直流電場中高壓電纜絕緣電樹枝劣化研究現(xiàn)狀

蘇金剛，杜伯學(xué)，李進(jìn)，李志堅

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000；2.天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3. 國網(wǎng)天津市電力有限公司電力科學(xué)研究院，天津 300384)

高壓直流電纜輸電是實現(xiàn)城網(wǎng)增容改造、新能源電力規(guī)?；?、大電網(wǎng)柔性互聯(lián)的重要途徑，具有線路走廊窄、可控性高、損耗低等優(yōu)點，對保障城市化建設(shè)、清潔能源可持續(xù)發(fā)展和全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建具有重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。1999年瑞典Gotland地下電纜輸電系統(tǒng)投入運行，成為世界上第1條商業(yè)化的擠壓型直流電纜，其系統(tǒng)額定電壓±80 kV，輸送容量50 MW，長度72 km[3]。2009年ABB公司建造世界上第1條海上高壓直流系統(tǒng)BorWin1，實現(xiàn)北海海上風(fēng)電與德國內(nèi)陸電網(wǎng)互聯(lián)，其額定電壓±150 kV，輸送容量400 MW[4]。2014年ABB公司與北歐化工公司合作推出基于新一代交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜料的直流電纜并通過試驗驗證，其額定電壓525 kV，輸送容量2.6 GW，但尚未投入商業(yè)運營[5]。我國高壓直流電纜工程起步相對較晚，但發(fā)展迅速。2013年中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司建設(shè)的南澳±160 kV/200 MW多端柔性直流輸電示范工程投運，將海上風(fēng)力發(fā)電接入陸地骨架電網(wǎng)，為我國第1條投入運行的高壓直流電纜工程。2014年國家電網(wǎng)有限公司建設(shè)的舟山±200 kV/400 MW多端柔性直流輸電工程投運，將舟山群島供電系統(tǒng)與陸地主電網(wǎng)構(gòu)架互聯(lián)。2015年國家電網(wǎng)有限公司建設(shè)的廈門±320 kV/1 000 MW柔性直流輸電工程投運，海上風(fēng)力發(fā)電的規(guī)?；媚芰M(jìn)一步提升[6-7]。

高壓直流電纜的絕緣安全對保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要，而電樹枝劣化現(xiàn)象是導(dǎo)致電纜故障、限制直流輸電電壓等級提高的關(guān)鍵因素之一，極大制約了直流電纜輸電技術(shù)的發(fā)展[8-9]。高壓直流電纜沿用交流電纜的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，但高壓直流電纜投入運行時間相對較短，對直流電纜絕緣破壞過程和老化機(jī)理的認(rèn)識嚴(yán)重不足。高壓直流與交流電纜絕緣最大區(qū)別是空間電荷問題：直流電場中絕緣介質(zhì)空間電荷積累導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度高于平均電場強(qiáng)度，促使絕緣介質(zhì)分子鍵斷裂和自由基形成；當(dāng)畸變電場強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時，將誘發(fā)局部放電而產(chǎn)生電樹枝通道，最終導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿[10]。因此，電樹枝是高壓直流電纜最終擊穿的直接原因。同時，高壓直流輸電系統(tǒng)中電力電子器件開斷、斷路器操作、雷電入侵等暫態(tài)過電壓疊加直流電壓會形成復(fù)合電壓。復(fù)合電壓下需同時考慮各分量單獨作用及相互作用對電荷輸運過程的影響，電樹枝劣化規(guī)律及機(jī)理更為復(fù)雜[11]。本文綜述了國內(nèi)外的研究成果，介紹了直流電場中高壓電纜絕緣電樹枝劣化研究進(jìn)展，總結(jié)了直流電場中高壓電纜絕緣電樹枝引發(fā)機(jī)理，對未來高壓直流電纜絕緣安全性問題進(jìn)行了深入探討。

