苏金刚，杜伯学，李进，李志坚

(1. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050000；2.天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072；3. 国网天津市电力有限公司电力科学研究院，天津 300384)

高压直流电缆输电是实现城网增容改造、新能源电力规模化利用、大电网柔性互联的重要途径，具有线路走廊窄、可控性高、损耗低等优点，对保障城市化建设、清洁能源可持续发展和全球能源互联网构建具有重要的战略意义[1-2]。1999年瑞典Gotland地下电缆输电系统投入运行，成为世界上第1条商业化的挤压型直流电缆，其系统额定电压±80 kV，输送容量50 MW，长度72 km[3]。2009年ABB公司建造世界上第1条海上高压直流系统BorWin1，实现北海海上风电与德国内陆电网互联，其额定电压±150 kV，输送容量400 MW[4]。2014年ABB公司与北欧化工公司合作推出基于新一代交联聚乙烯(XLPE)电缆料的直流电缆并通过试验验证，其额定电压525 kV，输送容量2.6 GW，但尚未投入商业运营[5]。我国高压直流电缆工程起步相对较晚，但发展迅速。2013年中国南方电网有限责任公司建设的南澳±160 kV/200 MW多端柔性直流输电示范工程投运，将海上风力发电接入陆地骨架电网，为我国第1条投入运行的高压直流电缆工程。2014年国家电网有限公司建设的舟山±200 kV/400 MW多端柔性直流输电工程投运，将舟山群岛供电系统与陆地主电网构架互联。2015年国家电网有限公司建设的厦门±320 kV/1 000 MW柔性直流输电工程投运，海上风力发电的规模化利用能力进一步提升[6-7]。

高压直流电缆的绝缘安全对保障电力系统稳定运行至关重要，而电树枝劣化现象是导致电缆故障、限制直流输电电压等级提高的关键因素之一，极大制约了直流电缆输电技术的发展[8-9]。高压直流电缆沿用交流电缆的绝缘结构设计，但高压直流电缆投入运行时间相对较短，对直流电缆绝缘破坏过程和老化机理的认识严重不足。高压直流与交流电缆绝缘最大区别是空间电荷问题：直流电场中绝缘介质空间电荷积累导致局部电场强度高于平均电场强度，促使绝缘介质分子键断裂和自由基形成；当畸变电场强度达到一定阈值时，将诱发局部放电而产生电树枝通道，最终导致绝缘介质击穿[10]。因此，电树枝是高压直流电缆最终击穿的直接原因。同时，高压直流输电系统中电力电子器件开断、断路器操作、雷电入侵等暂态过电压叠加直流电压会形成复合电压。复合电压下需同时考虑各分量单独作用及相互作用对电荷输运过程的影响，电树枝劣化规律及机理更为复杂[11]。本文综述了国内外的研究成果，介绍了直流电场中高压电缆绝缘电树枝劣化研究进展，总结了直流电场中高压电缆绝缘电树枝引发机理，对未来高压直流电缆绝缘安全性问题进行了深入探讨。

1 直流电压对电树枝的影响

1.1 直流电树枝

随着高压直流电缆的发展，研究人员对直流电场中绝缘介质电树枝劣化的关注程度逐渐提高。高压直流电场中绝缘介质存在明显的空间电荷注入、积累现象：同极性空间电荷的注入将削弱针尖处的电场强度，因此针-板电极系统下直流电树枝起始电压高于交流电树枝起始电压[12]；异极性电荷积累将引起局部场强畸变，导致局部电场强度远高于平均电场强度而引发局部放电，造成分子链断裂、绝缘性能下降[13-14]。空间电荷分布与绝缘介质内部陷阱分布、电荷输运过程密切相关，同时受内、外部电场强度的共同作用影响[15-16]。

