绝缘材料水树产生及发展机理的研究现状.pdf

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1、2006年第6期No.62006电 线 电 缆Electric Wire&Cable2006年12月Dec.,2006绝缘材料水树产生及发展机理的研究现状王 乐,孙 颖,汪辉平,曹晓珑(西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安710049)摘要:本文介绍了水树枝的定义、分类以及影响因素,在参考了16篇中外文献的基础上综述了常用绝缘材料中水树的生长过程和引发机理,推导出水树长度与老化时间、电场强度等因素的关系式。关键词:绝缘材料;水树枝;水树生长过程;水树生长机理中图分类号:TM201.4;TM247.1文献标识码:A文章编号:167226901(2006)0620005204S

2、tatus2Quo of the Study on Water2Tree Generation and Growth in Insulating MaterialsWANGLe,et al(Xian Jiaotong University,State Key Laboratory of Electric Power Equipment and Electrical Insulation,Xian 710049,China)Abstract:This paper presents the definition,classification and responsible factors of w

3、ater trees.Based on 16 papers onwater2treeing at home and abroad,the author summarized the mechanism of water2tree generation and growth in commoninsulating materials and deduced an equation depicting the relationship between the water2tree length and the ageing time,field strength and other respons

4、ible factors.Key words:insulating materials;water2tree;process of water2tree growth;mechanism of water2tree growth收稿日期:2006205224作者简介:王 乐(1983-),男,河南周口人,在读硕士研究生.作者地址:陕西西安市咸宁西路28号7100491 引 言从上个世纪60年代起,绝缘材料的水树枝化逐渐引起了人们的注意。科研人员越来越清楚的认识到树枝化是导致电力设备尤其是中高压电缆绝缘破坏的主要原因。虽然水树的生长过程非常缓慢,并不能直接导致电力设备绝缘层的击穿,但是最近的研究

5、发现,水树可以进一步发展成为电树。电树的生长过程很快,可以迅速导致击穿。因此,对水树的研究就显得十分重要。自从第一篇有关水树枝的文献发表至今已有近40年之久了,其间对树枝化的研究从未间断。许多外文文献对这一现象给出了解释或建立了模型16。但是国内对这一现象的研究还停留在宏观领域,中文文献只对水树生长的影响因素,水树的宏观形态有粗略的描述。因此,本文在参考16篇中外文献的基础上对其生长过程、引发机理进行了介绍。2 水树的定义及分类2.1 水树的定义水树的准确定义还很难统一。一般认为,水树是交联聚乙烯(XLPE)绝缘发生降解的一种现象,它是由于水分侵入XLPE绝缘层中,在电场作用下形成的树枝状物。

6、电气学会的技术报告对它的定义是:“水树枝是聚乙烯(PE)类绝缘材料在长时间与水共存的状态下因电场作用产生的,形状为充满了水的各种树枝状的细微通道或气隙”。水树枝是亲水状特征物,开始时水树枝是一些链状充水孔穴,以后形成具有亲水性表面的树枝状细微通道。在潮湿和电应力条件下,在几年里水树枝可增长到1 mm左右。在电缆中,水树出现的区域主要是半导电层与绝缘层接触面的凸起处,和绝缘层的内部缺陷(气孔、杂质等)处,这些地方电场强度较高,因此常常成为水树的引发点。水树微观形态如图1所示。图1 水树的微观形态2.2 水树的分类按照水树的形态可将它们分为两类:(1)弓条状水树枝(bow tie tree),形如

7、弓条,含有从中心点向相反方向辐射的直扩展分支。绝缘材料内部的弓条状水树枝通常与电场方向一致,如图2a所示。(2)开口状水树(vented tree),形如主干通向绝缘表面或绝缘屏蔽层交界的树枝,分支通常与电场方向一致,远离绝缘表面或界面,如图2b所示。图2 水树的宏观形态3 影响水树生长的因素影响水树枝生长的因素很多,如电场强度、电场频率、温度、材料的结构,以及盐溶液的种类和浓度等等。这些在中文的许多文献里都有讨论79。在最近的研究中发现1011,电场频率是加速绝缘材料老化的一个重要因素,对水树枝生长速度的影响尤其大。众所周知,在直流电压下绝缘材料中极少会出现水树。电场频率对水树的作用为我们提

8、供了一条重要的信息:绝缘材料的疲劳是引发水树的一个至关重要的因素,或者可以说疲劳是水树枝生长的根本原因。加拿大学者Jean2Pierre Crine和新加坡学者Jinder Jow长期从事材料水树枝的研究,他们通过大量实验得出一条重要结论:在其它实验条件保持不变的情况下,水树枝长度L的对数lgL随着电场周期N的对数lgN的变化呈线性变化,即lgL=KlgN,K为常数,N在数值上等于电场作用时间t与电场频率f的比值,即N=tf。本文将详细讨论这一结论推导过程。4 水树的生长过程M.H.Abderrazzaq等人用光学显微镜全程观察了环氧树脂(EP)中水树枝生长的全过程1,所使用的试验槽如图3所示