1 直流電壓對電樹枝的影響

1.1 直流電樹枝

隨著高壓直流電纜的發(fā)展，研究人員對直流電場中絕緣介質(zhì)電樹枝劣化的關(guān)注程度逐漸提高。高壓直流電場中絕緣介質(zhì)存在明顯的空間電荷注入、積累現(xiàn)象：同極性空間電荷的注入將削弱針尖處的電場強(qiáng)度，因此針-板電極系統(tǒng)下直流電樹枝起始電壓高于交流電樹枝起始電壓[12]；異極性電荷積累將引起局部場強(qiáng)畸變，導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于平均電場強(qiáng)度而引發(fā)局部放電，造成分子鏈斷裂、絕緣性能下降[13-14]?？臻g電荷分布與絕緣介質(zhì)內(nèi)部陷阱分布、電荷輸運過程密切相關(guān)，同時受內(nèi)、外部電場強(qiáng)度的共同作用影響[15-16]。

在交流與直流電壓下進(jìn)行電樹枝光信號的采集，發(fā)現(xiàn)交流電壓下小于起始電壓便可檢測到光信號且具有周期性，而直流電壓下只有大于起始電壓時才能檢測到放電光信號且呈隨機(jī)性，這說明交、直流電樹枝的引發(fā)及生長過程存在區(qū)別[17]。直流電壓下注入試樣內(nèi)部的同極性空間電荷積聚在針電極周圍，削弱外加電場的作用，導(dǎo)致電樹枝引發(fā)電壓升高。正直流電壓70 kV、負(fù)直流電壓60 kV作用下，XLPE加壓數(shù)小時均未觀測到電樹枝現(xiàn)象，進(jìn)一步驗證電樹枝引發(fā)過程中空間電荷的作用[18]。M. Ieda等發(fā)現(xiàn)：直流電樹枝起始電壓與升壓速率有關(guān)，電樹枝起始電壓隨著升壓速率升高而降低，且負(fù)極性直流電壓下電樹枝起始電壓更高[19]。Y. X. Zhang等發(fā)現(xiàn)：針尖氣隙內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的高能電子造成分子鏈容易斷裂，導(dǎo)致硅橡膠直流電樹枝起始電壓降低[20]。直流電樹枝的引發(fā)條件更為苛刻，這是因為直流電壓下聚合物內(nèi)部僅存在同極性電荷注入、無異極性電荷復(fù)合現(xiàn)象，絕緣介質(zhì)內(nèi)部電樹枝引發(fā)主要依靠熱電子、碰撞電離等作用[17]；然而，直流電壓下絕緣介質(zhì)內(nèi)部熱電子、碰撞電離的微觀過程、形成機(jī)理尚不明確，直流電樹枝的引發(fā)機(jī)理尚處于探索階段。

1.2 直流接地電樹枝

針對直流接地短路這一高壓直流電纜常見故障類型，國內(nèi)外學(xué)者對直流預(yù)壓時間、預(yù)壓幅值、預(yù)壓極性、周期性接地等情況下聚合物電樹枝引發(fā)特性進(jìn)行了廣泛深入研究[21]。相對于直流電樹枝，直流接地電樹枝的引發(fā)條件更容易實現(xiàn)。直流預(yù)壓過程中，直流注入電荷進(jìn)入聚合物內(nèi)部形成空間電荷；直流接地過程中陷阱電荷受到電場突變刺激脫陷，同時釋放麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力，引起局部分子鏈斷裂而形成低密度區(qū)，最終引發(fā)電樹枝[22]。Y. Liu等指出：空間電荷注入深度、空間電荷量與直流接地電樹枝特性有關(guān)，直流預(yù)壓幅值升高使直流接地電樹枝引發(fā)概率增大、電樹枝長度增加[23]。劉云鵬等發(fā)現(xiàn)：空間電荷注入速度遠(yuǎn)大于脫陷速度導(dǎo)致直流預(yù)壓階段空間電荷迅速飽和，直流預(yù)壓時間對電樹枝引發(fā)概率影響較小，電樹枝長度隨著預(yù)壓時間增大并趨向飽和[24]。電子具有體積小、穿透力強(qiáng)等特點，絕緣介質(zhì)內(nèi)部電子的注入深度遠(yuǎn)大于空穴的注入深度，負(fù)極性直流接地比正極性直流接地產(chǎn)生的麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力較大；因此，負(fù)極性直流接地電樹枝長度大于正極性直流接地電樹枝長度，具有明顯的極性效應(yīng)[25]。然而，受空間電荷測量技術(shù)限制，直流接地過程中電荷輸運特性尚未通過實驗驗證。

