張宗衡，鄭書生，吳詩優(yōu)

（華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

電樹枝是電介質(zhì)材料中常見的現(xiàn)象，在高壓設(shè)備中廣泛存在，尤其在交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜中，電樹枝是導(dǎo)致電纜擊穿的主要原因之一[1-2]。即使現(xiàn)在的電纜制作工藝已經(jīng)有了很大提高，但電纜在運輸、安裝、運行過程中難以避免引入微小的缺陷，如尖刺、氣隙等，會導(dǎo)致電纜局部場強集中，長期發(fā)展可能會出現(xiàn)電樹枝[3]，并最終導(dǎo)致電纜擊穿。

國內(nèi)外學者在電樹枝的引發(fā)機理、生長以及檢測等方面開展了大量研究[4-7]。廖瑞金等[8]研究了XLPE中電樹枝的生長與局部放電的關(guān)系，結(jié)果表明，電樹枝的生長速率與局部放電的劇烈程度具有對應(yīng)關(guān)系，在電樹枝生長的初期局部放電較微弱。周遠翔等[9]研究了機械應(yīng)力對硅橡膠電樹枝起始性能的影響，結(jié)果表明，隨著外施壓力的增加，電樹枝的起樹電壓單調(diào)下降，出現(xiàn)單枝狀電樹枝的概率增大，出現(xiàn)密集形態(tài)電樹枝（松枝狀和叢狀）的概率減小。局部放電檢測作為電力設(shè)備狀態(tài)評價的重要手段之一，是XLPE電纜中缺陷檢測的常用方法。

在實際運行中，電力設(shè)備通常面對較復(fù)雜的運行環(huán)境，如不同的溫度、電壓幅值波動、電壓類型差異等，在不同工況下電樹枝特性具有顯著差別。聶瓊等[10]研究了電壓頻率對電樹枝的影響，結(jié)果表明，頻率高時電樹枝大概率發(fā)展為“叢狀”，頻率低時電樹枝大概率發(fā)展為“枝狀”。現(xiàn)有的研究未關(guān)注針尖曲率半徑對XLPE電樹枝生長及局部放電特性的影響，在實際運行的電纜中，不同電纜缺陷會對電纜產(chǎn)生不同程度的影響，因此開展不同針尖曲率半徑對XLPE電樹枝和局部放電的影響具有實際意義。

本文制作針-板XLPE模型，搭建XLPE電樹枝局部放電老化平臺，研究不同針尖曲率半徑對XLPE電樹枝形貌、局部放電的影響，對比不同曲率半徑試樣的電樹枝形貌和局部放電差異。

1 實驗

1.1 試樣制備

本文使用的試樣由青島華電電纜公司制作，使用制作110 kV XLPE電纜的工藝，提前制作好模具和高低壓電極，將北歐化工生產(chǎn)的110 kV XLPE顆粒和高壓電極放入模具中，將XLPE顆粒加熱至110℃并保持15 min，使得XLPE顆粒充分熔融；逐級增大硫化機壓強，分別在5、10、15 MPa下保持3 min，以達到逐漸排除XLPE中氣泡的目的；將壓力降為0 MPa，并將硫化溫度設(shè)為170℃，達到該溫度后繼續(xù)采用逐級加壓方式分別在5 MPa和10 MPa保持3 min，最后將壓力調(diào)為15 MPa，保持30 min，使XLPE充分交聯(lián)，最后將溫度和氣壓降至常溫常壓，將其切割成圖1(a)中的尺寸大小，使用銅粉導(dǎo)電膠將地電極與試樣粘連。為了避免試樣在接線、實驗過程中因為外界的機械應(yīng)力導(dǎo)致針尖處出現(xiàn)裂紋，影響實驗結(jié)果，通過在金屬電極上預(yù)留兩個直徑為4 mm的小孔，使用模具將XLPE顆粒擠壓成形，將XLPE層和上端金屬進行固定，以此保證鋼針不受搖動，形成“一體化”的模型，如圖1(b)所示。其中針-板距離為3 mm，針尖曲率半徑為10μm，角度為30°，鋼針直徑為0.6 mm，XLPE厚度為4 mm。

