電纜“樹(shù)枝化放電”老化過(guò)程是怎樣的？

發(fā)布時(shí)間：2019-10-19 15:52:59   

有機(jī)材料的樹(shù)枝化是由于材料內(nèi)部細(xì)微開(kāi)裂造成的，開(kāi)裂的細(xì)小通道如同冬天無(wú)樹(shù)葉的樹(shù)枝狀——有枝干、分枝、枝芽。“樹(shù)枝”就是這種中空開(kāi)裂現(xiàn)象的統(tǒng)稱(chēng)。實(shí)際上，它的形狀已大大地超越了“樹(shù)枝”的概念

電纜的樹(shù)枝化放電現(xiàn)象也是固體介質(zhì)擊穿前漫長(zhǎng)的先導(dǎo)擊穿過(guò)程，在引發(fā)樹(shù)枝萌芽之前已有漫長(zhǎng)的誘導(dǎo)（誘發(fā)）期。樹(shù)枝引發(fā)后，或者很快發(fā)展到固體擊穿，或者經(jīng)漫長(zhǎng)的發(fā)展（老化）過(guò)程，最后導(dǎo)致固體介質(zhì)擊穿（電老化擊穿）。樹(shù)枝放電通常指樹(shù)枝的發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程，也有特指管道細(xì)微開(kāi)裂中的氣體的局部放電。

各種有機(jī)材料中，管道細(xì)微開(kāi)裂的引發(fā)，可以是原有亞微觀裂紋的存在；或氣隙、水分、化學(xué)雜質(zhì)的存在；或者無(wú)任何裂紋存在，只是極高的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致冷發(fā)射電子，引發(fā)裂縫，這是很復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。從高場(chǎng)強(qiáng)處、氣隙、含水的空洞、雜質(zhì)等處引發(fā)樹(shù)枝核心后，向三個(gè)方向的立體空間發(fā)展。一般是沿電力線方向，也有因材料的各向異性而出現(xiàn)垂直電力線方向的樹(shù)枝。這些樹(shù)枝延伸發(fā)展到場(chǎng)強(qiáng)所至的對(duì)極（整個(gè)絕緣厚度），最后發(fā)生整體擊穿。從引發(fā)樹(shù)枝萌芽，到發(fā)展至對(duì)極的時(shí)間可以是幾分鐘、幾十分鐘、幾年或十幾年。

樹(shù)枝生成的條件

    運(yùn)行中產(chǎn)生樹(shù)枝的電纜經(jīng)過(guò)實(shí)際解剖和實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的樹(shù)枝圖像都證明了樹(shù)枝產(chǎn)生的條件是：
    1）局部極不均勻的高場(chǎng)強(qiáng)。在金屬突出物，半導(dǎo)電層的尖刺、缺陷和節(jié)疤，以及有尖刺邊角的雜質(zhì)（雜質(zhì)的介電常數(shù)較大或電阻率極小）附近，很容易形成局部的電場(chǎng)集中。
    2）有微小的空隙或亞微觀裂紋。
    3）有內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、不完善界面應(yīng)力。
    4）水分的存在是水樹(shù)枝生成的引發(fā)劑。
    以上條件，只要具備其一，電纜中就會(huì)不同程度地產(chǎn)生樹(shù)枝。

樹(shù)枝放電的形成

    樹(shù)枝放電的引發(fā)和發(fā)展過(guò)程可分為以下四個(gè)階段：
   （1）引發(fā)期：又稱(chēng)潛伏期或誘導(dǎo)期，它的長(zhǎng)短表征樹(shù)枝發(fā)生的難易程度。這是抑制樹(shù)枝的主要階段。

   （2）成長(zhǎng)期：又稱(chēng)發(fā)展期，它表明樹(shù)枝引發(fā)后的成長(zhǎng)速度。耐樹(shù)枝發(fā)展特性好的材料，樹(shù)枝發(fā)展慢，即成長(zhǎng)期長(zhǎng)。

