馬一力 叢祥旭 李忠華

摘 要：交聯(lián)聚乙烯材料在電力電纜中有著廣泛的應(yīng)用，且電樹枝生長(zhǎng)特性是絕緣可靠性研究的重要基礎(chǔ)。針對(duì)交聯(lián)聚乙烯電纜的輕負(fù)荷及低溫運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)了一套可多試樣同時(shí)進(jìn)行電樹枝實(shí)驗(yàn)的電極裝置，研究了溫度對(duì)電樹枝引發(fā)和生長(zhǎng)特性的影響。在0～-50℃范圍進(jìn)行了不同溫度下的電樹枝實(shí)驗(yàn)并與+25℃時(shí)進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果表明：溫度對(duì)電樹枝的引發(fā)、生長(zhǎng)速度和電樹枝形貌有著重要影響。電樹枝50%起始電壓隨溫度的降低而升高，且溫度越低其增加幅度越??；低溫對(duì)電樹枝生長(zhǎng)速度有抑制作用，且溫度越低越明顯；低溫環(huán)境下的電樹枝存在兩種典型形貌，且電樹枝的起始位置也有別于+25℃。

關(guān)鍵詞：

交聯(lián)聚乙烯；電樹枝；溫度；50%起始電壓；生長(zhǎng)速度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.019

中圖分類號(hào)： TM85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）03-0111-06

Growth Behaviors of Electrical Tree in Cross-linked Polyethylene from 0℃ to -50℃

MA Yi-li， CONG Xiang-xu， LI Zhong-hua

（Key Laboratory of Engineering Dielectric and Its Application， Institute of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Cross-linked polyethylene has been widely used in the power cable， and the growth of electrical tree is significant foundations in the researching of insulation reliability. Considering the situation that Cross-linked polyethylene cable worked in the condition of light load and low temperature in extreme weather， a set of electrode device that multiple samples can be tested at a time was used in the experimental system in order to research the initiation and the growing behaviors of electrical tree in cross-linked polyethylene under different temperatures. The experiments of electrical tree were carried out under different temperatures from 0℃ to -50℃， and used the one under +25℃ as the comparison， it showed that temperature had a significant impact on the initiation、growth speed and the typical morphology of electrical tree. As the falling of temperature， the 50% initiation voltage increased obviously， and the increasing range was getting smaller as the temperature getting lower. The low temperature had some inhibitory impacts on the growth speed of electrical tree， and the lower temperature， the more obvious effect. There were two particular types of morphology in low temperature environment， and the growth site of electrical tree was different from the one growing in +25℃.

Keywords：cross-linked polyethylene； electrical trees； temperature； 50% initiation voltage； growth speed

0 引 言

憑借著良好的電氣性能和耐熱性能[1]交聯(lián)聚乙烯電纜在電網(wǎng)中有著越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)電樹枝生長(zhǎng)特性對(duì)交聯(lián)聚乙烯絕緣壽命有著重要的影響[2-3]，因此對(duì)交聯(lián)聚乙烯電樹枝生長(zhǎng)特性研究具有著重要的意義[4-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交聯(lián)聚乙烯電樹枝生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了很多研究，J.V. Champion等將空間電荷和固體絕緣中的電樹枝現(xiàn)象一并進(jìn)行了研究[7-9]，實(shí)驗(yàn)證實(shí)空間電荷的抽出和注入對(duì)電樹枝的形成有著及其重要的作用，然而部分學(xué)者認(rèn)為低溫下機(jī)械冷縮應(yīng)力起主要作用[10-11]。目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)室溫及高溫環(huán)境下[14]的不同試驗(yàn)條件如頻率[12]、絕緣缺陷[13]等對(duì)電樹枝的影響進(jìn)行了大量的研究，一些學(xué)者致力于研究納米復(fù)合材料[15-17]的電樹枝性能[19]和電導(dǎo)[18]，同時(shí)由于超導(dǎo)材料的發(fā)展和低溫電工設(shè)備的應(yīng)用，部分學(xué)者[10，20]探究了液氮溫區(qū)下的聚合物電樹枝現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)液氮溫度下聚合物抗樹枝狀放電性能出現(xiàn)了大幅度提高。但是近年來，隨著氣候問題的日趨嚴(yán)重，我國(guó)區(qū)域性極端低溫事件[21]頻繁產(chǎn)生，因此交聯(lián)聚乙烯電纜在室溫與液氮溫度間的低溫輕負(fù)荷工作情況時(shí)有發(fā)生，然而尚未有學(xué)者進(jìn)行此溫區(qū)內(nèi)的交聯(lián)聚乙烯材料電樹枝特性研究。因此研究室溫與液氮溫度區(qū)間內(nèi)的交聯(lián)聚乙烯材料電樹枝生長(zhǎng)特性有著重要的工程意義。

