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XLPE电缆绝缘中的树枝状老化特性西安交通大学电气绝缘研究中心郑晓泉教授PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn一、一、XLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化lXLPE电缆的发展l电缆的运行可靠性与寿命l绝缘中的三种树枝状老化痕迹接头电缆端子电缆PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Àwww.fineprint.cnXLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化1、XLPE电缆的发展（1）电压等级/kV:6.6;10;35;110;220;500（2）生产工艺:湿法，干法，垂直硫化（110及以上）三层共挤工艺及设备（3）国内外的差距：进口电缆料，110及以上接头PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cnXLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化2、电缆的运行可靠性与寿命（1）运行可靠性电缆端子：端头与本体绝缘连接处电缆接头：增绕绝缘结构，现场施工质量电缆本体：生产缺陷与电树枝（2）寿命由电缆各部分老化决定：首要为本体水树枝（3）当前问题1）可靠性问题：新敷设电缆莫名奇妙的击穿——绝缘生产缺陷2）10～35kV老电缆水树老化问题日益严重：寿命面临终了——可靠性下降PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cnXLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化3、绝缘中的三种树枝状老化痕迹（1）电树枝引发原因：局部缺陷导致局部高场生长特征：①生长速度快②树根状③休眠（滞长）期生长机理：局部予击穿与局部击穿：物理、化学①电荷注入与抽出——局部绝缘弱区②局部放电——③电荷复合④空间电荷PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cnXLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化（2）水树枝引发原因：绝缘中微孔与水分集中生长特征：①生长速度极慢②水印痕迹状：无明显枝条③“自愈性”④在电缆工作场强下引发与生长生长机理：充水微孔变形、连通①物理变化为主、缓慢的化学变化②不存在局部放电——③空间电荷PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cnXLPEXLPE电缆发展与绝缘老化电缆发展与绝缘老化（3）电化学树枝引发原因：绝缘中微孔与腐蚀性水分浸入与集中生长特征：①生长速度快于水树枝②水印痕迹状：无明显枝条③在电缆工作场强下引发与生长④自愈性差于水树枝生长机理：充水微孔变形、连通①物理变化、化学变化②不存在局部放电——③空间电荷PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn二、电树枝专题二、电树枝专题l电树枝欣赏lXLPE电缆绝缘中的电树枝研究方法l电树枝种类l电树枝引发与生长特性l电树枝生长过程l电树枝生长的影响因素l研究成果PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn1、电树枝欣赏：郑晓泉作于英国南安普敦2002PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn2、XLPEXLPE电缆绝缘中的电缆绝缘中的电树枝研究方法电树枝研究方法硅油数字摄像与显微计算机系统试样地电极针电极高压电极光源函数信号发生器+宽带高电压放大器放大器挤出变形针电极地电极XLPEPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建餀Ìwww.fineprint.cn3、XLPE电缆绝缘中的电树枝种类三类五种三类：（1）纯枝状（2）纯丛林状（3）混合状五种：（1）枝状（2）丛林状（3）枝－藤枝（4）枝－松枝（5）枝－丛林50Hz70min50Hz826min50Hz100min50Hz20min50Hz1145min75Hz120minabcdef1mm1mm1mm0.5mm1mm1mmPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn4、电树枝生长过程演示1mm1min5min10min50min150min840min4.1丛林状电树枝PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn4.1.14.1.1PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn4.1.24.1.2PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn4.1.34.1.3PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn4.1.44.1.4PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn4.1.54.1.5PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn4.1.64.1.6PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn5、电树枝生长特性（1）电树枝的生长速度0102030405060708090100时间/min50Hz826min③纯丛林电树枝长度/mm3.53.02.52.01.51.00.50.0①纯枝状②双结构1mm50Hz100min75Hz120minPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn5、电树枝生长特性2.01.61.20.80.40.004080120160200240280320(a)(e)(b)100Hz(d)250Hz电树枝生长时间t/min电树枝扩展系数D/L250Hz2000HzK2000K250K100(d)250Hz225minE1mm0.5mm(b)100Hz90min1mm1mm(a)250Hz60min2000Hz65minE(e)2000Hz85min钨针（2）双结构电树枝的扩展系数PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÌÌwww.fineprint.cn6、XLPE电缆绝缘内外侧的电树枝50Hz70min50Hz826min50Hz100min50Hz20min50Hz1145min75Hz120min1mm1mm1mm0.5mm1mm1mm0.5mm1mm0.5mm1211min605min330min内侧电树枝（1）五种（2）生长速度快外侧电树枝（1）两种（2）生长速度慢PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn电树枝电树枝形状位置枝状混合状丛林枝-滕枝-松纯丛林混合丛林内侧20个数量54821％252040105外侧5个数量00041％000802010μm10μmPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn7、XLPE电缆绝缘中电树枝生长的影响因素*施压频率：取决于树枝形态*绝缘温度：取决于树枝形态*施加电压：取决于树枝形态*应力对电树枝的影响：主要为拉应力（内侧：拉；外侧：压）*结晶状态对电树枝的影响（1）晶体内：导电型，丛林为主（2）无定形区：非导电形，枝状为主PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn（（11）施压频率对电树枝生长的影响）施压频率对电树枝生长的影响(a)100Hz(b)200Hz(c)500Hz(d)1000Hz图在不同电压频率下的电树枝的照片PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn（（22）温度对电树枝生长的影响）温度对电树枝生长的影响110°C90°C70°CJ.V.ChampionandS.J.Dodd等人在环氧树脂中获得了从30℃到85℃的树枝形状照片，并在70℃下获得了最为稠密的丛林状电树枝和最慢的生长速度。稀疏枝状稠密枝状丛林状稠密枝状稀疏枝状GrowingrateofthetreeConversiontemperatureTbrittlenessregion/flexibleregion/crystallineregionamorphousregionConductingtreeregionGaspressureinmicro-holeno-conductingtreeregionThelikelihoodcurveofgaspressureT℃↑—材料膨胀—微孔被压缩，应力消失—微孔气压↑—PD↓—材料弱区消失—电树沿电场方向全方位生长，纵向生长速率↓—Bush电树生成—T℃↑—孔内气压↑＋塑性形变—微孔膨胀—气压↓—PD起始，微孔弱区形成（恢复），材料Eb↓——Branch电树迅速发展。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn（（33）施加电压大小对电树枝生长的影响）施加电压大小对电树枝生长的影响Thelengthoftrees/μm20001600120080040006789101112131415Applyingvoltage/kVrms45min16min4minGaspressureinmicro-holeThelikelihoodcurveofgaspressure8kV12kV稀疏枝状稠密枝状丛林状稠密丛林枝状＋丛林＋枝状DSKang等人在XLPE中的实验结果PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn（（44）应力对电树枝的影响）应力对电树枝的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn（（55）结晶状态对电树枝的影响）结晶状态对电树枝的影响大球晶微孔杂质无定形区藤枝通道PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿÿwww.fineprint.cn8、微孔－气压－电树枝发展机理局部放电、微击穿材料分解局部高温局部高气压树枝壁软化气压向微孔突破气压降低局部放电减弱树枝起始树枝生长局放增强电树枝通道高温软化区微孔气压突破大球晶单枝的生长拐点E1000Hz330min1mmPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn9、XLPE电缆绝缘中电树枝的引发机理PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Ëwww.fineprint.cn10、文献电树枝老化机理主要是由于绝缘内部放电产生的细微开裂，形成细小的通道，其通道内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹。分技少而清晰，呈冬天的树枝状（树根）。其产生机理主要如下：(1)机械应力破坏使交联聚乙烯绝缘产生应变造成气氛和裂纹，产生电树。这些机械应力，一方面是由于在电力电缆生产和敷设运行中不可避免地弯曲，拉伸等外力产生应力，另一方面是由于电缆PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn电树枝在运行中电动力对绝缘产生的应力。其电动力F＝εE2/2式中，ε为材料的相对介电系数；E为电场强度。尤其在线路短路情况下将会产生更大的电磁力。其数值为F＝2×10-7(i1i2/S)(N)式中，i1，i2为短路电流；S为两导体之间的距离；l为电缆长度从而使交联聚乙烯绝缘产生应力和应变。(2)气隙放电造成电树枝的生长。近代全干式交联生产线尽管可以消除某些宏观气隙，但仍有1~10μm或少量的20一30μm的气隙形成微观多孔结构。多孔结构中的放电形式主要以电晕放电为主。通道中的放电所产生的气体压力增加，导致了树枝的扩展和形状的变化。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿwww.fineprint.cn电树枝树枝通道内充气的程度，气化的能量由放电决定。放电后气体体积增加。一个脉冲放电能可表示为J＝QU/2式中，Q为一个脉冲放电的电荷；U为外施电压。因一个脉冲放电能量所产生的体积为V＝J／Jp式中．Jp为有机材料的气化能，单位为J／cm3，聚乙烯最大放电量Qm和树枝长度L之间的关系为Qm＝αLβ式中，α、β为有关的系数。故得放电产生的