第27卷㊀第12期2023年12月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.12Dec.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀不同气压下XLPE 电缆水树生长特性朱博1,㊀付伟强1,㊀张涛2,㊀朱亚琦1,㊀何生坤1(1.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;2.国网黑龙江省电力有限公司佳木斯供电公司,黑龙江佳木斯154000)摘㊀要:为了探究气压对交联聚乙烯(XLPE )电缆水树枝生长特性的影响,选用不同气压环境对XLPE 电缆进行水树老化,基于水针电极法搭建气压环境电缆的水树老化平台并进行老化㊂从宏观介电性能测试与微观形貌检测相结合的角度,分析XLPE 电缆在不同条件下水树枝的生长特性㊂对不同气压环境老化后的电缆进行宏观微观测试,发现在老化初期,气压条件对电缆水树老化的促进作用很小,到了老化中期,随着气压的升高,电缆水树老化程度也随之升高㊂将不同条件下老化后电缆的宏观测试结果与微观测试结果相结合,得到使用直流电导率㊁0.1Hz 介质损耗因数及老化因子对XLPE 电缆内部水树密度的预测模型,实现了对不同条件下老化后电缆水树老化程度的无损检测㊂微观检测结果表明,气压环境在老化前期对水树生长无明显作用,老化后期对水树生长起促进作用㊂关键词:交联聚乙烯电缆;水树老化;水树;气压环境;极化去极化电流;微观结构DOI :10.15938/j.emc.2023.12.011中图分类号:TM85文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)12-0105-12㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2023-07-18基金项目:国家自然科学基金(51707048)作者简介:朱㊀博(1987 ),男,博士,副教授,博士生导师,研究方向为电气设备绝缘在线检测技术㊁绝缘诊断;付伟强(1998 ),男,硕士研究生,研究方向为电缆绝缘老化㊁树枝状缺陷特性;张㊀涛(1998 ),男,硕士,研究方向为交联聚乙烯电缆水树老化及特性;朱亚琦(2000 ),男,硕士研究生,研究方向为交联聚乙烯水树老化及自修复;何生坤(1999 ),男,硕士研究生,研究方向为交联聚乙烯材料接枝改性㊂通信作者:付伟强Growth characteristics of XLPE cable water tree underdifferent air pressuresZHU Bo 1,㊀FU Weiqiang 1,㊀ZHANG Tao 2,㊀ZHU Yaqi 1,㊀HE Shengkun 1(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China;2.State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.Jiamusi Power Supply Company,Jiamusi 154000,China)Abstract :In order to explore the influence of air pressure on the growth characteristics of water branches of cross-linked polyethylene(XLPE)cable,different air pressure environments were selected to age the water tree of XLPE cable,and a water tree aging platform for air pressure environment cable was builtbased on the water needle electrode method and ages.From the perspective of combining macroscopic di-electric performance test and microscopic morphology detection,the