE、XLPE及EPR电缆

的绝缘中都可能或多或少地找到水树枝，电缆绝缘中可以找到两种水树枝形成。

即管状水树枝和蝶状水树枝。

管状水树枝一般是从内半导体、屏蔽层与绝缘层的界面上导发出来的，当采用产导体层与绝缘层同时挤出工艺以后，半导体界面上产生电场集中的情况大为减小，正常生产的XLPE绝缘中，管状水树枝已不多见。

在绝缘中常见的蝶状水树枝，它从一个杂质点或其它电场集中点向两边发展形成一蝴蝶形状。

视电缆中含水量不同，蝶形水树的长度和数量有所不同，最长的蝶形水树可达 600～800μm。

每立方毫米最多可有二、三十个，XLPE等绝缘含有水分时（不一定要饱和时）并在不高的电场强度（如工作场强）作用下，就会在它的关键部位产生如上所述的水树枝，水树枝由微隙或微孔所组成，此等微隙、微孔看来未必互相连通，微孔、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的密切的关系，电场愈大，密度愈大，不管产生这种子选手微孔、隙的机理如何，水树枝的产生总是与局部的电场强大小和绝缘含水饱和度有关。

第一微孔（隙）的出现，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绝缘中饱和比超过一定范围，水树枝在生成后会继续发展和增长，促成水树枝产生的饱和比至少要超过0.4。

人们对水树枝的产生和发展的机理提出不少理论，但尚无一致说法，主要理论可分为化学作用说和机械作用说两大类，化学论的观点以为水树枝的生成是由于注射进了电子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体局部受到了机械超应力的作用所致，也有理由认为二者之间有一定联系，机械力可以加强化学作用，而化学老化也会降低聚合物的机械强度。

水树枝不会直接导致绝缘击穿，它要有一个孕育电树枝的中间过程，但电树枝并不一定会孕育出来，即使水树枝发展到穿透绝缘，绝缘体也能在工作电压下保持好多天不被击穿，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。

不管水树枝能否直接导致绝缘击穿，它总会降低绝缘强度，起着漫长绝缘老化作用。

C．Katg对水树枝老化提出了有“松驰”的现象，如果把运行中的XLPE电缆的交流电压中断，电缆的绝缘强度会有相对的恢复。

松驰现象的存在可以作如下解释：

a、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。

b、松驰现象的出现可能与消除作用于绝缘上的机械力有关，机械的消除则来自作用于水分微孔上的电场的消除及作用于微孔上的电离子的突然重新分布。

通过以上对水树枝的现象的剖析，认为水树枝老化既然主要来自于水分渗入电缆绝缘，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可靠性的有效方法。

XLPE电缆绝缘在蒸气交联（SCP）时，蒸气在高温高压下能渗入绝缘层内部，当电缆芯冷却时，蒸气凝聚，在绝缘内部造成很多含水微孔。

微孔中水分会逐步渗入聚合物绝缘体内，从而在一定电场下产生水树枝老化。

对此，改进的方法是采用热辐照干式交联（RCP）或其它干式交联方法，采用干式交联后。

绝缘微孔的数量仅有蒸气交联（SCP）时的百分之一，所产生微孔的大小亦由用 SCP时的10～20μm降至用RCP时的1～2μm，因此，两种交联方法所产生的电缆击穿场强相差很大。

在长期的运行中，水分总是会逐渐渗入XLPE电缆绝缘中去的特别是直埋电缆或水中敷设的电缆。

为此，故对高压电缆往往采用封闭型金属护套。

110kV电缆可压挤铝护套（厚2.0mm左右）。

较低电压电缆须要全封闭护套时，可采用铝夹PE的综合护套，铝护套或综合护套同时起着对绝缘的全部或部分金属屏蔽的作用，有时以铅带代替铝带。

对10kV及以下电压的低压电缆，一般不考虑水树枝老化问题，但也有用综合护套的，主要作为金属屏蔽之用。