5. 10 纸绝缘电缆
5. 10. 1 机 理
历史最悠久的成功的电力电缆绝缘型式是纸和绝缘油的混合绝缘系统。 纸绝缘基于天然聚合物纤维素发展而来。 纸带被绝缘液浸渍并包扎在导体周围。 绝缘液的化学组成会有所不同， 有天然和合成绝缘液两种。 本节介绍纸绝缘的基本机理。
纸绝缘输电电缆也被称作高压充油 （ HPFF） 或低压充油电缆 （ LPFF）。 中压纸绝缘电缆也叫 PILC 电缆。 因此， 这些电缆与挤包绝缘电缆差异较大： 纸绝缘电缆由很多条纸带 （ 绝缘带和半导电带） 组成， 这些纸带包扎在导体周围， 并且在绝缘油中浸渍 （ 对应于挤包绝缘电缆的绝缘层以及半导电层连续挤出过程）， 在其外边还有一层铅护套。
纸绝缘电力电缆所用的纸取之于木材。 木材含有三大主要成分； 纤维素 （ 约
40% ）、 半纤维素 （ 约 30% ） 和木质素 （ 约 30% ）。
纤维素作为绝缘材料的重要成分， 需要从别的化合物中分离出来； 这一操作可以通过造纸工业的硫化漂白来实现。 半纤维素， 是一种非纤维性物质， 比纤维素的极性大， 电损耗也较大， 其本身不是有效的绝缘材料。 然而， 低含量的半纤维素是
可以接受的， 漂白处理后仍会有少量的半纤维素存在。 （ 需要注意的是， 棉花本质上由纯纤维素构成； 如果用棉花造纸， 就不会有半纤维素存在了） 木质素是一种无定形材料， 在木材中作为别的成分的 “ 粘合剂”， 在应用于电缆绝缘时要被除去。 提取纤维素不在本章进行讨论， 造纸技术已经很成熟并且已有 100 多年的历史。 参考文献 [29] 中有详细的操作说明。 纸绝缘高压电缆的理论和实践 Dun-
sheath 很早就论述过了[30] 。
用于描述纤维素分子结构的两种方法见图 5- 18a 和 b[31] 。 （ 后一种描述的是分子量链发生自然折叠的情况） 在任何一种描述中， 都有重复链存在， 这一点就与聚乙烯和乙丙橡胶类似； 然而， 这种天然聚合物具有更复杂的聚烯烃聚合物所不具有的化学结构。 （5 个碳和 1 个氧在同一个环上） 重复结构单元表明纤维素具有很大的分子量。 与聚烯烃相反， 纤维素分子量是以聚合度或者 DP 来表示， 而不是以重均分子量或数均分子量表示 （ 见 5. 2 节）。 聚合度表示一个分子链中单个纤维素分子的数量， 其与数均分子量关系密切。 从木材中提取的纤维素分子链的长度不同， 其值在 300 ～ 1700 之间； 然而， 实际上聚合物依赖纤维素的外部结构， 这样的话， 聚合物会变得很大。
图 5- 18
a） 纤维素分子结构： 第 1 种描述
b） 纤维素分子结构： 第 2 种描述， β 处参考碳氧键
当知道了纤维素的化学结构后， 木材层内纤维素的精细结构却仍然不能确定。所知道的内容如下： 纤维素没有分支结构； 纤维素分子延伸形成线性结构。 分子链上的羟基形成氢键。 （ 氢键是指氢分子被两个不同氧分子 “ 共享”） 这种相互作用使得分子结构很结实， 并且形成了分子束； 进而形成分子簇， 进而成为更大的纤维丝结构。 在木材的不同层间纤维丝展现出不同的方向性。 最常见的是形成纤维素
I。 X 射线表明其还有结晶结构。
绝缘液填充于空间内， 减少空隙。 绝缘液是由碳和氢组成， 这一点与聚乙烯很类似， 但是它们的分子量较小， 因此有很多不同黏度的绝缘液。 绝缘液基本上是碳氢化合物， 但是这些年绝缘液也有些许变化。 这表明绝缘液的化学结构已经发生变化。 绝缘液有松树油、 矿物油、 石蜡、 环烷烃油和聚丁烯。 不同的聚丁烯有不同程度的分支结构， 分支结构影响产品黏度。 此外， 树木中的松香是一种混合组分。 绝缘油的作用是降低介质损耗。