圖1 針-板XLPE一體化模型Fig.1 Needle-plate XLPE integrated model

1.2 檢測系統(tǒng)

使用顯微鏡實時觀察電樹枝的光學圖像，設(shè)置每隔2 s自動拍照，檢測和加壓系統(tǒng)如圖2所示。施加的電壓為50 Hz交流電，檢測阻抗連接在耦合電容的下端，兩者與試樣并聯(lián)。局放儀型號為LDS-6，德國凱塞爾斯多夫德布爾萊姆克股份有限公司，檢測靈敏度為0.1 pC。為了避免外界電磁信號的干擾，實驗在專業(yè)屏蔽室內(nèi)進行，經(jīng)過對干擾源的排除，噪聲信號水平為0.5 pC以下，后文的局放數(shù)據(jù)均對噪聲進行了濾除。為了避免試樣發(fā)生沿面閃絡(luò)，將試樣放在二甲基硅油中，同時避免電暈放電對局放檢測造成影響。

圖2 實驗回路Fig.2 Experimental circuit

1.3 實驗方法

電荷的注入-抽出理論是目前提出的電樹枝產(chǎn)生機理之一。載流子從金屬電極克服勢壘注入XLPE中對分子鏈進行撞擊，在升壓過程中，載流子被加速撞擊材料，產(chǎn)生電樹枝的概率變大，因此本實驗中加壓過程采用緩慢升壓。由于起樹電壓的大小直接受針尖曲率半徑的影響[9]，為了減小電壓對電樹枝發(fā)展的影響，針尖的曲率半徑不宜太小或太大。經(jīng)過多次實驗，選用曲率半徑為10μm和20 μm的試樣進行比較，當外加電壓較高時，電樹枝的生長與局部放電特性一致，當外加電壓較低時，電樹枝的生長與局部放電特性不一致[11]。因此，需要觀察恒壓下電樹枝的生長與局部放電的關(guān)系。對比曲率半徑為10μm和20μm的試樣在起樹電壓下，保持恒壓并觀察電樹枝形貌和局部放電的差異：每次升壓0.5 kV，在電壓較低時每個電壓下保持5 min，達到5 kV后每個電壓下至少保持20 min。達到起樹電壓后保持恒壓，長時間對實驗現(xiàn)象進行觀察直至模型擊穿。

2 結(jié)果與分析

2.1 小曲率半徑對電樹枝生長和局部放電的影響

為了避免單次實驗的隨機性誤差，選用同批次試樣進行多次實驗，得到10個針尖曲率半徑為10 μm試樣的起樹電壓平均值為11 kV。保持在起樹電壓下，長時間對電樹枝進行觀察直至擊穿，得到擊穿時間約為380 min，顯微鏡觀察的圖像如圖3所示。從圖3可以看出，電樹枝的形狀為“枝狀”，在此電壓下電樹枝剛開始發(fā)展的速率較慢。在產(chǎn)生電樹枝后的30 min內(nèi)生長速率變快，但電樹通體顏色較淺。隨著加壓時間的延長，分支逐漸增多，顏色逐漸加深。超過120 min后電樹枝的生長速率極為緩慢，并且發(fā)現(xiàn)在電樹枝的主干上生長出“藤狀”的細枝。電樹枝通道并不是只沿著金屬針的方向延伸，而是會出現(xiàn)許多分支向周圍發(fā)散（圖3(e)），原因可能是電樹枝通道內(nèi)部由于溫度的升高，導(dǎo)致氣體膨脹使電樹枝向周圍無規(guī)律發(fā)散[12-13]。加壓360 min后已經(jīng)有部分電樹枝長出視野之外，此時臨近擊穿（圖3(f)）。

