針尖曲率半徑對(duì)XLPE電樹枝生長及局部放電特性的影響

張宗衡，鄭書生，吳詩優(yōu)

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

電樹枝是電介質(zhì)材料中常見的現(xiàn)象，在高壓設(shè)備中廣泛存在，尤其在交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜中，電樹枝是導(dǎo)致電纜擊穿的主要原因之一[1-2]。即使現(xiàn)在的電纜制作工藝已經(jīng)有了很大提高，但電纜在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過程中難以避免引入微小的缺陷，如尖刺、氣隙等，會(huì)導(dǎo)致電纜局部場強(qiáng)集中，長期發(fā)展可能會(huì)出現(xiàn)電樹枝[3]，并最終導(dǎo)致電纜擊穿。

國內(nèi)外學(xué)者在電樹枝的引發(fā)機(jī)理、生長以及檢測等方面開展了大量研究[4-7]。廖瑞金等[8]研究了XLPE中電樹枝的生長與局部放電的關(guān)系，結(jié)果表明，電樹枝的生長速率與局部放電的劇烈程度具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，在電樹枝生長的初期局部放電較微弱。周遠(yuǎn)翔等[9]研究了機(jī)械應(yīng)力對(duì)硅橡膠電樹枝起始性能的影響，結(jié)果表明，隨著外施壓力的增加，電樹枝的起樹電壓單調(diào)下降，出現(xiàn)單枝狀電樹枝的概率增大，出現(xiàn)密集形態(tài)電樹枝（松枝狀和叢狀）的概率減小。局部放電檢測作為電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要手段之一，是XLPE電纜中缺陷檢測的常用方法。

在實(shí)際運(yùn)行中，電力設(shè)備通常面對(duì)較復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，如不同的溫度、電壓幅值波動(dòng)、電壓類型差異等，在不同工況下電樹枝特性具有顯著差別。聶瓊等[10]研究了電壓頻率對(duì)電樹枝的影響，結(jié)果表明，頻率高時(shí)電樹枝大概率發(fā)展為“叢狀”，頻率低時(shí)電樹枝大概率發(fā)展為“枝狀”?，F(xiàn)有的研究未關(guān)注針尖曲率半徑對(duì)XLPE電樹枝生長及局部放電特性的影響，在實(shí)際運(yùn)行的電纜中，不同電纜缺陷會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生不同程度的影響，因此開展不同針尖曲率半徑對(duì)XLPE電樹枝和局部放電的影響具有實(shí)際意義。

本文制作針-板XLPE模型，搭建XLPE電樹枝局部放電老化平臺(tái)，研究不同針尖曲率半徑對(duì)XLPE電樹枝形貌、局部放電的影響，對(duì)比不同曲率半徑試樣的電樹枝形貌和局部放電差異。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

本文使用的試樣由青島華電電纜公司制作，使用制作110 kV XLPE電纜的工藝，提前制作好模具和高低壓電極，將北歐化工生產(chǎn)的110 kV XLPE顆粒和高壓電極放入模具中，將XLPE顆粒加熱至110℃并保持15 min，使得XLPE顆粒充分熔融；逐級(jí)增大硫化機(jī)壓強(qiáng)，分別在5、10、15 MPa下保持3 min，以達(dá)到逐漸排除XLPE中氣泡的目的；將壓力降為0 MPa，并將硫化溫度設(shè)為170℃，達(dá)到該溫度后繼續(xù)采用逐級(jí)加壓方式分別在5 MPa和10 MPa保持3 min，最后將壓力調(diào)為15 MPa，保持30 min，使XLPE充分交聯(lián)，最后將溫度和氣壓降至常溫常壓，將其切割成圖1(a)中的尺寸大小，使用銅粉導(dǎo)電膠將地電極與試樣粘連。為了避免試樣在接線、實(shí)驗(yàn)過程中因?yàn)橥饨绲臋C(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致針尖處出現(xiàn)裂紋，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過在金屬電極上預(yù)留兩個(gè)直徑為4 mm的小孔，使用模具將XLPE顆粒擠壓成形，將XLPE層和上端金屬進(jìn)行固定，以此保證鋼針不受搖動(dòng)，形成“一體化”的模型，如圖1(b)所示。其中針-板距離為3 mm，針尖曲率半徑為10μm，角度為30°，鋼針直徑為0.6 mm，XLPE厚度為4 mm。

圖1 針-板XLPE一體化模型Fig.1 Needle-plate XLPE integrated model

1.2 檢測系統(tǒng)

