工頻疊加沖擊電壓下XLPE絕緣中電樹枝的生長特性研究

陳詩佳，周 凱，李澤瑞，黃永祿

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

隨著中國城市化建設(shè)的加速，電力電纜因其具有節(jié)約資源、環(huán)境友好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)中[1]。因當(dāng)前工藝的限制，電纜在制作、敷設(shè)及運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)在絕緣層中留下氣隙、裂紋等微觀缺陷。電纜長期運(yùn)行過程中會(huì)受到環(huán)境、電、機(jī)械應(yīng)力等多種因素的影響，在這些因素的作用下可能會(huì)從微觀缺陷處生長出電樹枝，最終導(dǎo)致絕緣擊穿[2]。電力系統(tǒng)中開關(guān)倒閘操作不可避免地會(huì)產(chǎn)生操作沖擊電壓，運(yùn)行中的電纜在受到操作沖擊電壓作用時(shí)也可能在微觀缺陷處生長出電樹枝。大量研究表明，電樹枝化是造成XLPE電纜絕緣擊穿的主要原因[3-5]。

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在電樹枝的引發(fā)機(jī)制[6]、形態(tài)[7]、影響因素[8-12]及抑制方法[13-14]等方面進(jìn)行了深入的研究并且取得了大量研究成果。外施電壓對(duì)電樹枝的引發(fā)及生長有顯著影響，當(dāng)外施電壓改變時(shí)，電樹枝的引發(fā)時(shí)間及生長形態(tài)均會(huì)發(fā)生改變。文獻(xiàn)[7]研究了不同外施工頻電壓作用下，XLPE中電樹枝的形態(tài)及其對(duì)應(yīng)的局部放電特性，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電型電樹枝與非導(dǎo)電型電樹枝所對(duì)應(yīng)的局部放電特性有所不同，即可以通過局部放電變化來判斷不同電樹枝的生長階段。文獻(xiàn)[8]研究了工頻電壓作用下叢狀電樹枝的生長特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并將叢狀電樹枝的整個(gè)生長過程分為潛伏階段、生長階段、滯長階段和擊穿階段；研究還發(fā)現(xiàn)電樹枝通道壁附著有納米級(jí)碳顆粒，且碳顆粒處電場畸變最嚴(yán)重，導(dǎo)致從該處生長出細(xì)小分枝，隨著時(shí)間的推移，分枝逐漸增多，通道壁上碳化程度逐漸增大，最終由枝狀電樹枝轉(zhuǎn)化為叢狀電樹枝。文獻(xiàn)[9]研究了工頻疊加沖擊電壓作用下XLPE中電樹枝的引發(fā)特性，發(fā)現(xiàn)電樹枝的起始場強(qiáng)與預(yù)加的交流電壓及其相對(duì)極性有關(guān)，并且有明顯的累積效應(yīng)，但該研究僅針對(duì)電樹枝的引發(fā)特性，未對(duì)工頻疊加沖擊電壓作用下電樹枝的生長規(guī)律進(jìn)行研究。研究工頻疊加沖擊電壓作用下電樹枝的生長規(guī)律，有助于進(jìn)一步理解實(shí)際運(yùn)行電纜中電樹枝的生長機(jī)制及絕緣失效的原因。

本研究搭建工頻疊加沖擊電壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用顯微觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄XLPE中電樹枝的生長全過程，并通過掃描電鏡觀察電樹枝的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建電樹枝仿真模型，從電場的角度理解工頻疊加沖擊電壓作用下電樹枝的滯長現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣本制作

選用型號(hào)為YJ-10的電纜交聯(lián)聚乙烯料，在溫度為120℃的平板硫化機(jī)上不加壓預(yù)熱15 min，然后將平板硫化機(jī)升溫至180℃，在180℃、15 MPa壓力條件下交聯(lián)30 min，之后以8～9℃/min的降溫速度冷卻至室溫。將樣品放入90℃烘箱中退火72 h，以排除揮發(fā)性副產(chǎn)物。

將樣本裁切成尺寸為80 mm×10 mm×5 mm的長方體。將直徑為0.5 mm、曲率半徑為(10±1)μm、頂角為30°的鋼針采用熱扎法刺入長方體樣本中，刺入深度為8 mm，使用絕緣扎帶將樣本固定于尺寸為100 mm×3 mm×5 mm的銅電極上，針尖與銅電極保持2 mm的電樹培養(yǎng)區(qū)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣本Fig.1 Experimental sample

