第三节 塑料绝缘电力电缆
用塑料做绝缘层材料的电力电缆称为塑料绝缘电力电缆。塑料绝缘电力电缆与油浸纸绝缘电力电缆相比，虽然发展较晚，但因制造工艺简单，不受敷设落差限制，工作温度可以提高，电缆的敷设、接续、维护方便，具有耐化学腐蚀性等优点，现已成为电力电缆中正在迅速发展的品种。随着塑料合成工业的发展，产量提高，成本降低，在中、低压电缆方面，塑料电缆已形成取代油浸纸绝缘电力电缆的趋势。交联聚乙烯的出现使高压浸渍纸绝缘电力电缆被塑料电缆所取代成为可能。目前，国际上已有225kV聚乙烯和500kV交
联聚乙烯的塑料电缆在运行，并在研制更高电压等级的塑料电缆。
塑料绝缘电力电缆的绝缘材料有：聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯。它们的优缺点已在前文中作过详细的介绍，这里不再赘述。
一、塑料电缆绝缘层中电场的恶化
塑料绝缘电力电缆运行的可靠性，除绝缘材料本身特性不良以外，其决定因素就是电缆绝缘结构的完善程度。在电缆绝缘层中恶化的电场将导致场致发射，引发电树枝、水树枝，最终使电缆绝缘层击穿。因此，有必要了解电缆绝缘层中电场的分布及其恶化情况，以求在设计、生产中制作出结构合理、性能完善的电缆和电缆三头。
（一）各种恶化电场的分布
塑料电缆中，均匀介质的同心圆柱体电场可用最简单的数学公式表示，电场的分布图形可用电力线和等位线表示。其电力线是均匀辐射状，等位线是内密外疏的同心圆形，靠近导体附近的电力线密集，等位线间距小。因而导体附近的电场强度大；远离线芯时电场强度减弱，如图136所示。由此可见，电场强度沿径向并不均等，而是均匀递减，所以在同一半径的圆周上的各点，其电场强度的大小是相等的。这种电场没有恶化，称为正常电场分布。
下面分别绘制出绝缘层中含有气隙、杂质，无半导电屏蔽层，半导电屏蔽层出现节疤、遗漏时的恶化电场分布，如图137～图1311所示。
图136 正常电场分布
图137 绝缘层含有气泡时的电场分布
图138 绝缘层含有杂质时的电场分布
图139 无半导电屏蔽层的电场分布
图1310 半导电层出现节疤时的电场分布 图1311 半导电层出现遗漏时的电场分布
塑料电缆的绝缘结构完善时，其交流短时击穿场强很高（不小于几十kV/mm），而实际电缆的击穿场强常低于这个值，其原因就是绝缘结构中存在某种缺陷，造成电场的恶化。最严重的缺陷是半导电屏蔽层上的节疤和遗漏，其次是绝缘层内部的杂质与气泡，最后是导丝效应严重的无屏蔽结构。
在电缆的生产过程中，完善挤塑工艺和严格投料标准，可有效地控制半导电屏蔽层的缺陷及杂质的混入。而气隙的产生不仅与工艺参数有关，还与运行条件有关，不易控制。不同形状的气隙，其危害程度也不同。扁平状危害程度最严重，圆柱状次之，圆球状较轻。
（二）局部放电特性
塑料电缆的局部放电（游离放电）常导致电缆的故障或击穿，严重的会影响电缆的运行质量和使用寿命，曾一度被认为是对塑料电缆的最大危害。但近年来，由于科学技术的发展，已逐渐地发现和认识到树枝放电比起气隙的局部放电（游离放电）对电缆的寿命具有更大的危害性。
局部放电的必要条件之一是气隙的存在。而气隙不是树枝放电的必要条件，在绝缘结构中，只要存在局部的集中高场强，就会导致金属、杂质尖刺物的冷发射，甚至介质的冷发射，引发有机介质的树枝状裂纹，出现树枝状放电。局部放电和树枝放电有着本质上的不同，树枝放电基于高场强的场致冷发射为主要原因，而局部放电是基于气隙在一定大气压下遵循“巴申定律”的条件而在气隙中放电。这两者既互相影响，又互相促进。电树枝在发展中必然伴随着局部放电，而局部放电又促进树枝的生成与成长。
