納秒脈沖下有機(jī)玻璃電樹枝老化特性研究

王 濤, 王 玨, 嚴(yán) 萍

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

納秒脈沖下有機(jī)玻璃電樹枝老化特性研究

王 濤1,2,3, 王 玨1,2, 嚴(yán) 萍1,2

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

介紹了有機(jī)玻璃(PMMA)在納秒脈沖作用下電樹枝引發(fā)和生長的規(guī)律現(xiàn)象。采用壓緊針電極與絕緣樣品接觸、多針并列式的方法制備實(shí)驗(yàn)試樣，絕緣樣品(有機(jī)玻璃)加工為120mm×5mm×2.5mm的長方條。實(shí)驗(yàn)使用產(chǎn)生30ns上升沿和70ns脈沖寬度的負(fù)脈沖固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器MPC50D作為激勵源，在25℃的條件下，施加100Hz的重復(fù)頻率脈沖，設(shè)定初始電壓，逐級升壓，直至引發(fā)電樹枝后停止升壓，記錄電樹枝引發(fā)電壓，觀察電樹枝生長特點(diǎn)及現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PMMA中電樹枝出現(xiàn)裂隙狀破壞，經(jīng)過分析討論，認(rèn)為是力作用導(dǎo)致的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中還觀察到電樹枝生長速度極快的現(xiàn)象，從電樹枝引發(fā)到擊穿只需幾秒鐘。通過研究證明絕緣油浸入導(dǎo)致了電樹枝生長加速，深入討論分析了絕緣油浸入促進(jìn)電樹枝快速發(fā)展的原因、機(jī)理及抑制方法。

PMMA； 電樹枝老化； 納秒脈沖； 電樹枝抑制

1 引言

聚合物材料自誕生以來逐漸被應(yīng)用到大眾生活的各個方面，從藥品到衣服、從玩具到航天器材都可以看到聚合物的身影。在電力、電子器件中尼龍、環(huán)氧、有機(jī)玻璃等聚合物材料作為絕緣件或者支撐組件被廣泛使用[1-3]。聚合物材料在使用過程中會發(fā)生老化。電樹枝老化是高壓電氣設(shè)備中聚合物絕緣材料老化的一種主要形式，它是一種在電場集中的區(qū)域，局部場強(qiáng)過高導(dǎo)致絕緣材料局部放電引發(fā)的破壞，會形成樹枝狀的細(xì)微通道[4,5]。對于長期運(yùn)行在高電壓條件下的電力設(shè)備，絕緣材料老化是威脅其安全的一個不可忽視的因素[6,7]。

對于電樹枝老化問題的研究已經(jīng)開展多年[8-10]，普遍認(rèn)為電樹枝在絕緣材料中的發(fā)展破壞過程有三個階段：①電樹枝的引發(fā)；②電樹枝的生長；③電樹枝導(dǎo)致的絕緣擊穿。無論是電極形狀設(shè)計不合理、電極與絕緣材料接觸點(diǎn)存在氣隙或不規(guī)則形狀，還是絕緣材料自身的雜質(zhì)或劣化等因素均可能導(dǎo)致電樹枝引發(fā)。電樹枝的引發(fā)通常認(rèn)為是絕緣材料電性能破壞的開始，此后放電強(qiáng)度會隨電樹枝的生長而逐漸增強(qiáng)，直致電樹枝生長到地電極或直接在生長到某一點(diǎn)時發(fā)生擊穿。

目前電樹枝老化的研究主要針對工頻或直流條件，其研究成果不能適用于脈沖功率的快脈沖條件[11-14]。本文使用步進(jìn)電壓法尋找納秒脈沖下有機(jī)玻璃的電樹枝引發(fā)電壓，并觀察該電壓下電樹枝生長情況。本文觀測到電樹枝的裂隙形態(tài)和絕緣油導(dǎo)致的電樹枝迅速生長現(xiàn)象，對這些現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了分析。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

2.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)使用針板電極的形式模擬電樹枝引發(fā)與生長環(huán)境。針電極使用不銹鋼材料制成，有良好的剛性。針尖外形如圖1所示。針尖圓錐的角度為30°，頂部圓形平臺的直徑為50μm。針加工好之后在95%的酒精溶液中浸泡10min，然后在空氣中晾干。板電極使用銅材料制成，由螺釘連接至地電位。

