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电缆“树枝化放电”老化过程是怎样的?
发布:管理员  时间:2019-11-28
树枝老化简介

有机材料的树枝化是由于材料内部细微开裂造成的,开裂的细小通道如同冬天无树叶的树枝状——有枝干、分枝、枝芽。“树枝”就是这种中空开裂现象的统称。实际上,它的形状已大大地超越了“树枝”的概念。

电缆的树枝化放电现象也是固体介质击穿前漫长的先导击穿过程,在引发树枝萌芽之前已有漫长的诱导(诱发)期。树枝引发后,或者很快发展到固体击穿,或者经漫长的发展(老化)过程,最后导致固体介质击穿(电老化击穿)。树枝放电通常指树枝的发生、发展的全过程,也有特指管道细微开裂中的气体的局部放电。
各种有机材料中,管道细微开裂的引发,可以是原有亚微观裂纹的存在;或气隙、水分、化学杂质的存在;或者无任何裂纹存在,只是极高的场强导致冷发射电子,引发裂缝,这是很复杂的物理化学过程。从高场强处、气隙、含水的空洞、杂质等处引发树枝核心后,向三个方向的立体空间发展。一般是沿电力线方向,也有因材料的各向异性而出现垂直电力线方向的树枝。这些树枝延伸发展到场强所至的对极(整个绝缘厚度),最后发生整体击穿。从引发树枝萌芽,到发展至对极的时间可以是几分钟、几十分钟、几年或十几年。

树枝生成的条件
运行中产生树枝的电缆经过实际解剖和实验室中培养的树枝图像都证明了树枝产生的条件是:
    1)局部极不均匀的高场强。在金属突出物,半导电层的尖刺、缺陷和节疤,以及有尖刺边角的杂质(杂质的介电常数较大或电阻率极小)附近,很容易形成局部的电场集中。
    2)有微小的空隙或亚微观裂纹。
    3)有内部机械应力、热应力、不完善界面应力。
    4)水分的存在是水树枝生成的引发剂。
    以上条件,只要具备其一,电缆中就会不同程度地产生树枝。

树枝放电的形成

    树枝放电的引发和发展过程可分为以下四个阶段:
   (1)引发期:又称潜伏期或诱导期,它的长短表征树枝发生的难易程度。这是抑制树枝的主要阶段。

   (2)成长期:又称发展期,它表明树枝引发后的成长速度。耐树枝发展特性好的材料,树枝发展慢,即成长期长。

   (3)饱和期:当树枝发展到一定长度后,树枝停止发展,这段时间称为饱和期。饱和期的存在是由于树枝管道中有局部放电及高能电子轰击高聚物分子链,致使材料分解产生大量的气体。随着这种效应的增强,细管中内部压力加大,按巴申定律,管道中放电电压将要提高。因而,在外界电压不变的情况下,树枝发展就可能停止。设法延长饱和期,是抑制树枝的另一重要方法。

   (4)间隙击穿前期:经过饱和期以后,气隙或树枝管道中因放电分解出的气体逐渐通过材料本身渗透、扩散而逸出,使管道中气体压力下降,按巴申定律,这时气隙的击穿电压下降,因而树枝又迅速发展。

树枝放电的分类与特点
    在实际中存在的多种树枝放电形式可分为三大类:即电树枝、水树枝和化学树枝。

   (1)电树枝。处于高场强的不连续材料界面(气隙、杂质、电缆内外半导电层界面)特别容易引发电树枝,电树枝往往在高场强集中的微裂纹转变为裂缝或开裂处形成树枝萌芽,树枝管道连续、内空,有的材料树枝管道壁上附有炭粒。通常在长而细的电树枝管道中伴随着局部放电

   (2)水树枝。引发树枝的空隙中含有水分。水中运行的电缆、线芯进水的电缆、绝缘中含有水分的电缆容易引发水树枝。水树枝是在电场和水分同时存在的条件下产生的。但是,水树枝在比电树枝低得多的场强情况下就能引发。水树枝中没有局部放电现象。           

水树枝的种类也很多,对电缆的危害也很大。但是,水树枝具有消失和重现的特点。有的水树枝受热、干燥、抽真空等会消失形态,浸入热水中又会重现,水树枝消失时表明管道发生闭合,材料细微龟裂后又回弹,但未使结构分解。在实际电缆中,干法制造的交联聚乙烯电缆中很少发现水树枝,而湿法制造的交联聚乙烯电缆中却常常见到水树枝。