2 脈沖電壓對電樹枝的影響

雷電入侵、操作過電壓等將導(dǎo)致高壓直流電纜承受脈沖電壓作用，脈沖電場中高壓電纜電樹枝特性研究也受到廣泛關(guān)注。根據(jù)電樹枝起始電壓與脈沖電壓上升沿時間之間的關(guān)系，F(xiàn). Noto等指出：脈沖電壓下空間電荷的注入是導(dǎo)致電樹枝起始電壓變化的根本原因，空間電荷的積聚、消散與電壓極性、環(huán)境溫度等密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)：溫度為25 ℃時，低密度聚乙烯(LDPE)建立空間電荷需要30～80 μs；溫度為40 ℃時，LDPE建立空間電荷需要30～140 μs[26]。Y. Sekii指出：脈沖電壓下LDPE電樹枝具有明顯的極性效應(yīng)，正脈沖極性下電樹枝的起始電壓更低，這與電子、空穴的輸運行為密切相關(guān)[27]。通過對納秒級重復(fù)脈沖電壓下環(huán)氧樹脂電樹枝特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電樹枝起始電壓隨著脈沖頻率的升高而降低，分析認(rèn)為：納秒級重復(fù)脈沖電壓下，持續(xù)增強(qiáng)的電荷注入及麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力會加速聚合物電樹枝的引發(fā)[28]。Y. Liu等對直流預(yù)壓下脈沖電壓對電樹枝起始電壓的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)直流預(yù)壓幅值越高電樹枝的起始概率越大，并指出：脈沖電壓激發(fā)直流預(yù)壓產(chǎn)生的空間電荷，是影響電樹枝起始概率變化的原因[18]。與交流電壓、直流電壓相比，脈沖電壓下電樹枝的引發(fā)過程更為復(fù)雜，包括電荷入陷-脫陷、麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力等因素的相互作用。

與恒定直流電壓相比，脈沖電壓能夠引起電場強(qiáng)度劇增使陷阱電荷獲得足夠能量脫陷，并在自由體積內(nèi)部加速獲得較高能量；另外，陷阱電荷脫陷概率升高，使其在反復(fù)入陷-脫陷過程中釋放能量增加，促使分子鏈斷裂形成低密度區(qū)，進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生電樹枝通道。天津大學(xué)對高壓直流電纜附件三元乙丙橡膠(EPDM)絕緣電樹枝特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：隨著脈沖頻率不斷升高，單位時間內(nèi)注入試樣內(nèi)部的電荷數(shù)量增多，同時暫態(tài)電場作用促使脫陷電荷數(shù)量增多，兩者共同作用造成EPDM分子鏈的破壞加劇；因此，相同脈沖幅值與脈沖個數(shù)時，脈沖頻率越高，EPDM電樹枝引發(fā)概率越大，如圖1所示[29]。

圖1 脈沖頻率與電樹枝引發(fā)概率的關(guān)系[29]Fig.1 Relationship between inception probability of electrical tree and the pulse frequency[29]

電樹枝生長的極性效應(yīng)與電荷輸運行為有關(guān)。對于負(fù)極性而言，電場作用下針尖注入電子通過肖特基作用直接進(jìn)入絕緣介質(zhì)內(nèi)部；對于正極性而言，電場作用下試樣內(nèi)部電子向針電極移動，留下空穴，形成“空穴注入”[30]。電樹枝生長的極性效應(yīng)可以根據(jù)流注理論來分析[31]。正極性電壓下，針尖處局部放電引發(fā)的電子崩朝向針尖發(fā)展，錐型結(jié)構(gòu)將提高電子崩尾部的電場強(qiáng)度，電樹枝通道內(nèi)部碰撞電離作用增強(qiáng)，因而電樹枝通道發(fā)展較快；負(fù)極性電壓下，針尖處局部放電引發(fā)的電子崩朝向地電極發(fā)展，電子崩頭部負(fù)極性電荷積累降低外部電場作用，電樹枝通道內(nèi)部碰撞電離作用削弱，因而電樹枝通道發(fā)展較慢。脈沖極性對EPDM電樹枝形態(tài)的影響如圖2所示[32]。