很显然， 用于纸绝缘的绝缘液这些年已发生很大变化。 尽管有变化， 但是绝缘液本质上还是碳氢化合物。 （ 尽管这些绝缘油液含有更多的极性成分， 还有可能使用不同的抗氧化剂） 事实上， 人们一直期望绝缘液的变化能在老化过程中取得不同的电压- 热效应 （ 见 5. 10. 2 节）， 进而取得不同长期老化效果。 聚丁烯绝缘液目前仍然用于 PILC 电缆上。
5. 10. 2 老化行为
从绝缘材料特性来看， 天然聚合物和合成聚烯烃如 XLPE 或 EPR 最大的不同是比较它们的老化行为。 老化导致的聚烯烃降解和性能损失在第 6 章和第 19 章中有介绍， 这里只介绍纸/ 绝缘液体系。
5. 10. 2. 1 纤 维 素
纤维素也被称作聚多元醇 （ 简单来说， 酒精就是乙醇）。 氧连接的环结构即 1， 4- 糖苷键 （ 见图 5- 18）。 这种化学键是纤维素分子容易分裂的区域。 水会使得这
种化学键断开， 导致聚合度的下降， 进而使得物理、 机械和电性能受损 （ 如抗撕强度或者抗张强度降低、 损耗因数增加）； 水也可以经由铅护套间隙进入材料结构内部。 一旦材料开始降解， 作为纤维素分子化学降解的产物， 就会产生更多的水。升高温度会加速降解。 在没有水存在的情况下， 材料需要在更高温度下才能发生降解。
这种降解的方式不同于聚烯烃如聚乙烯的模式， 在聚乙烯中， 在有水和电应力存在时， 会形成水树并且主链会发生氧化， 但是不会引起明显的分子量减小。
5. 10. 2. 2 绝 缘 液
在热和电应力的双重作用下， 绝缘液开始降解。 电子会轰击分子， 产生自由基
（ 见第 6 章）。 这种情况下， 可能会出现 2 种情形： ①绝缘液分子链裂解， 降解会
使得分子量减小； ②自由基结合， 分子量增加。 如果是后一种情况， 黏度会上升。随着该过程的继续， 分子量持续上升， 黏度也会进一步增大直至形成石蜡。 因此，
对于我们而言， 石蜡被认为是一种高分子量的固体油， 但是其分子量并不是与聚乙烯一样。 石蜡的分子量处于黏性液体和类似聚乙烯的聚合物之间。 在分析失效的纸/ 绝缘液电缆时， 一般不会发现蜡存在。
5. 10. 2. 3 纸- 绝缘液体系
纤维素和绝缘液/ 石蜡的降解会同时发生， 自由电子轰击纤维素和自由电子促使纤维素的结合也是共存的。 这些现象使得在分子水平上剥离出降解机理变得很困难。 然而， 在宏观尺度下， 讨论这些材料的降解机理是非常重要的。
由于纸绝缘电缆老化会经历机械应力和电应力， 绝缘液就会在温度变化时流出或者流进带材搭接区域。 绝缘液的流动会导致空隙的产生。 在空隙处， 没有绝缘液却存在空气， 因此在这个区域会产生局部放电 （ 见第 6 章）， 局部放电会引起降解。 然而， 当周期性机械应力导致产生空隙时， 绝缘液会浸入搭接区域。 如果空隙很大， 即使是暂时形成， 也会在持续的使用中导致问题出现。
正如以前说描述的那样， 绝缘液老化过程中的变化会影响绝缘液的流动； 如果在老化过程中黏度增加， 在热机械应力下的流动就会变得越来越慢， 并且越来越困难。 如果形成石蜡状物质， 这种流动性会进一步被阻碍， 这是由于石蜡会阻碍流体的流动， 进而导致搭接处的空隙变大。
石蜡也可能会溶解在没有发生降解的绝缘液中， 因此会增加其黏度。 在高的应力循环温度下， 石蜡也可能会被软化并且发生熔融。 因此， 在分析事故时， 石蜡可能会以一种黏性的流体存在 （ 通常发生在电缆冷下来以后）。 另一个可能的因素是， 有水存在的情况下， 水会替代绝缘液或石蜡。