使用顯微鏡實(shí)時(shí)觀察電樹枝的光學(xué)圖像，設(shè)置每隔2 s自動(dòng)拍照，檢測和加壓系統(tǒng)如圖2所示。施加的電壓為50 Hz交流電，檢測阻抗連接在耦合電容的下端，兩者與試樣并聯(lián)。局放儀型號(hào)為LDS-6，德國凱塞爾斯多夫德布爾萊姆克股份有限公司，檢測靈敏度為0.1 pC。為了避免外界電磁信號(hào)的干擾，實(shí)驗(yàn)在專業(yè)屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)過對(duì)干擾源的排除，噪聲信號(hào)水平為0.5 pC以下，后文的局放數(shù)據(jù)均對(duì)噪聲進(jìn)行了濾除。為了避免試樣發(fā)生沿面閃絡(luò)，將試樣放在二甲基硅油中，同時(shí)避免電暈放電對(duì)局放檢測造成影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)回路Fig.2 Experimental circuit

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

電荷的注入-抽出理論是目前提出的電樹枝產(chǎn)生機(jī)理之一。載流子從金屬電極克服勢壘注入XLPE中對(duì)分子鏈進(jìn)行撞擊，在升壓過程中，載流子被加速撞擊材料，產(chǎn)生電樹枝的概率變大，因此本實(shí)驗(yàn)中加壓過程采用緩慢升壓。由于起樹電壓的大小直接受針尖曲率半徑的影響[9]，為了減小電壓對(duì)電樹枝發(fā)展的影響，針尖的曲率半徑不宜太小或太大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選用曲率半徑為10μm和20 μm的試樣進(jìn)行比較，當(dāng)外加電壓較高時(shí)，電樹枝的生長與局部放電特性一致，當(dāng)外加電壓較低時(shí)，電樹枝的生長與局部放電特性不一致[11]。因此，需要觀察恒壓下電樹枝的生長與局部放電的關(guān)系。對(duì)比曲率半徑為10μm和20μm的試樣在起樹電壓下，保持恒壓并觀察電樹枝形貌和局部放電的差異：每次升壓0.5 kV，在電壓較低時(shí)每個(gè)電壓下保持5 min，達(dá)到5 kV后每個(gè)電壓下至少保持20 min。達(dá)到起樹電壓后保持恒壓，長時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察直至模型擊穿。

2 結(jié)果與分析

2.1 小曲率半徑對(duì)電樹枝生長和局部放電的影響

為了避免單次實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性誤差，選用同批次試樣進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到10個(gè)針尖曲率半徑為10 μm試樣的起樹電壓平均值為11 kV。保持在起樹電壓下，長時(shí)間對(duì)電樹枝進(jìn)行觀察直至擊穿，得到擊穿時(shí)間約為380 min，顯微鏡觀察的圖像如圖3所示。從圖3可以看出，電樹枝的形狀為“枝狀”，在此電壓下電樹枝剛開始發(fā)展的速率較慢。在產(chǎn)生電樹枝后的30 min內(nèi)生長速率變快，但電樹通體顏色較淺。隨著加壓時(shí)間的延長，分支逐漸增多，顏色逐漸加深。超過120 min后電樹枝的生長速率極為緩慢，并且發(fā)現(xiàn)在電樹枝的主干上生長出“藤狀”的細(xì)枝。電樹枝通道并不是只沿著金屬針的方向延伸，而是會(huì)出現(xiàn)許多分支向周圍發(fā)散（圖3(e)），原因可能是電樹枝通道內(nèi)部由于溫度的升高，導(dǎo)致氣體膨脹使電樹枝向周圍無規(guī)律發(fā)散[12-13]。加壓360 min后已經(jīng)有部分電樹枝長出視野之外，此時(shí)臨近擊穿（圖3(f)）。