9、。图3 水树枝试验槽 根据他的实验结果,常用绝缘材料中水树的生长可以被分为以下三个阶段:水分渗入绝缘材料阶段;水树的起始阶段;水树的生长(繁殖)阶段。各个阶段水树的发展情况及其特征介绍如下(以水树在EP中的生长过程为例):(1)水分渗入阶段。一般情况下,绝缘材料的分子链并不是紧紧靠在一起,分子链之间会有一些十分微小的小孔,被称为自由体积空间或者自由体积空穴。例如在22 时,结晶度为45%50%的聚乙烯(PE)中,自由体积空穴的总体积大概占PE体积的6%8%,一个自由体积空穴的体积V0310-28m3。在潮湿的环境中,电场的作用下水分会经材料的无定型区渗入到材料内部的自由体积空穴中。电场施加一段

10、时间后,这些小空穴会聚集起来形成较大的小孔穴,小孔的大小与环境条件(如电场强度)有关,尺寸从几十纳米到几微米不等。这些小孔穴几乎均匀地分布在试样材料的整个体积内(针电极和下表面之间的区域孔穴的密度比其它地方稍大,如图4a所示)。这个阶段至少经过20 h才能完成。此时,充水孔穴之间没有明显的通道,还不能观察到树枝状痕迹。图4 水珠的形态及分布(2)水树起始阶段。这个阶段材料内部的水分越聚越多,充水孔穴在数量和体积上都明显增大20,21,其增长快慢取决于材料的吸水性能。无定型区是最容易吸水和融入杂质的地方,因此,无定型区多的材料,如环氧树脂,较容易引发水树枝。在树枝起始阶段,相邻的充水孔穴之间距离

11、缩短,新形成的孔穴体积较小,一般会分布在已有的大孔穴之间,如图4b所示。本阶段出现的时间在第一阶段之后约10 h。(3)树枝生长阶段。第二个阶段之后,充水孔穴进一步增大、增多,有些聚集在一起,此时形成的空穴尺寸都在微米级。这些孔穴内的水珠在电场的作用下趋向椭球形变化,对材料施加电致机械应力。62006年第6期No.62006电 线 电 缆Electric Wire&Cable2006年12月Dec.,2006同时孔穴之间开始形成将彼此连通的细丝状通道。在这个阶段电场的作用有两个:使材料吸水并使水分均匀分布;提供给水珠张力以打开连接水珠的通道。这个过程发生在出现水树起始阶段后的15 h,再经过大

12、约25 h水树枝的形状清晰形成,如图4c所示。由图中可以发现,水树枝是由许多微孔连成的树枝状通道。在枝干上可以看到明显的孔洞,这也是水树枝在形态上区别于电树枝的明显标志。但是,连接每个充水孔穴的细丝状通道不易观察到,尤其是在水树枝中的水分挥发以后。5 水树的生长机理及其长度的计算5.1 水树枝的引发和生长机理在过去的20年中,关于水树枝引发和生长的机理有很多种解释,大致分为两类:一类观点认为渗入到材料内部的小水珠在电场的作用下发生沿电场方向的形变,形状由球形变成椭球形,并同时对材料施加沿电场方向的挤压力,当它施加给材料的能量超过材料分子链的键能时,就导致分子链的变形或者键的断裂,以及材料的破坏

13、,在这些区域就会形成一些微小的充水孔穴。Tanaka,Patsch和Sletbak首先提出了这种理论模型,Filippini,Bulinski和Crine等人通过实验验证了这一理论5。另一类观点的核心思想是水树正在化学反应,尤其是氧化反应的作用下形成的,是由水、离子、聚乙烯共同参与完成的,分子链的断裂是由电缆运行过程中的高温和缺陷处电场集中引起的高温造成的。Ross2,14支持这种观点,他通过研究发现所有氧化产物中羧基离子对水树的起始和生长起到了关键作用。前几年,Fan和T oshimura指出,金属离子的化学势能也是水树生长的重要因素15。近些年,越来越多的文献支持第一种观点,即电场力导致水

14、珠发生变形并对绝缘材料施加电致应力,从而导致材料内部形成水树,随着材料中渗入的水分增多,水树枝化的区域受到的应力越来越大。这种应力可以通过下式计算16:P=12(ED)n+12(ExDx)n+02mdrdmE2n(1)式中,P为界面应力;n为垂直于界面的单位向量;E为电场强度;D为介质电通密度;Ex、Dx分别为E、D沿平行于界面方向的分量;m为材料的密度;0为真空介电常数;r为介质的相对介电常数。充水孔穴电致应力的应力分布会随着孔穴数量的增加和形态的变化而变化。新的孔穴通常会出现在老孔穴的附近,由于在电场的作用下,充水孔穴内水珠的形状会趋向于椭球形,因此,在椭球的尖端电场会进一步增强,从而更加