1.局部放电的影响因素
塑料电缆的局部放电特性取决于塑料电缆的结构形式、绝缘材料的类别以及工艺参数与运行条件。它们的优劣，一方面可以保证塑料电缆具有足够的运行寿命（不小于30年）；另一方面又可能出现过早（几个月或几年）的运行失效。
（1）结构因素。要求绝缘结构形式完善，特别是35kV以上的高压电缆，内、外屏蔽层不完善，屏蔽层上有大气隙，将导致局部放电；有凸出物或尖刺时，引发电树枝，再伴随局部放电，很快形成贯穿放电通道，导致电缆的寿命终止。
（2）材料因素。材料本身的微观结构是否能耐电晕产生的臭氧腐蚀，以及绝缘材料中是否混进了易引发树枝的杂质。
（3）工艺参数。工艺条件是十分复杂而又极为重要的因素。在相同的材料和结构条件下，由于加工方法的不同，会带来不同的气隙和水分含量。在加工进入冷却阶段时，冷却
方式及冷却速度的不同，会造成所产生气隙形状的不同。因此，必须选定最佳的工艺条件。
（4）运行条件。电缆运行过程中的环境条件，水分、化学污染物的存在，负荷状况，过载时间等，都会造成新生的、非加工中产生的气隙。
2.绝缘介质的电老化
塑料绝缘电力电缆无论其绝缘材料是聚氯乙烯、聚乙烯、还是交联聚乙烯，它们均属于高聚物。在局部放电作用下，可运用化学结构理论来分析其内部的破坏过程。
（1）由于电子、离子受电场的作用，对气隙周围的介质发生轰击，导致发热，形成小孔状侵蚀；表面产生的化学过程为聚合、裂解、气化等，并生成电树枝、水树枝而导致绝缘破坏。
（2）由于气体所产生的化学产物，如含氮酸（亚硝酸等），以及臭氧，对周围介质发生侵蚀生成电化学树枝，导致绝缘被破坏。
（3）产生紫外线或波长较长的软X线导致介质降解或解聚。
后两者对高分子介质的长链分子起强烈的破坏作用。如臭氧特别活泼，它对具有双键的橡胶作用能力特别强，使之迅速交联、裂解、失去弹性。
气隙的局部放电，虽然不会立即导致整个介质的击穿，但是绝缘材料长期受到这种内部放电的作用，介质的破坏程度会逐步扩大，最终导致绝缘被击穿。这就是绝缘材料的电老化现象。
对于一切处于高场强下工作的高聚物，电老化的过程就决定了介质的寿命，一般认为，没有局部放电存在时，绝缘塑料的工作寿命相当长。因为塑料介质在有热氧作用时，处于正常工作条件下，老化过程极其缓慢。
除聚四氟乙烯外，聚氯乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯的耐电晕性尚好，但比纸绝缘要差些。高压塑料绝缘电力电缆质量的优劣并非只决定于材料的性质，而在很大程度上取决于制作工艺和结构的完善与合理。这是由于各种高分子材料的耐局部放电特性相差不大，但制作工艺或结构上不完善造成的气隙，将会引起电老化过程的加速。
二、塑料电缆的屏蔽技术
塑料电缆的电气性能与其绝缘结构密切相关。影响塑料电力电缆运行寿命的树枝放电和局部放电都与屏蔽结构、屏蔽性能的好坏有直接的关系。因此，屏蔽结构与屏蔽性能的好坏直接影响高压塑料电力电缆的运行寿命。
塑料绝缘电力电缆的屏蔽包括内半导电屏蔽、防发射屏蔽、外半导电屏蔽和绝缘外金属薄带屏蔽，现分述如下。
（一）内半导电屏蔽层
电力电缆绝缘层内侧（即导电线芯表面）的半导电薄层，称为内半导电屏蔽层。其作用是：
（1）消除导电线芯表面的气隙，提高耐局部放电、树枝放电的能力。
（2）均匀导电线芯表面电场，减少因导丝效应所增加的导体表面最大场强。一般可降低导丝表面电场强度的20%～30%。
