高溫下電壓穩(wěn)定劑對(duì)交聯(lián)聚乙烯電樹(shù)枝化及局部放電特性的影響

陳向榮 洪澤林 朱光宇 孟繁博 石逸雯

高溫下電壓穩(wěn)定劑對(duì)交聯(lián)聚乙烯電樹(shù)枝化及局部放電特性的影響

陳向榮1,2,3,4洪澤林1,2朱光宇1,2孟繁博1,2石逸雯1,2

（1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027 2. 浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心 杭州 311200 3. 浙江省寬禁帶功率半導(dǎo)體材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心） 杭州 311200 4. 浙江大學(xué)先進(jìn)電氣國(guó)際研究中心 海寧 314400）

為了研究高溫環(huán)境下電壓穩(wěn)定劑對(duì)交聯(lián)聚乙烯電樹(shù)枝化及局部放電特性的影響，該文制備了含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的電壓穩(wěn)定劑的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）共混試樣，通過(guò)設(shè)計(jì)的高溫環(huán)境下電樹(shù)枝實(shí)時(shí)觀(guān)察與局部放電同步測(cè)量系統(tǒng)，研究不同試樣在30℃、50℃和70℃下電樹(shù)枝的引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電特性。結(jié)果表明，試樣在高溫下引發(fā)的電樹(shù)枝呈現(xiàn)典型的枝狀結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，試樣起樹(shù)電壓降低，電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度加快，分枝數(shù)量減少，局部放電量和放電重復(fù)率顯著增大。電壓穩(wěn)定劑的添加對(duì)電樹(shù)枝的引發(fā)、生長(zhǎng)和局部放電有明顯的抑制作用。利用陷阱理論和量子化學(xué)計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)電壓穩(wěn)定劑的加入使得試樣內(nèi)部陷阱能級(jí)降低，陷阱密度增加，因其特有的量子化學(xué)特性，高能電子緩沖能力增強(qiáng)，空間電荷積累減少，從而使得交聯(lián)聚乙烯材料的耐電性能得到提升。

交聯(lián)聚乙烯 電壓穩(wěn)定劑 電樹(shù)枝 局部放電 高溫

0 引言

電力電纜線(xiàn)路由于節(jié)約土地資源、美化城市環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)城市化迅猛發(fā)展的背景下得到了大力發(fā)展[1-2]。交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）憑借其優(yōu)異的電氣、機(jī)械和熱穩(wěn)定性能已經(jīng)成為最主要的電纜用絕緣材料。目前，高壓交流XLPE電纜的最高投運(yùn)電壓等級(jí)為500kV[3]，高壓直流XLPE電纜的電壓等級(jí)為±640kV[4]。隨著輸送容量的逐步增大，進(jìn)一步提高XLPE電纜絕緣材料的耐電性能，已成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)高壓輸電工程持續(xù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

提高XLPE耐電性能的途徑主要包括三個(gè)方面：提升XLPE基料的純度、添加無(wú)機(jī)納米材料和添加電壓穩(wěn)定劑等。目前XLPE基料已經(jīng)達(dá)到超純凈度，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝來(lái)提高純凈度，從經(jīng)濟(jì)角度和工業(yè)技術(shù)角度都難以實(shí)現(xiàn)。納米材料則因其顆粒的均勻分散和顆粒堵塞過(guò)濾網(wǎng)等問(wèn)題，極大地限制了納米復(fù)合電纜材料的工程應(yīng)用[5-6]。近年來(lái)，不同種類(lèi)電壓穩(wěn)定劑等有機(jī)添加劑的提出和發(fā)展，為提高電纜絕緣材料的耐電性能提供了一種可行的研究路徑[7]。通過(guò)選取合適的電壓穩(wěn)定劑添加到電纜絕緣材料中，可以提升絕緣材料擊穿強(qiáng)度、電導(dǎo)率和空間電荷特性等方面的電氣性能，抑制電樹(shù)枝的引發(fā)。李春陽(yáng)等將芳香酮化合物接枝到XLPE材料上，結(jié)合其優(yōu)異的量子化學(xué)特性，有效提升了XLPE在不同溫度下的直流擊穿強(qiáng)度[8]。A. M. Pourrahimi等通過(guò)在低密度聚乙烯中加入極低含量的聚-3己基噻吩（P3HT），發(fā)現(xiàn)材料的電導(dǎo)率降低為原來(lái)的1/3，具有迄今為止最好的低添加劑含量下的電導(dǎo)率降低效果[9]。M. Jarvid等探討了烷基側(cè)鏈的長(zhǎng)度對(duì)不同苯偶酰型電壓穩(wěn)定劑的電樹(shù)枝抑制效率的影響，發(fā)現(xiàn)最短的側(cè)鏈具有最強(qiáng)的電樹(shù)枝抑制效果[10]。通過(guò)在XLPE中添加不同種類(lèi)的芳香族化合物，發(fā)現(xiàn)具有高電子親和力的電壓穩(wěn)定劑能夠較好地抑制空間電荷的注入[11-12]，同時(shí)抑制電樹(shù)枝的引發(fā)[13]。

