电力电缆绝缘材料研究

【摘 要】文章主要介绍了电线电缆绝缘材料的种类，绝缘老化的原因及其表现形式。绝缘材料的老化原因是复杂的，最具代表性的主要有：热老化、机械老化，电压老化等。文章还介绍了绝缘老化中的树枝结构和绝缘介质在电场作用下的其它特性。

【关键词】电线电缆；绝缘材料；绝缘老化；极化；电导；损耗

电力电缆一般♀敷设在地表以下，常用作电厂、变电所、厂矿企业的动力引入或引出线。电力电缆与架空线相比，因其铺设在地表以下，所以受气候的影响较小，安全可靠，隐蔽耐用，但是材料成本、敷设费用、维护费用比较高，而且检修和故障排查也比较困难。低压配电网、电气设备用电线电缆常采用具有聚氯乙稀护套的塑料外皮电线作为电能传输线，这些电线一般通过穿管埋设在墙体或地表下，也可以采样明敷的方式敷设。电线的绝缘不良产生的火花往往容易引起厂房、住宅、公共场所等处火灾，造成人员伤亡和财产损失。

1 电缆电线绝缘材料的种类

电力设备的绝缘材料大致可以分为固体、液体、气体三大类。不同设备，不同电压等级和不同容量的电力设备应选用不同的绝缘材料，以满足绝缘要求。一般电压等级较高的电力电缆常采用挤出成型的交联聚乙烯（XLPE），聚氯乙稀（PVC），乙丙橡胶，聚烯烃类等固态绝缘材料，新型低烟无毒绝缘材料也在不断推出中。另外，还有少量的电缆采用油浸纸作为绝缘介质。电压等级较低的电线电缆一般以聚氯乙稀、天然丁苯橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯橡胶等作为绝缘介质。其中，XLPE 作为电力电缆的绝缘材料因其优良的性能应用越来越广泛。并且，制造工艺从最初的“湿法交联”已经发展到现在的“干法交联”，XLPE 电缆的性能得到了进一步提高。

2 绝缘老化原因及其表现形式

绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主要有：热老化、机械老化，电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。

2.1 热老化

热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从 C-H 键中 H 的脱离开始的。热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE材料被认为当拉伸率从初始的 400 %～600 %降低到 100 %时寿命终止。

2.2 机械老化

机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电-机械击穿”。

2.3 电老化

电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材料的本征击穿场强都在 MV/cm 的数量级。但是，实际所以中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。这其中的原因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之，本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论： ☼

（1）达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”。

（2）在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。此外，还有上文提到的“电-机械击穿”，也是原因之一。当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境（水分、阳光等）等众多因素综合作用的结果，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。

2.4 绝缘老化中的树枝结构

2.4.1 电树枝

研究发现，在固体绝缘材料的高压击穿试验后，可以观察到类似树枝或者树根一样的击穿痕迹。在高电压工程学上，这种树枝状的绝缘击穿部分称为“树枝（tree）”，其发生、发展的现象叫做“树枝形成”。这种树枝是由电场的作用导致击穿所致，所以又被称为“电树枝”。电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论，但是尚无定论。其中有本征破坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等。现在实验室制造电树枝的方法是通过在插入绝缘材料内部的细针施加高压，这在一定程度上说明电树枝的形成和绝缘材料不均匀引起的电极效应有关。电树枝形成后会不断发展，直至形成直径数微米到数百微米的细小中空管，这是引起绝缘局部放电原因之一。

2.4.2 水树枝

橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比较其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课电现象”的绝缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构和有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树枝。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不ฌ易观察到。水树枝多见于结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的 PVC、丁基橡胶等聚合物中少有发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，高频电压也能促使水树枝的产生。在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为直径 0.1～1 μm 的微小气泡的集合，它们之间由直径为0.05 μm 的微小导管相连，这些微气泡和微导管中有水的存在。水树枝在绝缘体中出现的位置、形状是多种多样的，对于常发现水树枝的电缆而言，根据水树枝产生的位置大体可以分为三类：在电缆的内侧，内层半导电层处发生的是“内导水树枝”；因绝缘体中的孔隙和杂质而产生的类似蝴蝶结形的为“海绵状水树枝”；由外层半导电层处产生的是“外导水树枝”。

研究和实践发现，水树枝的产生和生长是 XLPE 电缆绝缘老化、劣化最常见、最基本、最直接的因素，并在某些情况下可能造成局部击穿。实践也证明，大部分的电缆的绝缘击穿事故都是由水树枝引起的。水树枝的发生一般需要三个条件：水、起点、电场，这为防止水树枝的产生提供了指导。首先☑，对于铺设在地面以下的电力电缆，要尽量避免与水直接接触。但是，完全和水隔离是比较难做到的。其次，消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸♚起等作为水树枝产生的起点的部分，这是最现实有效的方法。

3 结语

电线和电缆是电力系统中使用最为广泛的设备，在各类电气事故波及的设备中，与电线电缆有关的占了几乎 50 %，其中大部分又是因为绝缘损坏所致。在电力设备实际运行过程中，绝缘结构的电气和机械性能往往决定着整个电力设备的寿命，绝缘损坏时，可能导致非常严重的后果，如火灾、设备损坏等，以致破坏整个系统的正常运行，甚至造成人员伤亡，所以研究电力设备绝缘检测与诊断技术对于提高电力设备运行可靠性、安全性具有极其重要的意义。

致谢：感谢国网山西省电力公司科技项目对本课题的资助（项目号：5205E01351DG）。

参考文献：

[1]速水敏幸（日）.电力设备的绝缘诊断[M].东京：科学出版社，1986