圖3 枝狀電樹枝形貌Fig.3 The morphology of branch electrical tree

在電樹枝發(fā)展過程中檢測局部放電，每次累計(jì)采集局部放電的時(shí)間為1 min。圖4分別為產(chǎn)生電樹枝后1（起始）、30、60、360 min的局部放電相位圖（phase resolved partial discharge，PRPD）。從圖4可以看出，在起始階段局放量最大約為78 pC，正、負(fù)半周的形狀有一定的差異，負(fù)半周的點(diǎn)更加集中，放電量主要集中在40 pC以下，放電相位主要集中在0°～85°和160°～245°，負(fù)半周的放電相位比正半周稍大。加壓30 min和60 min后最大放電量約為380 pC，放電量主要集中在150 pC以下，放電相位主要集中在0°～125°和160°～245°，正半周的最大放電量明顯大于負(fù)半周，正半周放電相位有所增大，且正、負(fù)半周的放電形狀具有很大差異，正半周的放電形狀表現(xiàn)為“三角形”，負(fù)半周的放電形狀表現(xiàn)為“翼形”。三角形和翼形主要是PRPD圖形態(tài)的區(qū)別，三角形的放電分布相位相比于翼形更大，翼形的點(diǎn)分布更加集中，但兩者的最大放電量接近。加壓360 min后放電量增大很多，最大放電量約為840 pC，放電量主要集中在256 pC以下，正、負(fù)半周的點(diǎn)都更加密集，并且放電相位變化不大。由PRPD圖的形態(tài)判斷，放電的類型主要為氣隙放電和尖刺放電。隨著加壓時(shí)間的延長，電樹枝劣化的體積增大，內(nèi)部的氣體體積增大，氣體放電更加劇烈，放電量、放電重復(fù)率均增大。

圖4 枝狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.4 The PRPD diagram of partial discharge for branch electrical tree

2.2 大曲率半徑對(duì)電樹枝生長和局部放電的影響

使用針尖曲率半徑為20μm的試樣開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過逐級(jí)升壓，得到10個(gè)試樣的平均起樹電壓為15.5 kV。電樹枝發(fā)展的形貌如圖5所示。從圖5可以看出，電樹枝的形狀為“叢狀”，生長速率比枝狀電樹枝更慢，從起始至擊穿的總時(shí)間為585 min。叢狀電樹枝的顏色更深，尤其是在針尖附近顏色最深。在起樹后的30 min內(nèi)電樹枝生長速率最快，隨后生長速率變慢，細(xì)微的分支向外圍擴(kuò)展然后逐漸變黑。圖6為起樹后540 min時(shí)的電樹枝形貌。由圖6可以看出，在最外圍有許多的細(xì)支，向地電極方向生長的細(xì)枝更長，繼續(xù)加壓最后延伸至地電極發(fā)生擊穿。

圖5 叢狀電樹枝形貌Fig.5 The morphology of bush electrical tree

圖6 540 min后叢狀電樹枝形貌Fig.6 The morphology of bush electrical tree after 540 min

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在加壓的后期，電樹枝的生長速率加快，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程電樹枝的生長速率表現(xiàn)為：快-慢-快，在中期呈現(xiàn)出“停滯”的現(xiàn)象。主要原因是受場強(qiáng)大小的影響，在起始階段針尖附近的場強(qiáng)大，在中期電樹枝的導(dǎo)電性較差，電樹枝尖端場強(qiáng)較小，隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強(qiáng)，導(dǎo)致場強(qiáng)增大。

圖7分別為產(chǎn)生電樹枝后1（起始）、30、60、360 min的PRPD圖。從圖7可以看出，在起始階段放電量最大為200 pC，與枝狀電樹枝相比有一定的增大，正、負(fù)半周的形狀較為接近，放電相位主要集中在0°～90°和165°～245°，放電量主要集中在80 pC以下。加壓30 min最大放電量約為346 pC，放電相位主要集中在0°～75°和160°～230°。加壓60 min后最大放電量約為450 pC，放電相位主要集中在0°～75°和160°～245°。加壓360 min后放電量最大約為832 pC，小于枝狀電樹枝，且放電量大的點(diǎn)較稀疏，放電量主要集中在316 pC以下，放電相位主要集中在0°～65°和165°～235°。

加壓540 min后的PRPD圖如圖8所示，可以看出，最大放電量約為997 pC，放電量主要集中在280 pC以下，放電相位主要集中在0°～50°和160°～235°。此外，從圖7、圖8中可以看出，叢狀電樹枝的PRPD圖正、負(fù)半周均類似于“翼形”，主要原因是電樹枝內(nèi)的局部放電主要為氣隙放電、尖刺放電，而叢狀電樹枝內(nèi)的氣隙體積更大，氣隙放電的特征更加明顯。

圖7 叢狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.7 The PRPD diagram of partial discharge for bush electrical tree

圖8 540min后叢狀電樹枝局部放電PRPD圖Fig.8 The PRPD diagram of partial discharge for bush electrical tree after 540 min

