高電壓交聯聚乙烯絕緣的樹枝化放電老化

交聯聚乙烯絕緣電力電纜雖然具有優異的電氣性能和敷設維護方便 等諸多優點，但經運行和研究表明，交聯聚乙烯絕緣在運行中易產生樹枝 化放電，造成絕緣老化破壞，嚴重地影響了交聯聚乙烯絕緣電力電纜的使 用壽命。應據其生成機理，找出抑制樹枝化放電老化的方法和措施。

樹枝化放電據其形態和生成機理不同主要分為電樹枝和水樹枝。可 簡介如下：

1. 電樹枝

主要是由于絕緣內部放電產生的細微開裂，形成細小的通道，其通道 內空，管壁上有放電產生的碳粒痕跡。分枝少而清晰，呈冬天的樹枝狀。 如圖 25 - 7 所示。其產生機理主要有：

(1)由于機械應力的破壞使交聯聚乙烯絕緣產生應變造成氣隙和裂 紋，產生電樹。這些機械應力，一方面是由于在電力電纜生產和敷設運行 中不可避免地彎曲，拉伸等外力產生應力，另一方面是由于電纜在運行中 電動力對絕緣產生的應力。其電動力

尤其在線路短路情況下將會產生更大的電磁力。其

數值為

F = 2 x 10 - 7 l(N)

式中，i 1，i2 為短路電流；s 為兩導體之間的距離；l 為

電纜長度。

圖 25 - 7    電纜絕緣

從而使交聯聚乙烯絕緣產生應力和應變。               中樹枝示意圖    (2)氣隙放電造成電樹的生長。近代全干式交 1— 電樹枝  2—水樹枝

聯生產線僅管可以消除某些宏觀氣隙，但仍有 1 -

10以m 或少量的 20 - 30以m 的氣隙形成微觀多孔結構。多孔結構中的放電 形式主要以電暈放電為主。通道中的放電所產生的氣體壓力增加，導致 了樹枝的擴展和形狀的變化。

樹枝通道內充氣的程度，氣化的能量由放電決定。放電后氣體體積 增加。一個脈沖放電能可表示為

J =  0u

式中，0 為一個脈沖放電的電荷；u 為外施電壓。

因一個脈沖放電能量所產生的體積為

v = J/Jp

式中，Jp 為有機材料的氣化能，單位為 J/cm3，聚乙烯的氣化能為 3057J/ cm3。

最大放電量 0m 和樹枝長度 L 之間的關系為

0m = aLβ

式中，a、β為有關的系數。

故得放電產生的氣體體積和氣隙長度的關系為

(3)場致發射效應造成電樹的引發。在高電場作用下，電極發射的電 子由于隧道效應注入介質，電子在注入路程中獲得足夠的動能，使電子不 斷地與介質碰撞引起介質破壞，導致樹枝的引發。

電子的發射是受電場庫侖力的作用。在電場作用下，若電子從電場 中獲得的能量為 A，而電子通過晶格受質點的振動也會發生能量的轉移， 這個過程稱為“散射”。設電子在散射中損耗的能量為 B，據費羅利赫 (Frohlich)理論，若 A > B 成立，電子會有能量的積累而加速，不斷對介質

進行轟擊。一般帶電粒子有 10eV 能量，而高分子鍵能低于 10eV。因而帶 電粒子的轟擊可能破壞高分子結構，造成裂解。

另一方面，轟擊介質的高能電子不僅來自電極的冷發射效應，而且還 要包括介質內的電子離開價帶躍遷到空帶的場致介質發射效應。

這兩種綜合效應的電子，在交變電場作用下，獲得足夠的動能，與聚 合物分子不斷碰撞引起介質的化學變化導致樹枝的引發。

(4)缺陷論。缺陷主要是導體屏蔽上的節疤和絕緣

屏蔽中的尖刺及絕緣內的雜質和空穴。缺陷可造成電

場集中，使節疤等附近的場強提高。如一電纜如圖 25 -

8 所示。設尖凸物的曲率半徑為 R，絕緣厚度為 d，且 R <d 。R1，R2  為絕緣內外半徑，據 Mason 公式可計算出 尖凸物尖端的最大場強。

若以 35kV 塑力纜為例，相電壓為 21kV，R1 = 5mm，R2 = 14mm，設 R = 4 x 10 - 1 mm，d = 9mm 則 k = 5 . 74，最大場強增大近 6 倍。

電場集中會引起場致發射。高能電子轟擊聚合物，導致高聚物裂解， 進而出現微裂縫，即樹枝狀開裂。

2. 水樹枝

主要是由于水分浸入交聯聚乙烯絕緣，在電場作用下形成的樹枝狀 物，如圖 2 - 21 所示。它的特點是引發樹枝的空隙含有水分，且在較低的 場強下發生。水樹枝的產生，將會使介質損耗增加，絕緣電阻和擊穿電壓 下降，電纜的壽命明顯縮短。據此也可通過非破壞性試驗來判斷電纜老 化程度和電纜的使用壽命。