圖1 針尖尺寸示意圖Fig.1 Point size of needle

有機(jī)玻璃樣品加工為120mm×5mm×2.5mm大小的長方體。針電極連接到納秒脈沖發(fā)生器的負(fù)極性高壓輸出端，針尖壓到有機(jī)玻璃樣品上表面。樣品下表面與銅制平板地電極連接，并接地。連接示意圖如圖2所示。這種實(shí)驗(yàn)方式主要是為了對一些不易采用熱壓入、熱熔方法制備試樣或者遇熱會改性的絕緣材料進(jìn)行電老化實(shí)驗(yàn)而設(shè)計的，同時可以簡化試樣的制備過程。

圖2 試樣與電極的連接方式Fig.2 Connection method of sample and needle

為提高實(shí)驗(yàn)效率，采用多針同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式。如圖3所示，將8根針并排放置于試樣表面，以螺絲固定在有機(jī)玻璃的支架上，相鄰針間的距離約為13mm。在電磁場仿真得到的電場分布中，可知當(dāng)兩針間的距離大于10mm時，單針情況和多針情況針尖位置的電場分布無明顯差異，滿足實(shí)驗(yàn)需求[15,16]。如圖4所示，固定好的針、試樣支架放入老化油盒中，油盒中注入25號變壓器油防止實(shí)驗(yàn)中的沿面閃絡(luò)。

圖3 多針與試樣的布置方式Fig.3 Arrangement of needles and sample

圖4 老化油盒Fig.4 Oil box for electrical tree experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及步驟

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激勵源、溫度控制系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)三部分組成，如圖5所示。激勵源使用一臺產(chǎn)生上升沿30ns、脈沖寬度70ns負(fù)脈沖的納秒脈沖發(fā)生器(MPC50D，中國科學(xué)院電工研究所研制)，該電源使用磁脈沖壓縮技術(shù)，全固態(tài)設(shè)計，輸出波形如圖6所示。溫度控制系統(tǒng)使用溫、濕度循環(huán)實(shí)驗(yàn)箱(宏展環(huán)境科技有限公司SP-80U)，可以提供-70℃～200℃(±1℃)的溫度區(qū)間控制；監(jiān)測系統(tǒng)由高壓探頭(Tektronix P6015A)、示波器(Tektronix DPO2024)、數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 550D)和顯微鏡(基恩士VF700)組成。在實(shí)驗(yàn)施加電壓過程中使用數(shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加電實(shí)驗(yàn)完成后使用顯微鏡觀察有機(jī)玻璃中的電樹枝情況。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system

圖6 納秒脈沖信號波形Fig.6 Waveform of nanosecond pulse

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，將處理完畢的針電極與試樣垂直連接(如圖3所示)，螺母壓緊，固定于老化盒中并加注25號變壓器油；接著，將老化盒放入SP-80U溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)箱中，溫度設(shè)定為25℃，連接高壓激勵源高壓極和地電極，待溫度到達(dá)設(shè)定值后，等待40min，使試樣溫度達(dá)到設(shè)定值。然后，將電源的輸出重復(fù)頻率設(shè)為100Hz，電壓峰值調(diào)整到-20kV，加壓2min，之后每2min提高電壓-2kV，直至觀察到肉眼可見的電樹枝，記錄為電樹枝引發(fā)電壓；最后，電樹枝引發(fā)后保持加壓10min，期間使用數(shù)碼相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程，加壓結(jié)束后，取出試樣使用顯微鏡觀察試樣內(nèi)部電樹枝情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有機(jī)玻璃的電樹枝引發(fā)電壓

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。100Hz下有機(jī)玻璃電樹枝引發(fā)電壓在-38kV到-44kV之間，主要集中為-38kV。其平均值為-39.13kV。實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量大于20組，數(shù)據(jù)分散性不大。

