聚乙烯中水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的研究

摘 要 水樹枝是在電場和水聯(lián)合作用下在高分子電介質(zhì)中所產(chǎn)生的樹枝狀痕跡，水樹枝誘發(fā)后，往往進(jìn)一步發(fā)展為電樹枝直至擊穿。水樹枝老化是運行在潮濕環(huán)境下的聚烯烴電力電纜發(fā)生絕緣擊穿的主要誘因。本文主要基于2000年以來，各國學(xué)者對聚乙烯（Polyethylene，PE）中水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化問題的研究，介紹這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展及最新成果。水樹枝的劣化及最終轉(zhuǎn)化為電樹枝會受到多種因素的影響，如水樹枝尺寸、外施電壓類型、溫度等。相關(guān)學(xué)者已對這些因素對水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化引發(fā)電壓的影響進(jìn)行了探究，并得到了一些規(guī)律。

關(guān)鍵詞 水樹枝；電樹枝；轉(zhuǎn)化；聚乙烯

中圖分類號：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0050-02

聚乙烯由于其電、熱、機(jī)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（cross-linked Polyethylene，XLPE），自其問世以來，由于性能優(yōu)良、工藝簡單、安裝方便，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。[1]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)等現(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。自l967年發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣水樹枝老化后，目前已確認(rèn)它成為XLPE電纜老化的主要現(xiàn)象之一。水樹枝發(fā)展到一定程度就可能引發(fā)永久性的電樹枝。[2]特別是當(dāng)XLPE絕緣電力電纜遭受雷電或操作過電壓時，瞬時的過電壓足以導(dǎo)致水樹枝轉(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。

1 水樹枝尺寸

為了確定PE中水樹枝向電樹枝發(fā)展的機(jī)制，M.Morita，K.Wu等對局部放電特點、電樹枝的生長以及相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了同時觀察。電樹枝引發(fā)電壓隨著水樹枝劣化面積的增大而升高。當(dāng)電樹枝與水針相連時，局部放電變得非常突然。

1.1 實驗

試樣外形如圖1所示。

在一塊4 mm厚的低密度聚乙烯（LDPE）上打一個直徑1.8 mm的孔。在孔的頂端，通過一根尖端半徑為3μm的鋼針制造出尖端。此孔中填充NaCl溶液（1mol/L）以形成水針電極。水針電極尖端與平板電極之間的距離為2 mm。

實驗裝置如圖2所示。

將試樣固定于底座上并浸于硅油中。對局部放電進(jìn)行觀測，通過光學(xué)顯微鏡觀察到發(fā)光。

起初，向試樣施加7kVrms （60Hz，14h），5kVrms（500Hz，0.5，1，2 or 3h）或5kVrms（3kHz，0.5，1 or 2h）電壓后形成水樹枝。之后，將8kVrms（50 or 60Hz）電壓施加于試樣，并以1kVrms/5min的速率升高直到觀察到電樹枝引發(fā)。然后保持電壓恒定并觀察樹枝生長。

1.2 結(jié)論

1）電樹枝引發(fā)電壓隨著水樹枝劣化面積的增大而升高。

2）電樹枝發(fā)展過程中局部放電行為不同，可以由水針針尖場集中效應(yīng)、通道導(dǎo)電性、氣壓變化以及通道長度等因素來解釋。

2 外施電壓類型

施加交流電壓時，由水樹枝區(qū)域空間電荷積累造成的電場弱化效應(yīng)會影響電樹枝的引發(fā)。為了明確水樹枝引發(fā)電樹枝的機(jī)制，必須要去除電場弱化效應(yīng)的影響，研究水樹枝區(qū)域結(jié)構(gòu)改變的影響。當(dāng)施加脈沖電壓時，電壓上升速率很快因此不會造成電場弱化效應(yīng)。

2.1 實驗

試樣外形同圖1，實驗裝置同圖2。

交流電壓：

向試樣施加8 kVrms（60Hz）的電壓，并以1kVrms/5min的速率升高直到觀察到電樹枝引發(fā)。然后保持電壓恒定并觀察樹枝生長。

脈沖電壓：

向水針電極施加15kV的脈沖電壓五次，然后將電壓升高5 kV。重復(fù)這一過程直到觀察到電樹枝引發(fā)。

2.2 結(jié)論

脈沖電壓施加時，通常不會導(dǎo)致明顯的空間電荷積累，電樹枝引發(fā)電壓比交流電壓施加時高。這表明其他機(jī)制提高了水樹枝區(qū)域內(nèi)或附近的擊穿強(qiáng)度。