2.3 不同曲率半徑電樹枝生長速率和放電量的對(duì)比分析

不同曲率半徑電樹枝最終形貌概率統(tǒng)計(jì)如圖9所示。從圖9可以看出，針尖曲率半徑為10μm的試樣有80%的概率最終形貌發(fā)展為枝狀電樹枝，針尖曲率半徑為20μm的試樣有70%的概率最終形貌發(fā)展為叢狀電樹枝。起樹電壓的大小受曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。使用枝狀電樹枝和叢狀電樹枝分別表示針尖曲率半徑為10μm和20μm所產(chǎn)生的電樹枝。定義電樹枝長度為沿針尖方向發(fā)展的最大長度，圖10為枝狀電樹枝和叢狀電樹枝的加壓時(shí)間-電樹枝長度圖。從圖10中可以看出，兩種電樹枝均在前60 min內(nèi)生長較快，且枝狀電樹枝生長速率遠(yuǎn)大于叢狀電樹枝。加壓時(shí)間為60～300 min時(shí)，兩種電樹枝生長速率變慢，枝狀電樹枝生長速率遠(yuǎn)大于叢狀電樹枝，主要原因是在電荷積聚下兩種電樹枝放電通道加粗，電樹枝形貌表現(xiàn)為加黑，小曲率半徑針尖場強(qiáng)更大，電荷積聚更密，所以生長速率較快。加壓時(shí)間為300～380 min時(shí)，枝狀電樹枝快速生長，直至擊穿；叢狀電樹枝繼續(xù)生長。加壓時(shí)間為380～585 min時(shí)，叢狀電樹枝生長速率變快，隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強(qiáng)，導(dǎo)致場強(qiáng)增大?？傮w來看，兩種電樹枝的生長速率均表現(xiàn)為“快-慢-快”，且枝狀電樹枝的生長速率遠(yuǎn)大于叢狀電樹枝。說明在實(shí)際電纜中枝狀電樹枝的危害更大。

圖9 不同曲率半徑對(duì)電樹枝最終形貌的影響Fig.9 Effect of different curvature radius on the final development morphology of electrical tree

圖10 電樹枝生長速率對(duì)比圖Fig.10 Comparison of growth rates of electrical tree

圖11、圖12分別為枝狀電樹枝和叢狀電樹枝的平均放電量-加壓時(shí)間和最大放電量-加壓時(shí)間圖。從圖11～12可以看出，加壓時(shí)間為0～30 min時(shí)，兩種電樹枝的平均放電量和最大放電量均呈增大趨勢，叢狀電樹枝的平均放電量小于枝狀電樹枝的平均放電量，最大放電量反而大于枝狀電樹枝。加壓時(shí)間為60～300 min時(shí)，兩種電樹枝的平均放電量均呈增大趨勢，而最大放電量呈“增大-減小-增大”的趨勢。加壓時(shí)間為380～540 min時(shí)，枝狀電樹枝已擊穿，叢狀電樹枝的平均放電量和最大放電量均呈“減小-增大”的趨勢。從危害來說，針尖曲率半徑小的電樹枝缺陷因其擊穿時(shí)間更短而危害更大。

圖11 電樹枝平均放電量對(duì)比圖Fig.11 Comparsion on average discharge of electrical tree

圖12 電樹枝最大放電量對(duì)比圖Fig.12 Comparison on maximum discharge of electrical tree

2.4 電場強(qiáng)度的對(duì)比分析

采用商用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)場強(qiáng)的分布進(jìn)行仿真，得到交流電壓峰值下針尖曲率半徑為10μm和20μm時(shí)試樣的場強(qiáng)分布，如圖13所示。從圖13(a)可以看出，施加電壓有效值為11 kV時(shí)的最大場強(qiáng)為58.1 kV/mm；從圖13(b)可以看出，施加電壓有效值為15.5 kV時(shí)的最大場強(qiáng)為50.6 kV/mm。仿真的結(jié)果只能作為參考，與實(shí)際存在一定的偏差，試樣在制造過程中由于各種因素的影響，規(guī)格并不是完全標(biāo)準(zhǔn)。雖然不同曲率半徑下施加的電壓是不同的，但最大電場強(qiáng)度的大小是比較接近的。針尖曲率半徑大的試樣在針尖處高場強(qiáng)區(qū)域的面積大（如圖13(b)圓圈部分），電荷注入-抽出造成劣化的區(qū)域更大，因此更大概率發(fā)展為叢狀電樹枝。在交流電壓下，電荷積聚效應(yīng)不明顯，空間電荷對(duì)場強(qiáng)的影響較小[14]，因此電荷的注入-抽出效應(yīng)比直流電壓下更顯著。

