魏力強(qiáng)，賈伯巖，王 偉，吳 峰，張 鵬

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

XLPE電纜絕緣的老化是引起電網(wǎng)運(yùn)行事故的主要原因之一，而水樹老化是電纜絕緣老化的重要原因之一[1]。目前關(guān)于交聯(lián)聚乙烯(XLPE)中水樹的研究普遍采用加速水樹老化試驗(yàn)的方法培育水樹，以研究水樹對(duì)XLPE絕緣性能的影響[2-4]。研究表明，當(dāng)XLPE中有水分時(shí)，在較低場(chǎng)強(qiáng)下即可誘發(fā)水樹[5-6]，并且隨著加速水樹老化時(shí)間的增加，XLPE的交流擊穿電壓及其威布爾分布變化明顯[7]，XLPE的介電性能也會(huì)發(fā)生變化[8]。電壓頻率的提高對(duì)水樹的生長(zhǎng)具有加速作用[8-11]，相同時(shí)間下，在6～10 kHz電壓作用下水樹的生長(zhǎng)長(zhǎng)度是50 Hz電壓作用下水樹生長(zhǎng)長(zhǎng)度的5～20倍。此外，交聯(lián)度[12]、電壓極性[13]、溫度[14]等因素均會(huì)對(duì)電纜中水樹的生長(zhǎng)特性以及形貌特征產(chǎn)生影響。水樹在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為電樹[15]，當(dāng)電樹發(fā)展到一定程度時(shí)甚至?xí)?dǎo)致電纜擊穿。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜中的水樹并進(jìn)行處理具有重要的工程價(jià)值。

耐壓試驗(yàn)是考核電纜絕緣性能的基礎(chǔ)試驗(yàn)，由于電纜容量大，0.1 Hz超低頻耐壓試驗(yàn)被廣泛采用[16-18]。超低頻耐壓試驗(yàn)儀的測(cè)試方式有正弦波和余弦方波兩種，其中余弦方波的設(shè)備功率需求低，極性轉(zhuǎn)換波形接近50 Hz工頻電壓，是一種新型的試驗(yàn)電壓波形。當(dāng)前水樹缺陷的研究以模擬和觀測(cè)形態(tài)為主，利用0.1 Hz超低頻耐壓試驗(yàn)?zāi)芊癜l(fā)現(xiàn)水樹缺陷以及何種程度的水樹缺陷可以被發(fā)現(xiàn)還有待研究，此外，對(duì)于0.1 Hz余弦方波電壓作用下水樹缺陷的擊穿特性尚未見報(bào)道。

本研究采用水刀電極法[19]，利用高頻高壓電源對(duì)XLPE樣本進(jìn)行加速水樹老化試驗(yàn)，制備水樹長(zhǎng)度占比為30%、60%、90%的XLPE試樣。測(cè)量試樣在0.1 Hz余弦方波電壓下的擊穿特性，并對(duì)擊穿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析。

1 試驗(yàn)

1.1 XLPE試樣的制備

試驗(yàn)選用北歐化工生產(chǎn)的中壓交聯(lián)聚乙烯料，通過交聯(lián)壓制得到厚度為1 mm的壓片作為試樣。試樣尺寸為50 mm×50 mm×1 mm，取中心直徑為20 mm的區(qū)域作為加速水樹老化區(qū)域。

為了提高水樹缺陷培養(yǎng)的成功率，試驗(yàn)中采用水刀電極法，在試樣表面將刀片垂直壓入試樣內(nèi)部，如圖1所示，在試樣表面形成三個(gè)刀口，刀口長(zhǎng)度為3 mm，保留絕緣厚度0.5 mm，將刀口作為試驗(yàn)中XLPE的缺陷。

圖1 水刀電極法制備水樹缺陷XLPE試樣Fig.1 XLPE sample with water tree defects prepared by water knife electrode method

1.2 水樹枝的培養(yǎng)