然而，目前對(duì)于工況環(huán)境（高溫）下電壓穩(wěn)定劑對(duì)XLPE中電樹(shù)枝的引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電的作用研究還較少。XLPE電纜絕緣中電樹(shù)枝化及其局部放電是影響電纜可靠運(yùn)行的重要因素[14-15]，在XLPE電纜絕緣電樹(shù)枝化過(guò)程中，局部放電伴隨著電樹(shù)枝的全部發(fā)展過(guò)程[16]。因此，為了研究高溫下電壓穩(wěn)定劑對(duì)XLPE中電樹(shù)枝的引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電特性的影響，本文采用溶液法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的電壓穩(wěn)定劑加入XLPE中，制備了XLPE/電壓穩(wěn)定劑共混材料，并利用熱壓法制備出XLPE和XLPE/電壓穩(wěn)定劑共混物兩種材料的針-板電極試樣，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的高溫下電樹(shù)枝實(shí)時(shí)觀(guān)察和局部放電同步測(cè)量系統(tǒng)，研究了試樣在30℃、50℃和70℃環(huán)境下電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)特性及電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程中的局部放電特性。通過(guò)表面電位衰減測(cè)試曲線(xiàn)，計(jì)算了XLPE和XLPE/電壓穩(wěn)定劑共混物內(nèi)部的陷阱分布特性，分析了電樹(shù)枝引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電特性與材料內(nèi)部陷阱特性的關(guān)系。結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算，分析了電壓穩(wěn)定劑改善XLPE材料耐電性能的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

XLPE材料采用浙江萬(wàn)馬高分子材料集團(tuán)有限公司提供的商用220kV XLPE顆粒，電壓穩(wěn)定劑為間氨基苯甲酸，由上海阿拉丁生物化學(xué)技術(shù)有限公司（中國(guó)）提供。XLPE/電壓穩(wěn)定劑共混物通過(guò)溶液法制備：①將XLPE顆粒浸沒(méi)入液氮中進(jìn)行冷脆處理，隨后放入超離心粉碎儀ZM 200（德國(guó)萊馳）中充分研磨，得到徑粒大小小于500μm的XLPE粉末；②稱(chēng)取1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的間氨基苯甲酸，溶于20mL丙酮溶劑中，超聲處理5min使其充分溶解；③將50g XLPE粉末及上述得到的溶液加入圓底燒瓶中，繼續(xù)加入丙酮溶劑直至粉末被完全浸沒(méi)，將所得的固液混合物在室溫條件下磁力攪拌2h，使含有間氨基苯甲酸的丙酮溶液充分涂覆在XLPE粉末表面；④在60℃真空環(huán)境下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除丙酮溶劑，將剩余的固體粉末在70 ℃的真空烘箱中干燥12h，得到含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的電壓穩(wěn)定劑的共混物粉末。

圖1 針-板電極試樣

1.2 電樹(shù)枝-局部放電測(cè)試系統(tǒng)

