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塑料电缆的树枝放电的形成

2015-12-29 来源:买卖宝

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。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。

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。

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。

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%。

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。

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