目前國內外研究水樹枝生長機理的理論繁多，其中主要有：

(1)剩余應變使水樹枝增長。當電纜在經受電壓和水時，導體附近的

交聯聚乙烯絕緣的應變就會增加，而在應變較大的區域便生成水樹枝。

電纜的應變大致有三類，即在生產過程中引起的應變，在敷設過程中 由于拉伸和彎曲引起的應變以及在電纜運行中由于絕緣間隙中的水在電 場作用下引起的應變即剩余應變。

剩余應變形成水樹枝主要有兩種原因。一個是間隙內的水由于損耗 發熱而產生熱膨脹力。電纜中的損耗主要是線芯損耗，介質損耗，金屬屏 蔽和鎧裝損耗。 由于損耗發熱會使溫度升高。據日本東京電力工業研究 所計算，間隙內的水每升高 l0℃，壓力會升高 47 . 3kg/cm2，從而造成微觀 間隙的生長。

剩余應變導致水樹枝的另一個原因是電致伸縮力。

如圖 25 - 9，一個充水的間隙在電場的作用下會受到向間隙外的、沿 著電場方向 Maxwell 應力和 Helmholtz 應力，稱為電致伸縮外向力。同時水 的表面張力會對抗外向力造成電致伸縮，此時間隙受到的凈壓力

p = l .44 x l0 - l0E x

式中，r 為水的半徑；E 為電場強度。

這個應力沿電力線方向，且從間隙向外，產生的機械應力可達幾十 kg/ cm2 。如該方向上存在無定形區和雜質便會使間隙擴大發展。

(2)電場下的化學勢作用發展了水樹。如圖 25 - l0 為一絕緣模型。 將絕緣浸在水中，并對絕緣施加電場 E0 。少量的水分子擴散進絕緣，其化 學勢為 以l 。絕緣內有一充分的微觀空隙，其化學勢為 以2，場強為 El 。

以= 以00 - s0 E02 ( )

式中，s0 為真空介電系數；p為水的密度；s為水的介電系數。

水向著化學勢較小的部分運動，直至平衡。以2 = 以l = 以00。微觀空隙 中的水和擴散進絕緣材料中的水之間的平衡狀態會對間隙產生壓力 p l。

p l = s0 k0 pEl2 - Ps

式中，k0 為常數，k0 = 7 . 9 x l0 - 2 m3/ kg；p為水的密度；Ps 為界面能對微觀 空隙中的水施加的壓力。

假定微觀空隙是圓球形，則

Ps = 2  - s0 E02

式中，a為水和絕緣之間的界面張力，單位為 N/m2；R 為微觀空隙的半徑。

若 p l > 0 則微觀空隙的水便會產生一個促使絕

緣材料流動變形的力，于是便會增加微觀空隙的體

積即水樹枝的生長。

(3)電泳與擴散力理論。介質電泳可以認為是

不帶電荷，但是已極化的粒子或分子在畸變電場中

的運動。若絕緣中存在一個含水雜質粒子，如圖 25

- ll 若令 U 為施加的電壓，rl  為導體的半徑，r2  為

絕緣半徑，a為雜質粒子半徑，r 為雜質中心至線芯

表面的距離，s0  為真空介電系數，sl  為絕緣介電系

圖 25 - ll

數，s2 為粒子的介電系數。 r0  為單位半徑矢量。則

據 Pohl 計算粒子將受到電場力

這個力和所施加的電壓平方成正比，故和電壓的極性無關。力的方向和 半徑矢量相反，在 F 的作用下，含水雜質會向導電線芯附近的高場區集 聚。該區的溫度亦高，則水會反復受熱膨脹，造成很大的應力，使間隙擴 大，即引起水樹枝擴大和發展。

3.  目前減少和抑制樹枝化放電的方法

各類樹枝引發和生長的機理及條件不盡相同，因而抑制的方法也很 多，僅簡單歸納如下：

(l)改進電纜結構，消除電纜絕緣結構中電場局部集中的缺陷，如采

用內外半導電屏蔽和防電子發射屏蔽等。

(2)嚴格加工工藝生產條件，采用三層同時擠出的全干式交聯工藝， 精選凈化原材料，防止雜質，水分污染，采用封閉式生產加工流水線。

(3)減少氣隙數 目和氣隙尺寸，防止局部放電，可加入液體浸漬劑或 固體粉末填料。

(4)采用共混聚合物代替單一介質；加入電壓穩壓劑，減少電子注入 的能量；溶以少量的強電解質如 Na2 s04  等降低間隙內的電場強度和增大 化學勢等。