 XLPE绝缘电力电缆本体在制造过程中不可避免地存在微观制造质量缺陷,如微孔、杂质,以及电力电缆在运输、敷设、安装和运行过程中诸如主绝缘和外护套机械应力损伤、终端和中间接头安装质量、现场施工环境条件和员工技术素质控制等不利因素影响,随着水分缓慢地侵入(吸附、扩散和迁移),电缆XLPE介质在电场、水分和杂质等绝缘缺陷的协同作用下,逐步产生树枝状早期劣化。当树枝状劣化贯穿介质或转变成为电树枝,最终将导致电力电缆线路的电缆本体或电缆附件发生试验击穿或运行击穿故障。

据取样分析,50例电缆试样中,质量良好的电缆试样8例,约占试样总数的16%;质量合格的电缆试样16例,约占试样总数的32%;质量不合格的电缆试样26例,约占试样总数的52%。在质量不合格的电缆试样中,偏心度不合格的电缆试样15例,约占质量不合格的电缆试样总数的57.69%;杂质含量不合格的电缆试样总数的19.23%,偏心度和杂质含量均不合格的电缆试样6例,约占质量不合格的电缆试样总数的23.08%。

小编现总结如下几种电缆的电缆形成树枝的特性:

1.交联聚乙烯绝缘电缆形成树枝的特性
电树枝的特性
电树枝的特性可归纳以下几点:
(1)电树枝的产生必须有局部的高场强。
(2)电树枝的引发与材料的本征耐电强度有关。
(3)交变电场的机械应力引发电树枝。
(4)气隙的存在是电树枝生成的前提。
(5)杂志的存在可诱发杂质电树枝。
(6)电树枝中伴有局部放电。
(7)电树枝引发后,发展较快。
(8)电树枝放电使介质损耗增加,绝缘电阻和击穿电压下降。
(9)电树枝的发展与电压形式和温度有关。

水树枝的特性

水树枝的特性可归纳为如下几条:
(1)必须同时存在电场和水分,才能引发和形成水树枝。
(2)具有直径为数微米的树枝状充水微观空隙组成。
(3)水树枝能在低于电树枝的场强下产生。
(4)水树枝受杂质影响很大。吸湿性杂质和绝缘中缺陷、空隙等是水树枝引发的起点。
(5)水树枝的成长因频率增加而加快,直流下很难产生或者无水树枝产生。
(6)水树枝中无局部放电现象。
(7)水树枝的产生或成长受温度影响较小。
(8)水树枝的扩展需要比电树枝更长的时间。
(9)产生水树枝的电缆,其介质损耗增加、绝缘和击穿电压下降。

电化学树枝的特性
电化学树枝的特性有以下几点:
(1)电化学树枝的演变很慢,一般要几年之久。
(2)树枝沿电场方向发展,形状各异,当树枝发生在绝缘和屏蔽接触有缺陷的部位时,形如藻类、草地或羽毛状;当发生在绝缘内部有缺陷的部位时,形如蝴蝶结或羽毛状。
(3)各类杂质和缺陷的存在是电化学树枝的发源地。
(4)电化学树枝的成长与潮气对电缆的腐蚀相一致。
(5)有电化学树枝的电缆并未发现局部放电的增加。
(6)电化学树枝具有颜色,一般多为棕褐色。
(7)可以在比电树枝低得多的场强下发生。
(8)必要的条件是孔隙中要有硫等化学成分的溶液存在。
(9)电化学树枝一般需要形成并发电树枝通道而击穿绝缘。

2.绝缘材料内部水分对介质水树枝状老化的影响
   电场和水分是引发和促使水树枝状早期老化的最为关键的两个重要因素,缺一不可。只要同时具备这两个因素,XLPE介质在一定的时间内就会出现树枝状早期老化现象。如果介质中同时还有杂质等缺陷存在,介质树枝状早期老化速度显著加快。
    因此,有效地切断水分进入XLPE介质通道,有效防止水分通过扩散和迁移进入XLPE介质,是有效预防电力电缆介质发生树枝状早期老化、延长电力电缆安全运行寿命、确保电力电缆供电可靠性的关键之关键。
    我们必须控制电缆敷设、施工质量以及电缆附件安装质量,尽可能杜绝水分进入电缆本体介质和附件绝缘中。

