陈诗佳，周 凯，李泽瑞，黄永禄

（四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

随着中国城市化建设的加速，电力电缆因其具有节约资源、环境友好等特点而被广泛应用于城市电网中[1]。因当前工艺的限制，电缆在制作、敷设及运行过程中不可避免地会在绝缘层中留下气隙、裂纹等微观缺陷。电缆长期运行过程中会受到环境、电、机械应力等多种因素的影响，在这些因素的作用下可能会从微观缺陷处生长出电树枝，最终导致绝缘击穿[2]。电力系统中开关倒闸操作不可避免地会产生操作冲击电压，运行中的电缆在受到操作冲击电压作用时也可能在微观缺陷处生长出电树枝。大量研究表明，电树枝化是造成XLPE电缆绝缘击穿的主要原因[3-5]。

近几十年来，国内外学者在电树枝的引发机制[6]、形态[7]、影响因素[8-12]及抑制方法[13-14]等方面进行了深入的研究并且取得了大量研究成果。外施电压对电树枝的引发及生长有显著影响，当外施电压改变时，电树枝的引发时间及生长形态均会发生改变。文献[7]研究了不同外施工频电压作用下，XLPE中电树枝的形态及其对应的局部放电特性，发现导电型电树枝与非导电型电树枝所对应的局部放电特性有所不同，即可以通过局部放电变化来判断不同电树枝的生长阶段。文献[8]研究了工频电压作用下丛状电树枝的生长特性与微观结构的关系，并将丛状电树枝的整个生长过程分为潜伏阶段、生长阶段、滞长阶段和击穿阶段；研究还发现电树枝通道壁附着有纳米级碳颗粒，且碳颗粒处电场畸变最严重，导致从该处生长出细小分枝，随着时间的推移，分枝逐渐增多，通道壁上碳化程度逐渐增大，最终由枝状电树枝转化为丛状电树枝。文献[9]研究了工频叠加冲击电压作用下XLPE中电树枝的引发特性，发现电树枝的起始场强与预加的交流电压及其相对极性有关，并且有明显的累积效应，但该研究仅针对电树枝的引发特性，未对工频叠加冲击电压作用下电树枝的生长规律进行研究。研究工频叠加冲击电压作用下电树枝的生长规律，有助于进一步理解实际运行电缆中电树枝的生长机制及绝缘失效的原因。

本研究搭建工频叠加冲击电压实验平台，使用显微观测实验平台记录XLPE中电树枝的生长全过程，并通过扫描电镜观察电树枝的微观结构，构建电树枝仿真模型，从电场的角度理解工频叠加冲击电压作用下电树枝的滞长现象。

1 实验

1.1 样本制作

选用型号为YJ-10的电缆交联聚乙烯料，在温度为120℃的平板硫化机上不加压预热15 min，然后将平板硫化机升温至180℃，在180℃、15 MPa压力条件下交联30 min，之后以8～9℃/min的降温速度冷却至室温。将样品放入90℃烘箱中退火72 h，以排除挥发性副产物。

将样本裁切成尺寸为80 mm×10 mm×5 mm的长方体。将直径为0.5 mm、曲率半径为(10±1)μm、顶角为30°的钢针采用热扎法刺入长方体样本中，刺入深度为8 mm，使用绝缘扎带将样本固定于尺寸为100 mm×3 mm×5 mm的铜电极上，针尖与铜电极保持2 mm的电树培养区，如图1所示。

图1 实验样本Fig.1 Experimental sample

1.2 实验装置

采用实时微观观测系统观察薄片样本中电树枝的生长过程，电树枝生长观测平台如图2所示。将样本浸泡于盛满绝缘油的容器中，以避免产生电晕放电。显微镜放置于样本正上方，通过CCD成像设备连接至电脑，调整样本位置直至针尖位于屏幕正中，开始采集电树枝的生长形态。

图2 电树枝微观观测系统与工频叠加冲击电压实验平台Fig.2 Electrical tree microscopic observation system and power frequency voltage superimposed impulse voltage test platform

当负极性冲击电压叠加在工频电压270°时，其电树枝引发电压远低于其他叠加情况[9]，这种情况下对样本的破坏作用最大。因此，为了研究工频电压叠加冲击电压对电树枝生长特性的影响，实验选用负极性冲击电压并且使用控制单元使冲击电压叠加于工频电压的270°上。使用高压探头采集的工频叠加冲击电压的波形和标准操作冲击电压波形如图3所示，由于耦合电容对操作波存在分压，因此工频叠加冲击电压波形的幅值并不是20 kV。

图3 标准操作冲击电压和工频叠加冲击电压波形Fig.3 Waveform of standard operating impulse voltage and power frequency voltage superimposed impulse voltage