growth characteristics of water bran-ches of XLPE cable under different conditions were analyzed.The macroscopic test of the aging cable un-der different air pressure environment shows that in the early stage of aging,the air pressure conditions have little effect on the aging of cable water trees,and in the middle of aging,with the increase of air pressure,the aging degree of cable water trees also increases.By combining the macroscopic test resultsand microscopic test results of aging cables under different conditions,a prediction model of the internalwater tree density of XLPE cable using DC conductivity,0.1Hz dielectric loss factor and aging factor was obtained,and the non-destructive testing of the aging degree of cable water tree after aging under different conditions was realized.The microscopic test results show that the barometric environment had no obvious effect on the growth of water trees in the early stage of aging,and promoted the growth of water trees in the late aging stage.Keywords:cross-linked polyethylene cable;aging of water trees;water tree;atmospheric pressure envi-ronment;polarization and depolarization current;microstructure0㊀引㊀言交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆的特殊分子结构和交联结构使其具有优异的机械及电气性能,在全世界范围内被广泛应用[1]㊂水树老化是导致XLPE电缆绝缘性能下降㊁运行寿命缩短的主要因素,探究水树枝生长特性,判断电缆内部水树老化程度,逐渐成为电缆老化问题的关键,研究在不同条件下XLPE电缆的水树老化特性㊁寻找水树生长规律,对保障电力系统的安全运行有着重大意义[2-3]㊂XLPE电缆在外电场和环境的共同作用下会发生热氧老化,聚乙烯大分子链断裂会产生H2㊁CO2㊁CO等气体,在电缆内部产生局部高气压,会进一步加速水树的生长,最终造成绝缘层开裂㊁电缆鼓包㊁电缆接头爆炸等故障,故气压是影响XLPE电缆老化甚至绝缘破坏的重要因素之一[4-5]㊂目前关于气压因素对XLPE水树枝影响的研究已取得了初步进展,但其只关注于气压或局部气压对电树枝的生长规律及老化特性[6-7],而关于气压对水树枝影响的研究仍是空白㊂ZHOU Lijun等为探究气压对XLPE 