電樹(shù)枝-局部放電測(cè)試系統(tǒng)的連接線(xiàn)路如圖2所示，該系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)觀(guān)察電樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程及其局部放電檢測(cè)。高壓電源由調(diào)壓器T1（220V）和工頻變壓器T2（1: 1 000，最高輸出電壓100kV）組成，1和2構(gòu)成1 000:1的電容分壓器，耦合電容C（1 000pF）用于耦合試樣局部放電測(cè)試過(guò)程的脈沖電流信號(hào)，0（10kΩ）為保護(hù)電阻，為連接MPD600局部放電測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)阻抗，連接線(xiàn)路符合IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 電樹(shù)枝-局部放電測(cè)試系統(tǒng)

圖3為電樹(shù)枝實(shí)時(shí)觀(guān)察與溫控系統(tǒng)示意圖，用于實(shí)時(shí)采集電樹(shù)枝圖像及控制溫度。為了防止試樣表面發(fā)生沿面閃絡(luò)，測(cè)試時(shí)將試樣浸沒(méi)在含有硅油的容器中。高溫環(huán)境由高溫循環(huán)器通過(guò)在橡膠管內(nèi)循環(huán)熱硅油，向容器內(nèi)的硅油傳輸熱量獲得。為了保持試樣環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，設(shè)置適宜的高溫循環(huán)器溫度，等待容器內(nèi)的硅油被加熱到實(shí)驗(yàn)所需溫度，且溫度計(jì)示數(shù)在1h內(nèi)保持不變，然后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定試樣環(huán)境溫度分別為30℃、50℃和70℃。

圖3 電樹(shù)枝實(shí)時(shí)觀(guān)察與溫控系統(tǒng)

加壓前，首先對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)，以消除背景噪聲的影響。隨后，以有效值50V/s的升壓速度對(duì)試樣加壓，升至工頻電壓有效值為8kV時(shí)停止加壓。升壓過(guò)程中伴隨著試樣的起樹(shù)過(guò)程，結(jié)合局部放電檢測(cè)系統(tǒng)和顯微鏡實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，判定當(dāng)局部放電大于20pC且能看到10μm以上電樹(shù)枝時(shí)，該時(shí)刻的電壓即為試樣的起樹(shù)電壓。停止加壓后維持8kV電壓不變，進(jìn)行電樹(shù)枝生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。30℃環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)間為16min，每隔4min對(duì)電樹(shù)枝的長(zhǎng)度進(jìn)行一次測(cè)量；50℃環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)間為6min，每隔3min對(duì)電樹(shù)枝的長(zhǎng)度進(jìn)行一次測(cè)量；70℃環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)間為2min，隨后對(duì)電樹(shù)枝的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。定義電樹(shù)枝平行于針尖方向的最大距離為電樹(shù)枝長(zhǎng)度。不同溫度條件下每種試樣至少測(cè)試10個(gè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試試樣共計(jì)80余個(gè)。

1.3 表面電位衰減測(cè)試系統(tǒng)

式中，ATE為逃逸頻率，ATE=(B)3/(32)，為電子振動(dòng)頻率，取1012；為普朗克常數(shù)；為電子躍遷的方向數(shù)，取6；B為玻耳茲曼常數(shù)；為絕對(duì)溫度；0為真空介電常數(shù)；r為相對(duì)介電常數(shù)；為試樣表面電位；為試樣厚度；為元電荷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 空間電荷

采用雙參數(shù)威布爾分布曲線(xiàn)對(duì)試樣的起樹(shù)電壓進(jìn)行分析[17]，XLPE與XLPE-B在30℃、50℃和70℃下的電樹(shù)枝起始電壓分布和起始電壓概率威布爾分布圖如圖4所示。其中為標(biāo)度參數(shù)，代表起樹(shù)概率為63.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓；為形狀參數(shù)，代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，該參數(shù)越大則分散性越小。