為了填補(bǔ)低溫下交聯(lián)聚乙烯材料電樹枝生長(zhǎng)特性研究的空缺，對(duì)0～-50℃不同溫度及+25℃下交聯(lián)聚乙烯試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)50%起始電壓、電樹枝生長(zhǎng)速度、電樹枝形貌和生長(zhǎng)位置進(jìn)行分析。結(jié)果表明，0～-50℃范圍的低溫對(duì)電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)存在抑制作用，且低溫環(huán)境中的電樹枝形貌和生長(zhǎng)位置與室溫條件下存在顯著差異。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 試樣及電極裝置

電極采用傳統(tǒng)的針-板結(jié)構(gòu)。針電極，選用直徑為0.6mm的鎢絲在NaOH溶液中通以5V直流電壓控制電流約為4mA，利用電化學(xué)腐蝕形成針尖，選取針尖曲率半徑為3μm的針用于試樣制作。

交聯(lián)聚乙烯材料，LDPE粒料與DCP進(jìn)行混煉，在特制模具下經(jīng)由平板硫化機(jī)通過110℃熱壓成型175℃進(jìn)行交聯(lián)，制成100mm×100mm×3mm的交聯(lián)聚乙烯片狀材料，保持一定壓力冷卻至室溫。隨后在恒溫箱中將熱壓制成的交聯(lián)聚乙烯片狀材料切割成尺寸為10mm×8mm×3mm的塊狀樣品，在恒溫箱中加熱至交聯(lián)聚乙烯材料呈完全透明狀后將針勻速插入，用千分尺測(cè)量并控制針尖與塊狀樣品底部間距為3mm±0.2mm，在室溫條件下自然冷卻后在底部均勻涂抹上一層快干型導(dǎo)電銀漆，試樣結(jié)構(gòu)詳見圖1。

此外，本文設(shè)計(jì)并采用一種可多試樣同步加壓的電樹枝引發(fā)電極裝置，此種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：第一，電樹枝實(shí)驗(yàn)往往需要同種條件下多次進(jìn)行，而多試樣同步加壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可大大減小由于環(huán)境溫度的變化、電網(wǎng)的波動(dòng)和實(shí)驗(yàn)操作等造成的誤差，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間提高實(shí)驗(yàn)效率；第二，此實(shí)驗(yàn)裝置有利于獲得一個(gè)對(duì)于絕緣壽命管理有著重要意義的參數(shù)，即電樹枝50%起始電壓。電樹枝引發(fā)電極裝置具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在實(shí)驗(yàn)開始前，打開銷軸6將試樣固定桿4以鉸接連接件5為軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)抬高一定角度，在實(shí)驗(yàn)所用試樣7的高壓電極9上套上壓緊彈簧8，后逐一裝入試樣固定桿4上的直徑為1mm的固定孔內(nèi)，而后使試樣固定桿4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度恢復(fù)至原位并固定好銷軸6，隨后檢查并調(diào)整壓緊彈簧8使得涂抹過導(dǎo)電銀漆的試樣底部與地電極1緊密接觸。最后，將電極裝置的地電極1接地，高壓端連接導(dǎo)線用分別與多個(gè)試樣的高壓電極9連接，最后將電極裝置置于裝有變壓器油的實(shí)驗(yàn)箱中并放入低溫冰箱內(nèi)進(jìn)行電樹枝實(shí)驗(yàn)。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

加壓結(jié)束后的交聯(lián)聚乙烯試樣，用帶有攝像頭的數(shù)碼體式顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)并拍照，同時(shí)利用軟件對(duì)試樣中產(chǎn)生的電樹枝尺寸進(jìn)行標(biāo)定，電樹枝觀測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，主體由顯微鏡、接口相機(jī)、光源、PC機(jī)和處理軟件組成。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)制作若干個(gè)交聯(lián)聚乙烯試樣，實(shí)驗(yàn)前置于90℃環(huán)境下干燥30min待試樣自然冷卻后將其裝入電極裝置，用壓緊彈簧控制試樣底部與接地電極緊密接觸。將注入適量變壓器油的實(shí)驗(yàn)箱放入設(shè)置好溫度的低溫冰箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)前放置24h待油溫和試樣溫度均達(dá)到設(shè)定溫度后加壓，以1kV/s的速度均勻升至所需電壓穩(wěn)定加壓1h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響和實(shí)驗(yàn)的分散性，以每10個(gè)試樣為一組，依次分別在0～-50℃間6個(gè)不同溫度及+25℃下，按照不同電壓在每個(gè)溫度下分別進(jìn)行40至50組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電樹枝長(zhǎng)度等于或大于20μm時(shí)，稱為出現(xiàn)電樹枝；一組試樣為10個(gè)，施加電壓一個(gè)小時(shí)出現(xiàn)電樹枝的試樣個(gè)數(shù)與該組試樣總數(shù)之比，稱為電樹枝引發(fā)率；而電樹枝引發(fā)率為50%時(shí)試樣上所施加的電壓，稱為電樹枝50%起始電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析不同溫度下的電樹枝引發(fā)率與電壓關(guān)系，并確定電樹枝50%起始電壓。加壓結(jié)束后的試樣在觀測(cè)系統(tǒng)下觀察電樹枝形貌并就其尺寸進(jìn)行標(biāo)定，樹枝長(zhǎng)度為沿電極方向生長(zhǎng)的距離。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)電樹枝引發(fā)的影響