电缆电树的温度依赖影响,通过实验发现在不同温度下气压对电树的引发和生长有着不同的影响㊂XLPE在低温下处于玻璃态,气体压力抑制了电树在生长期的发展;高温下XLPE处于高弹态时,高温高压存在较多的缺陷和分支通道,这是流柱发展的根本原因,从而加速了局放的发展[8]㊂周利军等研究发现:低温XLPE处于玻璃态,局放初期材料的机械性能良好,气压的升高对局放引发和生长初期无影响㊂局放后期,剧增的局部放电使插针区域软化,在气压作用下产生形变,电树枝沿应力集中区迅猛发展㊂高温XLPE处于高弹态,自由体积分数增加,气压越高绝缘材料受到的轴向拉力越大,材料电气性能下降越明显,树枝引发后通道气压升高,导致载流子更容易产生流柱进一步促进树枝状缺陷[9-11]㊂成睿研究了4种不同气压和温度下XLPE电缆和切块试样,研究发现,低温下内壁气压对电树引发无明显作用,对生长有抑制作用㊂高温下气压电树的引发与生长起促进作用㊂分析认为内壁高气压导致大面积高温软化区产生形变是促进电树枝生长的主要因素㊂高温时XLPE力学模量的降低促进电树枝的引发,内壁气压对分子链的拉伸和通道内气压增强流柱放电过程导致电树枝的生长加剧[12-17]㊂岳刚等分别以XLPE短电缆和电缆绝缘层切片为试验样品,搭建试验系统,研究了局部气压作用在绝缘层或绝缘材料微孔内时的局部放电及其绝缘老化特征,发现局部高气压使电树枝通道内局部放电加剧,绝缘老化加速;微孔内的气压相较于绝缘层气压对电树枝内局部放电的促进作用更加明显[18]㊂综上所述,众多学者对于不同气压环境下XLPE电缆电树枝引发生长特性及老化过程进行了充分研究,但均只关注于电树枝老化一种老化形式,电缆实际运行时更容易在XLPE中产生水树枝,水树老化同样是电缆绝缘失效的重要原因之一,并且在一定条件下电树枝和水树枝可以相互促进生长,但目前针对气压和水树枝引发生长的相关研究目前尚无报道,因此研究在不同气压下XLPE电缆的水树老化特性和水树生长机理,寻找气压对水树生长的影响规律,准确检测并评估XLPE电缆水树老化程度,保证电缆安全运行具有重要意义[19-22]㊂为研究气压对XLPE电缆水树老化的影响及高气压下的水树生长特性,本文基于15kV的XLPE电缆试样,制作了可改变气压的电缆水树老化平台,通过人工制造水针缺陷来模拟电缆绝缘电场应力缺陷,对不同气压下的XLPE电缆样本进行2组不同时间的水树老化实验㊂宏观测试:对老化后电缆进行极化去极化电流(polarization and depolarization current,PDC)测试并分析,依据测试结果计算得到老化后电缆的直流电导率㊁0.1Hz介质损耗因数及老化因子,通过宏观参数的变化规律分析电缆在不601电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀同气压环境下的老化情况㊂微观测试:对电缆试样进行切片,在显微镜下观察水树枝微观形貌,通过扫描电镜对水树横断面进行观测,对切片试样采用红外光谱分析㊂最后,通过汇总宏观参数和微观形貌参数,结合宏观与微观参数对电缆样本进行水树生长特性分析及电缆老化评估㊂1㊀实验设计及测量方法1.1㊀XLPE 电缆试样制备在进行电缆老化实验前,需要对电缆进行预处理工作㊂制备不同气压和老化时间的对照组试样,分组如表1所示㊂表1㊀不同气压下老化的电缆试样设置Table 1㊀Setting of cable samples aged at differentair pressures试样编号老化时长/d所处气压/MPa老化条件A 14B 28C 14D28E 14F280.10.20.37.5kV 400Hz 本实验选取的是WDZ -YJY -8.7/15kV 型电缆,预处理工作流程如下:将电缆的护套㊁铠装㊁填充材料以及铜屏蔽层全部去除,并将其切割成50cm 的短电缆样本,剥去其两端5cm 的绝缘层,裸露铜芯㊂在电缆两端剥离10cm 的外半导电层,露出XLPE 绝缘层,保证足够的绝缘距离,防止发生沿面放电㊂以中间外半导电层区域15cm 为水树培养区,将曲率半径为3.0ʃ0.2μm 的钢针垂直扎入间隔5mm㊁深度2.5mm 的上下两排共计60个针孔㊂随后,将电缆两端绝缘层套上内径为30mm 的防水热缩管,令其与电缆绝缘层紧密贴合防止漏水,然后,在中间扎过针孔缺陷的部分套上内径为40mm 的热缩管,将其两端收紧,中间留出空腔中注满1mol /L 的NaCl 溶液,在热缩管正上方预留孔位,用来放置电极和注入溶液㊂在老化前将试样置于预制气压下24h㊂1.2㊀XLPE 电缆水树老化实验XLPE 电缆样本的预处理工作完成之后,对其进行水树老化实验,不同气压水树老化实验平台示意图如图1所示㊂本文的水树老化实验电源均设置为有效值7.5kV㊁频率400Hz 的正弦交流电压,由Tektronix AFG3022C 型函数发生器发出一个400Hz的小电压信号,并由Trek 