表1 100Hz下有機(jī)玻璃電樹枝引發(fā)電壓Tab.1 Inception voltage of PMMA under 100Hz

3.2 電樹枝中的裂隙

在眾多絕緣材料電樹枝老化的研究中，電樹枝形態(tài)是關(guān)注的主要特性，它能夠反應(yīng)高電壓條件下絕緣材料內(nèi)部破壞發(fā)展過程。在工頻、直流下電樹枝的形態(tài)包括樹枝狀、松枝狀、叢林狀以及混合型，也有研究者在脈沖電壓作用下發(fā)現(xiàn)電樹枝中的裂隙形態(tài)[16]。本實(shí)驗(yàn)中除觀測到一些樹枝狀形態(tài)電樹枝外，還較多地發(fā)現(xiàn)了類似裂隙形態(tài)的電樹枝，如圖7所示。通常電樹枝通道為直徑數(shù)微米的孔洞形態(tài)(樹枝形態(tài))，由于放電分解和燒蝕產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大量樣品產(chǎn)生的電樹枝有扇面形扁平裂縫，占到起樹樣品數(shù)的90%以上。這種情況下電樹枝是在形成的扇形裂縫中生長。從形貌觀察，可能是材料受力超過其斷裂應(yīng)力而產(chǎn)生開裂的結(jié)果，與通常見到的電樹枝形態(tài)不同，其形成機(jī)理也應(yīng)有所不同。

圖7 有機(jī)玻璃中電樹枝的扇形結(jié)構(gòu)Fig.7 Sector structure of electrical trees in PMMA

傳統(tǒng)的電樹枝生長理論主要將電樹枝的生長解釋為靜電場導(dǎo)致的機(jī)械疲勞、熱引起的鍵斷裂和電荷復(fù)合釋放的能量引起的斷鍵。這些理論可以從單根電樹枝通道微觀的角度解釋電樹枝的引發(fā)與生長，但對于本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有機(jī)玻璃大面積、平面形的裂隙現(xiàn)象并不能合理解釋。裂隙出現(xiàn)，有可能是一個，也可能是多個。圖8、圖9為裂隙形態(tài)電樹枝的空間結(jié)構(gòu)，使用基恩士VF700深度合成方法(即在一段距離內(nèi)連續(xù)的不同焦平面拍攝，采用圖像合成技術(shù)顯示在一幅圖中)拍攝?？梢钥闯觯瑘D像分別從不同角度拍攝，顯示出樹枝的空間結(jié)構(gòu)。由于試樣側(cè)向尺寸長，切開后透明度低無法清晰拍攝的原因，側(cè)視圖的拍攝角度沒能按工程制圖中垂直側(cè)面的要求執(zhí)行，拍攝角度和正視圖的視角約為60°。

圖8 單裂隙電樹枝的空間結(jié)構(gòu)Fig.8 Space structure of electrical trees with single crack

圖9 多裂隙電樹枝的空間結(jié)構(gòu)Fig.9 Space structure of electrical trees with two cracks

裂隙形態(tài)電樹枝生長是逐步進(jìn)行的，先是在電樹枝的頭部突然出現(xiàn)一個(或多個，不一定同時)小的裂隙，開裂后氣壓降低，因?yàn)榱芽p處的有機(jī)玻璃并沒有被轉(zhuǎn)化為氣體，裂縫還是被壓緊的，電樹枝在裂縫邊緣繼續(xù)生長。電樹枝生長的頭部由樹枝形通道尖端的單點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱严哆吘壣刃尉€上的多點(diǎn)。一定時間后，放電強(qiáng)度進(jìn)一步增大，裂隙再次擴(kuò)大，電樹枝的生長點(diǎn)前移到新的邊緣線上。此過程反復(fù)再現(xiàn)，便形成了圖7中的電樹枝形態(tài)。圖7中裂隙邊緣的輪廓線清晰可見，形如樹木的年輪線，可以看到兩個“年輪線”間生長的樹枝(松枝)狀電樹枝。一般正常的電樹枝會改變絕緣材料的物理結(jié)構(gòu)及電樹枝通道處的電荷分布，這種影響僅限于細(xì)小的電樹枝通道(直徑為幾個微米)所在區(qū)域。而形成裂隙體積比電樹枝通道要大得多，從圖7中可以看出，比較小的裂隙直徑也在403μm(較大的超過900μm)，這種裂隙從體積大小到影響范圍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通常電樹枝通道。

