聚乙烯中水樹枝－電樹枝的相互轉(zhuǎn)化

王金鋒，鄭曉泉，李彥雄

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049)

0 引言

聚乙烯(PE)由于其良好的電、熱、理化和機械性能而廣泛應(yīng)用于電力電纜絕緣，特別是交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣，其電力電纜的電壓等級正向220 kV以上級別和10 kV以下級別迅速發(fā)展。但長期在潮濕環(huán)境下運行的XLPE電纜，由于水的滲透、飽和、凝結(jié)現(xiàn)象，會在半導(dǎo)電層的凸起、雜質(zhì)等缺陷處引發(fā)水樹枝。水樹枝老化是聚烯烴電力電纜在潮濕環(huán)境下發(fā)生絕緣擊穿的主要誘因，水樹枝發(fā)展到一定程度就會在水樹枝的尖端引發(fā)電樹枝［1］。尤其是XLPE絕緣電力電纜遭受雷電或操作過電壓時，水樹枝極易轉(zhuǎn)化成電樹枝，并在較短的時間內(nèi)導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，造成停電事故［2］。

水樹枝最終轉(zhuǎn)化成電樹枝，導(dǎo)致電纜絕緣擊穿。研究水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的影響因素和作用機理，對水樹枝劣化監(jiān)測和高性能電纜絕緣料的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。專家對不同因素比如說水樹枝的尺寸［3-5］、水樹枝的劣化結(jié)構(gòu)［5-7］、外施電壓的類型［4，8］、電解液的類型及濃度［4，9］、溫度［10，11］等，對水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化引發(fā)電壓的影響進(jìn)行了研究，并得到了一些規(guī)律。目前，在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中很少有對水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化作用機理的描述。同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)電樹枝在一定情況下可以轉(zhuǎn)化成水樹枝［3，4］，從而使電力電纜絕緣的壽命得到延長。研究電樹枝向水樹枝的轉(zhuǎn)化條件及作用機理，對延緩電力電纜絕緣的劣化程度和延長電力電纜的使用壽命具有重要的實用價值。

本文在總結(jié)水樹枝－電樹枝相互轉(zhuǎn)化已有研究成果的基礎(chǔ)上，用有限元方法模擬了水樹枝存在情況下材料中的電場分布，同時結(jié)合電場強度模擬結(jié)果，分析了電樹枝最可能的引發(fā)位置及水樹枝尺寸對電樹枝引發(fā)電壓的影響。

1 水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝

水樹枝老化是電力電纜絕緣最終擊穿的誘因，水樹枝以電樹枝為先導(dǎo)，導(dǎo)致電纜絕緣最終失效。圖1、圖2為XLPE絕緣電力電纜中水樹枝引發(fā)電樹枝的實例。圖1為通風(fēng)型水樹枝引發(fā)電樹枝，圖2為蝶形水樹枝引發(fā)電樹枝。圖3為實驗室條件下，采用水針電極法培養(yǎng)的水樹枝及其引發(fā)電樹枝的照片。

圖1 中壓硅烷XLPE電纜絕緣中通風(fēng)型水樹枝及其引發(fā)的電樹枝［1］

圖2 XLPE電纜絕緣中的水樹枝及蝶形水樹枝引發(fā)的電樹枝

圖3 實驗室條件下采用水針電極法培養(yǎng)的水樹枝及水樹枝引發(fā)的電樹枝

Densley R J等在上世紀(jì)80年代就開始研究水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化，但截至目前水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化還處于影響因素研究階段，相關(guān)文獻(xiàn)中很少能發(fā)現(xiàn)水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化作用機理的報道。如圖4所示，在水樹枝、電場以及外在因素的共同作用下，水樹枝發(fā)展成為電樹枝。影響電場的主要因素是電壓的類型及幅值，電壓的類型可以分為交變電壓和脈沖電壓。影響水樹枝的主要因素是水樹枝尺寸(水樹枝的長度或面積)和水樹枝的劣化結(jié)構(gòu)。外在因素包括環(huán)境溫度、電解液的類型及濃度等。電場、水樹枝及外在因素都有可能對電樹枝的引發(fā)和發(fā)展產(chǎn)生影響，具體來說就是對電樹枝的引發(fā)電壓、引發(fā)時間、引發(fā)位置、發(fā)展速率和發(fā)展形態(tài)產(chǎn)生影響。以往專家的研究主要集中于不同因素對電樹枝引發(fā)電壓的影響，而對電樹枝的引發(fā)時間、引發(fā)位置、發(fā)展速率和發(fā)展形態(tài)等影響的研究較少。

