電樹(shù)

為了解頻率對(duì)高密度聚乙烯電樹(shù)老化特性的影響，在50 Hz～90 kHz 較寬頻率范圍的交流電壓作用下，研究了冰水淬火高密度聚乙烯（ HDPE) 薄膜的電樹(shù)老化特性。結(jié)果表明，頻率對(duì)電樹(shù)起始形態(tài)具有重要的影響，隨著電壓頻率的升高，樹(shù)枝型電樹(shù)的起始幾率逐漸降低，叢狀型電樹(shù)的起始幾率逐漸升高，電樹(shù)逐漸由樹(shù)枝型起始為主向叢狀型起始為主轉(zhuǎn)變，樹(shù)干型和直擊型為高頻下所特有的電樹(shù)起始形態(tài)。隨著電樹(shù)的生長(zhǎng)，電樹(shù)形態(tài)存在轉(zhuǎn)換的可能，低頻下，起始占主導(dǎo)的樹(shù)枝型電樹(shù)向叢狀和樹(shù)干型轉(zhuǎn)變；高頻下，起始占主導(dǎo)的叢狀型電樹(shù)則極易轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)干和擊穿型，導(dǎo)致絕緣的破壞。電樹(shù)的發(fā)展可分為起始、滯長(zhǎng)、生長(zhǎng)和擊穿期4 個(gè)階段。頻率的提高加快了電樹(shù)的發(fā)展速度且減少了電樹(shù)的發(fā)展階段，使發(fā)生擊穿的幾率大為增加。

電樹(shù)老化過(guò)程的觀測(cè)

電樹(shù)試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。將試品用2 塊玻璃片固定放入試驗(yàn)平臺(tái)，針尖距離地電極水平距離約為（1 ±011) mm，試品浸入硅油防止發(fā)生沿面放電和閃絡(luò)。使用數(shù)字顯微圖像系統(tǒng)觀測(cè)和記錄電樹(shù)老化過(guò)程。電樹(shù)試驗(yàn)電氣原理見(jiàn)圖1。在試品上施加有效值5 kV，頻率為0. 05 、0. 4 、5 、10 、30 、50 、70 和90kHz 的交流電壓，電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。觀測(cè)電樹(shù)生長(zhǎng)1 h 后停止加壓（如電樹(shù)發(fā)生擊穿，則立即停止加壓）。在同等條件且每個(gè)電壓頻率下測(cè)量20次，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

電樹(shù)枝在起始過(guò)程中表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，指出不同起始形態(tài)的電樹(shù)對(duì)應(yīng)的起樹(shù)電壓有所不同，且各種起始形態(tài)的形成機(jī)理也不同。因此，研究頻率對(duì)電樹(shù)起始形態(tài)的影響有助于不同頻率下電樹(shù)起始機(jī)理的分析。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)和記錄，在50 Hz～90 kHz 頻率范圍內(nèi)電樹(shù)的起始形態(tài)主要有樹(shù)枝、叢狀、樹(shù)干和直擊型4 類(lèi)，樹(shù)枝型和叢狀型電樹(shù)較為常見(jiàn)；樹(shù)干型和直擊型則是高頻下所出現(xiàn)的特殊電樹(shù)起始形態(tài)，二者一旦起始即快速發(fā)展，對(duì)絕緣材料的破壞程度明顯高于樹(shù)枝和叢狀型電樹(shù)頻率對(duì)各種電樹(shù)起始形態(tài)出現(xiàn)幾率的影響。當(dāng)電壓頻率為50～400 Hz 時(shí)，樹(shù)枝型電樹(shù)占主導(dǎo)地位；頻率> 5 kHz 時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)樹(shù)干和叢狀型電樹(shù)；頻率> 50 kHz 時(shí)，則出現(xiàn)直擊型電樹(shù)。隨著電壓頻率的升高，樹(shù)枝型電樹(shù)的起始幾率逐漸降低，叢狀型的起始幾率逐漸升高。即隨著電壓頻率的提高,電樹(shù)逐漸由樹(shù)枝型起始為主向叢狀型起始為主轉(zhuǎn)變。隨著施加電壓頻率的升高，聚乙烯的介質(zhì)損耗逐漸增大，介損功率損耗與頻率的關(guān)系為：PV = 2π f U2 Ctanδ，下，叢狀型約70 %轉(zhuǎn)換成樹(shù)干型和擊穿型，造成絕緣的擊穿破壞。所以升高f 加快了叢狀型電樹(shù)的發(fā)展且易造成絕緣破壞從電樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中的形態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律可見(jiàn)，不同的電樹(shù)形態(tài)對(duì)絕緣帶來(lái)的危害不同，在評(píng)估絕緣老化時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。樹(shù)枝型電樹(shù)在工頻下較常見(jiàn)，但在實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)從樹(shù)枝型直接擊穿的例子。而叢狀型和樹(shù)干型電樹(shù)一旦發(fā)生，就會(huì)對(duì)絕緣造成很大的影響，易引起擊穿。這是由于高頻時(shí)增加了材料的極化和熱損耗，導(dǎo)致材料內(nèi)部絕緣性能下降，電樹(shù)形態(tài)變化幾率大大增加。在1 h 加壓時(shí)間內(nèi)，多數(shù)從樹(shù)枝型或叢狀型起始的電樹(shù)都轉(zhuǎn)換為樹(shù)干型或擊穿型，表明樹(shù)干型或擊穿型是電樹(shù)發(fā)展到后期的形態(tài)，對(duì)比低頻下多為樹(shù)枝型的簡(jiǎn)單電樹(shù)，反映了高頻對(duì)電樹(shù)老化的加速作用。