實(shí)驗(yàn)中觀察到裂隙是在加壓過程中某一時刻突然形成的，這符合絕緣材料區(qū)域性受力引發(fā)該區(qū)域絕緣材料化學(xué)鍵同時斷裂出現(xiàn)的結(jié)果。從圖8、圖9可以看出，裂隙方向沿針尖方向，呈扁平狀。實(shí)驗(yàn)施加電壓后，施加電場是關(guān)于針對稱分布的，由于電場畸變影響，針尖處的電場強(qiáng)度最大。電場力的方向向下指向平板地電極。從裂隙的開裂方向可以看出，瞬態(tài)的脈沖電場力會造成裂隙從針尖附近開始發(fā)展，樣品中有很多裂隙是從針尖附近開始發(fā)展的(圓心指向針尖)；但是也有樣品破壞的起始點(diǎn)不在針尖附近(圓心未指向針尖)，如圖10所示(標(biāo)出裂隙邊緣形成的輪廓線)。所以推測導(dǎo)致有機(jī)玻璃裂隙產(chǎn)生的破壞力還有其他來源。

圖10 有機(jī)玻璃中電樹枝的扇形結(jié)構(gòu)邊緣輪廓Fig.10 Edge of sector structure of electrical trees in PMMA electrode system

電樹枝通道發(fā)展的過程中除了有機(jī)玻璃分子鏈的斷裂外，還有有機(jī)玻璃在放電下的裂解和燒蝕，釋放出小分子氣體。電樹枝引發(fā)后，先是生長出樹枝形電樹，隨著電樹枝的發(fā)展放電強(qiáng)度會增強(qiáng)，每次放電有機(jī)玻璃從固態(tài)裂解為氣態(tài)的體積隨之增大。局部放電快速釋放出大量小分子氣體，其體積會快速膨脹，產(chǎn)生一個類似爆炸(放熱性、高速性和氣體產(chǎn)物)的過程。在密封條件下，狹窄的電樹枝通道中快速膨脹的氣體沒有有效的釋放途徑，產(chǎn)生的應(yīng)力施加在電樹枝通道的側(cè)壁上。當(dāng)氣體快速膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力(與電樹枝通道側(cè)壁垂直分量)足夠大，超過有機(jī)玻璃材料的斷裂應(yīng)力，有機(jī)玻璃會出現(xiàn)瞬間開裂的現(xiàn)象，對于已經(jīng)有電樹枝腐蝕和脈沖電場力作用缺陷的點(diǎn)，電場力將更加易于產(chǎn)生破壞。在直流和交流條件下尚未見類似裂隙的相關(guān)文獻(xiàn)，所以這種應(yīng)力應(yīng)該與脈沖輸出的瞬態(tài)功率高相關(guān)，實(shí)驗(yàn)過程中測量的電流信號從幾安培到幾十安培，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻和直流。

如前述分析，認(rèn)為電樹枝中裂隙的存在說明應(yīng)力在脈沖條件下電樹枝生長中起到重要作用。應(yīng)力使絕緣材料形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，絕緣材料的結(jié)構(gòu)變化又反作用于電樹枝的生長。此作用體現(xiàn)在兩個方面：①加速了電樹枝的生長速度，一次開裂就會使電樹枝有躍進(jìn)式的生長；②控制電樹枝的生長方向和形態(tài)，將電樹枝的生長局限在裂隙間，降低了叢林形電樹枝出現(xiàn)的概率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，絕緣材料的力學(xué)特性在電樹枝生長過程中起到了重要作用。有機(jī)玻璃的脆性較高導(dǎo)致了裂隙的出現(xiàn)，韌性好一些的絕緣材料(如尼龍6)沒有發(fā)現(xiàn)裂隙[17]，只能觀察到樹枝形和叢林形兩種。

3.3 絕緣油對電樹枝生長的影響

本文的實(shí)驗(yàn)中使用絕緣油以防止沿面閃絡(luò)出現(xiàn)，但發(fā)現(xiàn)正是因?yàn)榻^緣油的存在，對有機(jī)玻璃中電樹枝的生長產(chǎn)生了極為不利的影響。考慮到在實(shí)際工作中，絕緣材料的運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜，絕緣部件可能運(yùn)行在絕緣油中，所以對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析。

