19. 3 水 树
水 （ 也称为电化学或化学） 树是以缓慢的速度形成， 可能需要多年的延伸和增长。 水树可在所有的固体 （ 挤出） 绝缘材料中生长。 在从老化电缆上切的薄片上可得到水树明显的外观， 描述树形可根据许多自然形状来界定， 这些自然形状本章的后面会有例子。
通过某种形式的化学染色， 水树的可见性源自树内部的染色。 当样品变干时，非染色的水树会消失。 在本章的后面会讨论染色技术。
水树的影响情况如下： 水分 （ 一个必要的因素！）， 电应力， 空隙， 杂质， 离子杂质， 温度， 温度梯度， 老化时间， pH。
19. 3. 1 水树的机理
挤包绝缘中的水树发展有三个阶段：
● 开始。
● 扩展[12，13] 。
● 转化/ 电击穿。
19. 3. 1. 1 树的机理
关于水树初始的实验室试验已经证明产生的机理包括：
1） 电应力集中在微孔或杂质上比在该位置上的平均电应力要高几个数量
级。 尽管使用非常灵敏的检测设备 （ 灵敏度约为 0. 05 pC） ， 但是在初始或增长阶段还是检测不到局部放电。 在这个微孔腔中电子轰击可能导致腔中电介质的腐蚀。
2） 在电应力集中周围可产生非常高的电场导致极高的机械应力， 这可能导致在电介质的疲劳和其中应力开裂的发展， 在这样的裂缝中局部放电可能会导致局部电击穿和树的形成。
3） 由于电介质的电离导致断链和分解， 电子轰击可能会足够高地引起空腔的形成。
4） 电介质的局部内部电击穿。
这些机理中没有哪个能单独解释实验室研究的结果， 因此它有可能在水树初期就涉及不止一种机理。 但是高电应力的影响是公认的。
19. 3. 1. 2 树的扩展
水树的扩展或生长看起来与开始一样扑朔迷离。 仅仅在交流电场的存在下， 似乎是一个统一的结论。 虽然直流也能产生水树， 但是它的速度要慢得多， 且有不同的形状。 这是确定的： 聚合物可被水渗透且绝缘层中水分的存在是有害的。
两个显著的力来解释水分通过挤包绝缘的渗透是
1） 电泳是一个用来描述带电粒子在电场中移动的术语。 带有正电荷的粒子倾向移向负极， 而负离子往往移向正极。 当直流测试电缆时， 这个理论的实际应用是把负电荷移向导体。 这样会把水分子拉向电缆中心， 使测试更加明确。
2） 双向电泳描述不带电但极化的粒子或分子在发散场的移动 （ 见图 19- 2）。 在一个其他均匀单芯导体的电缆示例中， 当粒子或分子接近导体时， 电场是增加的。 在任何给定的时间点上， 例如背向在那一刻带正电的导体， 一个不带电的粒子会极化， 它有一个负电荷的偶极子在它的负侧。 由于带有偶
极子的负侧比正侧有更强的电场， 粒子会向
往最大场强的电场。 在交流系统中， 当导体变成带负电荷时， 极化过程是相反的。 这意味着粒子仍向往带有更高电场的导体移动。
图 19- 2 双向电泳
双向电泳的实际效果是水分将被吸引到较高的介电场区， 即使在一个交变电场中。 这个高应力点可能在导体上或者在制造过程中形成的微孔上。 该孔起初是充满空气的， 现在变成充满水。 然而这并不能完全说明水树的形成， 也暗示运行电缆中树的生长和水分分散存在某种联系[14] 。
当暴露在有水分和电应力中时， 在挤包绝缘中水树的生长是一个缓慢的劣化机理。 这些应力起初在一个位置来形成高电应力， 如孔、 杂质、 突起和松动或粗糙的
屏蔽。 这些生长在任一屏蔽上的树， 被认为是表层水树， 这些经常被称为扇形、 西兰花形等。 当水树从嵌入的孔中或杂质中生长时， 都通常不与大气连通， 它们经常被称为蝶状。