由圖4可知，XLPE在30℃下的起樹(shù)電壓為6.99kV，隨著溫度的上升，起樹(shù)電壓有所下降。50℃時(shí)降至6.50kV，70℃時(shí)降至6.00kV。XLPE-B在30℃下的起樹(shù)電壓為7.43kV，50℃時(shí)降至6.84kV，70℃時(shí)降至6.56kV。對(duì)比分析兩種試樣可知，XLPE-B在不同溫度下的起樹(shù)電壓均高于XLPE，30℃時(shí)同比提高了6.3%，50℃時(shí)提高了5.2%，70℃時(shí)提高了9.3%，說(shuō)明加入電壓穩(wěn)定劑對(duì)于電樹(shù)枝的引發(fā)具有一定的抑制作用。

XLPE與XLPE-B在30℃、50℃和70℃下的電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程如圖5所示。由于電樹(shù)呈現(xiàn)三維立體結(jié)構(gòu)，需要不斷調(diào)整顯微鏡的焦距，在適宜的透光環(huán)境下找到最長(zhǎng)電樹(shù)枝所在的位置，測(cè)量其最大長(zhǎng)度。由圖5可知，兩種試樣在所有測(cè)試溫度下均呈典型的枝狀結(jié)構(gòu)。其中，30℃時(shí)XLPE和XLPE-B中電樹(shù)枝枝狀通道較多，電樹(shù)枝放電通道沿多方向生長(zhǎng)延伸，因此電樹(shù)枝的生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。隨著溫度的升高，在50℃和70℃時(shí)電樹(shù)枝的分枝明顯減少，在單一的主干通道上產(chǎn)生了少數(shù)較短的分枝，電樹(shù)枝放電通道沿著主干通道快速延伸，電樹(shù)枝生長(zhǎng)的速度明顯加快。因此，高溫對(duì)于電樹(shù)枝生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用。

表1統(tǒng)計(jì)了句酷批改網(wǎng)和教師批改的語(yǔ)際錯(cuò)誤和語(yǔ)內(nèi)錯(cuò)誤比例。語(yǔ)際錯(cuò)誤包括語(yǔ)言類(lèi)錯(cuò)誤，文化差異造成的表達(dá)錯(cuò)誤，以及由母語(yǔ)遷移造成的大小寫(xiě)和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)錯(cuò)誤。根據(jù)表1，我們發(fā)現(xiàn)，句酷批改網(wǎng)發(fā)現(xiàn)語(yǔ)際錯(cuò)誤共412處，占46%，教師批改發(fā)現(xiàn)467處語(yǔ)際錯(cuò)誤，占52%，可見(jiàn)，母語(yǔ)負(fù)遷移是高職學(xué)生英語(yǔ)寫(xiě)作的一大障礙。

隨后，在不同溫度下對(duì)兩種試樣進(jìn)行分時(shí)間段生長(zhǎng)，對(duì)每一階段的電樹(shù)枝平均長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中XLPE材料在30℃時(shí)擊穿一個(gè)試樣，50℃時(shí)擊穿兩個(gè)試樣，70℃時(shí)擊穿一個(gè)試樣。XLPE-B在三個(gè)測(cè)試溫度下均沒(méi)有試樣發(fā)生擊穿。擊穿試樣的電樹(shù)枝長(zhǎng)度按針-板距離2 000μm計(jì)算，匯總結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，電壓穩(wěn)定劑的加入明顯抑制了電樹(shù)枝在XLPE-B共混材料中的生長(zhǎng)。30℃時(shí)，XLPE經(jīng)過(guò)16min的加壓，電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度達(dá)到1 777.79μm，而XLPE-B中電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度約為1 415.77μm；50℃時(shí)，XLPE經(jīng)過(guò)6min的加壓，電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度達(dá)到1 960.40μm，而XLPE-B中電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度約為1 479.64μm；70℃時(shí)，XLPE經(jīng)過(guò)2min的加壓，電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度達(dá)到1 918.63μm，而XLPE-B中電樹(shù)枝的平均長(zhǎng)度約為1 305.76μm。