圖3 枝狀電樹枝形貌Fig.3 The morphology of branch electrical tree

在電樹枝發(fā)展過程中檢測局部放電，每次累計采集局部放電的時間為1 min。圖4分別為產(chǎn)生電樹枝后1（起始）、30、60、360 min的局部放電相位圖（phase resolved partial discharge，PRPD）。從圖4可以看出，在起始階段局放量最大約為78 pC，正、負半周的形狀有一定的差異，負半周的點更加集中，放電量主要集中在40 pC以下，放電相位主要集中在0°～85°和160°～245°，負半周的放電相位比正半周稍大。加壓30 min和60 min后最大放電量約為380 pC，放電量主要集中在150 pC以下，放電相位主要集中在0°～125°和160°～245°，正半周的最大放電量明顯大于負半周，正半周放電相位有所增大，且正、負半周的放電形狀具有很大差異，正半周的放電形狀表現(xiàn)為“三角形”，負半周的放電形狀表現(xiàn)為“翼形”。三角形和翼形主要是PRPD圖形態(tài)的區(qū)別，三角形的放電分布相位相比于翼形更大，翼形的點分布更加集中，但兩者的最大放電量接近。加壓360 min后放電量增大很多，最大放電量約為840 pC，放電量主要集中在256 pC以下，正、負半周的點都更加密集，并且放電相位變化不大。由PRPD圖的形態(tài)判斷，放電的類型主要為氣隙放電和尖刺放電。隨著加壓時間的延長，電樹枝劣化的體積增大，內(nèi)部的氣體體積增大，氣體放電更加劇烈，放電量、放電重復(fù)率均增大。

圖4 枝狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.4 The PRPD diagram of partial discharge for branch electrical tree

2.2 大曲率半徑對電樹枝生長和局部放電的影響

使用針尖曲率半徑為20μm的試樣開展實驗進行對比。經(jīng)過逐級升壓，得到10個試樣的平均起樹電壓為15.5 kV。電樹枝發(fā)展的形貌如圖5所示。從圖5可以看出，電樹枝的形狀為“叢狀”，生長速率比枝狀電樹枝更慢，從起始至擊穿的總時間為585 min。叢狀電樹枝的顏色更深，尤其是在針尖附近顏色最深。在起樹后的30 min內(nèi)電樹枝生長速率最快，隨后生長速率變慢，細微的分支向外圍擴展然后逐漸變黑。圖6為起樹后540 min時的電樹枝形貌。由圖6可以看出，在最外圍有許多的細支，向地電極方向生長的細枝更長，繼續(xù)加壓最后延伸至地電極發(fā)生擊穿。

圖5 叢狀電樹枝形貌Fig.5 The morphology of bush electrical tree

圖6 540 min后叢狀電樹枝形貌Fig.6 The morphology of bush electrical tree after 540 min

實驗還發(fā)現(xiàn)在加壓的后期，電樹枝的生長速率加快，整個實驗過程電樹枝的生長速率表現(xiàn)為：快-慢-快，在中期呈現(xiàn)出“停滯”的現(xiàn)象。主要原因是受場強大小的影響，在起始階段針尖附近的場強大，在中期電樹枝的導(dǎo)電性較差，電樹枝尖端場強較小，隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強，導(dǎo)致場強增大。

圖7分別為產(chǎn)生電樹枝后1（起始）、30、60、360 min的PRPD圖。從圖7可以看出，在起始階段放電量最大為200 pC，與枝狀電樹枝相比有一定的增大，正、負半周的形狀較為接近，放電相位主要集中在0°～90°和165°～245°，放電量主要集中在80 pC以下。加壓30 min最大放電量約為346 pC，放電相位主要集中在0°～75°和160°～230°。加壓60 min后最大放電量約為450 pC，放電相位主要集中在0°～75°和160°～245°。加壓360 min后放電量最大約為832 pC，小于枝狀電樹枝，且放電量大的點較稀疏，放電量主要集中在316 pC以下，放電相位主要集中在0°～65°和165°～235°。

加壓540 min后的PRPD圖如圖8所示，可以看出，最大放電量約為997 pC，放電量主要集中在280 pC以下，放電相位主要集中在0°～50°和160°～235°。此外，從圖7、圖8中可以看出，叢狀電樹枝的PRPD圖正、負半周均類似于“翼形”，主要原因是電樹枝內(nèi)的局部放電主要為氣隙放電、尖刺放電，而叢狀電樹枝內(nèi)的氣隙體積更大，氣隙放電的特征更加明顯。