   （3）飽和期：當(dāng)樹(shù)枝發(fā)展到一定長(zhǎng)度后，樹(shù)枝停止發(fā)展，這段時(shí)間稱(chēng)為飽和期。飽和期的存在是由于樹(shù)枝管道中有局部放電及高能電子轟擊高聚物分子鏈，致使材料分解產(chǎn)生大量的氣體。隨著這種效應(yīng)的增強(qiáng)，細(xì)管中內(nèi)部壓力加大，按巴申定律，管道中放電電壓將要提高。因而，在外界電壓不變的情況下，樹(shù)枝發(fā)展就可能停止。設(shè)法延長(zhǎng)飽和期，是抑制樹(shù)枝的另一重要方法。

   （4）間隙擊穿前期：經(jīng)過(guò)飽和期以后，氣隙或樹(shù)枝管道中因放電分解出的氣體逐漸通過(guò)材料本身滲透、擴(kuò)散而逸出，使管道中氣體壓力下降，按巴申定律，這時(shí)氣隙的擊穿電壓下降，因而樹(shù)枝又迅速發(fā)展。

樹(shù)枝放電的分類(lèi)與特點(diǎn)

    在實(shí)際中存在的多種樹(shù)枝放電形式可分為三大類(lèi)：即電樹(shù)枝、水樹(shù)枝和化學(xué)樹(shù)枝。

   （1）電樹(shù)枝。處于高場(chǎng)強(qiáng)的不連續(xù)材料界面（氣隙、雜質(zhì)、電纜內(nèi)外半導(dǎo)電層界面）特別容易引發(fā)電樹(shù)枝，電樹(shù)枝往往在高場(chǎng)強(qiáng)集中的微裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p或開(kāi)裂處形成樹(shù)枝萌芽，樹(shù)枝管道連續(xù)、內(nèi)空，有的材料樹(shù)枝管道壁上附有炭粒。通常在長(zhǎng)而細(xì)的電樹(shù)枝管道中伴隨著局部放電

   （2）水樹(shù)枝。引發(fā)樹(shù)枝的空隙中含有水分。水中運(yùn)行的電纜、線芯進(jìn)水的電纜、絕緣中含有水分的電纜容易引發(fā)水樹(shù)枝。水樹(shù)枝是在電場(chǎng)和水分同時(shí)存在的條件下產(chǎn)生的。但是，水樹(shù)枝在比電樹(shù)枝低得多的場(chǎng)強(qiáng)情況下就能引發(fā)。水樹(shù)枝中沒(méi)有局部放電現(xiàn)象。          

水樹(shù)枝的種類(lèi)也很多，對(duì)電纜的危害也很大。但是，水樹(shù)枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)。有的水樹(shù)枝受熱、干燥、抽真空等會(huì)消失形態(tài)，浸入熱水中又會(huì)重現(xiàn)，水樹(shù)枝消失時(shí)表明管道發(fā)生閉合，材料細(xì)微龜裂后又回彈，但未使結(jié)構(gòu)分解。在實(shí)際電纜中，干法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜中很少發(fā)現(xiàn)水樹(shù)枝，而濕法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜中卻常常見(jiàn)到水樹(shù)枝。

 XLPE絕緣電力電纜本體在制造過(guò)程中不可避免地存在微觀制造質(zhì)量缺陷，如微孔、雜質(zhì)，以及電力電纜在運(yùn)輸、敷設(shè)、安裝和運(yùn)行過(guò)程中諸如主絕緣和外護(hù)套機(jī)械應(yīng)力損傷、終端和中間接頭安裝質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境條件和員工技術(shù)素質(zhì)控制等不利因素影響，隨著水分緩慢地侵入（吸附、擴(kuò)散和遷移），電纜XLPE介質(zhì)在電場(chǎng)、水分和雜質(zhì)等絕緣缺陷的協(xié)同作用下，逐步產(chǎn)生樹(shù)枝狀早期劣化。當(dāng)樹(shù)枝狀劣化貫穿介質(zhì)或轉(zhuǎn)變成為電樹(shù)枝，最終將導(dǎo)致電力電纜線路的電纜本體或電纜附件發(fā)生試驗(yàn)擊穿或運(yùn)行擊穿故障。