圖2 脈沖極性對EPDM電樹枝形態(tài)的影響[32]Fig.2 Effect of pulse polarity on electrical tree morphologies in EPDM[32]

3 復(fù)合電壓對電樹枝的影響

高壓直流電纜系統(tǒng)斷路器、換流變壓器、非線性電力器件等容易產(chǎn)生脈沖電壓、交流電壓、諧波電壓，其與直流電壓耦合形成復(fù)合電壓，容易誘發(fā)電樹枝并加速絕緣材料劣化，嚴(yán)重威脅高壓電纜線路的安全運行。

3.1 脈沖疊加直流電壓下電樹枝特性

高壓直流電纜在實際運行過程中會遭受短路、雷電或操作等因素導(dǎo)致的脈沖過電壓[33-35]，這些暫態(tài)脈沖疊加直流電壓共同作用于電纜絕緣部分。天津大學(xué)對脈沖疊加直流電壓下聚丙烯(PP)電樹枝特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：直流電壓幅值升高導(dǎo)致針尖附近積聚的電荷增多，同極性脈沖電壓作用引起針尖周圍更為顯著的電荷脫陷遷移現(xiàn)象，加速分子鏈的斷裂；同時，施加同極性脈沖疊加直流電壓后，針尖處的電場強(qiáng)度瞬間增大，當(dāng)針尖電場超過了臨界電場時，載流子從低能束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣苓w移態(tài)，由針尖注入試樣內(nèi)部的電荷數(shù)量瞬間增大，分子鏈碰撞電離概率增大而加速電樹枝的生長。因此，脈沖疊加直流電壓下電樹枝長度隨著直流幅值增加而增大，如圖3所示[36]。

圖3 同極性脈沖疊加不同直流電壓下電樹枝生長特性[36]Fig.3 Growth characteristics of electrical tree with the same polarity pulse voltage superimposing different DC voltage [36]

異極性電壓作用的效果類似于直流接地電樹枝引發(fā)特征，如圖4所示，其中：d0為空間電荷注入深度；Esc為空間電荷形成的電場強(qiáng)度；EDC+Ep為電源產(chǎn)生的電場強(qiáng)度[37]。脈沖電壓作用瞬間導(dǎo)致針尖周圍電場急劇下降，空間電荷在脈沖電壓下瞬間釋放(或復(fù)合)，并形成一個反向電場作用應(yīng)力，瞬時反向電場會產(chǎn)生很強(qiáng)的麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力，容易造成絕緣材料分子鏈斷裂而引發(fā)電樹枝。目前，脈沖疊加直流電壓下電樹枝特性尚不明確，相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步完善。

圖4 異極性脈沖疊加負(fù)直流電壓下電荷運動特性(EDC+Ep<0)[37]Fig.4 Charge transport characteristics with different polarity pulse voltage superimposing negative DC voltage(EDC+Ep<0)[37]

3.2 交流疊加直流電壓下電樹枝特性

高壓直流線路中由于換流變壓器等設(shè)備存在，部分電纜絕緣材料可能同時承受交流與直流電壓的共同作用；因此，國內(nèi)外學(xué)者對交流疊加直流電壓下絕緣材料的電樹枝特性進(jìn)行研究，以期探索絕緣劣化的影響因素及作用機(jī)理。Y. Saito 等研究交流疊加直流電壓下聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)電樹枝引發(fā)特性，發(fā)現(xiàn)交流電壓對電樹枝起始特性具有重要影響[38]。劉云鵬等發(fā)現(xiàn)交流疊加直流電壓下XLPE電樹枝起始電壓主要受交流電壓的影響，且交流電壓分量導(dǎo)致電樹枝生長速度增大，分析認(rèn)為：雖然針尖處存在直流分量產(chǎn)生的空間電荷層，但其電勢隨著交流分量呈現(xiàn)出周期性變化導(dǎo)致電荷周期性注入、抽出，此過程與交流電壓下電樹枝的引發(fā)機(jī)理相似[39]。交流疊加直流電壓下，正直流大于負(fù)直流偏置對電樹枝引發(fā)時間的影響，這與正、負(fù)直流偏置產(chǎn)生的空間電荷特性差異有關(guān)[40]。