圖7 叢狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.7 The PRPD diagram of partial discharge for bush electrical tree

圖8 540min后叢狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.8 The PRPD diagram of partial discharge for bush electrical tree after 540 min

2.3 不同曲率半徑電樹枝生長速率和放電量的對比分析

不同曲率半徑電樹枝最終形貌概率統(tǒng)計如圖9所示。從圖9可以看出，針尖曲率半徑為10μm的試樣有80%的概率最終形貌發(fā)展為枝狀電樹枝，針尖曲率半徑為20μm的試樣有70%的概率最終形貌發(fā)展為叢狀電樹枝。起樹電壓的大小受曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。使用枝狀電樹枝和叢狀電樹枝分別表示針尖曲率半徑為10μm和20μm所產(chǎn)生的電樹枝。定義電樹枝長度為沿針尖方向發(fā)展的最大長度，圖10為枝狀電樹枝和叢狀電樹枝的加壓時間-電樹枝長度圖。從圖10中可以看出，兩種電樹枝均在前60 min內(nèi)生長較快，且枝狀電樹枝生長速率遠大于叢狀電樹枝。加壓時間為60～300 min時，兩種電樹枝生長速率變慢，枝狀電樹枝生長速率遠大于叢狀電樹枝，主要原因是在電荷積聚下兩種電樹枝放電通道加粗，電樹枝形貌表現(xiàn)為加黑，小曲率半徑針尖場強更大，電荷積聚更密，所以生長速率較快。加壓時間為300～380 min時，枝狀電樹枝快速生長，直至擊穿；叢狀電樹枝繼續(xù)生長。加壓時間為380～585 min時，叢狀電樹枝生長速率變快，隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強，導(dǎo)致場強增大。總體來看，兩種電樹枝的生長速率均表現(xiàn)為“快-慢-快”，且枝狀電樹枝的生長速率遠大于叢狀電樹枝。說明在實際電纜中枝狀電樹枝的危害更大。

圖9 不同曲率半徑對電樹枝最終形貌的影響Fig.9 Effect of different curvature radius on the final development morphology of electrical tree

圖10 電樹枝生長速率對比圖Fig.10 Comparison of growth rates of electrical tree

圖11、圖12分別為枝狀電樹枝和叢狀電樹枝的平均放電量-加壓時間和最大放電量-加壓時間圖。從圖11～12可以看出，加壓時間為0～30 min時，兩種電樹枝的平均放電量和最大放電量均呈增大趨勢，叢狀電樹枝的平均放電量小于枝狀電樹枝的平均放電量，最大放電量反而大于枝狀電樹枝。加壓時間為60～300 min時，兩種電樹枝的平均放電量均呈增大趨勢，而最大放電量呈“增大-減小-增大”的趨勢。加壓時間為380～540 min時，枝狀電樹枝已擊穿，叢狀電樹枝的平均放電量和最大放電量均呈“減小-增大”的趨勢。從危害來說，針尖曲率半徑小的電樹枝缺陷因其擊穿時間更短而危害更大。

圖11 電樹枝平均放電量對比圖Fig.11 Comparsion on average discharge of electrical tree

圖12 電樹枝最大放電量對比圖Fig.12 Comparison on maximum discharge of electrical tree

2.4 電場強度的對比分析

采用商用有限元軟件COMSOL Multiphysics對場強的分布進行仿真，得到交流電壓峰值下針尖曲率半徑為10μm和20μm時試樣的場強分布，如圖13所示。從圖13(a)可以看出，施加電壓有效值為11 kV時的最大場強為58.1 kV/mm；從圖13(b)可以看出，施加電壓有效值為15.5 kV時的最大場強為50.6 kV/mm。仿真的結(jié)果只能作為參考，與實際存在一定的偏差，試樣在制造過程中由于各種因素的影響，規(guī)格并不是完全標準。雖然不同曲率半徑下施加的電壓是不同的，但最大電場強度的大小是比較接近的。針尖曲率半徑大的試樣在針尖處高場強區(qū)域的面積大（如圖13(b)圓圈部分），電荷注入-抽出造成劣化的區(qū)域更大，因此更大概率發(fā)展為叢狀電樹枝。在交流電壓下，電荷積聚效應(yīng)不明顯，空間電荷對場強的影響較小[14]，因此電荷的注入-抽出效應(yīng)比直流電壓下更顯著。