30/20A 型功率放大器放大,将高压加在铜鼻子端㊂图1中30kΩ电阻为保护电阻,可以限制击穿和充放电时的回路电流,防止电流过大破坏电源从而保护设备,同时为了防止加压时电缆距离地面太近而导致放电,将电缆支撑在离地10cm 左右的位置㊂实验所用的铜电极由227IEC01(BV)型450/750V 铜芯聚氯乙烯绝缘电缆线芯替代,将其一端接地,另一端伸入老化溶液水平面以下㊂老化开始后使用高压探头以及示波器观察电缆上所加电压的波形㊁幅值以及频率㊂实验均在室温下进行,在老化过程中不可避免地会遇到老化溶液中的水分蒸发,并伴随着溶质析出的情况,还要定期将析出的溶质重新收集回热缩管的空腔中,并补充水分直至水位线到达之前的高度㊂图1㊀不同气压水树老化平台示意图Fig.1㊀Schematic diagram of different air pressure water tree aging platform701第12期朱㊀博等:不同气压下XLPE 电缆水树生长特性1.3㊀不同气压老化实验平台的搭建为了模拟XLPE 电缆运行过程中在电缆内部产生的高气压环境对电缆水树枝引发和生长的影响,本文搭建了能够调节短电缆样本所处环境气压的加速水树老化试验平台㊂图1中的实验装置主要由气泵㊁导气管㊁气动接头㊁压力罐㊁气压表等组成㊂压力罐由无锡市凯宏达化工设备有限公司生产,最高可承受1.5MPa 的压力,气泵为ZB -0.11/7型空气压缩机,使用开关阀对气体的流速进行控制,将气泵中的气体通过导气管和气动接头注入压力罐中㊂在压力罐上方开两个螺纹孔并接通两根导线,并使用AB 胶将导线与螺纹内壁紧密贴合,一根用来接通老化电源,另一根接地㊂水树老化装置需置于气压实验平台中,在保证接线可靠的前提下密封压力罐,以保证老化全程罐内气压稳定㊂电缆试样两段铜芯裸露且铜芯连接高电压,而整个压力罐接地,故为防止发生短路,电缆试样和绝缘支撑架固定在压力罐内部,以保证试验时电缆试样与压力罐不发生相对位移㊂将高压端接在电缆试样的铜鼻子上,接地端连接在电缆热缩管上方的铜电极上㊂将导线合理摆放后封闭压力罐,并拧紧罐口的螺丝防止漏气,打开开关阀并观察气压表,直到罐内气压达到实验所需时关闭阀门并把导气管从气动接头上拔出㊂1.4㊀XLPE 电缆老化测量方法本文研究搭建不同气压环境下XLPE 电缆水树老化及生长特性,在不同气压下对XLPE 电缆进行水树老化,通过PDC 测量㊁频域介电谱分析从宏观角度判断电缆老化程度,通过光学显微镜㊁扫描电镜和红外光谱等方式获取树枝状缺陷的微观形貌㊁断面特征㊁元素及化学键特征,数据化对比分析不同气压下缺陷的演化规律,基于电物理㊁电化学㊁高分子材料学等理论分析气压因素对XLPE 电缆树枝状老化的影响,为电缆的绝缘可靠性评估及电缆寿命的提升提供理论支撑㊂2㊀宏观参数测量分析2.1㊀PDC 测试方法XLPE 电缆试样的几何电容C 0的计算方法为C 0=2πε0L ln(R 2R 1)㊂(1)式中:L 为电缆绝缘层的纵向长度,m;R 1为绝缘层内半径,m;R 2为绝缘层外半径,m㊂电缆的直流电导率表达式为σ0=ε0C 0U 0[i pol(t )-i depol (t )]㊂(2)由此可得XLPE 电缆绝缘的介质损耗因数频域关系为tan δ(ω)=εᵡ(ω)εᶄ(ω)=σ0/ε0ωεɕ+χᶄ(ω)+χᵡ(ω)εɕ+χᶄ(ω)㊂(3)式中:tan δ(ω)为电缆的介质损耗因数;εᶄ(ω)为复介电系数的实部;εᵡ(ω)为复介电系数的虚部㊂式(3)中等式右边第一项表示电导损耗因数,第二项表示极化损耗因数㊂复极化率的实部εᶄ(ω)和虚部εᵡ(ω)可用电缆的去极化电流联立下式进行求解㊂XLPE 电缆绝缘的复极化率为χ(ω)=χᶄ(ω)-j χᵡ(ω)=ʏɕ0i depol (t )C 0U 0e j ωtd t ㊂(4)式中:χ(ω)为XLPE 的复极化率;χᶄ(ω)为复极化率χ(ω)的实部;χᵡ(ω)为复极化率χ(ω)的虚部㊂将PDC 测试得到的极化电流和去极化电流分解为3阶指数衰减的函数,表达式为:㊀㊀㊀i pol (t )=I 0+ð3i =1a i e -t τi;(5)㊀㊀㊀i depol (t )=ð3i =1a i e -tτi㊂(6)式中:I 0为去极化电流的稳态值,A;i 代表上述3条支路的极化类型;a i 为3种极化类型的拟合系数,能够反映介质内的陷阱密度;τi 