淺談電力電纜中的電樹枝

摘 要：電線電纜中的電樹枝研究一直受到廣大學(xué)者的關(guān)注，具有極高的實際應(yīng)用價值和研究價值。文章綜合了近幾年對電樹枝研究的相關(guān)文獻，對電樹枝的影響因素，電樹枝產(chǎn)生機理及量化模型進行了評述，并對未來的研究指出了方向。

關(guān)鍵詞：電樹枝；電力電纜；量化模型

中圖分類號：TM24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0136-02

1 電樹枝

1.1 電樹枝現(xiàn)象

電樹枝是指電介質(zhì)在局部強電場作用下，內(nèi)部熱分解，逐步老化、擊穿而形成一簇放電通道的現(xiàn)象。在聚合物中，這種擊穿現(xiàn)象最后形成類似于樹枝狀放電破壞通道，因此得名為樹枝化擊穿。

對電樹枝的引發(fā)過程，一般采用電樹枝引發(fā)時間、電樹枝引發(fā)率、50%電樹枝引發(fā)電壓等參數(shù)進行表征，而在電樹枝的生長過程中，最重要的是它的生長特性，即在電壓、溫度、頻率等外施條件發(fā)生變化時，電樹枝隨時間的變化過程，因此對電樹枝生長過程進行描述時，一般采用電樹枝生長率或電樹枝長度來表征不同條件下電樹枝化對絕緣材料的破壞程度。

1.2 電樹枝的分類

根據(jù)形狀可將電樹枝分為枝狀、叢林狀、松枝狀、藤枝狀和局部叢林-枝狀混合型電樹枝。

另外，按通道的導(dǎo)電性可將電樹枝分為導(dǎo)電型和非導(dǎo)電型兩類。分類的依據(jù)由兩個特點確定：第一是有基體內(nèi)部放電；第二為樹枝色度。各種類型的電樹，其導(dǎo)電強弱不同，相應(yīng)的形成機理也不盡相同。

2 影響電樹枝引發(fā)的因素

2.1 電樹枝引發(fā)與電極系統(tǒng)的關(guān)系

文獻[3]研究表明試驗所用的電極材料與結(jié)構(gòu)、針尖的曲率半徑、試樣的制備都直接影響著電樹枝的引發(fā)和生長。

目前研究電樹枝化過程主要是使用針—板電極系統(tǒng)。通過利用針—板電極在聚合物材料內(nèi)施加電壓來模擬電力電纜中的電樹老化，但針—板電極系統(tǒng)與真實電纜中的電場分布存在較大差異，未能很好地模擬出運行中的電纜電場分布。

另一種測試方法為短電纜電極系統(tǒng)，能得到與針—板電極系統(tǒng)類似的實驗結(jié)果。從樹枝形態(tài)上看，可以觀測到，在相同的電壓條件下，針—板電極系統(tǒng)所得到的電樹枝的稠密程度要明顯大于短電纜電極系統(tǒng)，尤其是在外施電壓比較低的時候。另外針—板電極系統(tǒng)中局部放電的起始時間明顯短于短電纜模型。

2.2 電極功函數(shù)對電樹枝引發(fā)的影響

文獻[4]研究表明電極功函數(shù)對電樹枝引發(fā)有明顯影響，用不同的金屬材料制成針電極，在交流電壓下，隨電極功函數(shù)的增加，試樣的50%電樹枝引發(fā)電壓也增加。

電子發(fā)射功函數(shù)的增加導(dǎo)致電樹枝的引發(fā)電壓提高，因此認為來自電極的電子與聚合物的電樹枝引發(fā)有關(guān)。

2.3 電樹枝引發(fā)的極性效應(yīng)

①交流、半波、直流電壓對電樹枝起始特性的影響。文獻[5]選用不同的電場類型進行測試，得出電樹枝引發(fā)特性與電壓波形有關(guān)。隨著電壓波形由交流、半波到直流變化，試樣的50%電樹枝引發(fā)電壓依次明顯升高。可見，電樹枝引發(fā)存在明顯的極性效應(yīng)。同時，溫度對電樹枝起始電壓也有顯著影響，在交流電壓下，77K時的引發(fā)電壓是室溫下的6倍。