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)時(shí)微觀觀測系統(tǒng)觀察薄片樣本中電樹枝的生長過程，電樹枝生長觀測平臺(tái)如圖2所示。將樣本浸泡于盛滿絕緣油的容器中，以避免產(chǎn)生電暈放電。顯微鏡放置于樣本正上方，通過CCD成像設(shè)備連接至電腦，調(diào)整樣本位置直至針尖位于屏幕正中，開始采集電樹枝的生長形態(tài)。

圖2 電樹枝微觀觀測系統(tǒng)與工頻疊加沖擊電壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Electrical tree microscopic observation system and power frequency voltage superimposed impulse voltage test platform

當(dāng)負(fù)極性沖擊電壓疊加在工頻電壓270°時(shí)，其電樹枝引發(fā)電壓遠(yuǎn)低于其他疊加情況[9]，這種情況下對(duì)樣本的破壞作用最大。因此，為了研究工頻電壓疊加沖擊電壓對(duì)電樹枝生長特性的影響，實(shí)驗(yàn)選用負(fù)極性沖擊電壓并且使用控制單元使沖擊電壓疊加于工頻電壓的270°上。使用高壓探頭采集的工頻疊加沖擊電壓的波形和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形如圖3所示，由于耦合電容對(duì)操作波存在分壓，因此工頻疊加沖擊電壓波形的幅值并不是20 kV。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓和工頻疊加沖擊電壓波形Fig.3 Waveform of standard operating impulse voltage and power frequency voltage superimposed impulse voltage

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將樣本分為A、B兩組，每組3個(gè)樣本，分別編號(hào)為A1、A2、A3和B1、B2、B3。首先，對(duì) A1、A2、A3樣本分別施加時(shí)間為 510、1 200、1 800 min的工頻電壓，得到不同長度的電樹枝樣本。然后，保持工頻電壓不變對(duì)樣本施加沖擊電壓，其中工頻電壓頻率為50 Hz，幅值為5 kV；沖擊電壓幅值為15 kV，每2秒加壓一次，加壓次數(shù)為900次。最后，撤去沖擊電壓并繼續(xù)施加工頻電壓390 min后降壓。對(duì)B組樣本僅施加工頻電壓，加壓時(shí)間為3 600 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4～5為不同類型電壓下XLPE樣本中電樹枝的生長情況。從圖4可以看出，在5 kV工頻電壓作用180 min后，XLPE中的電樹枝逐漸生長為叢狀電樹枝，繼續(xù)加壓390 min后，叢狀電樹枝進(jìn)一步生長。從圖5可以看出，在工頻電壓疊加沖擊電壓下作用30 min后，XLPE樣本中叢狀電樹枝尖端生長出枝狀電樹枝并且快速向地電極方向生長，此時(shí)生長出的電樹枝顏色較淺。撤去沖擊電壓后，僅工頻電壓作用時(shí)電樹枝停止向地電極方向生長，并逐漸生長成新的叢狀電樹枝，這一階段電樹枝的生長速度減緩。

圖4 工頻電壓下的電樹生長情況Fig.4 Electrical tree growth under power frequency voltage

圖5 工頻疊加沖擊電壓下的電樹生長情況Fig.5 Electrical tree growth under power frequency superimposed impulse voltage

圖6為不同電壓作用下XLPE中電樹枝的生長趨勢(shì)曲線，為了便于比較不同外施電壓條件下電樹枝的生長情況，數(shù)據(jù)均取自加壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束前的810 min，其中圖6(b)中橫坐標(biāo)包括施加沖擊電壓前的390 min，施加沖擊電壓時(shí)的30 min以及撤去沖擊電壓后的390 min。由6(a)可知，在工頻電壓作用下，不同長度的電樹枝均隨著加壓時(shí)間的增加不斷向地電極方向生長，但生長速度有所減緩。由圖6(b)可知，當(dāng)工頻疊加沖擊電壓作用時(shí)，在工頻電壓作用階段，不同長度的電樹枝均緩慢地向電極方向生長。在工頻疊加沖擊電壓作用階段，電樹枝快速生長。撤去沖擊電壓后，生長出的枝狀電樹枝基本不再生長。雖然施加沖擊電壓前電樹枝的長度不同，但所有實(shí)驗(yàn)樣本均具有相似的生長趨勢(shì)。