圖4 水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的影響因素

1.1 水樹枝尺寸對電樹枝引發(fā)電壓的影響

圖6為Suzuoki Y、Morita M、Komori F等研究得到的電樹枝交變電場引發(fā)電壓隨水樹枝面積的變化規(guī)律。圖5為其實驗中水樹枝面積定義的示意圖［3，4］。由圖6 可知，電樹枝交變電場引發(fā)電壓隨水樹枝面積的增加而升高。出現(xiàn)此實驗現(xiàn)象的原因是，水樹枝劣化產(chǎn)生的極性基團(tuán)以及水的存在提高了劣化區(qū)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，從而導(dǎo)致電場松弛，同時極性基團(tuán)及水的存在改變了載流子注入、捕獲以及電子散射的情況［8］。在下文電場有限元模擬部分得到類似的結(jié)論。

圖5 水樹枝面積定義［3，4］

圖7為Kato T、Suzuoki Y、Komori F等研究得到的電樹枝脈沖引發(fā)電壓隨水樹枝面積的變化規(guī)律［5］。由圖7可知，電樹枝的脈沖引發(fā)電壓隨水樹枝面積的增大而升高。

圖6 電樹枝交變電場引發(fā)電壓隨水樹枝面積的變化規(guī)律［3，4］

圖7 電樹枝脈沖引發(fā)電壓隨水樹枝面積的變化［5］

1.2 水樹枝劣化結(jié)構(gòu)對電樹枝引發(fā)電壓的影響

為研究水樹枝劣化結(jié)構(gòu)對電樹枝引發(fā)電壓的影響，水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化實驗采用脈沖電壓和干燥水樹枝［5-7］。脈沖電壓的升壓速率很高，在脈沖電壓作用下材料中不會形成空間電荷從而導(dǎo)致電場弱化。在干燥水樹枝情況下，排除了由于水分存在導(dǎo)致電場弱化的影響。干燥水樹枝、脈沖電壓作用情況下，得到圖7的實驗結(jié)果。干燥水樹枝情況下，電樹枝的脈沖引發(fā)電壓隨水樹枝面積的增大而升高;干燥水樹枝情況下電樹枝的脈沖引發(fā)電壓略高于無水樹枝情況下電樹枝的脈沖引發(fā)電壓，卻低于濕水樹枝情況下電樹枝的脈沖引發(fā)電壓。水樹枝劣化產(chǎn)生的極性基團(tuán)和水樹枝劣化在材料里面產(chǎn)生的微孔，致使干燥水樹枝情況下電樹枝的脈沖引發(fā)電壓高于無樹枝情況下電樹枝的脈沖引發(fā)電壓。

干燥水樹枝試樣中電樹枝的脈沖引發(fā)電壓高于水樹枝未劣化試樣中電樹枝的脈沖引發(fā)電壓，所以水樹枝劣化結(jié)構(gòu)對絕緣的危害有待進(jìn)一步的討論。產(chǎn)生水樹枝劣化的實際電纜長期運行在工頻電壓下，所以有必要對工頻電壓下水樹枝劣化對電纜絕緣的長期影響進(jìn)行研究。

1.3 外施電壓的類型對電樹枝引發(fā)電壓的影響

外施電壓類型對電樹枝引發(fā)電壓影響的研究結(jié)果表明:耐受時間越短，電樹枝的引發(fā)電壓越高［4，8］。

圖8為水針電極情況下未劣化試樣電樹枝的脈沖引發(fā)電壓實驗結(jié)果［4］。正負(fù)脈沖電樹枝的引發(fā)電壓均在30～40 kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交變電場電樹枝的引發(fā)電壓8～12 kV(如圖6)。水樹枝劣化試樣脈沖電樹枝的引發(fā)電壓大于55 kV［4］。水樹枝劣化促使電樹枝交變引發(fā)電壓升高約5 kV(如圖6)，促使脈沖電樹枝引發(fā)電壓升高20 kV［4］，水樹枝劣化對電樹枝交變引發(fā)電壓和脈沖引發(fā)電壓影響不同的原因尚不是很清楚。