（3）抑制树枝的引发。当导体表面金属毛刺直接刺入绝缘层时，尖刺高场强的场致发射会引发电树枝。内半导电屏蔽将有效地减弱毛刺附近的电场强度，减少场致发射，从而提高耐树枝放电的特性。
（4）热屏蔽作用。当电缆温度突然升高（线芯发热）时，有了半导电层的隔离，高温不会立即冲击到绝缘层，在一定程度上降低了绝缘的温升，保护主绝缘，故有热屏障作用。从“IEC20A29”文件中对聚乙烯电缆的规定可以看出，用合适的半导电材料屏蔽后，其最大额定短路温度可由130℃提高到150℃。
半导电屏蔽材料的电阻率ρ≤105Ω·cm。
（二）防发射屏蔽层
塑料电缆向高压等级发展，面临着局部高场强区域场致发射电子，引发电树枝而绝缘击穿的重大技术问题。国内外不少电缆技术专家正致力于高压塑料电缆绝缘结构中界面引发电树枝性能的研究。防发射屏蔽是这种研究中的一项专利技术，是目前研究复合介质抑制界面电树枝在电缆中应用的一项重要成果。这对于110kV以上高压塑料电力电缆具有十分重要的意义。
防发射屏蔽层能有效地防止绝缘层中电场畸变导致电子的发射，控制电树枝的引发。电缆绝缘层中电场分布的均匀性与绝缘材料的介质常数ε、绝缘结构中介电常数的分
布情况有很大关系。特别是中高压塑料电力电缆出现了不可缺少的内、外半导电屏蔽层后，又带来了新的问题，如果半导电界面不平整，半导电层有尖凸物、半导电层有凹陷、或分阶式绝缘（接头部位多采用分阶绝缘）、复合绝缘界面有缺陷，都将严重恶化绝缘层中电场的均匀性。
根据电场知识，圆心电缆绝缘层中电场强度E可写成
E=U
rln
R r0
式中 U———额定电压；
r———绝缘层内任意点半径；R———绝缘层外半径；
r0———绝缘层内半径。
对于具有分阶绝缘的电缆绝缘层中，若其具有n层复合介质，第k层中的电场Ek一般可表示为
U
Ek=
n
rkεk∑
m=1ε1mlnrrmm+1
式中 rk、εk———第k层绝缘内半径和该层绝缘的相对介电常数。
由上式可见，E是介电常数ε的函数，随着ε分布情况的改变，电场分布的均匀性也在变化。
防发射屏蔽层就是基于聚乙烯和交联聚乙烯的ε值较小（2.3），而在半导电尖刺或半导电层表面可能混入的杂质尖刺处，这些尖刺的高场强区容易导致冷发射而引发树枝。若取一薄层介质（ε＞2.3）将内半导电层再屏蔽上一层，这时，尖刺周围以较大的ε取代原
先聚乙烯或交联聚乙烯较小的ε，使尖刺附近电场强度减弱，冷发射电子不易产生，从而改善树枝化特性，抑制了树枝的引发。
半导电层具有尖刺物时，有无防发射层时的恶化电场如图1312和图1313所示。
图1312 有防发射层的恶化电场分布
图1313 无防发射层的恶化电场分布
（三）外半导电屏蔽层
外半导电屏蔽层位于电缆线芯绝缘层的外表面。对于外半导电屏蔽层，一般认为由于绝缘外表面电场强度较低，作用不大。其实不然，在较高电压下，如IEC规定聚乙烯和交联聚乙烯绝缘电缆在3kV以上；聚氯乙烯绝缘电缆在6kV以上，都要有内、外屏蔽层。这是由于运行中的电缆受弯曲，电缆绝缘表面受到张力作用而伸长，若这时存在局部放电，则会由于表面弯曲应力产生亚微观裂纹导致电树枝的引发，或表面受局部放电腐蚀引起新的开裂，引发新的树枝。故认为外屏蔽层也不可缺少，只是由于电压等级不同，屏蔽的结构与方式可以改变，低电压等级可以用绕包半导电布带方式，而高电压等级则采用挤出聚氯乙烯或聚乙烯半导电材料的方式，或在绝缘层外涂上半导电石墨胶后再绕包半导电布带等。
外半导电屏蔽层的另一个作用是：消除了绝缘层与金属带屏蔽层之间的气隙，特别是挤出型外半导电层和涂石墨半导电胶的效果更好。因为，不论金属薄带屏蔽层的加工工艺多么完善，其运行中的弯曲变形、冷热作用，多少都会在金属带屏蔽层与绝缘层之间产生气隙，按照前文中的分析将产生环状扁平气隙，这对电场的恶化作用很大，首先导致气隙放电，直至绝缘击穿。