为3种极化的时间常数,能够反映介质内的陷阱深度;t 为时间,s㊂在电缆绝缘的三支路扩展德拜模型中,第一㊁第二支路的时间常数较小,且电缆在正常运行过程中,其时间常数几乎不发生变化㊂但当电缆内部发生水树老化时,代表电缆中金属盐㊁极性基团与水合离子极化的第三支路时间常数τ3的变化较大㊂由于电缆水树老化的这种特殊性,可以用Q (τ2)和Q (τ3)的比值计算得到老化因子A f 来表征电缆的老化程度,Q (τ2)代表了电缆绝缘内无定形区与晶区界面极化的影响,Q (τ3)代表了离子与水分子极化的影响,计算公式为A f =Q (τ3)Q (τ2)㊂(7)式中:A f 为电缆的老化因子;Q (τ2)和Q (τ3)的表达式为:801电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀Q (τ2)=a 1τ1+a 2τ2(1-1e)+a 3τ3(1-e -τ2τ3);(8)Q (τ3)=a 1τ1+a 2τ2(1-e -τ3τ2)+a 3τ3(1-1e)㊂(9)老化因子A f 可以判断XLPE 电缆的老化状态㊂但电缆中存在的缺陷位置不同㊁电缆的材料及制作工艺的差别㊁各国电缆的制作标准不同等都会影响老化因子的大小,因此各国对于老化因子的判据并不统一㊂2.2㊀PDC 测试结果及分析使用0.1mol /L 的氯化钠溶液在0.1㊁0.2㊁0.3MPa 3个气压等级下对XLPE 电缆进行水树老化实验,老化时长为14及28d㊂老化结束后,对电缆进行PDC 测试,绘出极化-去极化电流图㊂不同气压环境下老化14和28d 的极化-去极化电流分别如图2和图3所示㊂图2㊀不同气压环境老化14d 电缆的极化-去极化电流Fig.2㊀Polarization-depolarization current of cables aged for 14days under different pressures由图2可知,老化14d 后,气压环境对电缆样本的去极化电流影响不大,3个气压条件下电缆的去极化电流相差不明显㊂由图3可知,老化28d 后,气压环境对电缆的去极化电流略有影响,随着电缆周围环境气压的升高,其去极化电流也有所增大㊂图3㊀不同气压环境老化28d 电缆的极化-去极化电流Fig.3㊀Polarization-depolarization current of cables aged for 28days under different pressures将不同气压环境老化后电缆的直流电导率绘制成折线图,结果如图4所示㊂可以看出,老化14d 后,3种气压环境下电缆的直流电导率相差不大;老化28d 后,随着电缆周围环境气压的升高,老化后的直流电导率也随之变大㊂因此可以初步断定,气压环境在前期对电缆的老化程度影响并不大,在老化28d 时才有显著影响㊂电导率的这种变化趋势可能是由于在老化初期XLPE 分子链比较完整,将其破坏时所需能量较高,高气压环境给离子带来的冲击力及能量不足以更快地破坏分子链结构,导致水树通道的生长速度变化较小,使直流电导率的增长幅度不大㊂老化28d 时,交联聚乙烯分子链已经开始产生形变并断裂,离子在高气压环境下所增加的动能足以破坏部分形变的分子链,导致电导率增长的速度较老化初期更快㊂不同气压环境老化后电缆的介质损耗因数如表2所示㊂901第12期朱㊀博等:不同气压下XLPE 电缆水树生长特性图4㊀不同气压环境老化后电缆的直流电导率Fig.4㊀DC conductivity of cables aged under different atmospheric pressure environments表2㊀不同气压环境老化后电缆的介质损耗因数Table2㊀Dielectric loss factor of cables aged under differ-ent atmospheric pressure environments电缆编号0.1Hz tanδ/%50Hz tanδ/%A0.1880.085B0.1950.081C0.1920.083D0.3160.128E0.3480.141F0.3710.159由表2可知,老化14d后,3种气压环境下电缆老化后的0.1Hz tanδ值均在1.4ˑ10-3左右,已经大于1.2ˑ10-3,说明XLPE电缆绝缘层已经开始老化,但不同气压对电缆的老化程度影响不大,通过西林电桥测量的50Hz