參考IEC/TS 61956-1999推薦的杯狀試驗(yàn)槽并對(duì)杯狀試驗(yàn)槽進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 杯狀試驗(yàn)槽示意圖Fig.2 Schematic of cup-shaped experimental tank

為防止由于水的表面張力使得氯化鈉溶液無(wú)法進(jìn)入刀口缺陷中，先向杯狀試驗(yàn)槽中加入適量濃度為1 mol/L的NaCl溶液，在23～25℃下將試驗(yàn)槽放入真空干燥機(jī)中多次抽真空，再向試驗(yàn)槽內(nèi)注滿NaCl溶液。為了提高效率，將10個(gè)試驗(yàn)槽并聯(lián)，施加頻率為10 kHz、有效值為1.5 kV的高頻電壓，通過控制加壓時(shí)間獲得不同水樹長(zhǎng)度的缺陷試樣。

1.3 水樹缺陷樣本的觀測(cè)

將試樣沿垂直刀口方向切取厚度約為200 mm的薄片，浸泡在90℃的亞甲基藍(lán)中染色4 h，待充分染色后，用無(wú)塵布擦拭，然后放在顯微鏡下觀察水樹枝的生長(zhǎng)情況，采用顯微鏡配套的軟件PHMIPro Standard對(duì)水樹沿刀口方向的生長(zhǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。

1.4 余弦方波擊穿試驗(yàn)

水樹試樣的擊穿試驗(yàn)直接在試驗(yàn)槽上進(jìn)行，通過試驗(yàn)槽的高壓電極施加余弦方波電壓，水樹試樣處于NaCl溶液中，最大程度模擬工程上電纜的運(yùn)行和試驗(yàn)環(huán)境。

試驗(yàn)采用階梯升壓法，從1.0 kV開始，升壓速率為1 kV/5 min。當(dāng)前超低頻耐壓施加電壓為3U0，對(duì)于10 kV電纜，等效峰值電壓約為37 kV，耐壓時(shí)間為1 h，而典型10 kV電纜的XLPE絕緣厚度約為5 mm，故等效峰值場(chǎng)強(qiáng)約為7.5 kV/mm。本研究中試樣厚度為1 mm，等效峰值場(chǎng)強(qiáng)為7.5 kV/mm時(shí)，施加電壓為7.5 kV。因此，試驗(yàn)中最高施加電壓控制為7.5 kV，當(dāng)施加電壓達(dá)到7.5 kV時(shí)不再升壓，如保持1 h后未發(fā)生擊穿，則停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水樹的外觀

制備的缺陷試樣中水樹的典型外觀如圖3所示。從圖3可以看出，水樹以刀口為根部向四周生長(zhǎng)，水樹形態(tài)一般通過分形維數(shù)表征，因此對(duì)水樹的分形維數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

圖3 典型水樹缺陷的外觀Fig.3 Appearance of water tree in defective cable

首先將圖片轉(zhuǎn)化為二值化圖像，然后采用計(jì)盒維數(shù)法[20]對(duì)每一水刀電極誘發(fā)的水樹進(jìn)行分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)，其計(jì)算方法如式（1）所示。

式（1）中：F為歐幾里德空間（Rn）非空的有界子集；Nδ(F)是直徑最大為δ可以覆蓋F的集的最小個(gè)數(shù)。

水樹分形維數(shù)的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，水刀電極培養(yǎng)1～10 d時(shí)，水樹的分形維數(shù)基本維持在1.85左右。文獻(xiàn)[20]研究顯示水樹的分形維數(shù)基本上都是保持在1.85左右，這表明本研究培養(yǎng)的水樹是典型的水樹缺陷，可以等效實(shí)際電纜中的水樹缺陷。

圖4 不同老化時(shí)間下水樹的分形維數(shù)Fig.4 Fractal dimension of water trees under different ageing time