（四）金属薄带屏蔽层
金属薄带屏蔽层，一般是用薄铜带（或细铜丝网）绕包在外半导电层之外的屏蔽层。其作用如下：
（1）加强限制电场在绝缘层内的作用，使电场方向与绝缘半径方向一致（即径向），金属屏蔽带接地，电场终止在金属带上，金属带外不再有电场。
（2）在三相四线制中，它可以作为中心线承担不平衡电流。（3）防止沿轴向产生表面放电。
电缆在没有良好接地的环境中，由于半导电层具有一定的电阻系数（ρ≤105Ω·cm），在电缆轴向可能引起电位分布不均匀，造成电缆沿面放电。聚氯乙烯的ε值较大，电容电流就大，其沿轴向的放电更为严重。图1314说明了电缆沿轴向表面电位u的分布与变化。
如图1314所示，当电缆沿轴向在A、B两点接地（或A、B两点间接地不良）
时，其分布电容电流i0在两接地点的中间形成高电位区，而越靠近两接地端的电压降越大，因而在两接地端附近将形成高场强，引起电晕，导致轴向放电，这是实际运行中经常发生的现象。
（4）电站保护系统需要外导体屏蔽。绕包铜带屏蔽层具有优异的防雷特性。（5）正常情况下流过电容电流，短路时金属带可以作为短路故障电流的回路。
图1314 接地不良电缆的轴向电位分布
三、塑料电缆的树枝化放电老化
塑料电力电缆的运行寿命与其绝缘中树枝化老化的现象密切相关，这是在20世纪60～70年代被发现的。由于发现了塑料电缆击穿前的这种“预击穿”现象，引起世界各国电缆制造界的极大兴趣。从21世纪70年代至今，包括电线电缆行业、有机材料高分子化学行业、高分子物理、电介子物理、高压工程等有关学科和工程技术部门掀起了树枝化研究热潮，并取得了很大的进展。树枝化的研究不仅具有极大的工程使用价值，而且充实了电介质物理的击穿理论，并推动微观结构形态学与宏观性能关系的研究。
（一）树枝化老化简介
事实上，树枝化放电早已被人们所熟悉。早年，油浸纸绝缘电力电缆中沿油浸纸层间的表面移滑放电亦是树枝状的，但这是沿面放电后留下的树枝状炭化痕迹，痕迹尖端不断延伸，数年后可能引起电缆绝缘击穿，亦可能树枝状爬电停止发展，不引起电缆绝缘击穿。但是，有机材料的树枝化却是另外一回事，它是由于材料内部细微开裂造成的，开裂的细小通道如同冬天无树叶的树枝状，有枝干、分枝、枝芽。“树枝”就是这种中空开裂现象的统称。实际上，它的形状已大大地超越了“树枝”的概念。随不同电压的种类，不同加压方式，不同环境与条件，树枝形状会发生很大的变化。
塑料电缆的树枝化放电现象也是固体介质击穿前漫长的先导击穿过程，在引发树枝萌芽之前已有漫长的诱导（诱发）期。树枝引发后，或者很快发展到固体击穿，或者经漫长的发展（老化）过程，最后导致固体介质击穿（电老化击穿）。树枝的主干（主茎）直径在实际电工产品中很小，一般为几微米至上百微米，必须借助光学仪器才能观察到。树枝放电通常指树枝的发生、发展的全过程，也有特指管道细微开裂中的气体的局部放电。
各种有机材料中，管道状细微开裂的引发，可以是原有亚微观裂纹的存在；或气隙、水
分、化学杂质的存在；或者无任何裂纹存在，只是极高的场强导致冷发射电子，引发裂缝，这是很复杂的物理化学过程。从高场强处、气隙、含水的空洞、杂质等处引发树枝核心后，向三个方向的立体空间发展。一般是沿电力线方向，也有因材料的各向异性而出现垂直电力线方向的树枝。这些树枝延伸发展到场强所至的对极（整个绝缘厚度），最后发生整体击穿。从引发树枝萌芽，到发展至对极的时间可以是几分钟、几十分钟、几年或十几年。