实验设计如下：将样本分为A、B两组，每组3个样本，分别编号为A1、A2、A3和B1、B2、B3。首先，对 A1、A2、A3样本分别施加时间为 510、1 200、1 800 min的工频电压，得到不同长度的电树枝样本。然后，保持工频电压不变对样本施加冲击电压，其中工频电压频率为50 Hz，幅值为5 kV；冲击电压幅值为15 kV，每2秒加压一次，加压次数为900次。最后，撤去冲击电压并继续施加工频电压390 min后降压。对B组样本仅施加工频电压，加压时间为3 600 min。

2 实验结果

图4～5为不同类型电压下XLPE样本中电树枝的生长情况。从图4可以看出，在5 kV工频电压作用180 min后，XLPE中的电树枝逐渐生长为丛状电树枝，继续加压390 min后，丛状电树枝进一步生长。从图5可以看出，在工频电压叠加冲击电压下作用30 min后，XLPE样本中丛状电树枝尖端生长出枝状电树枝并且快速向地电极方向生长，此时生长出的电树枝颜色较浅。撤去冲击电压后，仅工频电压作用时电树枝停止向地电极方向生长，并逐渐生长成新的丛状电树枝，这一阶段电树枝的生长速度减缓。

图4 工频电压下的电树生长情况Fig.4 Electrical tree growth under power frequency voltage

图5 工频叠加冲击电压下的电树生长情况Fig.5 Electrical tree growth under power frequency superimposed impulse voltage

图6为不同电压作用下XLPE中电树枝的生长趋势曲线，为了便于比较不同外施电压条件下电树枝的生长情况，数据均取自加压实验结束前的810 min，其中图6(b)中横坐标包括施加冲击电压前的390 min，施加冲击电压时的30 min以及撤去冲击电压后的390 min。由6(a)可知，在工频电压作用下，不同长度的电树枝均随着加压时间的增加不断向地电极方向生长，但生长速度有所减缓。由图6(b)可知，当工频叠加冲击电压作用时，在工频电压作用阶段，不同长度的电树枝均缓慢地向电极方向生长。在工频叠加冲击电压作用阶段，电树枝快速生长。撤去冲击电压后，生长出的枝状电树枝基本不再生长。虽然施加冲击电压前电树枝的长度不同，但所有实验样本均具有相似的生长趋势。

图6 电树枝生长趋势曲线Fig.6 Growth trend curves of electrical tree

3 分析与讨论

3.1 微观形貌分析

为了进一步分析冲击电压对XLPE绝缘材料的影响，利用扫描电子显微镜(SEM)观测工频叠加冲击电压作用下XLPE绝缘材料的微观形貌，结果如图7所示。

图7 XLPE材料表面形态Fig.7 Surface morphology of XLPE material

从图7(a)可以看出，在工频叠加冲击电压作用下，XLPE中生长出的丛状电树枝枝杈密集；从图7(b)可以看出，电树枝主通道的宽度约为5 μm，并且XLPE材料有明显的碳化痕迹。

为了进一步了解电树枝通道内部元素的组成情况，对电树枝样本进行能谱分析，结果如表1所示。从表1可知，电树枝通道壁含有大量的碳元素，在靠近针尖部分与电树枝尖端部分碳元素的质量占比分别达到82.91%和95.80%。电树枝通道内含有氧元素，靠近针尖部分的电树枝氧元素含量高于电树枝尖端部分。

表1 电树枝样本能谱分析结果Tab.1 EDS results of electrical tree sample

3.2 仿真分析

本研究利用多物理场有限元仿真软件COMSOL分别构建了3个电树枝模型，分别为工频电压作用下的电树枝模型、工频叠加冲击电压作用下的电树枝模型和撤去冲击电压后仅工频电压作用时的电树枝模型。3个模型的尺寸参考图4～5中实验样本中电树枝的实际尺寸，并结合扫描电镜图中电树枝的微观结构进行设置。模型1、2中针板电极间隙为2 mm，两条电树枝间的角度为15°，长度设为400 μm。模型1、2的区别在于所施加的电压不同，模型1的电压为工频电压5 kV，模型2的电压为工频叠加冲击电压，参考实验电压，考虑电压最大值为15 kV。模型3与模型1、2相似，但中间一条电树枝的长度设置为555 μm，用于表征在工频叠加冲击电压作用下生长出的电树通道。从图5的电树图可以看出，丛状电树枝的颜色较深，工频叠加冲击电压下生长出的电树通道颜色很浅，电树通道内可能存在大量气体。因此，沿针尖方向每一条400 μm的电树枝均设置为碳化通道，而长度为555 μm的电树枝通道中靠近针尖的400 μm设置为碳化通道，前端的155 μm设置为气体。扫描电镜观察到电树枝通道存在明显碳化痕迹，文献[8]中观察到电树枝通道壁附着有纳米级碳颗粒，因此在模型3中的枝状电树枝通道壁上依次设置3颗纳米级碳颗粒。在上述模型中对钢针电极施加高压，铜电极接地，相关材料的参数如表2所示[4]。图8为3种模型下仿真得到的电场分布情况。