2.2 水樹長(zhǎng)度占比

一般認(rèn)為，水樹長(zhǎng)度是影響水樹缺陷擊穿特性的主要因素，因此選擇水樹長(zhǎng)度來判斷水樹老化程度和水樹缺陷擊穿強(qiáng)度的關(guān)系。本研究定義水樹長(zhǎng)度占比（D1/D×100%）進(jìn)行研究，其中D為刀口至切片另一側(cè)的距離，約為0.5 mm，D1為水樹垂直方向最長(zhǎng)點(diǎn)距離刀口的距離，如圖5所示。

圖5 水樹長(zhǎng)度占比的定義Fig.5 Definition of water tree length proportion

由于水樹生長(zhǎng)的長(zhǎng)度具有一定的分散性，無(wú)法精確控制，只能通過控制加壓時(shí)間獲得對(duì)應(yīng)大致水樹長(zhǎng)度占比的試樣。通過反復(fù)試驗(yàn)摸索，確定了水樹長(zhǎng)度占比和對(duì)應(yīng)加壓時(shí)間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。當(dāng)加壓時(shí)間為24、40、120 h時(shí)，XLPE中水樹長(zhǎng)度占比分別為30%、60%、90%。各水樹長(zhǎng)度占比缺陷XLPE試樣的典型外觀如表1所示。每種水樹長(zhǎng)度占比缺陷試樣的數(shù)量為10個(gè)。

表1 不同加壓時(shí)間下XLPE中水樹長(zhǎng)度占比及圖片Tab.1 Proportion of water tree length in XLPE and pictures under different voltage applying time

2.3 擊穿電壓與擊穿時(shí)間

對(duì)不同水樹長(zhǎng)度占比缺陷的XLPE試樣在0.1 Hz余弦方波電壓下進(jìn)行擊穿特性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)于水樹長(zhǎng)度占比為30%和60%的水樹缺陷XLPE試樣在7.5 kV、1 h的耐壓過程中均未發(fā)生擊穿。為此，對(duì)部分缺陷試樣將電壓的施加時(shí)間延長(zhǎng)至10 h，發(fā)現(xiàn)試樣仍未發(fā)生擊穿。同時(shí)對(duì)余弦方波電壓耐壓后水樹缺陷XLPE試樣進(jìn)行切片觀測(cè)，并與同組未進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的XLPE試樣切片進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)水樹缺陷的形貌未發(fā)生顯著改變。這說明在3U0的等效電場(chǎng)下，0.1 Hz超低頻耐壓試驗(yàn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)水樹長(zhǎng)度占比為30%、60%的水樹缺陷，也不會(huì)導(dǎo)致這兩種程度水樹缺陷的惡化。

而對(duì)于水樹長(zhǎng)度占比為90%的水樹缺陷XLPE試樣，10個(gè)試樣均在施加7.5 kV電壓的15 min內(nèi)發(fā)生了擊穿，部分缺陷在2 kV電壓下即發(fā)生了擊穿。這說明在3U0的等效電場(chǎng)下，0.1 Hz超低頻耐壓試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)水樹長(zhǎng)度占比為90%的水樹缺陷。

2.4 擊穿時(shí)間點(diǎn)和擊穿后缺陷的形態(tài)

通過對(duì)擊穿電壓波形的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)擊穿發(fā)生在電壓的極性變化階段，也就是余弦方波的上升沿或下降沿位置。

典型的水樹缺陷擊穿通道外觀如圖6所示。從圖6可以看到，水樹缺陷擊穿后會(huì)形成明顯的擊穿通道，擊穿通道的碳化痕跡明顯，但并非樹枝狀的擊穿通道，而是形成了明顯的洞狀通道，貫穿電極。這說明擊穿過程具有明顯的熱過程，XLPE材料在高溫下劣化，產(chǎn)生了相當(dāng)多的氣體，最終貫穿兩極。