15、促进水珠的形变。水树枝就在电场和水分的共同作用下逐渐生长、发展。5.2 水树枝的模型及其长度的计算水树的几何结构取决于很多因素,如电场强度、频率、溶液浓度等。研究表明水树枝化的区域里是由一排排孔穴组成,或者可以形象地描述为一串串珍珠的形貌。这些孔穴的几何尺寸大约在0.1m到5m。连接这些孔穴的细微通道很难被观察到,其长度大的有几个微米,直径小于100 nm,水树的这种“珍珠串”模型如图5所示。图5 水珠的珍珠串模型 上文曾提到,水树的生长快慢很大程度上取决于电场的周期数。电场强度为E时,假设一个电场周期内有n个微孔生成。这些微孔能否形成取决于电场施加给材料的能量(0rE22)和材料的弹性极限的

16、大小。材料的弹性极限通常用屈服强度(yield strength)Y表征,屈服强度越大,材料越不容易被破坏。例如,聚乙烯的屈强度在22 时大约为1.5107Nm2。水树生长的条件是充水孔穴内水珠的扩张能量大于材料的弹性能量。当N个周期电场施加给充水孔穴的能量大于材料屈服强度(Y)与水树体积(V)的乘积时,水树就会生长,即:12Nr0nv0E2YV(2)式中,0,r为真空介电常数和溶液的相对介电常数;E为电场强度;Y为绝缘材料的屈服强度;v0为单个微孔的体积。为了简化计算,我们假设水树枝形状为球形,球的直径为L,此时水树的体积V为:V=43(L2)312L3这里是一种粗略的简化计算,但实践证明采

17、用其它形状简化给结果带来的影响并不大。例如,假设水树的形状为圆锥,圆锥的高为水树的长度(L),圆锥的底面直径也为L,则此时水树的体积为:72006年第6期No.62006电 线 电 缆Electric Wire&Cable2006年12月Dec.,2006V=13(L2)2L14L3因此,形状的简化对定性计算的影响不大。若采用球形简化式(2)可变为:N0rnv0E2YL3(3)这种N与L3的线性关系在实验中也得到了验证5。n的大小取决于溶液在材料中的扩散速率,根据液体扩散方程n=n0t12(n0为常数,其大小取决于材料结构、液体的流动性和强度;t为时间)。由此式(3)可变为:L(N0rn0t1

18、2v0E2Y)13(4)式中,未知的参数只有r和n0。Cine等人通过实验验证了此方程,实验数据与理论吻合得相当好。通过对式(4)的分析,我们可以得出有关水树生长的如下结论:(1)r表示溶液的相对介电常数,因此在没有溶液参与的情况下水树不会生长。(2)当其它条件保持不变时,在对数坐标轴下,lgL与lgN呈线性关系;直角坐标系下,L与t16或者E23呈线性关系。(3)一条更有趣的结论是:理论上直流电压下(N=1)也能产生水树,但需要相当长的时间。6 结束语自从交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆投入使用以来,水树枝对电缆绝缘层的破坏一直都是倍受关注的焦点。因此,有必要对水树的定义、分类、其产生和发

19、展的机理以及影响因素有一个清楚的认识。这可为科研工作者们研究如何抑制水树的发展打下良好的基础。参考文献:1M.H.Abderrazzaq.Development of water tree structure in polyesterresinJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2005,12(1):1582165.2R.Ross.Inception and propagation mechanism of water treeingJ.IEEE Transactions on Dielectrcs and

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21、olymer insulated cables under wetconditions J.IEEETransactionson Dielectrics and Electrical Insulation,1991,6(6):9292937.5Jean2Pierre Crine,Jinder Jow.A water treeing model J.IEEETransactionson Dielectrics and Electrical Insulation,2005,12(4):8012808.6Jean2Pierre Crine,Jiner Jow.A new water treeing

22、model A.Proceedings of International Conference of Solid Dielectrics 04thC.2004.3912394.7 豆 明.几种因素对水树生长影响的研究J.绝缘材料,2005,(1):33236.8 豆 明.交联聚乙烯电缆中水树研究的现状J.绝缘材料,2005,(2):61264.9 党智敏,等.聚合物中水树的研究现状J.电线电缆,2001,(4):30233.10J.P.Crine.Electrical,chemical and mechanical processes in watertreeing J.IEEETransac

23、tions onDielectricsandElectricalInsulation,1998,5(6):6812690.11J.P.Crine,J.L.Parpal.Fatigue as a major parameter in someelectricalagingmechanism ofvariousdielectrics A.IEEEProceedings AC.1996.8492855.12M.Abderrazzaq,D.W.Aucklang,B.R.Varlow.Effect of waterabsorption on the growth of water trees in co

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