據(jù)取樣分析，50例電纜試樣中，質(zhì)量良好的電纜試樣8例，約占試樣總數(shù)的16%；質(zhì)量合格的電纜試樣16例，約占試樣總數(shù)的32%；質(zhì)量不合格的電纜試樣26例，約占試樣總數(shù)的52%。在質(zhì)量不合格的電纜試樣中，偏心度不合格的電纜試樣15例，約占質(zhì)量不合格的電纜試樣總數(shù)的57.69%；雜質(zhì)含量不合格的電纜試樣總數(shù)的19.23%，偏心度和雜質(zhì)含量均不合格的電纜試樣6例，約占質(zhì)量不合格的電纜試樣總數(shù)的23.08%。

小編現(xiàn)總結(jié)如下幾種電纜的電纜形成樹(shù)枝的特性：

電樹(shù)枝的特性

電樹(shù)枝的特性可歸納以下幾點(diǎn)：
（1）電樹(shù)枝的產(chǎn)生必須有局部的高場(chǎng)強(qiáng)。
（2）電樹(shù)枝的引發(fā)與材料的本征耐電強(qiáng)度有關(guān)。
（3）交變電場(chǎng)的機(jī)械應(yīng)力引發(fā)電樹(shù)枝。
（4）氣隙的存在是電樹(shù)枝生成的前提。
（5）雜志的存在可誘發(fā)雜質(zhì)電樹(shù)枝。
（6）電樹(shù)枝中伴有局部放電。
（7）電樹(shù)枝引發(fā)后，發(fā)展較快。
（8）電樹(shù)枝放電使介質(zhì)損耗增加，絕緣電阻和擊穿電壓下降。
（9）電樹(shù)枝的發(fā)展與電壓形式和溫度有關(guān)。

水樹(shù)枝的特性

水樹(shù)枝的特性可歸納為如下幾條：
（1）必須同時(shí)存在電場(chǎng)和水分，才能引發(fā)和形成水樹(shù)枝。
（2）具有直徑為數(shù)微米的樹(shù)枝狀充水微觀空隙組成。
（3）水樹(shù)枝能在低于電樹(shù)枝的場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生。
（4）水樹(shù)枝受雜質(zhì)影響很大。吸濕性雜質(zhì)和絕緣中缺陷、空隙等是水樹(shù)枝引發(fā)的起點(diǎn)。
（5）水樹(shù)枝的成長(zhǎng)因頻率增加而加快，直流下很難產(chǎn)生或者無(wú)水樹(shù)枝產(chǎn)生。
（6）水樹(shù)枝中無(wú)局部放電現(xiàn)象。
（7）水樹(shù)枝的產(chǎn)生或成長(zhǎng)受溫度影響較小。
（8）水樹(shù)枝的擴(kuò)展需要比電樹(shù)枝更長(zhǎng)的時(shí)間。
（9）產(chǎn)生水樹(shù)枝的電纜，其介質(zhì)損耗增加、絕緣和擊穿電壓下降。

電化學(xué)樹(shù)枝的特性

電化學(xué)樹(shù)枝的特性有以下幾點(diǎn)：
（1）電化學(xué)樹(shù)枝的演變很慢，一般要幾年之久。
（2）樹(shù)枝沿電場(chǎng)方向發(fā)展，形狀各異，當(dāng)樹(shù)枝發(fā)生在絕緣和屏蔽接觸有缺陷的部位時(shí)，形如藻類(lèi)、草地或羽毛狀；當(dāng)發(fā)生在絕緣內(nèi)部有缺陷的部位時(shí)，形如蝴蝶結(jié)或羽毛狀。
（3）各類(lèi)雜質(zhì)和缺陷的存在是電化學(xué)樹(shù)枝的發(fā)源地。
（4）電化學(xué)樹(shù)枝的成長(zhǎng)與潮氣對(duì)電纜的腐蝕相一致。
（5）有電化學(xué)樹(shù)枝的電纜并未發(fā)現(xiàn)局部放電的增加。
（6）電化學(xué)樹(shù)枝具有顏色，一般多為棕褐色。
（7）可以在比電樹(shù)枝低得多的場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)生。
（8）必要的條件是孔隙中要有硫等化學(xué)成分的溶液存在。
（9）電化學(xué)樹(shù)枝一般需要形成并發(fā)電樹(shù)枝通道而擊穿絕緣。

