中核武汉核电运行技术股份有限公司 云 浩 汪 亮 刘大为 张益舟

XLPE电缆结构性能良好，具有易于弯曲、电气性能好、传输量大、安装便捷等多个特点，XLPE电缆材料的生产效率更高，在生产过程中主要以计算机控制为主，能有效减少突发情况的发生，尤其是对于充油纸电源电缆漏油引发火灾的控制效果更为良好。同时也能有效减少环境污染的情况，设备维护活动也随之减少。就世界范围的发展情况来看，XLPE材料已成为世界公认的电缆材料，在中高压电力电缆中占据重要地位。

1 中压XLPE电缆绝缘材料概述

电力电缆中初次尝试绝缘材料的为LDPE，经历了大约10年之久，LDPE才真正占据绝缘材料的市场地位，并取代了传统橡胶及聚氯乙烯，这一材料是在PVC之后问世，解决了二战对橡胶类材料缺乏的困扰。XLPE材料在20世纪50年代由美国物理学家查理氏贝在原子核反应堆实验中发现，它在生成XLPE材料时主要借助辐射能将聚乙烯分子交联，而后利用辐照法来生产此材料。由于材料由线状分子的变为网状分子因子，XLPE能保持绝缘的高介电性能。其中介电常数为2.3，介电损耗角正切在0.001以下，在绝缘材料中的性能最为优越与稳固。另外XLPE温度高达90度，与传统未交联材料相比温度更高。而且XLPE材料的物理性能、耐环境性能更高，其他塑料材料难以达到这些需求。

到了20世纪50年代末，美国GE公司采取了与查理氏贝辐照关联法不同的生产方法，此种方法为化学法，主要利用过氧化物DCP作对交联剂。随后此公司在电缆工业创造了蒸汽湿法，并制造生产XLPE电缆线。而日本紧接着也开发了干式交联法生产XLPE电缆线；北欧采取中高压全干式交联法生产。XLPE的电缆等级也从最开始的110千伏上升到220千伏、500千伏，而传输能量也实现了有效提高，当前XLPE绝缘材料在全球中压电缆中占据了重要地位。

我国属于发展中国家，但在能源、交通等多个行业也得到了全面发展，为确保国民经济水平的不断提升，电力行业也带动了电缆材料的快速发展。随着改革开放的政策落实，国家实现快速发展，我国电力装备也实现了高速发展，并早在2012年就达到12亿kW，并实现了2020年的装机容量。即使我国已达到发展的目标，人均也只是在1kW，但美国人均达到了3kW以上，我国与其相比还存在较大差距，仍需快速发展。随着装机容量的不断提升，所需要配套输变电设备也应当适当增多，电缆的需求量较大。

在城市配电网中中压电网电压等级主要包括6千伏、20千伏、35千伏，中压电网中采取的绝缘电缆主要为XLPE。XLPE电缆材料经过半个世纪的发展，可初步确定绝缘材料应用过程中在水、电场与离子的影响下会出现材料老化、也就是水树枝化，最终水树老化会引发电树击穿电缆，这是XLPE材料应用中存在的主要问题。为确保绝缘材料的安全性与可靠性，应对中压电缆绝缘材料的水树枝化现象进行综合探讨。日本初次发现了XLPE电缆绝缘材料水树枝化的击穿现象，随后美国也出现此种问题，并针对这一情况推出了抗水树化XLPE绝缘材料。

在城网10～35千伏采用的为中压XLPE电缆材料，大部分需在运行10年后才会出现水树枝化现象。而中压XLPE电缆绝缘材因水树枝化而出现电缆击穿等事故，导致电缆绝缘材料直接受到影响，进而影响电网的安全运行。通过大量试验发现，在XLPE电缆绝缘材料中采用新型抗水树技术，不仅能提高其抗水树性能，也能有效增强电缆的可靠性与安全性，最终电缆寿命将超过30年[1]。

就欧美电力系统中对XLPE电缆材料的应用情况来看，中压抗水树绝缘材料的应用占据了绝大部分市场，也已拥有了较为成熟的生产经验，绝缘材料的可靠性与使用寿命都十分可观。早在21世纪起，美国在选择高压绝缘材料时已全部使用抗水树XLPE绝缘电缆。就我国对电缆的使用情况来看，在电缆行业价格战的影响下，除用户的特定需求，一般使用的抗水树XLPE绝缘材料的推广难度较大，虽然水树枝化是中压电缆的最大问题，影响安全性与可靠性，但如果出现电缆击穿现象，仍需在投入运行十年左右之后才会出现，如何实现有效预防，还需学习国外先进经验。