3 干燥水樹枝

在濕潤的水樹枝的情況下，水樹枝中的水分可能提高了脈沖擊穿強(qiáng)度。同時交流電壓作用時電場弱化效應(yīng)，也可能是導(dǎo)致脈沖樹枝引發(fā)電壓高于交流樹枝的原因。為了明確水樹枝區(qū)域水分和結(jié)構(gòu)變化的影響，對干燥水樹枝進(jìn)行研究。

3.1 實驗

引入鋼針電極系統(tǒng)，如圖3所示。

在鋼針電極系統(tǒng)中，帶有水樹枝的試樣形成方法如下：在一塊4 mm厚的低密度聚乙烯（LDPE）上打一個直徑1 mm的孔，此孔中填充NaCl溶液（0.001mol/L）。在孔的頂端，通過插入然后拔出一根尖端半徑為3μm的鋼針，以形成水針。施加6kVrms （500Hz or 3kHz， 2 or 4h）電壓，形成水樹枝。形成水樹枝后，重新插入鋼針。鋼針電極尖端與平板電極之間的距離為2 mm。

帶有干燥水樹枝的試樣形成方法如下：水樹枝形成方式和帶有濕潤水樹枝的試樣相同。水樹枝形成后，將鋼針從孔中拔出，然后將試樣在氣壓10-1Pa的真空環(huán)境中干燥24小時。最后再將鋼針插入孔中。鋼針電極尖端與平板電極之間的距離為2 mm。

3.2 結(jié)論

在濕潤水樹枝試樣中，到55 kV為止沒有觀察到電樹枝引發(fā)。而在干燥水樹枝試樣中，電樹枝的引發(fā)電壓在35-40 kV，和沒有水樹枝劣化的試樣相近。這表明水樹枝區(qū)域中及附近的脈沖擊穿強(qiáng)度更高可能是由于水的存在抑制了電子加速。

4 溫度

從實際經(jīng)驗來看，高溫時的劣化特性十分重要。因為電纜通常是在高溫下使用，劣化情況應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)重。為了簡單起見，我們僅研究363K（XLPE的長期允許溫度）以下，電樹枝引發(fā)電壓與水樹枝溫度的關(guān)系。

4.1 實驗

試樣與實驗裝置同圖1和圖2。電壓施加方式如下：交流電壓作用時，向試樣施加8 kVrms （60Hz）電壓，并以100Vrms/30s的速率升高直到觀察到電樹枝引發(fā)。脈沖電壓作用時，向水針電極施加15kV（）的脈沖電壓五次，然后將電壓升高5 kV。重復(fù)這一過程直到觀察到電樹枝引發(fā)。endprint

4.2 結(jié)論

從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了電場弱化效應(yīng)引起的交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。因此，363K時，水樹枝劣化引起的更加劇烈的結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度的降低。

5 結(jié)論

本文從水樹枝尺寸、外施電壓類型、溫度等角度討論了PE中水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的問題，得出了一些規(guī)律。

1）電樹枝引發(fā)電壓隨著水樹枝劣化面積的增大而升高。

2）脈沖電壓施加時，通常不會導(dǎo)致明顯的空間電荷積累，電樹枝引發(fā)電壓比交流電壓施加時高。

3）干燥水樹枝試樣中，電樹枝的引發(fā)電壓低于濕潤水樹枝試樣。

4）從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。

關(guān)于水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化，現(xiàn)有的研究成果如前所述，但仍有許多問題等待相關(guān)學(xué)者通過進(jìn)一步的實驗進(jìn)行探究，如改變電解液種類是否對引發(fā)電壓有影響等。

參考文獻(xiàn)

[1]錢秋萍.交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化診斷技術(shù)的研究[J].大眾科技，2004（11）：15-16.

[2]鄭曉泉，王金峰，李彥雄.交聯(lián)聚乙烯中水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，8，5，33（22）：166-174.