圖6 電樹枝生長趨勢(shì)曲線Fig.6 Growth trend curves of electrical tree

3 分析與討論

3.1 微觀形貌分析

為了進(jìn)一步分析沖擊電壓對(duì)XLPE絕緣材料的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測工頻疊加沖擊電壓作用下XLPE絕緣材料的微觀形貌，結(jié)果如圖7所示。

圖7 XLPE材料表面形態(tài)Fig.7 Surface morphology of XLPE material

從圖7(a)可以看出，在工頻疊加沖擊電壓作用下，XLPE中生長出的叢狀電樹枝枝杈密集；從圖7(b)可以看出，電樹枝主通道的寬度約為5 μm，并且XLPE材料有明顯的碳化痕跡。

為了進(jìn)一步了解電樹枝通道內(nèi)部元素的組成情況，對(duì)電樹枝樣本進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示。從表1可知，電樹枝通道壁含有大量的碳元素，在靠近針尖部分與電樹枝尖端部分碳元素的質(zhì)量占比分別達(dá)到82.91%和95.80%。電樹枝通道內(nèi)含有氧元素，靠近針尖部分的電樹枝氧元素含量高于電樹枝尖端部分。

表1 電樹枝樣本能譜分析結(jié)果Tab.1 EDS results of electrical tree sample

3.2 仿真分析

本研究利用多物理場有限元仿真軟件COMSOL分別構(gòu)建了3個(gè)電樹枝模型，分別為工頻電壓作用下的電樹枝模型、工頻疊加沖擊電壓作用下的電樹枝模型和撤去沖擊電壓后僅工頻電壓作用時(shí)的電樹枝模型。3個(gè)模型的尺寸參考圖4～5中實(shí)驗(yàn)樣本中電樹枝的實(shí)際尺寸，并結(jié)合掃描電鏡圖中電樹枝的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。模型1、2中針板電極間隙為2 mm，兩條電樹枝間的角度為15°，長度設(shè)為400 μm。模型1、2的區(qū)別在于所施加的電壓不同，模型1的電壓為工頻電壓5 kV，模型2的電壓為工頻疊加沖擊電壓，參考實(shí)驗(yàn)電壓，考慮電壓最大值為15 kV。模型3與模型1、2相似，但中間一條電樹枝的長度設(shè)置為555 μm，用于表征在工頻疊加沖擊電壓作用下生長出的電樹通道。從圖5的電樹圖可以看出，叢狀電樹枝的顏色較深，工頻疊加沖擊電壓下生長出的電樹通道顏色很淺，電樹通道內(nèi)可能存在大量氣體。因此，沿針尖方向每一條400 μm的電樹枝均設(shè)置為碳化通道，而長度為555 μm的電樹枝通道中靠近針尖的400 μm設(shè)置為碳化通道，前端的155 μm設(shè)置為氣體。掃描電鏡觀察到電樹枝通道存在明顯碳化痕跡，文獻(xiàn)[8]中觀察到電樹枝通道壁附著有納米級(jí)碳顆粒，因此在模型3中的枝狀電樹枝通道壁上依次設(shè)置3顆納米級(jí)碳顆粒。在上述模型中對(duì)鋼針電極施加高壓，銅電極接地，相關(guān)材料的參數(shù)如表2所示[4]。圖8為3種模型下仿真得到的電場分布情況。

表2 電樹枝仿真模型參數(shù)Tab.2 Simulation model parameters of electrical tree

圖8 電樹枝仿真模型Fig.8 Simulation model of electrical tree

從圖8可以看出，工頻電壓作用下叢狀電樹枝尖端的電場強(qiáng)度為21 MV/m，工頻疊加沖擊電壓作用下電樹枝尖端的電場強(qiáng)度達(dá)到82.5 MV/m，撤去沖擊電壓后僅工頻電壓作用于樣本時(shí)，最大電場出現(xiàn)在碳顆粒A處，達(dá)到117 MV/m，碳顆粒B、C和電樹枝尖端的電場強(qiáng)度分別為62、30、81 MV/m。

3.3 討論

3.3.1 工頻電壓作用下電樹枝生長規(guī)律

在工頻電壓作用下XLPE中電樹枝逐漸生長為叢狀電樹枝，從電場仿真可以看出，叢狀電樹枝由于枝杈密集導(dǎo)致電樹枝之間存在明顯的電場屏蔽作用[15]，電樹枝尖端電場被削弱，其尖端最大畸變電場僅為21 MV/m，低于XLPE的擊穿強(qiáng)度（32 MV/m）[16]。因此，最終使得電樹枝向地電極方向的生長逐漸變慢。