圖11為有機(jī)玻璃的擊穿過程，顯示的是同一根針在擊穿過程中的6幅截圖。此擊穿過程不同于人們認(rèn)識中的電老化擊穿。一般電老化擊穿先有電樹枝的引發(fā)，再經(jīng)過一個長時間的電樹枝生長過程，待電樹枝生長到對側(cè)電極或接近對側(cè)電極時發(fā)生擊穿。實(shí)驗(yàn)中觀察到的擊穿是電樹枝剛被引發(fā)，在接下來的數(shù)十個脈沖作用下電樹枝快速生長引發(fā)擊穿，整個過程在幾秒鐘內(nèi)完成。圖11中可以看到，每一次有效的放電都能使電樹枝有肉眼可辨的生長。最后一幅圖已經(jīng)發(fā)生擊穿，電弧的強(qiáng)光導(dǎo)致圖片嚴(yán)重過曝。在上百赫茲的重復(fù)頻率下，電樹枝的生長時間非常短，可以稱之為“瞬間擊穿”。

圖11 有機(jī)玻璃的擊穿過程Fig.11 Breakdown process of PMMA

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析，證明是由于絕緣油浸入導(dǎo)致了快速“擊穿”的發(fā)生。采用導(dǎo)熱硅脂、502密封膠密封針尖和試樣的接觸點(diǎn)。由于導(dǎo)熱硅脂附著力不強(qiáng)，自身強(qiáng)度過低，密封失敗，擊穿依然發(fā)生得過快，很難抓到電樹枝生長的瞬間；采用502密封取得了一定效果，但在加壓過程中可能會有氣眼出現(xiàn)在膠體上。圖12為加壓一段時間后電樹枝已經(jīng)正常出現(xiàn)并按正常速度生長，502密封膠體上出現(xiàn)了氣眼，有氣泡不停從此密封泄漏處冒出。在電場強(qiáng)度高時，小概率情況下會將密封的502膠體崩開，發(fā)生瞬間擊穿。最后采用將針淺插入有機(jī)玻璃樣品，利用壓緊力密封解決了快速“擊穿”的問題，也說明了這一現(xiàn)象是由于變壓器油浸入引起的。

圖12 密封失效前的氣泡Fig.12 Bubble before sealing failure

變壓器油浸入對絕緣試樣破壞起到關(guān)鍵作用，主要有兩方面原因。一方面，放電發(fā)生時，碳碳鍵和碳?xì)滏I斷裂，在產(chǎn)生氫氣和烴類氣體(如甲烷、乙烷、乙烯)[18]、碳顆粒及碳?xì)渚酆衔锏耐瑫r，會有大量H、C、CH、CH2和CH3等游離基產(chǎn)生。這些游離基具有不成對電子，活性極高會在電場力的作用下分別向電極兩端運(yùn)動。被電場加速的帶電基團(tuán)沿電樹枝通道運(yùn)動，最終到達(dá)電樹枝通道的尖端撞擊在有機(jī)玻璃的分子鏈上。游離基的質(zhì)量較大，撞擊的效果遠(yuǎn)強(qiáng)于電子之類的微小粒子，造成電樹枝生長速度大幅提高。另一方面，由于絕緣油的介入，在氣液混合處產(chǎn)生的放電具有液中脈沖放電的部分特征[19]，電水錘效應(yīng)明顯。放電產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力在電樹枝通道的約束下有明確的方向性，沖擊力更加具有破壞性，導(dǎo)致電樹枝快速生長，促進(jìn)有機(jī)玻璃的瞬間擊穿。

3.4 一種抑制電樹枝生長的方法

電樹枝生長中力起到了重要的作用，要抑制電樹枝的生長可以從減小力作用的角度入手。在有機(jī)玻璃中瞬間擊穿與電樹枝通道內(nèi)液體浸入有密切關(guān)系，從這個角度考慮，如果可以及時釋放掉液中放電產(chǎn)生的壓力和氣體就可能抑制電樹枝的快速生長。