圖6 水樹缺陷擊穿通道的典型外觀Fig.6 Typical appearance of water tree defect breakdown channel

3 討論

3.1 擊穿現(xiàn)象的分析

通過試驗(yàn)可知，對(duì)于水樹長(zhǎng)度占比為30%和60%的水樹缺陷XLPE試樣，即使延長(zhǎng)加壓時(shí)間至10 h，仍然無(wú)法使其擊穿，同時(shí)微觀形貌的觀測(cè)結(jié)果也表明水樹缺陷形貌沒有明顯變化。根據(jù)固體電介質(zhì)的放電理論，固體的擊穿包括電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿3種情況。在本研究0.1 Hz超低頻耐壓試驗(yàn)中，從水樹長(zhǎng)度占比為90%的水樹缺陷擊穿結(jié)果及形貌可知，擊穿過程具有比較典型的熱擊穿特征，不涉及電擊穿和電化學(xué)擊穿。而且耐壓試驗(yàn)后水樹長(zhǎng)度占比為30%和60%的水樹缺陷的微觀形貌未發(fā)生明顯改變，沒有電化學(xué)擊穿的跡象，這進(jìn)一步說明本研究中水樹缺陷的擊穿也未涉及電化學(xué)擊穿。因此下面以熱擊穿理論為基礎(chǔ)對(duì)水樹缺陷XLPE試樣的擊穿展開分析。

根據(jù)固體的熱擊穿理論，固體的擊穿受電壓幅值和電壓作用時(shí)間的共同影響。當(dāng)施加電壓的等效場(chǎng)強(qiáng)超過臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，固體電介質(zhì)從電場(chǎng)中獲得的能量高于碰撞電離等因素?fù)p失的能量，電介質(zhì)內(nèi)部的溫度開始上升，累積一定時(shí)間后，發(fā)生擊穿。本研究中水樹長(zhǎng)度占比為30%和60%的水樹缺陷在3U0等效電場(chǎng)的作用下10 h仍未發(fā)生擊穿，水樹的微觀形態(tài)也沒有顯著的改變，這是由于此時(shí)水樹缺陷內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)尚未達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)從電場(chǎng)中獲得的能量小于碰撞電離等因素?fù)p失的能量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果在工程上的指導(dǎo)意義

當(dāng)使用0.1 Hz余弦方波耐壓試驗(yàn)考核電纜絕緣是否存在水樹缺陷時(shí)，耐壓試驗(yàn)存在加速水樹缺陷發(fā)展的可能，為電纜運(yùn)行帶來極大的隱患。從本研究的試驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于水樹長(zhǎng)度占比為30%和60%的水樹缺陷電纜，經(jīng)過耐壓試驗(yàn)后其形貌并未發(fā)生明顯變化，這說明可以采用0.1 Hz的余弦方波耐壓試驗(yàn)對(duì)電纜進(jìn)行耐壓考核來發(fā)現(xiàn)電纜中的水樹缺陷，對(duì)于高于臨界場(chǎng)強(qiáng)的水樹缺陷，可以迅速擊穿，而對(duì)與低于臨界場(chǎng)強(qiáng)的水樹缺陷，雖然不能發(fā)現(xiàn)但也不會(huì)導(dǎo)致水樹缺陷的惡化，形成不完全擊穿。

4 結(jié)論

（1）在3U0等效場(chǎng)強(qiáng)的作用下，0.1 Hz的余弦方波電壓可以導(dǎo)致水樹長(zhǎng)度占比為90%的水樹缺陷XLPE試樣在15 min內(nèi)擊穿，但即使將加壓時(shí)間延長(zhǎng)至10 h，水樹長(zhǎng)度占比為30%、60%的水樹缺陷等效場(chǎng)強(qiáng)XLPE試樣也不會(huì)發(fā)生擊穿。

（2）水樹缺陷的擊穿存在臨界場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)所施加的電壓的等效場(chǎng)強(qiáng)低于臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，延長(zhǎng)電壓作用時(shí)間至10 h，也不會(huì)導(dǎo)致水樹缺陷的擊穿，對(duì)水樹形態(tài)也不會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）0.1 Hz余弦方波耐壓試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)電纜中水樹長(zhǎng)度占比為90%的水樹缺陷，不能發(fā)現(xiàn)水樹長(zhǎng)度占比為30%、60%的水樹缺陷，也不會(huì)導(dǎo)致此類水樹缺陷的惡化。