   電場(chǎng)和水分是引發(fā)和促使水樹(shù)枝狀早期老化的最為關(guān)鍵的兩個(gè)重要因素，缺一不可。只要同時(shí)具備這兩個(gè)因素，XLPE介質(zhì)在一定的時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)樹(shù)枝狀早期老化現(xiàn)象。如果介質(zhì)中同時(shí)還有雜質(zhì)等缺陷存在，介質(zhì)樹(shù)枝狀早期老化速度顯著加快。

    因此，有效地切斷水分進(jìn)入XLPE介質(zhì)通道，有效防止水分通過(guò)擴(kuò)散和遷移進(jìn)入XLPE介質(zhì)，是有效預(yù)防電力電纜介質(zhì)發(fā)生樹(shù)枝狀早期老化、延長(zhǎng)電力電纜安全運(yùn)行壽命、確保電力電纜供電可靠性的關(guān)鍵之關(guān)鍵。

    我們必須控制電纜敷設(shè)、施工質(zhì)量以及電纜附件安裝質(zhì)量，盡可能杜絕水分進(jìn)入電纜本體介質(zhì)和附件絕緣中。

眾所周知，電力電纜結(jié)構(gòu)中，理想介質(zhì)電場(chǎng)是圓柱狀均勻電場(chǎng)。但是，由于電力電纜制造工藝控制偏差，往往使得電纜導(dǎo)體不能夠精確地處于圓心位置。隨著制造技術(shù)不斷提高，電纜介質(zhì)不均勻性（偏心度）完全可以控制在5%以?xún)?nèi)，此時(shí)，導(dǎo)體偏離圓心位置相對(duì)較小，對(duì)電場(chǎng)均勻性影響基本可以忽略。反之，如果電纜介質(zhì)不均勻性（偏心度）大于8%，電纜介質(zhì)中的電場(chǎng)分布畸變就不可忽視，此時(shí)，一旦介質(zhì)中存在雜質(zhì)或其他缺陷（如機(jī)械損傷等），電力電纜絕緣性能將急劇下降：當(dāng)存在水分和雜質(zhì)時(shí)，將引發(fā)大量的水樹(shù)枝，造成介質(zhì)樹(shù)枝早期劣化；當(dāng)介質(zhì)局部缺陷在畸變電場(chǎng)作用下引發(fā)局部放電，介質(zhì)中將不可避免地形成電樹(shù)枝老化而發(fā)生電擊穿。

    雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)35kV及以下電壓等級(jí)的XLPE絕緣電力電纜不均勻性（偏心度）要求不是很高，然而，理論和試驗(yàn)再次給我們警示：電力電纜不均勻性在短期內(nèi)不會(huì)引起電力電纜介質(zhì)絕緣性能破壞，但是，一旦XLPE介質(zhì)中存在雜質(zhì)等缺陷或外界水分?jǐn)U散遷移進(jìn)入介質(zhì)，電力電纜安全運(yùn)行壽命將受到極大地威脅。

 一般來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)的電阻率相對(duì)純凈的XLPE介質(zhì)比較低，在外施電場(chǎng)的作用下，電力線從高電位出發(fā)，匯集到雜質(zhì)表面，雜質(zhì)表面電場(chǎng)因電力線密集而加強(qiáng)，使得原本是圓柱狀均勻電場(chǎng)在雜質(zhì)周?chē)l(fā)生嚴(yán)重畸變。