②交流疊加沖擊電壓作用下，電樹枝起始特性。運行中的電纜不僅要承受交流電壓，還要承受各種沖擊電壓，而這些電壓是疊加在運行電壓上的，使聚合物絕緣承受更高的各種暫態(tài)過電壓，加速絕緣老化，最終導(dǎo)致絕緣劣化。測試結(jié)果表明當(dāng)施加較低交流電壓時，對電樹枝起始電壓幾乎無影響；只有當(dāng)施加的交流電壓達到一定的幅值時，電樹枝起始電壓反而隨著交流電壓的增大而下降。在直流疊加試驗中，發(fā)現(xiàn)只有兩者疊加的極性相同時，擊穿強度略有增加；疊加方向相反時，擊穿強度減小。文獻[7]認為這是由于決定絕緣擊穿強度的主要因素是空間電荷，直流疊加使得電極附近的局部場強有所改變。

2.4 接地電樹枝

在聚乙烯試樣上施加一定直流電壓，加壓過程中沒有出現(xiàn)電樹枝，而在加壓后，將試樣迅速接地，卻出現(xiàn)了電樹枝。

接地實驗結(jié)果表明，直流接地電樹枝起始電壓比相同條件下的直流電樹枝起始電壓低；隨著施加直流電壓的提高，電樹枝引發(fā)率提高；直流短路電樹枝引發(fā)率和直流電壓衰減時間有關(guān)，衰減越慢，引發(fā)率越低。

2.5 聚合物預(yù)處理對電樹枝引發(fā)的影響

2.5.1 殘存機械應(yīng)力的影響

文獻[8]研究表明機械應(yīng)力和電壓頻率對電纜絕緣中電樹枝起始特性、生長特性及電樹枝結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與不含應(yīng)力試樣相比，含有機械應(yīng)力的XLPE試樣中電樹枝的引發(fā)時間短，生長速度快。在聚合物中存在著結(jié)晶相和無定形相，兩相在相互轉(zhuǎn)移的過程中會在邊界產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進而生成微孔等缺陷，而這些微孔在交流電場中要承受大部分場強，極易出現(xiàn)反復(fù)放電，電腐蝕?？梢姡娎|內(nèi)部殘存的機械應(yīng)力對電樹老化形成有顯著影響。

2.5.2 熔點對電樹枝起始電壓的影響

一般認為電樹枝起始電壓與晶層厚度密切相關(guān)，通過改變冷卻速度和重結(jié)晶時間可以影響電樹枝的起始特性。聚乙烯材料的熔點隨冷卻速度減小而升高，電樹枝起始電壓也提高。材料的熱穩(wěn)定性和電樹枝起始電壓有一定的關(guān)聯(lián)。

實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)處于高壓電纜絕緣內(nèi)外側(cè)的電樹枝生長特性有著較大差異。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣內(nèi)外側(cè)聚集態(tài)存在巨大差異：內(nèi)側(cè)有大晶塊存在且不均勻，而外側(cè)絕緣中的小晶塊十分均勻。不均勻結(jié)晶與大晶塊是導(dǎo)致藤枝狀電樹枝迅速發(fā)展的主要原因之一。控制聚合物的結(jié)晶度與球晶尺寸，是從基體結(jié)構(gòu)上限制電樹枝產(chǎn)生和發(fā)展的基點。

2.6 納米聚合物中電樹枝

據(jù)報道在聚合物中加入少量的納米粒子能顯著提高其介電性能。納米電介質(zhì)研究方面集中于介電強度、局部放電性能、電老化性能以及真空沿面閃絡(luò)性能等方面。一般認為，微量或少量的納米摻雜是有利于提高介電性能，如馮軍強等發(fā)現(xiàn)添加劑含量為10-4的納米Ag粒子可以使聚乙烯醇（PVA）的常溫介電強度提高2倍；樊友兵確認了納米氧化物添加劑對聚合物擊穿強度的正面影響。