表1 30℃、50℃和70℃下XLPE與XLPE-B在各時(shí)間點(diǎn)的電樹(shù)枝長(zhǎng)度

Tab.1 Electrical tree lengths of XLPE and XLPE-B at 30℃, 50℃ and 70℃

此外，溫度對(duì)電樹(shù)枝生長(zhǎng)的影響仍然十分顯著。對(duì)于XLPE試樣，達(dá)到擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的電樹(shù)枝長(zhǎng)度（約2 000μm），30℃時(shí)需要時(shí)間為16min，50℃時(shí)需要6min，70℃時(shí)僅需2min，XLPE-B試樣有同樣的趨勢(shì)。同時(shí)，觀(guān)察30℃時(shí)兩種試樣的電樹(shù)枝長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電樹(shù)枝在加壓完整周期的前半段生長(zhǎng)更快，而在加壓后半段時(shí)，電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度相對(duì)較緩，這一現(xiàn)象在50℃時(shí)最為明顯。

2.2 局部放電

圖6為電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程中記錄的相位與放電量的關(guān)系譜圖，其中，記錄為一次放電行為的放電量均大于20pC。由圖6可知，局部放電均發(fā)生在加壓周期的一、三象限，符合材料內(nèi)發(fā)生氣隙局部放電的典型特性。根據(jù)局部放電統(tǒng)計(jì)分析方法，在30℃、50℃和70℃時(shí)分別選取若干時(shí)間段，分段統(tǒng)計(jì)試樣在該時(shí)間段下的局部放電量平均值和脈沖重復(fù)率（即放電次數(shù)），得到和隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖7所示。

圖6 相位與放電量關(guān)系

由圖7可知，不同溫度下兩種試樣的局部放電量平均值都隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加逐步上升。其中，30℃時(shí)，經(jīng)過(guò)16min的生長(zhǎng)時(shí)間，XLPE與XLPE-B的局部放電量平均值達(dá)到了約400pC；50℃時(shí)，經(jīng)過(guò)6min的生長(zhǎng)時(shí)間，XLPE的局部放電量平均值達(dá)到約700pC，而XLPE-B為450pC；70℃時(shí)，經(jīng)過(guò)2min的生長(zhǎng)時(shí)間，XLPE的局部放電量平均值達(dá)到約600pC，而XLPE-B約為400pC?？梢钥闯觯尤腚妷悍€(wěn)定劑后，XLPE-B在高溫下的放電量及放電次數(shù)均明顯低于XLPE，說(shuō)明電壓穩(wěn)定劑有利于抑制高溫下電樹(shù)枝的生長(zhǎng)及其局部放電。

此外，30℃時(shí)脈沖重復(fù)率同樣隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加逐步增長(zhǎng)，可能伴隨著多枝狀電樹(shù)枝通道中同時(shí)進(jìn)行的局部放電活動(dòng)。而50℃和70℃時(shí)，脈沖重復(fù)率隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加逐漸趨于平緩，說(shuō)明放電活動(dòng)主要集中在以主干樹(shù)枝為主的電樹(shù)枝通道中，符合前文中高溫下電樹(shù)枝分枝較少的結(jié)論。

2.3 表面電位衰減與陷阱分布

XLPE與XLPE-B的表面電位衰減曲線(xiàn)及陷阱分布如圖8所示，其中表面電位幅值已做取正處理。由圖8可知，兩種試樣在經(jīng)過(guò)2min的電暈充電后，表面電位均達(dá)到約3kV。經(jīng)過(guò)40min的衰減，XLPE的電位下降至555V，而XLPE-B的電位下降至137V。由此可見(jiàn)，載流子更易于在XLPE-B中遷移和消逝。

此外，根據(jù)陷阱分布圖分析，XLPE試樣內(nèi)部的淺陷阱能級(jí)為0.95eV，深陷阱能級(jí)為1.03eV，陷阱密度分別為4.38×1020eV-1·m-3和1.58×1020eV-1·m-3。加入電壓穩(wěn)定劑后，陷阱能級(jí)分別降低至0.93eV和0.99eV，而陷阱密度則提高至5.82×1020eV-1·m-3和2.59×1020eV-1·m-3，即電壓穩(wěn)定劑的加入降低了陷阱能級(jí)，但同時(shí)提高了陷阱密度。

3 討論

3.1 電樹(shù)枝引發(fā)和生長(zhǎng)