3.交联聚乙烯材料不均匀性对介质水树枝老化的影响
众所周知,电力电缆结构中,理想介质电场是圆柱状均匀电场。但是,由于电力电缆制造工艺控制偏差,往往使得电缆导体不能够精确地处于圆心位置。随着制造技术不断提高,电缆介质不均匀性(偏心度)完全可以控制在5%以内,此时,导体偏离圆心位置相对较小,对电场均匀性影响基本可以忽略。反之,如果电缆介质不均匀性(偏心度)大于8%,电缆介质中的电场分布畸变就不可忽视,此时,一旦介质中存在杂质或其他缺陷(如机械损伤等),电力电缆绝缘性能将急剧下降:当存在水分和杂质时,将引发大量的水树枝,造成介质树枝早期劣化;当介质局部缺陷在畸变电场作用下引发局部放电,介质中将不可避免地形成电树枝老化而发生电击穿。
虽然国家标准和IEC标准对35kV及以下电压等级的XLPE绝缘电力电缆不均匀性(偏心度)要求不是很高,然而,理论和试验再次给我们警示:电力电缆不均匀性在短期内不会引起电力电缆介质绝缘性能破坏,但是,一旦XLPE介质中存在杂质等缺陷或外界水分扩散迁移进入介质,电力电缆安全运行寿命将受到极大地威胁。

4.XLPE介质中的杂质对介质水树枝状老化影响
一般来说,杂质的电阻率相对纯净的XLPE介质比较低,在外施电场的作用下,电力线从高电位出发,汇集到杂质表面,杂质表面电场因电力线密集而加强,使得原本是圆柱状均匀电场在杂质周围发生严重畸变。
当外界水分因化学位差异扩散到介质内部时,水分就会在电场的作用下向电场集中处作定向迁移,汇集在杂质周围形成微观局部水隙,呈现出水晕环,由于水分的介电系数(81)远大于XLPE介质的介电系数(2.4——2.6),按照交变电场按电容分配原则,水分首先在高电场下获取能量发生汽化,汽化形成的气压大于XLPE介质分子链键合力时,分子链发生断裂形成微观裂纹以释放压力。此时,XLPE介质宏观表现位水树枝引发。
 
该过程不断地循环进行,最终导致水树枝不断发展延伸,直至贯穿绝缘层或转变成为电树枝而发生XLPE介质击穿。
根据以上水树枝引发过程分析,杂质作为单一因素,不论施加电场时间长短或电场强度高低,是不能够引发水树枝的。在干燥的条件下,即便施加很高的交变电场,只能够在杂质处激发场致发射效应。而场致效应产生的高能带电粒子不断轰击XLPE介质分子链段进行能量交换,宏观表现为介质局部放电。当轰击能量大于分子链段键能,分子链段发生断裂引发电树枝,电树枝尖端放电加剧电树枝快速发展并贯穿介质,最终造成XLPE介质电击穿。
综上所述,XLPE介质中存在一定尺寸或数量的杂质,将显著地缩短XLPE绝缘电力电缆安全运行寿命。当外界水分扩散和迁移到杂质表面,将在短期内引发水树枝状早期劣化,明显降低介质绝缘性能;在较高的电场作用下,即使是干燥的杂质,由于激发场致发射效应,同样导致XLPE杂质绝缘特性急剧下降,最终发生介质电击穿。所以,控制杂质含量是降低电力电缆运行故障重要的第一关。

5.塑料电缆的树枝放电的形成
塑料绝缘电力电缆运行的可靠性,除绝缘材料本身特性不良外,其决定因素就是电缆绝缘结构的完善程度。在电缆绝缘层中恶化的电场将导致场致发射,引发电树枝、水树枝,最终使电缆绝缘层击穿。塑料电力电缆的运行寿命与其绝缘中树枝老化的现象密切相关,这是在20世界60年代和70年代被发现的。由于发现了塑料电缆击穿前的这种“预击穿”现象,引起世界各国电缆制造界的极大兴趣。

(本文转载自电缆网,由电力设备状态监测整理。我们注重分享,版权归原作者。如有异议请告知,我们会及时删除。)



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