这种情形是很复杂的， 所有的因素都会影响纸带- 绝缘液绝缘中搭接处可能会发生的事情。
很显然， 纸绝缘电缆比聚烯烃绝缘更复杂； 这些情况在挤包绝缘电缆中不会发生， 绝缘液和纤维素都会降解。
然而， 事实是， 纸绝缘电缆有优越的可靠性历史， 这首先要归功于外面的铅护套， 只要铅护套保持完好， 就会阻止空气和水的侵入。
5. 10. 3 测试方法
有许多试验被用来评估因为老化而降解的纸绝缘电缆。 这里列举的测试项目如下：
● 绝缘纸带的水分： 随着纸绝缘电缆的降解， 水汽会进入， 并停留于带材中。测试会给出降解的定性情况。
● 聚合度 （ DP）： 正如前面所讲， 老化时， 纤维素分子链裂解并且聚合度会降低。 该技术需要先将纤维素溶解并测试溶液的黏度。 由于纤维素不易溶解且需要格外仔细， 这些年来人们已应用了很多方法。 一些测量方法本身会引起降解[32] 。
● 耐折性： 耐折性表示材料在破坏前能忍受重复折叠的性能。 它被表示成特定宽度和长度的带材在一定的应力作用下直至破坏时所能经受的折叠数量。 耐折性
在评价纸老化时的恶化情况是很有用的。 长的柔软纤维具有更高的耐折性。
● 拉伸强度： 拉伸强度是测量带材破坏时的破坏力， 可以通过仪器测量， 抗拉强度与纤维的强度、 结合力和长度有关。 在绝缘纸干燥或潮湿情况下都可以测量； 老化时， 这两者都会下降， 后者下降更明显。 潮湿下的拉伸强度比干燥时的要小。
● 绝缘液的介质损耗角正切： 随着油的降解， 材料的极性增加， 损耗增加。水汽的进入也会影响损耗角正切值， 这是评估纸绝缘电缆的常用方法。
● 绝缘液的附加测试： 老化引起降解的化学变化可以通过诊断测试来评估。红外分析是决定化学变化的一个有效方法， 降解、 氧化在红外中的吸收峰揭示它们的本质， 紫外分析应用较少。
纸/ 绝缘液电缆进一步的分析可以参考相关文献。 添加剂很可能存在于绝缘液中， 并且影响老化[33] 。 在这种情况下， 情况会变得更复杂。
纸绝缘电缆和挤出电缆在老化时有几个显著的不同： ①结构； ②老化后的测试方法。 更明显的不同是决定性的。 由于在下述两点存在显著不同： ①纸 （ 纤维素分子） 和挤包绝缘材料的化学结构； ②纸绝缘电缆的本身结构 （ 绝缘流体会填充在纸带绕包间隙处可能产生的微孔）， 因此， 上述不同结构会对外界应力产生不同的响应。 这一点已被直流高电位 （ DC HiPot） 测试所证实 （ 见第 18 章）。 该试验一般是用来促使老化后的纸绝缘电缆在特定时间内消除 “ 弱连接” 效应。 完整的
PILC 电缆在按照工业技术指导使用时， 直流电不会对其产生影响， 但是老化的
PILC 电缆就会失效； 对于未发生降解的电缆， 可以采用该技术来评估电缆的完整性， 同时不会对电缆造成损伤。 优点是， 用户可以在选定的时间内消除弱连接。
然而， 由于水树的产生， XLPE 电缆介电强度下降， 诱捕电荷 （ 而且缺少小分子量的液体来填充微孔） 能力也下降， 这就使得其在进行 DC HIPOT 试验时很容易被破坏。 这些都更多地取决于实验前 XLPE 的劣化程度。 该测试对纸绝缘能除去弱连接， 但是对 XLPE 绝缘电缆就无效。 该测试能缩短 XLPE 电缆的使用寿命， 即使电缆在测试过程中没有被击穿[34] 。 这种情况在 PILC 电缆上不会出现。
在应用环境中， 绝缘材料对外部应力的反应会立即与绝缘材料的物理化学结构相关联。 这种外部应力， 无论是自然的还是人为强加的。