2 中压XLPE电缆水树枝化研究概述

日本在发现XLPE绝缘材料出现击穿现象后发现了水树枝老化的现象，并认为中压电缆是导致PE电缆老化的主要因素。从干式交联生产到发现XLPE电缆原材料击穿问题只有六年，如果从购入美国湿法交联生产的电缆原材料算起，电缆也不过才运行8年。因此通过多方研究，针对水树枝化的定义是指聚乙烯绝缘材料长时间与水共存，然后在电场作用的影响下，形成了充满水的树枝通道或者气隙。但此定义会给研究带来一定偏见，认为水树枝化只是由于聚乙烯材料导致，事实上所有物电介质在水与电场的影响下都会出现水树枝化现象，甚至在瓷器、纸张中也经常存在。

英国科学家在局部放电角度出发，研究了聚乙烯材料在树枝化通道中的成长情况。20世纪70年代，美国针对XLPE电缆击穿现象进行研究，发现在电缆材料运行5年后大部分电缆绝缘中都出现了水树现象[2]。在早期，美国生产电缆的方法主要以湿法交联为主，这与电缆运行五年后出现问题存在一定关联。

随后美国科学家的聚乙烯绝缘材料出现水树枝化的现象进行综合研究，由于在20世纪70年代美国应用XLPE绝缘材料出现击穿电缆现象的情况时有发生，因此绝缘材料的供应商、制造商在将全部注意力集中到XLPE绝缘材料的抗树化绝缘性能的研究之中。美国一电力公司在筛查聚乙烯绝缘材料电缆计击穿现象时，发现此类电缆绝缘材料中都出现了树枝化现象。而这一研究人员认为，无论是聚乙烯绝缘材料还是XLPE绝缘材料作为主要组成，即使材料中出现高浓度水树枝化的电缆材料，但只要不出现电缆击穿现象，其综合性能仍然能满足供电需求，但这也存在着安全隐患。

70年代美国大量电缆材料由于水树枝化现象导致电缆击穿，爆发了水树枝问题，许多学者都在积极探究水树枝化产生的原理。比如使用湿法交联生产XLPE电缆材料的击穿水平会下降，但由于的70年代末所采用的大多数为干式交联，电缆出现水树枝化现象的情况明显减少。即使采用蒸汽交联生产、采用干燥处理措施后，水树枝问题仍然会消失，绝缘品质恢复。此种错误报道是误导人们研究的主要原因。

我国通过对电缆故障检测结果发现，XLPE绝缘材料运行超过5年之后，中压XLPE电缆绝缘材料大部分都出现了水树枝化的现象，尤其是在南方城市环境中应用XLPE电缆绝缘材料出现水树枝化的现象则更为普遍，尤其是严重的水树枝化厚度接近70%。上海供电局针对上海地区所铺设的XLPE电缆进行取样，并送研究中心针对XLPE电缆水树枝化情况进行研究。

我国在八十年代使用的为蒸汽交联XLPE电缆绝缘材料，随后使用干法交联生产XLPE电缆，在投入使用五年后出现水树枝化现象，7～10年左右出现电缆击穿的现象，其中40%以上的击穿电缆进行更换[3]。而更换后新应用的电缆材料在10年左右又出现击穿现象，对电网安全送电产生了较大威胁，电缆使用寿命的延长根源在于其抗水树能力的提升。蒋佩男先生作为专业研究电缆的专家，在其论文集中12篇论文都在探究水树枝化现象，可见探究XLPE电缆绝缘材料水树枝问题具有重要意义。

3 中压XLPE电缆绝缘材料水树枝化分析

通过对水树质化现象的研究，可发现进入固定材料中的水含量较大、大约为10%，受到水的影响，材料的物理性能则会随之改变。而在水树现象观察中发现存在高密度充水微隙，这也就间接证明了水树对电缆绝缘材料造成的影响。受到同一电场的影响，聚合物损害特性曲线与材料物理性能之间成正比关系。在20世纪80年代末，迈耶、斯莱特贝克提出了与之前水树现象研究不同的两种理论模式，首先假设水树枝是由多条通路组成，是一种装满水、容易被拉伸的圆柱体；其次，电场所引发的机械力属于经验压力在动能多少中存在电荷，随着不同的参数，电荷也会随之变化，无论是在通路的几何形状中，还是水的传导性中认为如此。

但实际上只需通过考虑通路的几何形状即可，水的传导性则作为无穷数。结合材料的特性曲线来看，这两种计算方法存在一定差异。斯莱特贝克认为，在正常情况下，如果压力超过预先的机械强度通路则会延长；迈耶应用断裂力学理论指出：在通路末梢位置，电场提供能量时会超过临界能量，尤其是在交流电压中通路也会蔓延。这种现象则认为在疲劳状态下的环境应力开裂。因此，大部分公司更注重在疲劳状态下研究如何提高绝缘体系的耐应力性能，中央绝缘材料的重点在于对聚合物自身性质的改变。