由此考慮，當(dāng)絕緣材料采用多層結(jié)構(gòu)時，層間為非密封結(jié)構(gòu)，兩層絕緣材料間的間隙層為壓力釋放和氣體擴(kuò)散提供通道，從而起到抑制電樹枝生長的作用。設(shè)計雙層有機(jī)玻璃試樣驗(yàn)證這種方法的抑制效果，電極、試樣布置如圖13所示(未密封絕緣樣品和針電極的接觸點(diǎn))。兩層有機(jī)玻璃(總厚度5mm，單層厚度2.5mm)試樣垂直疊放，置于電極之間。對試樣以同樣方法和大小施加納秒脈沖電壓，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電樹枝被引發(fā)后出現(xiàn)了與單層試樣實(shí)驗(yàn)中相同的快速生長現(xiàn)象，但電樹枝生長到兩層有機(jī)玻璃的交界處就停止了生長。上層有機(jī)玻璃電樹枝通道中的放電十分強(qiáng)烈，可以觀察到大量油、氣從兩層試樣的間隙處溢出，試樣周圍的絕緣油受到劇烈擾動。此過程中，電樹枝始終不能進(jìn)入下層有機(jī)玻璃，上層有機(jī)玻璃已破壞。實(shí)驗(yàn)后觀察下層有機(jī)玻璃，上表面可見上層有機(jī)玻璃中放電產(chǎn)生的碳化物，清理干凈后觀察其表面，發(fā)現(xiàn)下層有機(jī)玻璃沒有受到任何破壞，如圖14所示。

圖13 多層絕緣抑制電樹枝生長Fig.13 Multilayer insulation for electrical tree restraining

圖14 多層有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Experimental result of multilayer insulation

該實(shí)驗(yàn)說明多層絕緣結(jié)構(gòu)從某方面起到抑制電樹枝生長的作用，為一些絕緣問題的解決提供了思路。當(dāng)然，作為絕緣部件使用時還需要綜合考慮其整體耐壓強(qiáng)度，空間電荷等多種因素的影響。

4 結(jié)論

文章在納秒脈沖下對有機(jī)玻璃的電樹枝現(xiàn)象進(jìn)行了研究。得到如下結(jié)論：

(1) 納秒高壓脈沖作用下，應(yīng)力在有機(jī)玻璃材料的電樹枝生長過程中有著重要影響。

(2) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈沖電壓作用下有機(jī)玻璃中產(chǎn)生裂隙形電樹枝，使電樹枝的生長速度加快。

(3) 絕緣油浸入是導(dǎo)致有機(jī)玻璃的瞬間擊穿的原因。

(4) 多層絕緣結(jié)構(gòu)有利于抑制快速電樹枝生長。

[1] Liang Zhao, Jiancang Su, Jianchang Peng, et al. Design, simulation, and experiments for an improved coaxial high-voltage vacuum insulator in TPG700 for high-power microwave generation [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2014, 61(6): 1883-1889.

[2] R A Ghunem, S H Jayaram, E A Cherney. The DC inclined-plane tracking and erosion test and the role of inorganic fillers in silicone rubber for DC insulation [J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2015, 31(1): 12-21.

[3] M Refaey, J Kindersberger. Factors of influence on surface erosion of epoxy resin exposed to electrical discharges [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(3): 1198-1206.

[4] L A Dissado. Understanding electrical trees in solids: From experiment to theory [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(4): 483-497.

[5] L A Dissado, S J Dodd, J V Champion, et al. Propagation of electrical tree structures in solid polymeric insulation [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(3): 259-279.

[6] 費(fèi)益軍, 張?jiān)葡? 周遠(yuǎn)翔(Fei Yijun，Zhang Yunxiao，Zhou Yuanxiang). 硅橡膠熱老化特性及其對電纜附件運(yùn)行可靠性的影響(Thermo characteristics of Silicone rubber and its effects on operational reliability of extra-high voltage cable accessories)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2014, 33(12): 30-34.

[7] 劉剛, 張高言, 周凡(Liu Gang，Zhang Gaoyan，Zhou Fan). 基于等溫松弛法的110kV高壓電纜老化狀況評估(Aging state assessment of 110 kV high-voltage cable by isothermal relaxation method)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2014, 40(2): 497-504.

[8] D W Auckland, B R Varlow. Dependence of electrical tree inception and growth on mechanical properties [J]. IEE Proceedings A - Science, Measurement and Technology, 1991, 138(1): 51-54.

[9] H Fujita, T Nakanishi, K Yamaguchi. Acoustic emission distributions and types of electrical trees in polyester resin [J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1983, 18(5): 520-527.

[10] L A Dissado, R M Hill. The statistics of electrical tree inception [J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1990, 25(4): 660-666.

[11] Yang Xu, Pan Luo, Man Xu, et al. Investigation on insulation material morphological structure of 110 and 220 kV XLPE retired cables for reusing [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(4): 1687-1696.