對(duì)于XLPE材料，產(chǎn)生自由電子所需的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度約為285kV/mm[18]，由針尖引發(fā)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度足以使高壓電極通過(guò)肖特基發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射向試樣中注入電荷。且相較于施加直流電壓，工頻交流電壓正負(fù)極反轉(zhuǎn)頻繁，空穴和電子快速地注入和抽出，高能載流子不斷沖擊材料，并且在復(fù)合過(guò)程中釋放大量的能量，繼而引發(fā)分子鏈斷裂，形成低密度區(qū)。因此，根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，試樣在交流電壓有效值為5～8kV的范圍內(nèi)就可以引發(fā)電樹(shù)枝。

電樹(shù)枝的生長(zhǎng)普遍分為三個(gè)階段，即起始階段、停滯階段和再生長(zhǎng)階段[19]。在起始階段，隨著高能載流子的沖擊以及低密度區(qū)域的形成，電樹(shù)枝以較快的速度向前生長(zhǎng)。到了停滯階段，由于不斷注入的載流子在材料內(nèi)部形成空間電荷積聚，該空間電荷層形成獨(dú)立的電場(chǎng)，削弱了與高壓電極之間的有效電場(chǎng)。由此，電荷注入受到一定阻礙，電樹(shù)枝生長(zhǎng)進(jìn)入停滯期[20]。這也印證了30℃和50℃時(shí)前半段時(shí)間電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度較快，后半段生長(zhǎng)較慢的現(xiàn)象。而后，隨著材料的進(jìn)一步劣化及電樹(shù)枝通道內(nèi)的電荷行為，電樹(shù)枝又進(jìn)入再生長(zhǎng)階段。該階段下電樹(shù)枝繼續(xù)向前快速生長(zhǎng)，甚至引發(fā)擊穿現(xiàn)象。

3.2 溫度對(duì)電樹(shù)枝引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電的影響

溫度對(duì)電樹(shù)枝的影響如圖9所示。一方面，聚合物在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，分子鏈排列緊密，彈性模量較高[17]。隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，進(jìn)一步導(dǎo)致分子鏈松弛。因此，高溫降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度，從而降低了其耐電強(qiáng)度。另一方面，隨著電樹(shù)枝通道內(nèi)局部放電的發(fā)生，短時(shí)間內(nèi)的局部溫度很高，可能引起材料局部熔化和降解，產(chǎn)生低分子產(chǎn)物和氣態(tài)物質(zhì)[21]。由此，放電通道內(nèi)氣體膨脹，熱電子的平均自由程增加，在電場(chǎng)作用下獲得更多的能量，碰撞導(dǎo)致分子鏈斷裂，促進(jìn)電樹(shù)枝通道的進(jìn)一步生長(zhǎng)[22]。綜上所述，高溫降低了XLPE和XLPE-B的起樹(shù)電壓，并且加速了電樹(shù)枝的生長(zhǎng)。

圖9 溫度對(duì)電樹(shù)枝的影響

此外，隨著溫度的升高，電樹(shù)的分枝逐漸減少，放電量與放電重復(fù)率隨時(shí)間的變化逐漸趨于平緩，這可能與局部放電、碰撞電離、局部氧化裂解和電荷復(fù)合作用等多個(gè)過(guò)程相關(guān)。在熱作用下，電樹(shù)枝形成以主干放電通道為主的少枝狀電樹(shù)，迅速向前發(fā)展甚至發(fā)生擊穿[23]。因此，在50℃和70℃時(shí)，XLPE和XLPE-B的電樹(shù)形貌相較于30℃時(shí)更為稀疏，且局部放電活動(dòng)主要發(fā)生在主干樹(shù)枝內(nèi)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)變化不明顯。