采用線性擬合利用Origin軟件繪制出不同溫度下的電樹枝引發(fā)率和電壓關(guān)系圖，如圖4所示?？梢灾庇^地看出，隨著電壓的升高，不同溫度下的電樹枝引發(fā)率均逐漸增大，且溫度越低線性回歸曲線的斜率越小。由此表明，隨著溫度的降低電樹枝引發(fā)率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

用SPSS軟件對(duì)不同溫度下的電壓與電樹枝引發(fā)率關(guān)系進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：就單個(gè)溫度而言，Pearson相關(guān)性系數(shù)均處于0.8～1.0之間，體現(xiàn)了極強(qiáng)的正相關(guān)，零假設(shè)成立的概率P=0.000，可認(rèn)為隨著電壓的升高電樹枝引發(fā)率增大，這與圖4所示規(guī)律一致。繪出不同溫度下的Pearson相關(guān)性系數(shù)變化圖，如圖5所示。從圖5可看到，隨著溫度的降低，Pearson相關(guān)性系數(shù)由0.980減小到0.876，且溫度越低減小越快，尤其是-40降至-50℃時(shí)相關(guān)性系數(shù)出現(xiàn)了大幅度減小，表明隨著溫度的降低電壓和電樹枝引發(fā)率間的Pearson相關(guān)性減小。

由圖4可獲取不同溫度下電樹枝引發(fā)率為50%時(shí)交聯(lián)聚乙烯試樣上所施加的電壓值，即電樹枝50%起始電壓。對(duì)溫度與電樹枝50%起始電壓進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示Pearson相關(guān)性系數(shù)為-0.933，零假設(shè)成立的概率P=0.000，故可認(rèn)為：溫度和電樹枝50%起始電壓間存在極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。這點(diǎn)也可以由圖6清晰地看出：從0℃至-50℃，電樹枝50%起始電壓在15～35kV內(nèi)隨著溫度的降低呈增大趨勢(shì)，但電壓的變化速率逐漸減緩，即溫度越低50%起始電壓增加的幅值越小。

2.2 溫度對(duì)電樹枝生長(zhǎng)速度的影響

在觀測(cè)系統(tǒng)下利用處理軟件對(duì)交聯(lián)聚乙烯試樣中的電樹枝長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)定，并繪制出不同溫度下電壓與電樹枝長(zhǎng)度的關(guān)系圖，如圖7所示。本文規(guī)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間一個(gè)小時(shí)，標(biāo)定出實(shí)驗(yàn)結(jié)束后試樣中電樹枝的生長(zhǎng)長(zhǎng)度，以此來度量電樹枝的生長(zhǎng)速度。隨后進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示不同溫度下電壓與電樹枝生長(zhǎng)長(zhǎng)度的Pearson相關(guān)性系數(shù)均在0.8～1.0之間，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的正相關(guān)，這點(diǎn)在圖7上表現(xiàn)為隨著電壓的增加電樹枝長(zhǎng)度的增大。比較低溫環(huán)境0℃至-50℃這6個(gè)不同溫度下的曲線可發(fā)現(xiàn)，電壓增大相同的數(shù)值時(shí)溫度越低電樹枝長(zhǎng)度增加的幅值越小，即在圖7中表現(xiàn)為溫度越低電樹枝長(zhǎng)度隨電壓增長(zhǎng)變化的曲線越平穩(wěn)，這表明：低溫下電樹枝的生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，且溫度越低抑制作用越顯著。究其原因可能是在較低的溫度下，交聯(lián)聚乙烯分子熱運(yùn)動(dòng)的能量不足，從而使得反應(yīng)速率減慢，體現(xiàn)為電樹枝的生長(zhǎng)速度的減慢。