在交流与直流电压下进行电树枝光信号的采集，发现交流电压下小于起始电压便可检测到光信号且具有周期性，而直流电压下只有大于起始电压时才能检测到放电光信号且呈随机性，这说明交、直流电树枝的引发及生长过程存在区别[17]。直流电压下注入试样内部的同极性空间电荷积聚在针电极周围，削弱外加电场的作用，导致电树枝引发电压升高。正直流电压70 kV、负直流电压60 kV作用下，XLPE加压数小时均未观测到电树枝现象，进一步验证电树枝引发过程中空间电荷的作用[18]。M. Ieda等发现：直流电树枝起始电压与升压速率有关，电树枝起始电压随着升压速率升高而降低，且负极性直流电压下电树枝起始电压更高[19]。Y. X. Zhang等发现：针尖气隙内部局部放电产生的高能电子造成分子链容易断裂，导致硅橡胶直流电树枝起始电压降低[20]。直流电树枝的引发条件更为苛刻，这是因为直流电压下聚合物内部仅存在同极性电荷注入、无异极性电荷复合现象，绝缘介质内部电树枝引发主要依靠热电子、碰撞电离等作用[17]；然而，直流电压下绝缘介质内部热电子、碰撞电离的微观过程、形成机理尚不明确，直流电树枝的引发机理尚处于探索阶段。

1.2 直流接地电树枝

针对直流接地短路这一高压直流电缆常见故障类型，国内外学者对直流预压时间、预压幅值、预压极性、周期性接地等情况下聚合物电树枝引发特性进行了广泛深入研究[21]。相对于直流电树枝，直流接地电树枝的引发条件更容易实现。直流预压过程中，直流注入电荷进入聚合物内部形成空间电荷；直流接地过程中陷阱电荷受到电场突变刺激脱陷，同时释放麦克斯韦电机械应力，引起局部分子链断裂而形成低密度区，最终引发电树枝[22]。Y. Liu等指出：空间电荷注入深度、空间电荷量与直流接地电树枝特性有关，直流预压幅值升高使直流接地电树枝引发概率增大、电树枝长度增加[23]。刘云鹏等发现：空间电荷注入速度远大于脱陷速度导致直流预压阶段空间电荷迅速饱和，直流预压时间对电树枝引发概率影响较小，电树枝长度随着预压时间增大并趋向饱和[24]。电子具有体积小、穿透力强等特点，绝缘介质内部电子的注入深度远大于空穴的注入深度，负极性直流接地比正极性直流接地产生的麦克斯韦电机械应力较大；因此，负极性直流接地电树枝长度大于正极性直流接地电树枝长度，具有明显的极性效应[25]。然而，受空间电荷测量技术限制，直流接地过程中电荷输运特性尚未通过实验验证。

2 脉冲电压对电树枝的影响

雷电入侵、操作过电压等将导致高压直流电缆承受脉冲电压作用，脉冲电场中高压电缆电树枝特性研究也受到广泛关注。根据电树枝起始电压与脉冲电压上升沿时间之间的关系，F. Noto等指出：脉冲电压下空间电荷的注入是导致电树枝起始电压变化的根本原因，空间电荷的积聚、消散与电压极性、环境温度等密切相关。研究发现：温度为25 ℃时，低密度聚乙烯(LDPE)建立空间电荷需要30～80 μs；温度为40 ℃时，LDPE建立空间电荷需要30～140 μs[26]。Y. Sekii指出：脉冲电压下LDPE电树枝具有明显的极性效应，正脉冲极性下电树枝的起始电压更低，这与电子、空穴的输运行为密切相关[27]。通过对纳秒级重复脉冲电压下环氧树脂电树枝特性进行研究，发现电树枝起始电压随着脉冲频率的升高而降低，分析认为：纳秒级重复脉冲电压下，持续增强的电荷注入及麦克斯韦电机械应力会加速聚合物电树枝的引发[28]。Y. Liu等对直流预压下脉冲电压对电树枝起始电压的影响进行研究，发现直流预压幅值越高电树枝的起始概率越大，并指出：脉冲电压激发直流预压产生的空间电荷，是影响电树枝起始概率变化的原因[18]。与交流电压、直流电压相比，脉冲电压下电树枝的引发过程更为复杂，包括电荷入陷-脱陷、麦克斯韦电机械应力等因素的相互作用。