3.3 諧波疊加直流電壓下電樹枝特性

電力系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備和負(fù)荷具有非線性特性，這在電能傳遞、變換、吸收過程中容易產(chǎn)生諧波分量。R. Sarathi等研究發(fā)現(xiàn)：畸變率較高的諧波電壓與高頻交流電壓下的XLPE電樹枝特性相似，畸變率較高的11次諧波電壓下XLPE電樹枝的起始時間最短，幅值相同的奇數(shù)次諧波電壓與50 Hz交流電壓產(chǎn)生的電樹枝形態(tài)相似[41]。研究指出：畸變率較低的諧波電壓下容易產(chǎn)生叢林狀電樹枝，諧波次數(shù)與諧波畸變率增加時容易產(chǎn)生纖維狀電樹枝，導(dǎo)致XLPE電纜絕緣失效[42]。

諧波疊加直流電壓時周期性的電場變化加速電荷遷移過程，此時電荷入陷-脫陷釋放的能量和自由電荷的碰撞效應(yīng)共同作用，使絕緣材料分子鏈斷裂形成自由基，加速鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而形成低密度區(qū)域，并最終產(chǎn)生電樹枝通道。天津大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)諧波疊加直流電壓比諧波電壓下電樹枝起始概率增加；同時指出電樹枝起始概率隨著諧波次數(shù)變化，3次諧波疊加直流電壓時達(dá)到最大值，如圖5所示[43]。

隨著諧波次數(shù)的增加，電樹枝起始概率呈現(xiàn)先增加后減小的非線性趨勢，原因是：隨著諧波次數(shù)的增加，電子入陷-脫陷過程加速，自由電荷增多而容易產(chǎn)生自由基并促進(jìn)低密度區(qū)域形成，因而電樹枝起始概率增加；隨著諧波次數(shù)進(jìn)一步增加，注入試樣內(nèi)部電子數(shù)目增多并積聚在針尖周圍，但遠(yuǎn)離針尖位置的電子不易脫陷，入陷電荷不斷積累并削弱針尖場強(qiáng)，導(dǎo)致電樹枝起始概率反而降低[43]。

圖5 諧波疊加直流電壓下電樹枝起始概率[43]Fig.5 Inception probability of electrical tree with harmonic superimposing DC voltage [43]

4 結(jié)論

隨著高壓直流電纜電壓等級不斷提高，對高壓電纜絕緣材料電氣性能的要求也越來越高。高壓直流電纜系統(tǒng)晶閘管觸發(fā)、斷路器開斷、無功補(bǔ)償設(shè)備投切和雷電沖擊等容易產(chǎn)生脈沖過電壓，對絕緣介質(zhì)安全運行造成嚴(yán)重危害。實際上，高壓直流電纜系統(tǒng)中存在復(fù)雜的電容性設(shè)備、電感性設(shè)備，極易引起電磁震蕩形成重復(fù)脈沖電壓沖擊[44]；此外，雷擊電壓沖擊過程中存在多次回?fù)衄F(xiàn)象，相鄰2次回?fù)暨^程的時間間隔為幾毫秒到數(shù)百毫秒，產(chǎn)生重復(fù)脈沖電壓沖擊[45]。脈沖沖擊電壓形式復(fù)雜，與直流電場存在多種耦合形式，但相關(guān)研究仍停留在理論分析層面，缺乏有效的實驗、仿真分析支撐。重復(fù)脈沖過電壓比直流電壓下電樹枝引發(fā)過程更為復(fù)雜，包括電荷入陷-脫陷、麥克斯韋電機(jī)械應(yīng)力等復(fù)雜因素影響，相關(guān)研究相對匱乏尚無法滿足復(fù)雜電場中高壓直流電纜絕緣性能要求。另外，諧波疊加直流電壓下電樹枝劣化過程與電荷輸運的關(guān)系尚不明確，需要完善相關(guān)理論模型。因此，關(guān)注復(fù)雜電場中高壓直流電纜絕緣電樹枝的引發(fā)和生長特性，獲得其薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵影響因素，可為工程實際提供參考。