可見，納米添加對提高基體材料的各種介電性能有著顯著改善，特別是在擊穿強度方面往往有著成倍數(shù)的提高，能夠有效的延緩電樹枝老化過程。然而，納米復(fù)合材料也存在多種困擾，比如，復(fù)合材料的穩(wěn)定性，可重復(fù)性。由于納米材料的特性，其在基體中的分散均勻度始終是一棘手問題，且納米粒子與基體材料之間的界面效應(yīng)也未能得到系統(tǒng)的闡述。

3 電樹枝的量化模型

目前電樹枝量化模型主要有Ding等人提出的電樹枝碎片叢模型。研究者認為電介質(zhì)在外電場下作用下逐漸形成離散的微電樹枝區(qū)，各個微區(qū)之間相互作用、貫通，并與電樹枝主通道相互作用，相聯(lián)促成電樹枝的生長。在此基礎(chǔ)得到電樹枝的生長公式：

從式（1）可見電樹枝的長度正比于t。通過對電老化的定量化，使得對老化機理有了進一步的理解，但影響電樹枝的因素眾多，定量模型仍然存在一定的局限性。

4 結(jié) 語

隨著電纜在輸配送電網(wǎng)中的使用日益增多，應(yīng)用電壓等級逐漸增高，且伴隨著各種過電壓，其可靠性越發(fā)重要。電纜中的電樹枝引發(fā)、生長具有隱蔽性，不易被察覺，但一旦發(fā)展到貫穿絕緣層即絕緣擊穿時將引起電纜故障，且修復(fù)難度較大。目前人們對電樹枝的機理已有了基本的認識，并隨著現(xiàn)代檢測和分析技術(shù)的發(fā)展，電樹枝的研究將向著更高層次發(fā)展。不僅應(yīng)當(dāng)掌握各種電樹枝現(xiàn)象的生成、發(fā)展機理以及建立量化模型，電樹枝的在線實時監(jiān)測也應(yīng)該成為以后電樹枝研究的一個方向。

參考文獻：

[1] 李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹枝化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 謝安生，鄭曉泉，李盛濤.XLPE電纜絕緣中的電樹枝結(jié)構(gòu)及其生長特性[J].高電壓技術(shù)，2007，（33）.

[3] 周湶，葉笛，安文斗.基于不同電極系統(tǒng)的電樹枝生長特性的研究[J].高壓電器，2010，（2）.

[4] 葉開顏.交聯(lián)聚乙烯電力電纜電樹枝化的影響因素及機理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[5] 劉輔宜，鐘力生，李盛濤，等.工程電介質(zhì)物理與介電現(xiàn)象[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[6] 鄭曉泉，馮小倩，王以田.聚合物電樹枝種類及其影響因素[J].絕緣材料，2003，（5）.

[7] 陳斌，霍光.交聯(lián)電纜耐壓試驗方法的探討[J].電氣應(yīng)用，2010，（14）.

[8] 鄭曉泉，G Chen.機械應(yīng)力與電壓頻率對XLPE電纜電樹的影響[J].高電壓技術(shù)，2003，（4）.

[9] 鄭曉泉，謝安生，李盛濤.發(fā)展在XLPE電纜絕緣內(nèi)外側(cè)的電樹枝[J].物理學(xué)報，2007，（56）.

[10] 趙建國，郭永，馮鋒.納米電纜材料的研究進展[J].材料工程，2008，（7）.

[11] 馮軍強，徐曼，鄭曉泉.Ag/PVA納米聚合物基復(fù)合材料的制備及其電性能研究[J].中國電機工程學(xué)報，2004，24（6）.

[12] 樊友兵.納米TiO2改性聚酰亞胺耐電暈絕緣漆的制備與性能研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2004