3.3.2 工頻疊加沖擊電壓作用下電樹枝生長規(guī)律

當(dāng)工頻疊加沖擊電壓作用于樣本時(shí)，電子在強(qiáng)電場作用下高速撞擊XLPE材料的分子鏈，由于XLPE由無定型區(qū)與結(jié)晶區(qū)構(gòu)成，無定型區(qū)的分子鏈呈無序排列，其分子鏈間的相互作用比結(jié)晶區(qū)分子鏈弱很多[7]。在高能電子的撞擊下，無定型區(qū)的分子鏈最先發(fā)生斷裂形成大量微孔，分子鏈斷裂氣化產(chǎn)生大量氣體，使得短時(shí)間內(nèi)微孔中氣壓急劇上升，微孔中氣體膨脹對(duì)材料造成擠壓，在該擠壓力與電子的共同作用下微孔和裂紋快速擴(kuò)大，進(jìn)而形成電樹枝[8]。在工頻電壓與沖擊電壓的共同作用下，電樹枝快速地向電極方向發(fā)展，此時(shí)的電樹枝為枝狀電樹枝，電樹枝內(nèi)充滿大量氣體，電樹枝顏色較淺，為非導(dǎo)電型電樹枝。

3.3.3 撤去沖擊電壓后電樹枝生長規(guī)律

在工頻疊加沖擊電壓作用下生長出的枝狀電樹枝遠(yuǎn)離了叢狀電樹枝形成的電場屏蔽區(qū)域，此時(shí)撤去沖擊電壓，僅工頻電壓作用于樣本，枝狀電樹枝尖端的電場強(qiáng)度為81 MV/m，遠(yuǎn)高于XLPE的擊穿強(qiáng)度（32 MV/m）[16]，如圖8(c)所示。但從圖6電樹枝的生長趨勢(shì)可以看出，此時(shí)的枝狀電樹枝生長停滯并在較長時(shí)間范圍內(nèi)處于滯長狀態(tài)。

工頻疊加沖擊電壓施加于樣本時(shí)向樣本注入了空間電荷。載流子從注入并達(dá)到穩(wěn)定分布的時(shí)間為30～80 μs[17]，即空間電荷達(dá)到穩(wěn)定分布需要一定的時(shí)間，而標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波前時(shí)間為250 μs，在該時(shí)間范圍內(nèi)空間電荷能達(dá)到穩(wěn)定分布的狀態(tài)并且陷阱能級(jí)較高，此時(shí)的空間電荷不易逃脫陷阱。沖擊電壓從針尖向材料中注入了大量的空間電荷，使得電樹枝尖端累積了大量的空間電荷，從而在電樹枝尖端形成了空間電荷層，增大了電樹枝尖端的等效半徑，削弱了電樹枝的尖端電場，抑制了電樹枝的生長。

電樹枝通道內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致分子鏈小部分被碳化，從而在枝狀電樹枝通道內(nèi)部形成微小碳顆粒[8]。從圖8的電場仿真結(jié)果可以看出，距離針尖越近的碳顆粒電場畸變?cè)絿?yán)重，碳顆粒A的電場強(qiáng)度最大達(dá)到117 MV/m。因此，靠近針尖部分的碳顆粒在強(qiáng)電場作用下將產(chǎn)生較強(qiáng)的局部放電，在局部放電的作用下，碳顆粒處將生長出新的電樹枝通道，并且局部放電產(chǎn)生的高溫將導(dǎo)致更多的碳顆粒生成，隨著時(shí)間的推移，主干樹枝上生長出的微小分枝逐漸增多，電樹枝通道的碳化程度加深，最終從枝狀電樹枝轉(zhuǎn)化為叢狀電樹枝，該過程如圖9所示。

圖9 撤去沖擊電壓后電樹枝滯長階段示意圖Fig.9 Schematic diagram of the electrical tree growth retardation stage after removing the impulse voltage

4 結(jié)論

（1）工頻疊加沖擊電壓作用于樣本時(shí)，從電樹枝尖端會(huì)快速生長出枝狀電樹枝，生長出的枝狀電樹枝在工頻電壓與沖擊電壓的作用下快速向地電極方向生長。

（2）與純工頻電壓作用下相比，撤去沖擊電壓后僅工頻電壓作用于樣本時(shí)，電樹枝停止繼續(xù)向地電極方向生長。停滯生長的枝狀電樹枝在碳顆粒的作用下逐漸生長成新的叢狀電樹。