通过多年的研究与分析发现，水树枝生长机理也拥有诸多解释，一般主要分为两种类型：其一认为材料内部渗透小水珠，而小水会在电场的影响下沿着电场的方向发生改变，而形状也会由球形变化为椭球形，随后向材料施加沿电场方向的力，当材料的能量超过载量分子键能时，分子链则会出现变形与断裂，而在这一区域内则会出现微小充水空穴；另一观点则认为：水树会出现化学反应、尤其是氧化还原反应，是由水、离子与聚乙烯材料共同组成，分子间断裂则是由于电缆在运行过程中处于高温状态，导致缺陷处电场过于集中引发高温断裂。

事实上，导致破坏的因素较为复杂，包括电渗透电、化学氧化电质应力等，但就中压XLPE电缆绝缘材料情况看，除电缆结构设计采取了阻水、隔水措施，材料的质量性能与工艺的选择主要也存在影响。另外屏蔽量与绝缘体的质量对电缆有直接影响，因此在处理导体界面时不仅要选择最优质的屏蔽料，同时也应控制绝缘体内空隙、杂质等形成与大小[4]。每次在生产前应当标记出缺陷物的实际尺寸，在选择材料与模具设计时应严格控制施工工艺。

在进行质量控制时，可分别从定性与定量的角度出发解决当下的根本问题。而在加工工艺上也可针对结晶与非结晶的稳定性完善质量控制措施，聚合物在结晶过程中只要包括形成晶核与晶体生长，不同温度会对晶核的生长速度带来不同的影响，如果温度过高分子的热运动则会过于激烈，难以形成晶核或其定性难以保证；如果温度过低且接近玻璃化温度的区域，链段的活动性能则会降低，晶核虽然能形成但并不利于晶体的生长，因此须控制在合理温度范围内，既要满足晶核生长的需求，也要实现晶体的正常生长。

4 中压XLPE绝缘水树的诊断及改性方法

中压XLPE绝缘水树的生长情况可通过多种理化性能与电气性能进行诊断，其中理化性能包括显微镜观察、扫描电镜分析、傅里叶红外光谱测试等；电气性能包括PDC测试、工频介损测试、耐压测试等。这些测试的进行能有效探测到水树的生长情况，以及时采取预算措施。

水树枝老化形成的主要原因是由于存在水，XLPE材料在应用过程中受到交变电场的影响，则会引发水树枝并快速生长，最终形成树枝化。因此就可对中压XLPE绝缘材料分别采取堵、疏与填的形式。

堵。结构决定着绝缘材料的整体性能，通过堵能改变绝缘材料的整体结构，在加入成核剂后XLPE则会由大球晶转换为小球晶，而整体上则会连接紧密，材料的致密度更高。这主要是由于大球晶之间的间隙较大，而小球晶所产生的间隙较小，同时随着小球晶数量的增加、无定形区域的面积也随之减少，而水树枝化常发生于此区域，随着面积的减小水树枝化发生的原因也会明显减少，进而起到阻止水侵入的作用。

疏。主要思路在于加入EAA、EVA等高聚物，这主要是由于水属于极性物质，XLPE则作为属于非极性位置，且疏水性更强。XLPE对水的排斥性较强，也就是指XLPE对水具有一定的吸引力，且小于水分子的内聚力，所以在材料表面水往往会形成水滴，不会形成连接的水膜。疏水性的大小受到接触角的影响，如果接触角大于90度时作为疏水性材料，接触角小于90度时则为亲水性材料[5]。引发水树的关键要点在于交变电场导致水滴出现极化现象。当交变电场出现正负极变化时水滴则会出现极化变形，从圆形水滴转换为椭圆形水滴，在50赫兹的影响下出现纵横变化。在对绝缘材料进行张驰疲劳实验时这属于一种破坏运动，这也是导致水树现象发生及电缆击穿的主要因素。而加入EAA、EVA等极性材料后，由于极性材料接触角小于90度，自身的亲水性更强，进而将水转换为水墨，减少电致应力的发生。

填。近年来在XLPE绝缘材料生产中会加入纳米SiO2、MgO、蒙脱土。通过实验研究可发现，加入纳米材料可有效减少无定形区域缺陷与微孔隙，起到良好的阻水效果，与堵的思路大致相同。也有部分实验认为，在绝缘材料中加入杂质陶土，也能有效提高材料的抗水树性能及电性能。而在实际应用中，在PVC电缆材料配方中加入少量煅烧陶土，确实可提高电性能，陶土能有效堵塞微小空隙，捕获导电粒子。

总而言之，增加中压电缆绝缘材料的抗水树化性能能有效延长绝缘材料的使用寿命，起到保护电缆的作用，减少电网出现故障情况的发生。本文以XLPE为例，探究其基本性能以及导致水树枝老化的原因，给出了水树的检测方法，并通过填、堵、疏三种策略延长电缆材料的使用寿命，同时也应当积极借鉴国外的先进经验，增强其使用效果，维护电网的综合性能。