    當(dāng)外界水分因化學(xué)位差異擴(kuò)散到介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，水分就會(huì)在電場(chǎng)的作用下向電場(chǎng)集中處作定向遷移，匯集在雜質(zhì)周?chē)纬晌⒂^局部水隙，呈現(xiàn)出水暈環(huán)，由于水分的介電系數(shù)（81）遠(yuǎn)大于XLPE介質(zhì)的介電系數(shù)（2.4——2.6），按照交變電場(chǎng)按電容分配原則，水分首先在高電場(chǎng)下獲取能量發(fā)生汽化，汽化形成的氣壓大于XLPE介質(zhì)分子鏈鍵合力時(shí)，分子鏈發(fā)生斷裂形成微觀裂紋以釋放壓力。此時(shí)，XLPE介質(zhì)宏觀表現(xiàn)位水樹(shù)枝引發(fā)。
 
    該過(guò)程不斷地循環(huán)進(jìn)行，最終導(dǎo)致水樹(shù)枝不斷發(fā)展延伸，直至貫穿絕緣層或轉(zhuǎn)變成為電樹(shù)枝而發(fā)生XLPE介質(zhì)擊穿。

    根據(jù)以上水樹(shù)枝引發(fā)過(guò)程分析，雜質(zhì)作為單一因素，不論施加電場(chǎng)時(shí)間長(zhǎng)短或電場(chǎng)強(qiáng)度高低，是不能夠引發(fā)水樹(shù)枝的。在干燥的條件下，即便施加很高的交變電場(chǎng)，只能夠在雜質(zhì)處激發(fā)場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)。而場(chǎng)致效應(yīng)產(chǎn)生的高能帶電粒子不斷轟擊XLPE介質(zhì)分子鏈段進(jìn)行能量交換，宏觀表現(xiàn)為介質(zhì)局部放電。當(dāng)轟擊能量大于分子鏈段鍵能，分子鏈段發(fā)生斷裂引發(fā)電樹(shù)枝，電樹(shù)枝尖端放電加劇電樹(shù)枝快速發(fā)展并貫穿介質(zhì)，最終造成XLPE介質(zhì)電擊穿。

    綜上所述，XLPE介質(zhì)中存在一定尺寸或數(shù)量的雜質(zhì)，將顯著地縮短XLPE絕緣電力電纜安全運(yùn)行壽命。當(dāng)外界水分?jǐn)U散和遷移到雜質(zhì)表面，將在短期內(nèi)引發(fā)水樹(shù)枝狀早期劣化，明顯降低介質(zhì)絕緣性能；在較高的電場(chǎng)作用下，即使是干燥的雜質(zhì)，由于激發(fā)場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)，同樣導(dǎo)致XLPE雜質(zhì)絕緣特性急劇下降，最終發(fā)生介質(zhì)電擊穿。所以，控制雜質(zhì)含量是降低電力電纜運(yùn)行故障重要的第一關(guān)。

 塑料絕緣電力電纜運(yùn)行的可靠性，除絕緣材料本身特性不良外，其決定因素就是電纜絕緣結(jié)構(gòu)的完善程度。在電纜絕緣層中惡化的電場(chǎng)將導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射，引發(fā)電樹(shù)枝、水樹(shù)枝，最終使電纜絕緣層擊穿。塑料電力電纜的運(yùn)行壽命與其絕緣中樹(shù)枝老化的現(xiàn)象密切相關(guān)，這是在20世界60年代和70年代被發(fā)現(xiàn)的。由于發(fā)現(xiàn)了塑料電纜擊穿前的這種“預(yù)擊穿”現(xiàn)象，引起世界各國(guó)電纜制造界的極大興趣。

青島華強(qiáng)電纜是一家專(zhuān)注生產(chǎn)電線電纜的廠家，公司生產(chǎn)的華宇牌電線電纜各項(xiàng)性能均達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，主導(dǎo)產(chǎn)品有：鋁合金電纜、交聯(lián)電力電纜、聚氯乙烯絕緣電力電纜、控制電纜、計(jì)算機(jī)電纜、礦物絕緣電纜、電氣裝備用電線電纜等多種型號(hào)電纜，還可以根據(jù)用戶(hù)需求加工定做需要的特種電纜