[3]M. Morita， K. Wu， Y. Suzuoki， et al. Investigation of Electrical Tree Propagation from Water Tree by utilizing Partial Discharge and Optical Observation[C]. IEEE Properties and Applications of Dielectric Materials， 2003. Proceedings of the 7th International Conference on（Volume：3 ）. 1-5 June 2003： 891-894.

作者簡介

羅倩瑜（1994-），女，漢族，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本科，絕緣方向本碩連讀制，從師于西安交通大學(xué)電氣絕緣國家重點實驗室鄭曉泉教授，研究方向：電纜絕緣技術(shù)等。endprint

4.2 結(jié)論

從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了電場弱化效應(yīng)引起的交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。因此，363K時，水樹枝劣化引起的更加劇烈的結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度的降低。

5 結(jié)論

本文從水樹枝尺寸、外施電壓類型、溫度等角度討論了PE中水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的問題，得出了一些規(guī)律。

1）電樹枝引發(fā)電壓隨著水樹枝劣化面積的增大而升高。

2）脈沖電壓施加時，通常不會導(dǎo)致明顯的空間電荷積累，電樹枝引發(fā)電壓比交流電壓施加時高。

3）干燥水樹枝試樣中，電樹枝的引發(fā)電壓低于濕潤水樹枝試樣。

4）從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。

關(guān)于水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化，現(xiàn)有的研究成果如前所述，但仍有許多問題等待相關(guān)學(xué)者通過進(jìn)一步的實驗進(jìn)行探究，如改變電解液種類是否對引發(fā)電壓有影響等。

參考文獻(xiàn)

[1]錢秋萍.交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化診斷技術(shù)的研究[J].大眾科技，2004（11）：15-16.

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[3]M. Morita， K. Wu， Y. Suzuoki， et al. Investigation of Electrical Tree Propagation from Water Tree by utilizing Partial Discharge and Optical Observation[C]. IEEE Properties and Applications of Dielectric Materials， 2003. Proceedings of the 7th International Conference on（Volume：3 ）. 1-5 June 2003： 891-894.

作者簡介

羅倩瑜（1994-），女，漢族，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本科，絕緣方向本碩連讀制，從師于西安交通大學(xué)電氣絕緣國家重點實驗室鄭曉泉教授，研究方向：電纜絕緣技術(shù)等。endprint

4.2 結(jié)論

從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了電場弱化效應(yīng)引起的交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。因此，363K時，水樹枝劣化引起的更加劇烈的結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度的降低。

5 結(jié)論

本文從水樹枝尺寸、外施電壓類型、溫度等角度討論了PE中水樹枝向電樹枝轉(zhuǎn)化的問題，得出了一些規(guī)律。

1）電樹枝引發(fā)電壓隨著水樹枝劣化面積的增大而升高。

2）脈沖電壓施加時，通常不會導(dǎo)致明顯的空間電荷積累，電樹枝引發(fā)電壓比交流電壓施加時高。

3）干燥水樹枝試樣中，電樹枝的引發(fā)電壓低于濕潤水樹枝試樣。

4）從室溫到343K的溫度范圍內(nèi)，觀察到了交流電樹枝引發(fā)電壓的升高。在363K時，水樹枝的生長速率和劣化范圍要比低溫時大得多。

關(guān)于水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化，現(xiàn)有的研究成果如前所述，但仍有許多問題等待相關(guān)學(xué)者通過進(jìn)一步的實驗進(jìn)行探究，如改變電解液種類是否對引發(fā)電壓有影響等。

參考文獻(xiàn)

[1]錢秋萍.交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化診斷技術(shù)的研究[J].大眾科技，2004（11）：15-16.

[2]鄭曉泉，王金峰，李彥雄.交聯(lián)聚乙烯中水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，8，5，33（22）：166-174.

[3]M. Morita， K. Wu， Y. Suzuoki， et al. Investigation of Electrical Tree Propagation from Water Tree by utilizing Partial Discharge and Optical Observation[C]. IEEE Properties and Applications of Dielectric Materials， 2003. Proceedings of the 7th International Conference on（Volume：3 ）. 1-5 June 2003： 891-894.

作者簡介

羅倩瑜（1994-），女，漢族，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院本科，絕緣方向本碩連讀制，從師于西安交通大學(xué)電氣絕緣國家重點實驗室鄭曉泉教授，研究方向：電纜絕緣技術(shù)等。endprint