1.树枝放电的形成
树枝引发和发展的过程可分为以下四个阶段。
（1）引发期。又称潜伏期或诱导期，它的长短表征树枝发生的难易程度。这是抑制树枝的主要阶段。
（2）成长期。又称发展期，它表明树枝引发后的成长速度。耐树枝发展特性好的材料，树枝发展慢，即成长期长。
（3）饱和期。当树枝发展到一定长度后，树枝停止发展，这段时间称为饱和期。饱和期的存在是由于树枝管道中有局部放电及高能电子轰击高聚物分子链，致使材料分解产生大量气体。随着这种效应的增强，细管中内部压力加大，按巴申定律，管道中放电电压将要提高。因而，在外界电压不变的情况下，树枝发展就可能停止。设法延长饱和期，是抑制树枝的另一重要方法。
（4）间隙击穿前期。经过饱和期以后，气隙或树枝管道中因放电分解出的气体逐渐通过材料本身渗透、扩散而逸出，使管道中气体压力下降，按巴申定律，这时气隙的击穿电压下降，因而树枝又迅速发展。
2.树枝放电的分类与特点
在实际中存在的多种树枝放电形式可分为三大类：即电树枝、水树枝和化学树枝。（1）电树枝。处于高场强的不连续材料界面（气隙、杂质、电缆内外半导电层界面）
特别容易引发电树枝，电树枝往往在高场强集中的微裂纹转变为裂缝或开裂处形成树枝萌芽，树枝管道连续、内空，有的材料树枝管道壁上附有炭粒。通常在长而细的电树枝管道中伴随着局部放电。典型的几种电树枝如图1315所示。
图1315 电树枝
（2）水树枝。引发树枝的空隙中含有水分。水中运行的电缆、线芯进水的电缆、绝缘中含有水分的电缆很容易引发水树枝。水树枝是在电场和水分同时存在的条件下产生的。但是，水树枝在比电树枝低得多的场强情况下就能引发。水树枝中没有局部放电现象。
水树枝的种类很多，对电缆的危害也很大。但是，水树枝具有消失和重现的特点。有的水树枝受热、干燥、抽真空等会消失形态，浸入热水中又会重现，水树枝消失时表明管道发生闭合，材料细微龟裂后又回弹，但未使结构分解。在实际电缆中，干法制造的交联聚乙烯电缆中很少发现水树枝，而湿法制造的交联聚乙烯电缆中却常常见到水树枝。几种常见的水树枝如图1316所示。
图1316 水树枝
图1317 化学树枝
（3）化学树枝。又称电化学树枝。有的研究者把纯化学因素造成的材料细微开裂称之为化学树枝，有的将化学杂质引起的树枝也归并为这一类或称之为电化学树枝。几种常见的化学树枝如图1317所示。
3.树枝生成的条件
运行中产生树枝的电缆经实际解剖和实验室中培养的树枝图像都证明了树枝产生的条件是：
（1）局部极不均匀的高场强。在金属突出物，半导电层的尖刺、缺陷和节疤，以及有尖刺边角的杂质（杂质的介电常数较大或电阻率极小）附近，很容易形成局部的电场集中。
（2）有微小的空隙或亚微观裂纹。
（3）有内部机械应力、热应力、不完善界面应力。（4）水分的存在是水树枝生成的引发剂。
（5）化学物质的存在是化学树枝生成的引发剂。
以上条件，只要具备其一，电缆中就会不同程度地产生树枝。下面绘制了树枝生成条件的图解，如图1318所示。
图1318 树枝生成条件
（二）树枝的特性与抑制1.电树枝的特性
电树枝的特性可归纳以下几点：
（1）电树枝的产生必须有局部的高场强。
（2）电树枝的引发与材料的本征耐电强度有关。（3）交变电场的机械应力诱发电树枝。
（4）气隙的存在是电树枝生成的前提。（5）杂质的存在可诱发杂质电树枝。（6）电树枝中伴有局部放电。
（7）电树枝引发后，发展较快。
（8）电树枝放电使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。（9）电树枝的发展与电压形式和温度有关。
