四川大学周凯等：XLPE电缆水树老化及其诊断技术的研究进展
本文基本信息
来源：《绝缘材料》2019年第2期
作者：周凯，陈泽龙，尹游，李天华
单位：四川大学 电气信息学院
随着电缆运行年限的增加，我国许多城市电网的电缆线路老龄化问题愈加严重，引起了工业界和研究学者的广泛关注。数十年的运行经验表明，除安装不当和外力破坏外，电缆的绝缘老化是导致电缆停电事故最主要的原因，而水树老化是电缆绝缘老化和寿命缩短的主要诱因之一。由于我国早期在电缆安装、敷设和运行环节的重视不够，出现如电缆共沟率高、电缆沟积水等问题，其运行环境不佳。水分会在电场的作用下聚集在微观缺陷处，最终在电缆的绝缘内部形成水树。水树的出现将导致电缆的绝缘水平与击穿电压显著下降，当系统中有过电压侵入时，水树极易转化为电树从而导致绝缘直接击穿，引发停电事故。
本文对交联聚乙烯电缆的水树老化及其诊断技术的研究进展进行回顾，介绍交联聚乙烯电缆中的水树老化现象及其潜在的危害，对水树的定义、特征、生长机理及其生长过程中的影响因素等方面的研究成果进行阐述。分析并比较水树的各种诊断技术，包括微观表征、传统介电性能测试以及新型诊断测试技术。
1.1 水树的定义
关于水树的定义，R ROSS等认为，水树是发生在绝缘内部的一种永久性的材料降解现象，由内部充满水的空洞群组成。水树枝结构包括许多微米级的亲水性孔洞和存在于无定形区的纳米级通道，这些通道将孤立的亲水性空洞连接成一片水树劣化区域。因此，水树枝结构也可以被描述为由微米级孔洞和纳米级通道形成的树枝发散状的绝缘缺陷，通常可用“珍珠串”模型来描述水树枝的结构形态，如图1所示。
图1 水树的珍珠串模型
1.2 水树的特征
XLPE中的树枝状绝缘老化缺陷通常可以分为水树和电树两种，根据文献显示，典型的水树结构通常具有以下几个特征：
①永久性：水树是一种永久的绝缘材料降解现象，这种树枝状结构一旦形成，不会因为水树区域的水分进出和干湿状态转换而消失。
②亲水性：水树区域表现出亲水性，其典型的水分含量为1%，远高于电线电缆制造规范要求的电缆绝缘含水量（一般为0.01%）。
③可染色性：通过亚甲基蓝溶液对水树进行染色能够在光学显微镜下轻易将其与周围的交联聚乙烯基体区分开。
④自愈性：由于水树被视为由充满水的空洞和通道构成，且XLPE是一种具有蠕变性质的材料，当施加电场消失后，伴随着材料内存储的电机械应力的释放，水树通道由打开转向关闭，水树通道由湿至干状态转变，电缆绝缘出现有所提升和恢复的特性。
⑤非线性：水树的介电响应呈现非线性的特性。
1.3 水树的生长机理
根据当前相关的研究成果，可将普遍认同的水树生长机理归为4 类：电机械理论、扩散理论、电化学氧化理论和条件依靠理论。一般认为，电机械理论适用于分析运行环境中水树的形成，而电化学理论则适用于分析实验室加速老化实验中水树的形成。
1.4 水树生长的影响因素
水树的生长过程中水分、电场、电压频率、离子和温度等诸多因素均能对水树的引发及生长产生影响。
（1）外施电压：外施电压的幅值、频率与极性等与水树的生长过程关系密切，随着电压幅值的升高，水树的生长速率和长度显著提升。
（2）离子：离子在水树生长过程中在电场的作用下进入水树内部并成为其主体的一部分。大多数离子均能促进水树的生长，极少数离子（Fe3+、Cu2+、Al3+等）能抑制水树的引发与生长。
（3）机械应力：通常机械张力促进水树生长，而机械压力则是抑制水树生长。
（4）温度：相关学者认为，温度越高水树枝生长越缓慢、水树体积越小，也有研究发现，水树生长存在转折温度，在转折温度处水树生长受到一定抑制。
（5）取向：研究发现水树在沿取向方向上的生长速度明显提高，并可能呈现异常的生长形态，目前材料取向与水树生长的研究包括电场取向与力学取向。
2.1 材料的微观表征方法
交联聚乙烯为半结晶聚合物，电缆本体绝缘在水树的生长过程中常伴随着内部晶区结构的破坏、材料分子链的断裂以及氧化还原反应等。因此可以从电缆绝缘层取样，采用红外光谱分析（IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、差示扫描量热分析（DSC）与X 射线衍射分析（XRD）等对水树老化电缆的微观结构及理化性能进行表征。
微观测试手段是衡量电缆水树老化状态最直观且有效的方法，但由于测试中的绝缘取样具有破坏性，一般适用于退运电缆和实验室老化样本的研究与测试，并不适用于运行电缆的检测。
2.2 传统介电性能测试
电缆绝缘中生成水树缺陷后，由于水树区域与周围XLPE 基体的介电性能相差很大，将会引起绝缘材料宏观介电性能的变化。因此研究者通过对电缆绝缘的击穿电压、泄漏电流、介质损耗因数、绝缘电阻等介电性能进行测试，对比新电缆样本的参数，评估电缆的相对老化程度。此外，由于水树结构具有直流下的极性效应与交流下的整流效应，可以采用直流成分法、直流叠加法、谐波分量法、交流叠加法等检测水树老化电缆的特征信号，判断电缆是否发生了水树老化。