与恒定直流电压相比，脉冲电压能够引起电场强度剧增使陷阱电荷获得足够能量脱陷，并在自由体积内部加速获得较高能量；另外，陷阱电荷脱陷概率升高，使其在反复入陷-脱陷过程中释放能量增加，促使分子链断裂形成低密度区，进一步发展产生电树枝通道。天津大学对高压直流电缆附件三元乙丙橡胶(EPDM)绝缘电树枝特性进行研究，发现：随着脉冲频率不断升高，单位时间内注入试样内部的电荷数量增多，同时暂态电场作用促使脱陷电荷数量增多，两者共同作用造成EPDM分子链的破坏加剧；因此，相同脉冲幅值与脉冲个数时，脉冲频率越高，EPDM电树枝引发概率越大，如图1所示[29]。

图1 脉冲频率与电树枝引发概率的关系[29]Fig.1 Relationship between inception probability of electrical tree and the pulse frequency[29]

电树枝生长的极性效应与电荷输运行为有关。对于负极性而言，电场作用下针尖注入电子通过肖特基作用直接进入绝缘介质内部；对于正极性而言，电场作用下试样内部电子向针电极移动，留下空穴，形成“空穴注入”[30]。电树枝生长的极性效应可以根据流注理论来分析[31]。正极性电压下，针尖处局部放电引发的电子崩朝向针尖发展，锥型结构将提高电子崩尾部的电场强度，电树枝通道内部碰撞电离作用增强，因而电树枝通道发展较快；负极性电压下，针尖处局部放电引发的电子崩朝向地电极发展，电子崩头部负极性电荷积累降低外部电场作用，电树枝通道内部碰撞电离作用削弱，因而电树枝通道发展较慢。脉冲极性对EPDM电树枝形态的影响如图2所示[32]。

图2 脉冲极性对EPDM电树枝形态的影响[32]Fig.2 Effect of pulse polarity on electrical tree morphologies in EPDM[32]

3 复合电压对电树枝的影响

高压直流电缆系统断路器、换流变压器、非线性电力器件等容易产生脉冲电压、交流电压、谐波电压，其与直流电压耦合形成复合电压，容易诱发电树枝并加速绝缘材料劣化，严重威胁高压电缆线路的安全运行。

3.1 脉冲叠加直流电压下电树枝特性

高压直流电缆在实际运行过程中会遭受短路、雷电或操作等因素导致的脉冲过电压[33-35]，这些暂态脉冲叠加直流电压共同作用于电缆绝缘部分。天津大学对脉冲叠加直流电压下聚丙烯(PP)电树枝特性进行研究，发现：直流电压幅值升高导致针尖附近积聚的电荷增多，同极性脉冲电压作用引起针尖周围更为显著的电荷脱陷迁移现象，加速分子链的断裂；同时，施加同极性脉冲叠加直流电压后，针尖处的电场强度瞬间增大，当针尖电场超过了临界电场时，载流子从低能束缚态转变为高能迁移态，由针尖注入试样内部的电荷数量瞬间增大，分子链碰撞电离概率增大而加速电树枝的生长。因此，脉冲叠加直流电压下电树枝长度随着直流幅值增加而增大，如图3所示[36]。

图3 同极性脉冲叠加不同直流电压下电树枝生长特性[36]Fig.3 Growth characteristics of electrical tree with the same polarity pulse voltage superimposing different DC voltage [36]

异极性电压作用的效果类似于直流接地电树枝引发特征，如图4所示，其中：d0为空间电荷注入深度；Esc为空间电荷形成的电场强度；EDC+Ep为电源产生的电场强度[37]。脉冲电压作用瞬间导致针尖周围电场急剧下降，空间电荷在脉冲电压下瞬间释放(或复合)，并形成一个反向电场作用应力，瞬时反向电场会产生很强的麦克斯韦电机械应力，容易造成绝缘材料分子链断裂而引发电树枝。目前，脉冲叠加直流电压下电树枝特性尚不明确，相关机理有待进一步完善。

图4 异极性脉冲叠加负直流电压下电荷运动特性(EDC+Ep<0)[37]Fig.4 Charge transport characteristics with different polarity pulse voltage superimposing negative DC voltage(EDC+Ep<0)[37]

