塑料电缆绝缘层中电场的恶化问题

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以外，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。因此，有必要了解电缆绝缘层中电场的分布及其恶化情况，以求在设计、生产中制作出结构合理、性能完善的电缆和电缆三头。

（一）各种恶化电场的分布

塑料电缆中，均匀介质的同心圆柱体电场可用最简单的数学公式表示，电场的分布图形可用电力线和等位线表示。其电力线是均匀辐射状，等位线是内密外疏的同心圆形，靠近导体附近的电力线密集，等位线间距小。因而导体附近的电场强度大；远离线芯时电场强度减弱，如图1-3-6所示。由此可见，电场强度沿径向并不均等，而是均匀递减，所以在同一半径的圆周上的各点，其电场强度的大小是相等的。这种电场没有恶化，称为正常电场分布。

下面分别绘制出绝缘层中含有气隙、杂质，无半导电屏蔽层，半导电屏蔽层出现节疤、遗漏时的恶化电场分布，如图1-3-7～图1-3-11所示。

图1-3-6　正常电场分布

图1-3-7　绝缘层含有气泡时的电场分布

图1-3-8　绝缘层含有杂质时的电场分布

图1-3-9　无半导电屏蔽层的电场分布

图1-3-10　半导电层出现节疤时的电场分布

图1-3-11　半导电层出现遗漏时的电场分布

塑料电缆的绝缘结构完善时，其交流短时击穿场强很高（不小于几十kV/mm），而实际电缆的击穿场强常低于这个值，其原因就是绝缘结构中存在某种缺陷，造成电场的恶化。最严重的缺陷是半导电屏蔽层上的节疤和遗漏，其次是绝缘层内部的杂质与气泡，最后是导丝效应严重的无屏蔽结构。

在电缆的生产过程中，完善挤塑工艺和严格投料标准，可有效地控制半导电屏蔽层的缺陷及杂质的混入。而气隙的产生不仅与工艺参数有关，还与运行条件有关，不易控制。不同形状的气隙，其危害程度也不同。扁平状危害程度最严重，圆柱状次之，圆球状较轻。

（二）局部放电特性

塑料电缆的局部放电（游离放电）常导致电缆的故障或击穿，严重的会影响电缆的运行质量和使用寿命，曾一度被认为是对塑料电缆的最大危害。但近年来，由于科学技术的发展，已逐渐地发现和认识到树枝放电比起气隙的局部放电（游离放电）对电缆的寿命具有更大的危害性。

局部放电的必要条件之一是气隙的存在。而气隙不是树枝放电的必要条件，在绝缘结构中，只要存在局部的集中高场强，就会导致金属、杂质尖刺物的冷发射，甚至介质的冷发射，引发有机介质的树枝状裂纹，出现树枝状放电。局部放电和树枝放电有着本质上的不同，树枝放电基于高场强的场致冷发射为主要原因，而局部放电是基于气隙在一定大气压下遵循“巴申定律”的条件而在气隙中放电。这两者既互相影响，又互相促进。电树枝在发展中必然伴随着局部放电，而局部放电又促进树枝的生成与成长。

1.局部放电的影响因素(www.xing528.com)

塑料电缆的局部放电特性取决于塑料电缆的结构形式、绝缘材料的类别以及工艺参数与运行条件。它们的优劣，一方面可以保证塑料电缆具有足够的运行寿命（不小于30年）；另一方面又可能出现过早（几个月或几年）的运行失效。

（1）结构因素。要求绝缘结构形式完善，特别是35kV以上的高压电缆，内、外屏蔽层不完善，屏蔽层上有大气隙，将导致局部放电；有凸出物或尖刺时，引发电树枝，再伴随局部放电，很快形成贯穿放电通道，导致电缆的寿命终止。

（2）材料因素。材料本身的微观结构是否能耐电晕产生的臭氧腐蚀，以及绝缘材料中是否混进了易引发树枝的杂质。

（3）工艺参数。工艺条件是十分复杂而又极为重要的因素。在相同的材料和结构条件下，由于加工方法的不同，会带来不同的气隙和水分含量。在加工进入冷却阶段时，冷却方式及冷却速度的不同，会造成所产生气隙形状的不同。因此，必须选定最佳的工艺条件。

（4）运行条件。电缆运行过程中的环境条件，水分、化学污染物的存在，负荷状况，过载时间等，都会造成新生的、非加工中产生的气隙。

2.绝缘介质的电老化

塑料绝缘电力电缆无论其绝缘材料是聚氯乙烯、聚乙烯、还是交联聚乙烯，它们均属于高聚物。在局部放电作用下，可运用化学结构理论来分析其内部的破坏过程。

（1）由于电子、离子受电场的作用，对气隙周围的介质发生轰击，导致发热，形成小孔状侵蚀；表面产生的化学过程为聚合、裂解、气化等，并生成电树枝、水树枝而导致绝缘破坏。

（2）由于气体所产生的化学产物，如含氮酸（亚硝酸等），以及臭氧，对周围介质发生侵蚀生成电化学树枝，导致绝缘被破坏。

（3）产生紫外线或波长较长的软X线导致介质降解或解聚。

后两者对高分子介质的长链分子起强烈的破坏作用。如臭氧特别活泼，它对具有双键的橡胶作用能力特别强，使之迅速交联、裂解、失去弹性。

气隙的局部放电，虽然不会立即导致整个介质的击穿，但是绝缘材料长期受到这种内部放电的作用，介质的破坏程度会逐步扩大，最终导致绝缘被击穿。这就是绝缘材料的电老化现象。

对于一切处于高场强下工作的高聚物，电老化的过程就决定了介质的寿命，一般认为，没有局部放电存在时，绝缘塑料的工作寿命相当长。因为塑料介质在有热氧作用时，处于正常工作条件下，老化过程极其缓慢。

除聚四氟乙烯外，聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯的耐电晕性尚好，但比纸绝缘要差些。高压塑料绝缘电力电缆质量的优劣并非只决定于材料的性质，而在很大程度上取决于制作工艺和结构的完善与合理。这是由于各种高分子材料的耐局部放电特性相差不大，但制作工艺或结构上不完善造成的气隙，将会引起电老化过程的加速。