然而，传统的介电性能测试均存在着不同程度的局限性，击穿电压测试对绝缘本体具有破坏性，泄漏电流、介质损耗因数、绝缘电阻测试等能够间接反映绝缘的整体状态，但不能直接反映电缆的局部水树老化。
2.3 新型诊断测试技术
2.3.1 超低频介损法
在阻性损耗为主的情况下，tanδ在频率较低时具有更大的数值，因此在低频下测量电缆的介损能够更灵敏地反映其绝缘状态。IEEE Std 400.2TM-2013 也将0.1 Hz 下的介损测试列入电缆现场实验和评估的手段之一。然而，需要指出的是，超低频下的介损能否等效代替工频介损，用以反映工频下运行电缆的绝缘状态仍然值得进一步研究。其次，由于采用的是高达1.5U0的0.1 Hz超低频电压，极有可能激发绝缘中的潜在缺陷对电缆造成二次伤害。
2.3.2 空间电荷法
近年来，有研究者通过测量空间电荷来表征水树老化程度，取得了良好的效果。空间电荷法作为一种非破坏性测试，能够获取介质内部空间电荷分布等诸多信息。空间电荷的测试方法主要有3种：电声脉冲法（PEA）、压力波法（PWP）与热脉冲法（TSM）。
目前空间电荷测试中，PEA法由于受干扰相对较小、测试简单等优点而使用较多，而TSM法由于能够针对实际全尺寸电缆测试，最具实际应用前景。基于PEA 法的空间电荷测试分辨率与灵敏度较高，能够实现薄片XLPE试样空间电荷的无损、精确测量，但目前针对绝缘较厚的实际全尺寸电缆进行测量存在困难。除此之外，PEA法对压电传感器精度、信号处理与重构算法等有较高要求。基于PWP法测试系统的分辨率与PEA 法处于同一数量级，但PWP法的高压回路与信号回路只存在耦合电离，其信号极易受到外部干扰噪声的影响。TSM法则能够针对实际全尺寸电缆进行测量，但实际测试过程中脉冲电流幅值往往较小，信号的抗干扰与后续处理等需要进一步研究。
2.3.3 残余电荷法
传统的残余电荷法首先向水树老化电缆施加直流电压，这时水树区域会积累空间电荷，一段时间后接地，此时仍有部分被深陷阱捕获的空间电荷（即残余电荷）存在于绝缘中，随后向电缆施加交流电压，残余电荷得以释放，通过对比不同电缆样本在此过程中的直流成分及其对时间积分的差异，可以评价绝缘水树的老化程度。
残余电荷法的相关研究虽然较多，但实际工业应用却未见相关报道。其次，残余电荷法的测试设备体积较大、如何去除直流杂散电流的干扰以及建立不同长度电缆的测试数据库以准确评估电缆的水树老化程度等问题也有待进一步研究。此外，在直流电压预压下，电缆绝缘内部注入的空间电荷是否会对绝缘造成二次损伤也未有相关评估。
2.3.4 极化去极化电流法
极化去极化电流法（polarization and depolarization current，PDC）是一种非破坏性并且可靠的测试手段，通过测量材料的介电响应并从中提取相应的老化特征参数，能够有效诊断电缆绝缘的水树老化程度。
PDC测试通常对测试样本施加直流电压，一段时间后将样本短接，如图4 所示，通过测试回路中产生的极化与去极化电流，分析绝缘的直流电导率、非线性系数、老化因子等特征参数，以此衡量绝缘的老化程度。
图2 极化去极化电流测试结果示意图
需要指出的是，PDC法虽然能够较好地判断水树老化电缆的劣化程度，但目前并不能对未知电缆的具体老化形式（水树老化、热老化、绝缘受潮等）作出准确判断。其次，由于水树通常被视为非线性元件，水树老化电缆绝缘的介电响应往往也是非线性的，即其测试结果（电导率、介电常数、介质损耗因数等）通常随测试电压的不同而呈现较大的差别，因此进一步研究测试电压对这些参数的影响成为该方法能否工业化应用的关键。
3.1 水树的抑制和解决措施
水树是绝缘内部缺陷在水分与电场的长期作用下形成的，因此，针对XLPE 电缆中的水树，未来的抑制与解决思路主要有以下几种：
①改变交联方式：改变交联方式能够有效减少电缆绝缘中的含水量和微孔数量及尺寸（如将湿法交联改为干法交联），抑制水树的引发起始点与必要的生长条件。
②材料的净化处理：将材料进行超净化处理，消除局部的电场集中。目前电缆挤出生产线采用“三层共挤”技术，能够同时挤出绝缘层和绝缘屏蔽层，大幅度减少了绝缘和杂质接触的机会。
③ 材料改性：采用抗水树交联聚乙烯（TR-XLPE）作为电缆的绝缘材料，或对绝缘材料进行改性，抑制水分在电场下的迁移，从而达到抑制水树生长的目的。
④绝缘修复技术：对于已经产生水树老化的电缆，采用基于硅氧烷注入的绝缘修复技术，能够在填充水树区域的同时，提高电缆的绝缘性能。
3.2 诊断技术的改进
未来的诊断技术应在已有研究的基础上，实现水树老化电缆绝缘状态的无损检测与直观评估，同时为了减少停电时间，诊断技术应向在线检测与耗时较少的方向发展。
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