[12] 陳向榮, 徐陽, 王猛, 等(Chen Xiangrong，Xu Yang，Wang Meng，et al.). 高溫下110kV交聯(lián)聚乙烯電纜電樹枝生長及局部放電特性(Propagation and partial discharge characteristics of electrical trees in 110kV XLPE cable insulation at high temperature)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2012, 38(3): 645-654.

[13] 周遠(yuǎn)翔, 張旭, 劉睿, 等(Zhou Yuanxiang，Zhang Xu，Liu Rui，et al.). 硅橡膠電樹枝通道微觀形貌研究(Study on micromorphology of electrical trees in silicon rubber)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2014, 40(1): 9-15.

[14] 周遠(yuǎn)翔, 張?jiān)葡? 張旭, 等(Zhou yuanxiang，Zhang Yunxiao，Zhang Xu，et al.). 熱老化時間對硅橡膠電樹枝起始特性的影響(Influence of thermal aging time on electrical tree initiation of silicone rubber)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2014, 40(4): 979-986.

[15] 任浩, 王玨, 嚴(yán)萍(Ren Hao，Wang Jue，Yan Ping). 重頻納秒脈沖下有機(jī)玻璃電樹枝老化特性的實(shí)驗(yàn)研究(Study on electrical tree in PMMA under repetitive nanosecond pulses)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2008, 27(4): 32-35, 67.

[16] 張偉, 王玨, 張東東, 等(Zhang Wei，Wang Jue，Zhang Dongdong，et al.). 納秒脈沖下聚合物電樹枝引發(fā)實(shí)驗(yàn)方法(Experimental method of electrical tree initiation in polymer under high voltage nanosecond pulses)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束(High Power Laser and Particle Beams), 2011, 23(4): 1117-1122.

[17] 王濤, 王玨, 嚴(yán)萍, 等(Wang Tao，Wang Jue，Yan Ping，et al.). 納秒脈沖下溫度、頻率對尼龍6電老化的影響(Temperature and frequency influence on electrical tree aging of Nylon 6 under nanosecond pulses)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2015, 41(4): 1334-1341.

[18] 李川, 王時龍, 張賢明, 等(Li Chuan，Wang Shilong，Zhang Xianming，et al.). 變壓器油在真空凈化過程中裂解的研究(Study on transformer oil cleavage in vacuum purification)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering), 2006, 32(3): 34-36.

[19] 章志成(Zhang Zhicheng). 高壓脈沖放電破碎巖石及鉆井裝備研制(Rock fragmentation by pulsed high voltage discharge and drilling equipment development)[D]. 杭州: 浙江大學(xué)(Hangzhou：Zhejiang University), 2013.

Research of electrical treeing characteristics in PMMA under nanosecond pulses

WANG Tao1,2,3, WANG Jue1,2, YAN Ping1,2

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A phenomenon that the insulation oil causes the acceleration of the electrical tree growth in Polymethylmethacrylate (PMMA) under nanosecond pulses was introduced in this paper. A solid-state pulse generator MPC50D was used as source supply to output nanosecond pulses, the rise time of which is 30ns and the full width at half maximum of which is 70ns. The size of the sample was 120mm×5mm×2.5mm. Under 20℃～ 25℃, the repetition frequency was set to 100Hz, and the voltage is increased at 2kV every 2 minutes until the electrical tree was incepted. The sector structure of the electrical tree was observed. This phenomenon was regarded as the effects of forces. The experimental results showed that the growing speed of electrical tree was very fast. From the inception of electrical tree to the breakdown, only several seconds was elapsed. Tree sealing methods were used to demonstrate that the reason of the acceleration phenomenon in electrical tree growth was insulation oil. The mechanism of this phenomenon was discussed and a method to prevent the growth of the electrical tree was proposed.

PMMA; electrical tree aging; nanosecond pulse; electrical tree restraining

2016-08-31

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項(xiàng)目(2014CB239502-2)、 清華大學(xué)“電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”開放研究課題基金項(xiàng)目(SKLD12KM01)

王 濤(1975-), 男, 河北籍, 博士研究生, 從事高電壓絕緣技術(shù)與放電等離子體研究； 王 玨(1972-), 男, 浙江籍， 副研究員， 碩導(dǎo)， 從事高電壓絕緣技術(shù)與放電等離子體研究(通訊作者)。

TM851；TM211

A

1003-3076(2017)06-0062-07