tanδ值也能证明此结论㊂老化28d后,电缆的0.1Hz tanδ值及50Hz tanδ值随气压的升高,均有明显的上升趋势,说明气压环境在老化前期对电缆的影响不大,而随着老化时间加长,气压对电缆的水树老化程度影响开始逐渐增大,随着周围环境气压的升高,电缆的老化程度呈上升趋势㊂将不同气压环境老化后电缆的去极化电流代入式(7)~式(9)中,计算出不同气压环境老化后电缆的老化因子如图5所示㊂由图可知,老化14d后,电缆的老化因子随气压的升高并没有明显的变化,老化28d后,随着周围环境气压的升高,电缆的老化因子呈升高趋势㊂结合电缆直流电导率㊁介质损耗因数和老化因子的变化趋势,可以说明老化前期气压环境对电缆老化程度的影响并不是很大,而随着老化时间的加长,电缆的老化程度随周围气压环境的升高呈增大趋势㊂图5㊀不同气压环境老化后电缆的老化因子Fig.5㊀Aging factors of cables aged under different at-mospheric pressure environments通过对比不同气压环境老化后电缆的宏观参数测试结果发现,前14d内气压环境对电缆老化程度的影响不大,在老化14~28d内,电缆的老化程度随周围气压环境的升高呈增大趋势㊂2.3㊀基于宏观参数对电缆水树老化程度的预测本文使用皮尔逊相关系数法对电缆的微观参数与宏观参数的关联程度进行分析,该方法可准确衡量两组变量之间的关联程度㊂皮尔逊相关系数适用于两个变量标准差都不为0且两个变量之间是线性关系,水树密度分别与直流电导率㊁介质损耗因数和老化因子满足上述关系,故可以采用皮尔逊相关系数评估其相关性,据此将宏观参数与微观参数相结合㊂为了建立XLPE电缆内部水树微观结构与宏观参数的关联性,采用皮尔逊相关系数法将电缆PDC 测试所得的老化因子㊁直流电导率㊁0.1Hz介质损耗因数3个评价指标与水树密度进行相关性分析,衡量两组数据之间的关联程度[19-20]㊂两个变量之间的相关系数计算方法为r=ðn i=1(x i-x-)(y i-y-)ðn i=1(x i-x-)2ðn i=1(y i-y-)2㊂(10)式中:r为皮尔逊相关系数;x为第一种变量;y为第二种变量;n为样本数量;x-为x的平均值;y-为y的平均值㊂为了得到不同气压环境下XLPE电缆的水树枝生长预测模型,要将电缆的宏观参数与水树密度进行拟合,首先计算出电缆的水树密度如表3所示㊂其次用式(10)计算出宏观参数与水树密度的相关系数,结果如表4所示㊂011电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀表3㊀不同气压环境老化后电缆的水树密度Table3㊀Water tree density of cables aged in different at-mospheric pressure environments表4㊀宏观参数与水树密度的相关性计算结果Table4㊀Calculation results of correlation between macro parameters and water tree density㊀㊀宏观参数皮尔逊相关系数直流电导率0.9950.1Hz介质损耗因数0.998老化因子0.993根据表3可知,不同气压环境老化后电缆的3种宏观参数与水树密度的相关系数均大于0.9,可以认为三者与水树密度均存在线性关联㊂将电缆的宏观参数与水树密度进行多项式拟合,拟合结果如图6所示㊂由图6(a)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与直流电导率的关系为ρ=-4.63ˑ10-3+1.152ˑ10-4σ0㊂(11)由图6(b)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与0.1Hz介质损耗因数关系为ρ=-0.001-8.9ˑ10-3tanδ0.1+0.188tanδ20.1㊂(12)由图6(c)拟合结果可得,不同气压环境老化后电缆内部水树密度与老化因子的关系为ρ=-1.292+1.483A f-0.575A2f+0.076A3f㊂(13)用表4中相关系数的比值作为其影响权重,计算得到不同气压环境老化后电缆的3种宏观参数对水树密度的影响权重分别为0.333㊁0.334㊁0.333㊂对式(10)~式(12)进行赋权处理,得到不同气压环境老化后XLPE电缆宏观介电参数与水树密度的数学表达式为ρ=-1.298+3.836ˑ10-5σ0-2.97ˑ10-3ˑtanδ0.1+1.483A