3.3 電壓穩(wěn)定劑對(duì)電樹(shù)枝引發(fā)、生長(zhǎng)及其局部放電的影響

電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)與聚合物中存在的陷阱密切相關(guān)，部分學(xué)者將熱電子理論和光降解理論合稱(chēng)為陷阱理論，用于解釋電樹(shù)行為[24]。熱電子理論認(rèn)為，注入的高能電子被陷阱俘獲后通過(guò)俄歇效應(yīng)傳遞能量，產(chǎn)生的自由基引發(fā)聚合物降解致使產(chǎn)生低密度區(qū)，從而引發(fā)電樹(shù)枝[25]。而光降解理論認(rèn)為，電子和空穴在深陷阱內(nèi)復(fù)合產(chǎn)生光子，引發(fā)一系列的光降解鏈反應(yīng)，最終導(dǎo)致電樹(shù)枝的引發(fā)[26]。由此可見(jiàn)，對(duì)材料內(nèi)部陷阱特性進(jìn)行分析可以探究電樹(shù)枝的產(chǎn)生機(jī)理。

由2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電壓穩(wěn)定劑的加入提高了材料內(nèi)部的陷阱密度，降低了陷阱能級(jí)。陷阱對(duì)電樹(shù)枝的影響如圖10所示。對(duì)于淺陷阱，高能載流子在入陷后易于脫陷，能起到一定的緩沖作用從而耗散能量[27]，也能降低正負(fù)電荷復(fù)合的概率。因此，聚合物分子鏈不容易被打斷，材料的耐電性能得以提升。而對(duì)于深陷阱，一方面促進(jìn)正負(fù)電荷復(fù)合，導(dǎo)致低密度區(qū)域的形成；另一方面，電荷難以脫陷導(dǎo)致空間電荷在材料內(nèi)部的積聚，短期來(lái)看能夠形成電荷屏蔽層抑制電樹(shù)枝的生長(zhǎng)，但最終將引起電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致局部擊穿，造成材料的劣化失效[28]。

圖10 陷阱對(duì)電樹(shù)枝的影響

為了研究所選用電壓穩(wěn)定劑間氨基苯甲酸的量子化學(xué)特性，本文利用Gaussian 09軟件，采用密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）在B3LYP/6-31G水平下對(duì)間氨基苯甲酸進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算，得到其最高占據(jù)分子軌道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）、最低未占據(jù)分子軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）、帶隙（g）和電動(dòng)勢(shì)分布結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，間氨基苯甲酸具有較低的帶隙，容易被高能電子電離，起到緩沖電子的作用。同時(shí)，該分子兼具給電子和受電子官能團(tuán)，與苯環(huán)形成一個(gè)大的電子離域結(jié)構(gòu)，能夠吸引電子繞核振蕩從而耗散能量，減少對(duì)聚合物分子鏈的沖擊。因此，當(dāng)電壓穩(wěn)定劑均勻地分散在材料內(nèi)部，通過(guò)緩沖高能電子，可以有效抑制材料中電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)過(guò)程，同時(shí)也有效降低了電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程中的局部放電放電量和脈沖重復(fù)率。

圖11 電壓穩(wěn)定劑帶隙及電動(dòng)勢(shì)分布圖

4 結(jié)論

本文利用高溫下電樹(shù)枝實(shí)時(shí)顯微鏡觀(guān)察和局部放電同步測(cè)量系統(tǒng)，研究了高溫下電壓穩(wěn)定劑對(duì)電樹(shù)枝的引發(fā)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)規(guī)律及局部放電特性的影響。通過(guò)陷阱理論和量子化學(xué)計(jì)算，分析了電壓穩(wěn)定劑影響材料內(nèi)部的陷阱分布及其量子化學(xué)特性，研究了電壓穩(wěn)定劑提高XLPE材料耐電性能的機(jī)理。本文研究得到以下結(jié)論：

1）電壓穩(wěn)定劑的加入提高了電樹(shù)枝的起始電壓，材料在30℃、50℃和70℃時(shí)的起始電壓比XLPE分別提高了6.3%、5.2%和9.3%。隨著溫度的升高，電樹(shù)枝的起始電壓顯著降低。同時(shí)，電壓穩(wěn)定劑也有效抑制了電樹(shù)枝的生長(zhǎng)，但隨著溫度的升高，生長(zhǎng)速度顯著加快，電樹(shù)枝分枝數(shù)目減少，局部放電活動(dòng)主要集中在以主干樹(shù)枝為主的電樹(shù)枝通道內(nèi)。