圖13 不同針尖曲率半徑試樣的電場強(qiáng)度分布圖Fig.13 The electric field intentsity distribution diagram of samples with different tip curvature radius

3 討論

交流電壓下載流子的注入-抽出是產(chǎn)生電樹枝的主要原因之一，絕緣材料的分子鏈不斷受到載流子的撞擊造成斷裂，斷裂不斷累積形成了微孔。由于局部放電等因素產(chǎn)生了低密度區(qū)，低密度區(qū)內(nèi)有大量的“熱電子”。電場強(qiáng)度的大小決定了載流子所受電場力的大小，從而影響對(duì)材料的破壞程度。電樹枝在起始期發(fā)展迅速，當(dāng)發(fā)展到一定長度后電樹枝前端電子能量不足，沿電場方向生長逐漸減慢。隨著電樹枝向地電極靠近，電樹枝的顏色逐漸變深，導(dǎo)電性加強(qiáng)，導(dǎo)致場強(qiáng)增大，此時(shí)電樹枝生長速率變快。由此可以解釋兩種電樹枝生長均呈“快-慢-快”的趨勢。

起樹電壓的大小受針尖曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。在針尖附近最大場強(qiáng)相同的前提下，曲率半徑大的試樣在針尖附近高場強(qiáng)的區(qū)域大，載流子的轟擊作用更強(qiáng)，對(duì)材料的破壞面積更大，因此更大概率發(fā)展為叢狀電樹枝。由于叢狀電樹枝比較密集，以及各電樹枝尖端電場的互相屏蔽作用和介質(zhì)中空間電荷的屏蔽作用，叢狀電樹枝總的生長速率會(huì)比枝狀電樹枝慢[16]。

不同形態(tài)電樹枝產(chǎn)生的局部放電形態(tài)差異的主要原因可以歸結(jié)為電樹枝通道體積的大小以及場強(qiáng)大小。叢狀電樹枝通道內(nèi)劣化的體積更大，通道內(nèi)氣體的含量更多，氣體放電更加劇烈。此外，不同形狀的電樹枝導(dǎo)致的場強(qiáng)變化也存在差異，叢狀電樹枝對(duì)場強(qiáng)具有一定的勻化作用，場強(qiáng)大小的不同也會(huì)導(dǎo)致放電形態(tài)存在差異。

場強(qiáng)是電樹枝產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因素之一，據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)論，金屬和絕緣材料之間電荷的注入效應(yīng)存在閾值場強(qiáng)[17]。不同針尖曲率半徑電樹枝引發(fā)時(shí)的最大場強(qiáng)相近的原因可能是受閾值場強(qiáng)的影響，在電樹枝的仿真中也是通過與閾值場強(qiáng)進(jìn)行比較來判斷電樹枝是否產(chǎn)生。由此可以解釋曲率半徑不同的試樣起樹時(shí)的最大場強(qiáng)較為接近。

4 結(jié)論

（1）起樹電壓的大小受針尖曲率半徑的影響，起樹電壓隨著曲率半徑的增大而升高。針尖曲率半徑小的試樣在起樹電壓下大概率最終發(fā)展為枝狀電樹枝，曲率半徑大的試樣在起樹電壓下則大概率最終發(fā)展為叢狀電樹枝。保持在起樹電壓下，枝狀電樹枝在30 min內(nèi)生長較快，叢狀電樹枝則生長較慢，兩種電樹枝生長速率均表現(xiàn)為“快-慢-快”的特點(diǎn)。枝狀電樹枝總的生長速率比叢狀電樹枝的生長速率更快，在實(shí)際電纜中枝狀電樹枝的危害更大。

（2）叢狀電樹枝總的放電量大于枝狀電樹枝，兩者同一時(shí)期的PRPD圖形狀上存在一定的差異。枝狀電樹枝正半周的放電形狀表現(xiàn)為“三角形”，負(fù)半周形狀表現(xiàn)為“翼形”，而叢狀電樹枝的PRPD圖正、負(fù)半周均類似于“翼形”。枝狀電樹枝的平均放電量表現(xiàn)為持續(xù)增大，而叢狀電樹枝表現(xiàn)為“增大-減小-增大”。枝狀電樹枝的最大放電量表現(xiàn)為“增大-減小-增大”，叢狀電樹枝最大放電量則表現(xiàn)為“增大-減小-增大-減小-增大”趨勢，并存在明顯的放電停滯現(xiàn)象。