f+0.0626tanδ20.1-0.575A2f+ 0.076A3f㊂(14)通过式(14)可以看出,随着σ0㊁tanδ0.1以及A f 的增大,电缆的水树密度ρ也会增加㊂水树密度越大代表电缆水树老化程度越深,内部微观缺陷也越多,该式将电缆的宏观参数与微观形貌相结合,实现了对不同气压环境老化后XLPE电缆水树老化程度的无损检测㊂图6㊀不同气压环境老化后电缆宏观参数与水树密度的拟合曲线Fig.6㊀Fitting curve between macroscopic parameters of cables and water tree density after agingindifferent atmospheric pressure environments统计了不同气压环境老化后电缆内部水树生长体积和微孔面积,发现气压环境在老化前期对水树的促进作用不大,到了老化中期开始对水树生长起促进作用㊂产生这种现象的主要原因是,老化前期和老化中期高场强区位置不同,使电场力方向及大111第12期朱㊀博等:不同气压下XLPE电缆水树生长特性小有所改变,导致气压对离子运动速度的影响不同,且交联聚乙烯分子链在老化前期不易断裂,老化中期键能下降,易受到气压影响使分子链断裂加剧,导致水树老化程度加深㊂3㊀微观参数测量分析为了判断电缆内部水树生长情况及生长特性,需要对XLPE 电缆片状试样进行微观检测㊂通过对不同条件下老化后电缆的切片试样进行光学显微镜观测㊁扫描电子显微镜观测㊁红外光谱测试,统计电缆内部水树枝的生长情况,分析不同条件对XLPE 电缆水树枝生长的影响机理并探究其生长特性㊂将宏观测试结果与微观检测结果相结合,得到不同条件下XLPE 电缆水树枝生长预测模型㊂3.1㊀光学显微镜观测结果为了定量描述水树枝大小,选择将针尖周围的水树枝近似看作半个椭球体,将水树枝向左及向右最长分支的长度作为椭球体的a 轴和b 轴,向下最长分支的长度作为椭球体的c 轴,用半个椭球的体积作为水树枝的体积,来衡量水树枝的生长情况㊂水树模型的体积公式为V =12ˑ4πL 1L 2L 33㊂(15)式中:L 1为水树枝向左生长的宽度最大值,mm;L 2为水树枝向右生长的宽度最大值,mm;L 3为水树枝向下生长的长度最大值,mm;V 为水树枝模型的体积,mm 3㊂使用光学显微镜对第一组片状试样的水树区域进行观测,观测到在0.1㊁0.2㊁0.3MPa 气压条件下老化28d 后电缆的水树微观形貌如图7所示㊂图7㊀不同气压环境老化28d 后水树枝图Fig.7㊀Water tree diagram after aging for 28days un-der different atmospheric pressures将统计出的水树枝长度和宽度代入式(15),计算出不同气压环境老化后电缆水树枝的体积,并绘制成箱体图,如图8所示㊂图8㊀不同气压环境老化后水树体积统计结果Fig.8㊀Statistical results of water tree volume afteraging in different atmospheric pressure environments根据图8统计结果可知,0.1MPa 气压下电缆老化后水树平均体积从14d 的0.0355mm 3增长到了28d 的0.135mm 3;0.2MPa 气压下电缆老化后水树平均体积从14d 的0.0371mm 3增长到了28d 的0.162mm 3;0.3MPa 气压下电缆老化后水树平均体积从14d 的0.0384mm 3增长到了28d 的0.194mm 3㊂可以看出,老化14d 后,气压条件对电缆水树生长的促进作用并不大,随着气压的提升,0.2和0.3MPa 气压下水树体积的增长幅度仅有4.36%和8.16%㊂老化28d 后,气压条件对电缆水树生长的促进作用较大,随着气压的提升,0.2和0.3MPa 气压下水树体积的增长幅度达到了20.04%和43.33%㊂说明电缆在水树老化前期,气压条件对水树的生长影响不大,到了老化中期,气压211电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀。