3.2 交流叠加直流电压下电树枝特性

高压直流线路中由于换流变压器等设备存在，部分电缆绝缘材料可能同时承受交流与直流电压的共同作用；因此，国内外学者对交流叠加直流电压下绝缘材料的电树枝特性进行研究，以期探索绝缘劣化的影响因素及作用机理。Y. Saito 等研究交流叠加直流电压下聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)电树枝引发特性，发现交流电压对电树枝起始特性具有重要影响[38]。刘云鹏等发现交流叠加直流电压下XLPE电树枝起始电压主要受交流电压的影响，且交流电压分量导致电树枝生长速度增大，分析认为：虽然针尖处存在直流分量产生的空间电荷层，但其电势随着交流分量呈现出周期性变化导致电荷周期性注入、抽出，此过程与交流电压下电树枝的引发机理相似[39]。交流叠加直流电压下，正直流大于负直流偏置对电树枝引发时间的影响，这与正、负直流偏置产生的空间电荷特性差异有关[40]。

3.3 谐波叠加直流电压下电树枝特性

电力系统内电气设备和负荷具有非线性特性，这在电能传递、变换、吸收过程中容易产生谐波分量。R. Sarathi等研究发现：畸变率较高的谐波电压与高频交流电压下的XLPE电树枝特性相似，畸变率较高的11次谐波电压下XLPE电树枝的起始时间最短，幅值相同的奇数次谐波电压与50 Hz交流电压产生的电树枝形态相似[41]。研究指出：畸变率较低的谐波电压下容易产生丛林状电树枝，谐波次数与谐波畸变率增加时容易产生纤维状电树枝，导致XLPE电缆绝缘失效[42]。

谐波叠加直流电压时周期性的电场变化加速电荷迁移过程，此时电荷入陷-脱陷释放的能量和自由电荷的碰撞效应共同作用，使绝缘材料分子链断裂形成自由基，加速链式反应而形成低密度区域，并最终产生电树枝通道。天津大学研究发现谐波叠加直流电压比谐波电压下电树枝起始概率增加；同时指出电树枝起始概率随着谐波次数变化，3次谐波叠加直流电压时达到最大值，如图5所示[43]。

随着谐波次数的增加，电树枝起始概率呈现先增加后减小的非线性趋势，原因是：随着谐波次数的增加，电子入陷-脱陷过程加速，自由电荷增多而容易产生自由基并促进低密度区域形成，因而电树枝起始概率增加；随着谐波次数进一步增加，注入试样内部电子数目增多并积聚在针尖周围，但远离针尖位置的电子不易脱陷，入陷电荷不断积累并削弱针尖场强，导致电树枝起始概率反而降低[43]。

图5 谐波叠加直流电压下电树枝起始概率[43]Fig.5 Inception probability of electrical tree with harmonic superimposing DC voltage [43]

4 结论

随着高压直流电缆电压等级不断提高，对高压电缆绝缘材料电气性能的要求也越来越高。高压直流电缆系统晶闸管触发、断路器开断、无功补偿设备投切和雷电冲击等容易产生脉冲过电压，对绝缘介质安全运行造成严重危害。实际上，高压直流电缆系统中存在复杂的电容性设备、电感性设备，极易引起电磁震荡形成重复脉冲电压冲击[44]；此外，雷击电压冲击过程中存在多次回击现象，相邻2次回击过程的时间间隔为几毫秒到数百毫秒，产生重复脉冲电压冲击[45]。脉冲冲击电压形式复杂，与直流电场存在多种耦合形式，但相关研究仍停留在理论分析层面，缺乏有效的实验、仿真分析支撑。重复脉冲过电压比直流电压下电树枝引发过程更为复杂，包括电荷入陷-脱陷、麦克斯韦电机械应力等复杂因素影响，相关研究相对匮乏尚无法满足复杂电场中高压直流电缆绝缘性能要求。另外，谐波叠加直流电压下电树枝劣化过程与电荷输运的关系尚不明确，需要完善相关理论模型。因此，关注复杂电场中高压直流电缆绝缘电树枝的引发和生长特性，获得其薄弱环节和关键影响因素，可为工程实际提供参考。