圖8 脈沖樹的引發(fā)電壓(水針電極)［4］

圖9 不同濃度NaCl溶液對電樹枝交變電場引發(fā)電壓的影響［4，9］

1.4 電解液類型和濃度對電樹枝引發(fā)電壓的影響

Suzuoki Y、Saito T等研究了不同濃度NaCl溶液對電樹枝交變電場引發(fā)電壓的影響。實驗中NaCl溶液的濃度范圍為0.01～1 mol/L，實驗結(jié)果如圖9。在實驗的電解液濃度范圍內(nèi)，電解液濃度對電樹枝交變引發(fā)電壓沒有影響［4，9］?？赡艿脑蚴?，在實驗的電解液濃度范圍內(nèi)，電解液的電導(dǎo)率已經(jīng)高到不再影響電樹枝的引發(fā)和生長，也就是說0.01 mol/L時電解液的電導(dǎo)率基本等同于1 mol/L時電解液的電導(dǎo)率，二者的電導(dǎo)率也已基本接近導(dǎo)體。同時有研究表明，當(dāng)對水樹枝施加電壓時，水樹枝劣化區(qū)域的離子濃度會升高［12］。此現(xiàn)象也會導(dǎo)致電解液濃度對電樹枝引發(fā)電壓影響的減弱。

在精細(xì)化管理中，我們還應(yīng)當(dāng)精確到對班級的管理層面上。如果說對幼兒的管理要人性化，那么對于整個幼兒班級的集體管理我們就要做到“制度化”了。對一個集體的管理，不同于對某一個個人的管理，所謂“眾口難調(diào)”，此時，嚴(yán)格的制度規(guī)范便成為了必要。沒有規(guī)矩不能成方圓，我們要讓幼兒從小在一個統(tǒng)一、規(guī)范、明確的制度化環(huán)境中明白這一道理，從而促使學(xué)生能夠養(yǎng)成對自我管理的習(xí)慣，為幼兒的身心發(fā)展做出正確的引導(dǎo)。

圖10 不同溫度下交變電場引發(fā)電樹枝

1.5 溫度對電樹枝引發(fā)電壓的影響

圖10為不同溫度下電樹枝交變引發(fā)電壓實驗結(jié)果。圖10a為室溫、70℃下培養(yǎng)水樹枝，并在各自溫度下引發(fā)電樹枝［11］。由圖10a可知:對未劣化試樣和小尺寸水樹枝試樣(面積＜5 000 μm2)而言，70℃下電樹枝的引發(fā)電壓高于室溫下電樹枝的引發(fā)電壓?？赡艿脑驗?70℃時分子運動加劇導(dǎo)致水分子和離子集團(tuán)加速向水針電極附近滲透，小晶塊開始融化導(dǎo)致非晶區(qū)增加，進(jìn)而導(dǎo)致電場弱化。由圖10b可知，90℃下電樹枝的引發(fā)電壓低于室溫下電樹枝的引發(fā)電壓。原因可能為:90℃時水樹枝劣化較室溫嚴(yán)重［10］，較嚴(yán)重的劣化降低了聚乙烯絕緣的擊穿強度。

由上述實驗結(jié)果可知:從室溫到90℃，溫度對電樹枝引發(fā)電壓的影響不單調(diào)，此過程受多種因素的影響，有待進(jìn)一步的研究。

2 電樹枝轉(zhuǎn)化成水樹枝

長期運行在潮濕環(huán)境下的XLPE絕緣電力電纜，電纜絕緣中除產(chǎn)生水樹枝劣化之外，也可能直接引發(fā)電樹枝。電樹枝一般在雷電過電壓和操作過電壓的情況下引發(fā)。電樹枝引發(fā)以后失去高壓，停止生長，在潮濕環(huán)境下停止生長的電樹枝可能充滿水分。運行電壓下，充滿水分的電樹枝可能轉(zhuǎn)化成水樹枝［3，4］。圖11為斷電重新加高頻低壓后電樹枝轉(zhuǎn)化成水樹枝的照片。圖12為我們在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的電樹枝轉(zhuǎn)化成水樹枝的照片。

圖11 重加壓后電樹枝轉(zhuǎn)化成水樹枝［3，4］

圖12 電樹枝轉(zhuǎn)化成水樹枝

電樹枝一旦產(chǎn)生，在不間斷加壓的情況下，絕緣在很短的時間內(nèi)就會擊穿。若電樹枝在一定情況下能轉(zhuǎn)化成水樹枝，則能延長電纜絕緣的壽命。研究電樹枝向水樹枝轉(zhuǎn)化的影響因素及作用機理具有重要的實用意義，但目前尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)研究的報道。

3 分析討論

對存在水樹枝劣化的材料，采用合適的方法進(jìn)行電場強度分布評估是理解水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。計算水樹枝存在情況下材料中的電場分布，可評估水樹枝的危害程度、水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的位置及水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的引發(fā)電壓。

