塑料电缆的树枝化放电老化研究

塑料电力电缆的运行寿命与其绝缘中树枝化老化的现象密切相关，这是在20世纪60～70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。从21世纪70年代至今，包括电线电缆行业、有机材料高分子化学行业、高分子物理、电介子物理、高压工程等有关学科和工程技术部门掀起了树枝化研究热潮，并取得了很大的进展。树枝化的研究不仅具有极大的工程使用价值，而且充实了电介质物理的击穿理论，并推动微观结构形态学与宏观性能关系的研究。

（一）树枝化老化简介

事实上，树枝化放电早已被人们所熟悉。早年，油浸纸绝缘电力电缆中沿油浸纸层间的表面移滑放电亦是树枝状的，但这是沿面放电后留下的树枝状炭化痕迹，痕迹尖端不断延伸，数年后可能引起电缆绝缘击穿，亦可能树枝状爬电停止发展，不引起电缆绝缘击穿。但是，有机材料的树枝化却是另外一回事，它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。随不同电压的种类，不同加压方式，不同环境与条件，树枝形状会发生很大的变化。

塑料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）。树枝的主干（主茎）直径在实际电工产品中很小，一般为几微米至上百微米，必须借助光学仪器才能观察到。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，管道状细微开裂的引发，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。

1.树枝放电的形成

树枝引发和发展的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。

2.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。典型的几种电树枝如图1-3-15所示。

图1-3-15　电树枝

（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很容易引发水树枝。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。几种常见的水树枝如图1-3-16所示。

图1-3-16　水树枝

图1-3-17　化学树枝

（3）化学树枝。又称电化学树枝。有的研究者把纯化学因素造成的材料细微开裂称之为化学树枝，有的将化学杂质引起的树枝也归并为这一类或称之为电化学树枝。几种常见的化学树枝如图1-3-17所示。

3.树枝生成的条件

运行中产生树枝的电缆经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。

（5）化学物质的存在是化学树枝生成的引发剂。

以上条件，只要具备其一，电缆中就会不同程度地产生树枝。下面绘制了树枝生成条件的图解，如图1-3-18所示。

图1-3-18　树枝生成条件

（二）树枝的特性与抑制

1.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诱发电树枝。

（4）气隙的存在是电树枝生成的前提。

（5）杂质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。(www.xing528.com)

（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。

一般认为电树枝的引发时间比扩展时间要长得多，特别是引发树枝后，在树枝尖端产生有效的电晕放电，那么树枝便会很快扩展。故运行中的电缆经过电压反复冲击作用（相当于高频）后，电树枝一旦产生，它就会很快扩展而最后导致击穿。所以一根电缆在运行过程中一旦产生了电树枝，它的寿命终点就临近了。

2.水树枝的特性

在运行的电缆中，水分的浸入是很难完全避免的，由于水分的存在而导致产生水树枝，这一问题已引起电缆行业的极大重视。因为，凡是老化了的电缆，在其绝缘层中都发现或多或少地含有水树枝，所以说水树枝的产生将导致电缆寿命缩短。水树枝的特性可归纳为以下几条：

（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、绝缘电阻和击穿电压下降。

3.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。

另外，有称之为化学树枝的由化学物质引起的树枝状腐蚀，水分在这个过程中不起作用，但若树枝顶端出现电场局部集中，则就会以电树枝形态不断发展，最后以电树枝的形式导致破坏，故仍可归并入电化学树枝一类。

4.电树枝、水树枝和化学树枝的区别

关于电树枝、水树枝和化学树枝的引发、成长，击穿形式和树枝形态，在前面章节中均作过介绍，这里只把它们的主要区别列于表1-3-2。

5.树枝化放电的抑制

对树枝放电的研究归根到底是要研究如何抑制。当然，首先要了解树枝的引发和生长，以便采取相应措施抑制或延缓树枝的引发和发展，以达到延长电缆使用寿命的目的。基于各类树枝引发和发展的机理及条件不尽相同，因而抑制的方法也是多种多样的。常见的方法有：

（1）改进电缆结构。消除电缆绝缘结构中电场局部集中的缺陷，采用内、外半导电屏蔽、防发射屏蔽等。

表1-3-2　电树枝、水树枝和化学树枝的区别

（2）在电缆绝缘配方中用化学方法，加入电压稳定剂以减少电子注入的能量，或称之为捕捉高能电子的方法。

（3）减少气隙数目和减小气隙尺寸，防止局部放电，以及加入液体浸渍剂或固体粉末填料。电缆绝缘浸渍硅油或绝缘内、外界面涂硅油，可以防止树枝继续沿径向发展，树枝暂时不再透过硅油层而转向轴向发展成为横向树枝。

（4）改善绝缘材料本身耐树枝性的物理共混方法。以共混聚合物代替单一介质，提高耐树枝性能。

（5）改善工艺条件。采用三层共挤的工艺过程，用全干法交联或半干法交联取代湿法交联。

（6）改善生产加工条件。防止杂质污染，精选净化原材料，用封闭式生产加工流水线。

（7）针对水树枝的引发和成长，采用相应的物理、化学方法以抑制水树枝。