2）陷阱理論和量子化學(xué)計(jì)算表明，電壓穩(wěn)定劑的加入降低了試樣內(nèi)部的陷阱能級(jí)，增加了陷阱密度，結(jié)合其特有的量子化學(xué)特性，可有效緩沖高能電子對(duì)材料分子鏈的沖擊，降低聚合物低密度區(qū)的形成。此外，淺陷阱的增加抑制了空間電荷的積累，降低了電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程中的局部放電量和脈沖重復(fù)率，從而提高了材料的耐電性能。

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Effect of Voltage Stabilizer on Electrical Treeing and Partial Discharge Characteristics of Crosslinked Polyethylene at High Temperature

Chen Xiangrong1,2,3,4Hong Zelin1,2Zhu Guangyu1,2Meng Fanbo1,2Shi Yiwen1,2

（1. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center Zhejiang University Hangzhou 311200 China 3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Power Semiconductor Materials and Devices Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center Zhejiang University Hangzhou 311200 China 4. Advanced Electrical International Research CenterInternational Campus Zhejiang University Haining 314400 China）

Rapid advancement of urbanization has put stringent demand on the use of power cable as it saves land resources and beautify the environment. At present, crosslinked polyethylene (XLPE) is the main insulation material for the cables due to its excellent electrical and physicochemical properties. However, the high electrical field accelerates the electrical treeing, a dielectric ageing phenomenon which forms continuous charge channels in insulating materials, and hence threatens the long-term operation of insulating materials. In this work, the voltage stabilizer is added into the XLPE to extend the service life of the cable. The effect of the voltage stabilizer on inhibiting the electrical tree inception, growth and partial discharge in XLPE under high temperature is investigated.

The m-aminobenzoic acid is selected as the voltage stabilizer, and the blend powder is prepared by adding 1% of voltage stabilizer into pure XLPE through a solution-blending method, and then the needle-plate electrode sample is prepared by a hot-press method. The inception and growth characteristics of the tree with partial discharge characteristics for different samples at 30℃, 50℃ and 70℃are analyzed by using the real-time observation and synchronous partial discharge measurement system. The results show that the electrical charge channels have typical dendritic structures in the samples at high temperature. Also, for both pure XPLE and the blend samples, the growth rate of electrical branches, partial discharges, and discharge repetition rate have significantly increased with the increase of the temperature. However, compared to the pure XLPE sample, the inception voltage of the blend samples decreased by 6.3%, 5.2% and 9.3% at 30℃, 50℃ and 70℃, respectively, and the number of electrical branches also decreased. Meanwhile, the addition of voltage stabilizer can obviously suppress the electrical tree inception, growth, and partial discharge. Based on the trap theory, the calculation results show that the voltage stabilizer reduces the trap energy level but increases the trap density. Thus, the high energy electron can be easily buffered but not trapped, which can reduce the collisions and hence prevents the molecular chain fracture. Also, the voltage stabilizer has both electron donor and electron acceptor functional groups. With its unique quantum chemical properties, it enhances the high energy electron buffer capacity and reduces the space charge accumulation, which improves the electric resistance of the XLPE material.

The voltage stabilizer shows a good ability on inhibiting the electrical tree and partial discharge of the XLPE insulation material. The results provide references for the application of voltage stabilizer in XLPE cable insulation material, which may help to prolong the service life of the XLPE.

Cross-linked polyethylene, voltage stabilizer, electrical tree, partial discharges, high temperatures

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220472

TM85

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51977187）、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專(zhuān)項(xiàng)（2018B10019）和浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”（自然科學(xué)A類(lèi)）資助。

2022-04-01

2022-07-20

陳向榮 男，1982年生，百人計(jì)劃研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)電氣材料與高壓絕緣測(cè)試技術(shù)、先進(jìn)電力裝備與新型電力系統(tǒng)和高電壓新技術(shù)。E-mail：chenxiangrongxh@zju.edu.cn（通信作者）

洪澤林 男，1998年生，博士研究生，研究方向?yàn)楦咝阅茈娎|絕緣材料與高壓絕緣測(cè)試技術(shù)。E-mail：hongzl@zju.edu.cn

（編輯 李冰）