圖13 不同針尖曲率半徑試樣的電場強度分布圖Fig.13 The electric field intentsity distribution diagram of samples with different tip curvature radius

3 討論

交流電壓下載流子的注入-抽出是產(chǎn)生電樹枝的主要原因之一，絕緣材料的分子鏈不斷受到載流子的撞擊造成斷裂，斷裂不斷累積形成了微孔。由于局部放電等因素產(chǎn)生了低密度區(qū)，低密度區(qū)內(nèi)有大量的“熱電子”。電場強度的大小決定了載流子所受電場力的大小，從而影響對材料的破壞程度。電樹枝在起始期發(fā)展迅速，當發(fā)展到一定長度后電樹枝前端電子能量不足，沿電場方向生長逐漸減慢。隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強，導(dǎo)致場強增大，此時電樹枝生長速率變快。由此可以解釋兩種電樹枝生長均呈“快-慢-快”的趨勢。

起樹電壓的大小受針尖曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。在針尖附近最大場強相同的前提下，曲率半徑大的試樣在針尖附近高場強的區(qū)域大，載流子的轟擊作用更強，對材料的破壞面積更大，因此更大概率發(fā)展為叢狀電樹枝。由于叢狀電樹枝比較密集，以及各電樹枝尖端電場的互相屏蔽作用和介質(zhì)中空間電荷的屏蔽作用，叢狀電樹枝總的生長速率會比枝狀電樹枝慢[16]。

不同形態(tài)電樹枝產(chǎn)生的局部放電形態(tài)差異的主要原因可以歸結(jié)為電樹枝通道體積的大小以及場強大小。叢狀電樹枝通道內(nèi)劣化的體積更大，通道內(nèi)氣體的含量更多，氣體放電更加劇烈。此外，不同形狀的電樹枝導(dǎo)致的場強變化也存在差異，叢狀電樹枝對場強具有一定的勻化作用，場強大小的不同也會導(dǎo)致放電形態(tài)存在差異。

場強是電樹枝產(chǎn)生的驅(qū)動因素之一，據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)論，金屬和絕緣材料之間電荷的注入效應(yīng)存在閾值場強[17]。不同針尖曲率半徑電樹枝引發(fā)時的最大場強相近的原因可能是受閾值場強的影響，在電樹枝的仿真中也是通過與閾值場強進行比較來判斷電樹枝是否產(chǎn)生。由此可以解釋曲率半徑不同的試樣起樹時的最大場強較為接近。

4 結(jié)論

（1）起樹電壓的大小受針尖曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。針尖曲率半徑小的試樣在起樹電壓下大概率最終發(fā)展為枝狀電樹枝，曲率半徑大的試樣在起樹電壓下則大概率最終發(fā)展為叢狀電樹枝。保持在起樹電壓下，枝狀電樹枝在30 min內(nèi)生長較快，叢狀電樹枝則生長較慢，兩種電樹枝生長速率均表現(xiàn)為“快-慢-快”的特點。枝狀電樹枝總的生長速率比叢狀電樹枝的生長速率更快，在實際電纜中枝狀電樹枝的危害更大。

（2）叢狀電樹枝總的放電量大于枝狀電樹枝，兩者同一時期的PRPD圖形狀上存在一定的差異。枝狀電樹枝正半周的放電形狀表現(xiàn)為“三角形”，負半周形狀表現(xiàn)為“翼形”，而叢狀電樹枝的PRPD圖正、負半周均類似于“翼形”。枝狀電樹枝的平均放電量表現(xiàn)為持續(xù)增大，而叢狀電樹枝表現(xiàn)為“增大-減小-增大”。枝狀電樹枝的最大放電量表現(xiàn)為“增大-減小-增大”，叢狀電樹枝最大放電量則表現(xiàn)為“增大-減小-增大-減小-增大”趨勢，并存在明顯的放電停滯現(xiàn)象。