2.3 溫度對(duì)電樹枝形貌和生長(zhǎng)位置的影響

實(shí)驗(yàn)后交聯(lián)聚乙烯試樣經(jīng)由觀測(cè)系統(tǒng)觀察后每個(gè)溫度下獲取約200～300張圖片，表1就不同溫度各列出4張共計(jì)28張采樣圖用以說明，電樹枝引發(fā)率用P表示，其中U1對(duì)應(yīng)P≥85%的試樣中的典型電樹枝形貌、U2對(duì)應(yīng)P∈65%，85%的試樣中的典型電樹枝形貌、U3對(duì)應(yīng)P∈45%，65%的試樣中的典型電樹枝形貌、U4對(duì)應(yīng)P∈45%，25%的試樣中的典型電樹枝形貌。+25℃下的電樹枝有五種典型形貌：枝狀、叢林狀、松枝狀、藤枝狀和混合狀，而觀察表1發(fā)現(xiàn)：+25℃下的U1、U2，0℃、-10、-20℃時(shí)的U1對(duì)應(yīng)的典型電樹枝形貌均為較為清晰的叢狀，而-30℃時(shí)U1對(duì)應(yīng)的叢狀電樹枝尺寸明顯小于前兩個(gè)溫度，同時(shí)觀察-40℃和-50℃下全部采樣圖發(fā)現(xiàn)只有極個(gè)別樣品出現(xiàn)叢狀電樹枝，這一現(xiàn)象表明低溫條件下叢狀電樹枝不易產(chǎn)生。觀察實(shí)驗(yàn)獲取的全部圖片并結(jié)合表1，發(fā)現(xiàn)-40℃和-50℃時(shí)無論電壓等級(jí)的高低，最常見的兩種典型形貌分別為樹枝狀和樹枝-松枝狀。+25℃和0℃時(shí)電樹枝各個(gè)分枝都相對(duì)清晰分明，從-10℃開始低溫環(huán)境下不同溫度下的各枝干都趨于呈現(xiàn)“纖細(xì)狀”，-50℃時(shí)最為明顯，這表明低溫下形成電樹枝枝干的過程中需要的能量比+25℃時(shí)少，且溫度越低越明顯。

+25℃、0℃和-10℃時(shí)無論何種形貌的電樹枝由于針尖處的高場(chǎng)強(qiáng)其生長(zhǎng)的起始位置均為針尖處，而-20℃時(shí)U1、U3、U4和-30℃時(shí)的U1、U2、U3對(duì)應(yīng)的典型電樹枝形貌中電樹枝的起始位置到針尖有一小段的距離，而溫度更低時(shí)這種現(xiàn)象有減弱的趨勢(shì)，推測(cè)原因認(rèn)為是由于空間電荷的注入削弱了針尖電極尖端處的電場(chǎng)強(qiáng)度，而溫度更低時(shí)空間電荷對(duì)針尖電場(chǎng)強(qiáng)度的削弱有一定程度的減小。與+25℃時(shí)不同，-30℃時(shí)U3、U4對(duì)應(yīng)的典型電樹枝形貌和-40℃的4張圖，包括-50℃的U1、U2、U3對(duì)應(yīng)的典型電樹枝形貌中都出現(xiàn)了電樹枝在針尖側(cè)面產(chǎn)生的現(xiàn)象，結(jié)合全部采樣圖發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象隨著溫度的降低出現(xiàn)的概率增大，究其原因發(fā)現(xiàn)，試樣中針電極的插入在高溫下進(jìn)行而后在室溫環(huán)境下自然冷卻，如此制作而成的試樣存在弱機(jī)械應(yīng)力，然而實(shí)驗(yàn)溫度為低溫環(huán)境下-30℃、-40℃和-50℃，這種情況下交聯(lián)聚乙烯產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于金屬針尖的收縮應(yīng)力，則形成的強(qiáng)抱緊力可能在針尖的側(cè)面形成極其細(xì)小的微裂紋，從而出現(xiàn)低溫下電樹枝在針尖側(cè)面產(chǎn)生的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本文通過0～-50℃范圍內(nèi)的交聯(lián)聚乙烯材料中電樹枝引發(fā)和生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）隨著溫度的降低，電樹枝引發(fā)率與電壓的相關(guān)性減?。坏蜏丨h(huán)境下，電樹枝50%起始電壓比+25℃時(shí)高得多，且溫度越低其增加幅度越小。

2）與+25℃時(shí)相比，低溫下的電樹枝長(zhǎng)度和生長(zhǎng)速度都顯著減小，這表明低溫環(huán)境能夠抑制電樹枝的生長(zhǎng)，且溫度越低越明顯。

3）低溫下的電樹枝存在兩種典型形貌，且由于空間電荷和機(jī)械收縮應(yīng)力的共同作用電樹枝易在針尖的側(cè)面產(chǎn)生，或電樹枝起始位置到針尖有一小段的距離。

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