模擬水樹枝存在情況下材料中的電場分布，目前發(fā)表的文獻(xiàn)中多采用有限元法［13-16］。為了模擬研究水樹枝，文獻(xiàn)中多把發(fā)散型水樹枝看成半橢球結(jié)構(gòu)［13-16］。本文主要模擬實驗室條件下用水針電極法培養(yǎng)的水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化，根據(jù)以前實驗過程中觀測到的水樹枝(圖13)，我們把水針電極法產(chǎn)生的水樹枝模擬為半徑為r0的球(圖14)。

圖13 水針電極法培養(yǎng)的水樹枝

圖14 水樹枝存在情況下電場計算模型(針尖曲率半徑5 μm)

水針電極的介電常數(shù)為ε1，水樹枝區(qū)域介電常數(shù)分布為ε，XLPE基體材料的介電常數(shù)為ε2=2.3。針尖－地電極之間的距離d=2mm。通過測試可知，NaCl溶液濃度為1.8 mol/L 時 ε1=8.5 ×107。

假設(shè)水樹枝區(qū)域介電常數(shù)ε在水樹球半徑方向上符合 e的負(fù)指數(shù)分布［14，16］。則:

邊界條件如式(2)，結(jié)合式(1)可知:

當(dāng) ε1=8.5 ×107、ε2=2.3 時，由式(3)可知:

假設(shè)所考慮區(qū)域的介電常數(shù)的分布各向同性(ε=εx=εy)，則三維電場分布計算可簡化為二維電場分布計算。在本文的模擬計算中，選取水針電極電位為7 kV，頻率為50 Hz;水樹枝區(qū)域剖分成5 000～10 000個四邊形單元，計算使用有限元軟件ANYSIS V13。

圖15 水樹枝存在情況下材料中電場分布(7 kVrms，50 Hz，針尖曲率半徑 5 μm，針－板距離2mm)

圖15為r0取不同值時材料中的電場分布。由模擬結(jié)果可知:(1)在水樹枝存在情況下，材料中的最高電場強度出現(xiàn)在水樹枝尖端，相關(guān)的研究得到同樣的結(jié)果［13-16］;(2)隨水樹枝半徑的增加，材料中的最大電場強度先減小后增大;(3)無水樹枝時針尖的電場強度高于0＜r0＜1 500 μm水樹枝尖端的電場強度，說明較短長度的水樹枝弱化了材料中的局部場強。

水樹枝存在情況下材料中的最高場強出現(xiàn)在水樹枝尖端，所以水樹枝最可能由尖端轉(zhuǎn)化成電樹枝，從圖1～圖3中也可以發(fā)現(xiàn)電樹枝的確從水樹枝尖端引發(fā)。水樹枝尖端附近存在氣隙或雜質(zhì)的時候，水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的可能更大。由于最高場強出現(xiàn)在水樹枝尖端，所以水樹枝的最大長度決定其危害性。因此在水樹枝－電樹枝相互轉(zhuǎn)化的研究中，應(yīng)該選取水樹枝的最大長度作為參考。

在外加電場一定的情況下，隨水樹枝半徑的增加，材料中的最大場強先減小后增大，表明隨水樹枝尺寸的增大，電樹枝的引發(fā)電壓應(yīng)該是先增大后減小。Suzuoki Y、Morita M、Komori F等只研究了水樹枝尺寸較小時電樹枝的引發(fā)電壓，得到電樹枝的交變引發(fā)電壓隨水樹枝面積的增加而升高的結(jié)論。

無水樹枝時針尖的電場強度高于0＜r0＜1 500 μm時水樹枝尖端的電場強度，說明較短長度的水樹枝弱化了材料中的局部電場強度。所以，發(fā)生水樹枝劣化前期電樹枝的交變引發(fā)電壓較無水樹枝時會提高。由此可知，材料中存在缺陷時，在缺陷處生長水樹枝反而不利于電樹枝的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

(1)水樹枝的最大長度決定水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的可能性。

(2)隨水樹枝半徑的增大，材料中的最大場強先減小后增大，水樹枝轉(zhuǎn)化成電樹枝的交變引發(fā)電壓先增大后減小。

(3)無水樹枝時針尖的電場強度高于0＜r0＜1 500 μm時水樹枝尖端的電場強度，較短長度的水樹枝弱化了材料中的局部場強。

(4)用有限元法模擬水樹枝存在情況下材料中的電場分布，能有效地指導(dǎo)和還原實驗過程，縮短實驗時間。

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