当在低放大倍率下看时， 水树有细小的结构。 在高放大倍率下， 它们可以看成一个分离的椭圆形球， 且基本上与电场对齐。 椭圆形球之间的绝缘可能在一定程度上通过氧化或其他方式劣化， 但仍然有足够的电气绝缘性， 但也可能是诱捕电子的位置 （ 这些将在后面更多地讨论）。
与电树形成对比， 水树的特点是
1） 生长慢。 在促成击穿前， 它们可能会生长很多年。
2） 相比电树来说， 水树的起始和生长在低得多的电场中。
3） 它们能够很大， 以至于它们能从一屏蔽延伸到另一屏蔽而不导致击穿。
4） 一些水分是必需的。
5） 温度在 70°F 以上会加速水树生长。
6） 即使局部放电存在， 依然不能够检测到它。
7） 当变干时， 它们消失 （ 除非染色）。 当放进开水时， 它们会再出现。
19. 3. 1. 3 水树示例
水树的一些例子如图 19- 3 ～ 图 19- 6 所示， 随着它们的形状来命名描述。
图 19- 3 在 HMWPE 绕包屏蔽电缆中的表层高电应力点生长的扇形发散水树，抗氧化剂染色 （ 图片由 W. A Thue 提供）
19. 3. 1. 4 抑制水树的方法
图19- 4 在 XLPE 绝缘电缆 （175mil 厚） 松散的挤包屏蔽中表层生长的发散型水树
如果不考虑经济， 最有效的避免水树形成的方法是保持绝缘的绝对干燥。 这个可以用不能渗透的金属护套如铅、 铜或铝护套来完成。 带这些护套的电缆已经服役
（ 图片由 W. A Thue 提供）
图 19- 6 HMWPE 电缆 （ 厚度为 220mil）
中两个大水树贯穿绝缘， 用抗氧化剂染色
（ 注： 没有电气故障， 甚至这些水树还能耐受线路的电压） （ 图片由 W. A Thue 提供）
超过 40 年没有出现这类劣化。 当然， 问题是得阻止这些金属护套被腐蚀或机械损坏 （ 这些担忧也适用于纸绝缘电缆！）。
其他可能抑制水树的形成包括：
1） 光滑的屏蔽界面， 尤其在导体屏蔽上， 这里电应力最高。
2） 必须施加机械力才能移除的紧密粘结型绝缘屏蔽。
3） 带有少量离子性杂质的半导体化合物。 已经证明， 屏蔽中的离子已经渗透到绝缘中有水树的地方。
4） 实芯导体。
5） 绞合填充。
6） 内部充气， 如氮气， 来阻止水分。
7） 减少或消除空隙和杂质。
19. 3. 2 加速试验的介绍
多年来， 由于水树会影响挤包绝缘电缆的剩余使用寿命， 关于水树的机理业界投入了极大的工作[15-18] 。 实验室的测试一般分为以下几种方法：
1） 材料样品的电气性能。
2） 微型电缆评估。
3） 典型的全尺寸电缆， 通常为 1 / 0AWG、 175mil 厚电缆。
4） 实际电缆结构正在考虑中。样品的测试：
1） 样品的测试是代价最低的， 也最适合用于筛选。 当然这种方法没有考虑到挤出及其他制造时遇到的复杂问题。
2） 微型电缆是代价最低的， 也考虑到制造和加工时的问题， 但是还没有考虑到与全尺寸电缆是否具有良好的相关性。
3） 1 / 0AWG、 175mil 型号电缆已成为最常用的全尺寸电缆， 因为它是在北美公用事业中一种很常见的尺寸， 且具有较低的生产成本。 将制造和加工纳入结果中， 这些测试仍然非常昂贵， 具有典型的 AEIC 认证测试需要 50000 美元或更多，在 12 个月内完成。
4） 正在考虑中的在实际电缆上的测试需要比上述的 1 / 0AWG 电缆更多的花费。