一般认为电树枝的引发时间比扩展时间要长得多，特别是引发树枝后，在树枝尖端产生有效的电晕放电，那么树枝便会很快扩展。故运行中的电缆经过电压反复冲击作用（相当于高频）后，电树枝一旦产生，它就会很快扩展而最后导致击穿。所以一根电缆在运行过程中一旦产生了电树枝，它的寿命终点就临近了。
2.水树枝的特性
在运行的电缆中，水分的浸入是很难完全避免的，由于水分的存在而导致产生水树
枝，这一问题已引起电缆行业的极大重视。因为，凡是老化了的电缆，在其绝缘层中都发现或多或少地含有水树枝，所以说水树枝的产生将导致电缆寿命缩短。水树枝的特性可归纳为以下几条：
（1）必须同时存在电场和水分，才能引发和形成水树枝。（2）具有直径为数微米的树枝状充水微观空隙组成。
（3）水树枝能在低于电树枝的场强下产生。
（4）水树枝受杂质影响很大。吸湿性杂质和绝缘中缺陷、空隙等是水树枝引发的起点。
（5）水树枝的成长因频率增加而加快，直流下很难产生或者无水树枝产生。（6）水树枝中无局部放电现象。
（7）水树枝的产生或成长受温度影响较小。（8）水树枝的扩展需要比电树枝更长的时间。
（9）产生水树枝的电缆，其介质损耗增加、绝缘电阻和击穿电压下降。3.电化学树枝的特性
电化学树枝的特性有以下几点：
（1）电化学树枝的演变很慢，一般要几年之久。
（2）树枝沿电场方向发展，形状各异，当树枝发生在绝缘和屏蔽接触有缺陷的部位时，形如藻类、草地或羽毛状；当发生在绝缘内部有缺陷的部位时，形如蝴蝶结或羽毛状。
（3）各类杂质和缺陷的存在是电化学树枝的发源地。（4）电化学树枝的成长与潮气对电缆的腐蚀相一致。（5）有电化学树枝的电缆并未发现局部放电的增加。（6）电化学树枝具有颜色，一般多为棕褐色。
（7）可以在比电树枝低得多的场强下发生。
（8）必要的条件是孔隙中要有硫等化学成分的溶液存在。（9）电化学树枝一般需要形成并发电树枝通道而击穿绝缘。
另外，有称之为化学树枝的由化学物质引起的树枝状腐蚀，水分在这个过程中不起作用，但若树枝顶端出现电场局部集中，则就会以电树枝形态不断发展，最后以电树枝的形式导致破坏，故仍可归并入电化学树枝一类。
4.电树枝、水树枝和化学树枝的区别
关于电树枝、水树枝和化学树枝的引发、成长，击穿形式和树枝形态，在前面章节中均作过介绍，这里只把它们的主要区别列于表132。
5.树枝化放电的抑制
对树枝放电的研究归根到底是要研究如何抑制。当然，首先要了解树枝的引发和生长，以便采取相应措施抑制或延缓树枝的引发和发展，以达到延长电缆使用寿命的目的。基于各类树枝引发和发展的机理及条件不尽相同，因而抑制的方法也是多种多样的。常见的方法有：
（1）改进电缆结构。消除电缆绝缘结构中电场局部集中的缺陷，采用内、外半导电屏
蔽、防发射屏蔽等。
表132
电树枝、水树枝和化学树枝的区别
（2）在电缆绝缘配方中用化学方法，加入电压稳定剂以减少电子注入的能量，或称之为捕捉高能电子的方法。
（3）减少气隙数目和减小气隙尺寸，防止局部放电，以及加入液体浸渍剂或固体粉末填料。电缆绝缘浸渍硅油或绝缘内、外界面涂硅油，可以防止树枝继续沿径向发展，树枝暂时不再透过硅油层而转向轴向发展成为横向树枝。
（4）改善绝缘材料本身耐树枝性的物理共混方法。以共混聚合物代替单一介质，提高耐树枝性能。
（5）改善工艺条件。采用三层共挤的工艺过程，用全干法交联或半干法交联取代湿法交联。
（6）改善生产加工条件。防止杂质污染，精选净化原材料，用封闭式生产加工流水线。
（7）针对水树枝的引发和成长，采用相应的物理、化学方法以抑制水树枝。