表2 电树枝仿真模型参数Tab.2 Simulation model parameters of electrical tree

图8 电树枝仿真模型Fig.8 Simulation model of electrical tree

从图8可以看出，工频电压作用下丛状电树枝尖端的电场强度为21 MV/m，工频叠加冲击电压作用下电树枝尖端的电场强度达到82.5 MV/m，撤去冲击电压后仅工频电压作用于样本时，最大电场出现在碳颗粒A处，达到117 MV/m，碳颗粒B、C和电树枝尖端的电场强度分别为62、30、81 MV/m。

3.3 讨论

3.3.1 工频电压作用下电树枝生长规律

在工频电压作用下XLPE中电树枝逐渐生长为丛状电树枝，从电场仿真可以看出，丛状电树枝由于枝杈密集导致电树枝之间存在明显的电场屏蔽作用[15]，电树枝尖端电场被削弱，其尖端最大畸变电场仅为21 MV/m，低于XLPE的击穿强度（32 MV/m）[16]。因此，最终使得电树枝向地电极方向的生长逐渐变慢。

3.3.2 工频叠加冲击电压作用下电树枝生长规律

当工频叠加冲击电压作用于样本时，电子在强电场作用下高速撞击XLPE材料的分子链，由于XLPE由无定型区与结晶区构成，无定型区的分子链呈无序排列，其分子链间的相互作用比结晶区分子链弱很多[7]。在高能电子的撞击下，无定型区的分子链最先发生断裂形成大量微孔，分子链断裂气化产生大量气体，使得短时间内微孔中气压急剧上升，微孔中气体膨胀对材料造成挤压，在该挤压力与电子的共同作用下微孔和裂纹快速扩大，进而形成电树枝[8]。在工频电压与冲击电压的共同作用下，电树枝快速地向电极方向发展，此时的电树枝为枝状电树枝，电树枝内充满大量气体，电树枝颜色较浅，为非导电型电树枝。

3.3.3 撤去冲击电压后电树枝生长规律

在工频叠加冲击电压作用下生长出的枝状电树枝远离了丛状电树枝形成的电场屏蔽区域，此时撤去冲击电压，仅工频电压作用于样本，枝状电树枝尖端的电场强度为81 MV/m，远高于XLPE的击穿强度（32 MV/m）[16]，如图8(c)所示。但从图6电树枝的生长趋势可以看出，此时的枝状电树枝生长停滞并在较长时间范围内处于滞长状态。

工频叠加冲击电压施加于样本时向样本注入了空间电荷。载流子从注入并达到稳定分布的时间为30～80 μs[17]，即空间电荷达到稳定分布需要一定的时间，而标准操作冲击电压的波前时间为250 μs，在该时间范围内空间电荷能达到稳定分布的状态并且陷阱能级较高，此时的空间电荷不易逃脱陷阱。冲击电压从针尖向材料中注入了大量的空间电荷，使得电树枝尖端累积了大量的空间电荷，从而在电树枝尖端形成了空间电荷层，增大了电树枝尖端的等效半径，削弱了电树枝的尖端电场，抑制了电树枝的生长。

电树枝通道内部局部放电产生的高温导致分子链小部分被碳化，从而在枝状电树枝通道内部形成微小碳颗粒[8]。从图8的电场仿真结果可以看出，距离针尖越近的碳颗粒电场畸变越严重，碳颗粒A的电场强度最大达到117 MV/m。因此，靠近针尖部分的碳颗粒在强电场作用下将产生较强的局部放电，在局部放电的作用下，碳颗粒处将生长出新的电树枝通道，并且局部放电产生的高温将导致更多的碳颗粒生成，随着时间的推移，主干树枝上生长出的微小分枝逐渐增多，电树枝通道的碳化程度加深，最终从枝状电树枝转化为丛状电树枝，该过程如图9所示。

图9 撤去冲击电压后电树枝滞长阶段示意图Fig.9 Schematic diagram of the electrical tree growth retardation stage after removing the impulse voltage

4 结论

（1）工频叠加冲击电压作用于样本时，从电树枝尖端会快速生长出枝状电树枝，生长出的枝状电树枝在工频电压与冲击电压的作用下快速向地电极方向生长。

（2）与纯工频电压作用下相比，撤去冲击电压后仅工频电压作用于样本时，电树枝停止继续向地电极方向生长。停滞生长的枝状电树枝在碳颗粒的作用下逐渐生长成新的丛状电树。