頻率對(duì)電樹(shù)生長(zhǎng)的影響

不同頻率下，電樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程有很大區(qū)別。頻率為400 Hz 時(shí)，電樹(shù)發(fā)展過(guò)程。每條曲線表示一次完整的電樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程，其中粗線是在該頻率下不同電樹(shù)發(fā)展過(guò)程的中值，即選擇一條生長(zhǎng)曲線，其余曲線盡量均勻分布在這條曲線的兩側(cè)，作為此頻率下的典型生長(zhǎng)曲線。電樹(shù)的發(fā)展過(guò)程可分為起始、滯長(zhǎng)、生長(zhǎng)和擊穿期4 個(gè)階段。起始期為電樹(shù)從起始開(kāi)始到生長(zhǎng)速度第一次停滯的階段，在此階段內(nèi)電樹(shù)發(fā)展速度較快，決定了電樹(shù)的起始形態(tài)特征；然后是停滯期，此階段內(nèi)電樹(shù)枝條的長(zhǎng)度不再增加，其中有一部分樹(shù)枝存。在逐漸變粗的現(xiàn)象，此時(shí)期內(nèi)電樹(shù)生長(zhǎng)活動(dòng)緩慢或停滯；在滯長(zhǎng)期結(jié)束后，電樹(shù)枝又重新以一較快速度發(fā)展，稱(chēng)為生長(zhǎng)期；最后是電樹(shù)老化導(dǎo)致絕緣擊穿的過(guò)程，稱(chēng)為擊穿期。

有些電樹(shù)在發(fā)展過(guò)程中不止存在一個(gè)滯長(zhǎng)期和生長(zhǎng)期，在生長(zhǎng)期之后,電樹(shù)可能進(jìn)入另一滯長(zhǎng)期，從而實(shí)現(xiàn)“滯長(zhǎng)—生長(zhǎng)—滯長(zhǎng)—生長(zhǎng)?”的階段性交替發(fā)展過(guò)程。擊穿期也并不總由生長(zhǎng)期導(dǎo)致，同樣存在起始期直接導(dǎo)致?lián)舸┗蛟跍L(zhǎng)期突然擊穿的現(xiàn)象，不同電壓頻率下電樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程呈不同的特點(diǎn)。通過(guò)選擇各個(gè)頻率下的不同電樹(shù)過(guò)程的中值生長(zhǎng)曲線，可得到不同頻率下電樹(shù)生長(zhǎng)的對(duì)比，50 Hz 時(shí)電樹(shù)發(fā)展緩慢，400 Hz 時(shí)電樹(shù)多為樹(shù)枝狀，生長(zhǎng)最為穩(wěn)定且速度也最快，文[ 16 ] 中提到在50Hz～1 kHz 時(shí)隨頻率增大電樹(shù)生長(zhǎng)速度加快。10 和30 kHz 時(shí)叢狀型電樹(shù)大量出現(xiàn)，由于叢林狀電樹(shù)生長(zhǎng)速度慢，所以總的生長(zhǎng)速度與400 Hz時(shí)比較已降低了。而更高頻率時(shí)電樹(shù)的主要形態(tài)已是擊穿型，且頻率越高，擊穿速度也越快。

從電樹(shù)發(fā)展的4 個(gè)階段見(jiàn)，50 Hz 下1 h 內(nèi)一般僅從起始階段發(fā)展到滯長(zhǎng)階段，400 Hz 下相當(dāng)比例的電樹(shù)則在1 h 內(nèi)從滯長(zhǎng)期發(fā)展到生長(zhǎng)期。高頻下

發(fā)展到擊穿期的比例越來(lái)越高，因此，增加頻率可加快電樹(shù)的階段性發(fā)展過(guò)程。

結(jié)論

b) 在電樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中，電樹(shù)形態(tài)存在轉(zhuǎn)換。頻率的提高加快了電樹(shù)形態(tài)的轉(zhuǎn)換，使低頻下發(fā)展極為緩慢的叢狀型易轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)干型和擊穿型電樹(shù)。

c) 電樹(shù)的發(fā)展可分為起始、滯長(zhǎng)、生長(zhǎng)和擊穿期4 個(gè)階段。且存在“滯長(zhǎng)—生長(zhǎng)—滯長(zhǎng)—生長(zhǎng)?”階段性發(fā)展的可能。起始期、滯長(zhǎng)期和生長(zhǎng)期均可能直接導(dǎo)致?lián)舸?

d) 頻率的提高加快了電樹(shù)的發(fā)展速度且減少了電樹(shù)的發(fā)展階段，使發(fā)生擊穿的幾率大為增加。

e) 高頻下介質(zhì)損耗的增加以及交變電壓下的疲勞沖擊導(dǎo)致了電樹(shù)老化的加速，使內(nèi)部存在缺陷的絕緣材料易過(guò)早損壞。 2100433B

1、電樹(shù)的體內(nèi)有“硅”元素，在它的體內(nèi)形成太陽(yáng)能硅電池的形式，所以經(jīng)陽(yáng)光照射的時(shí)候會(huì)像太陽(yáng)能·電池一樣產(chǎn)生電流。

2、原來(lái)，這種樹(shù)有發(fā)電和蓄電的本領(lǐng)，它的蓄電量還會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，中午帶的電量最多，午夜帶的電量最少。有人推測(cè)，這可能與太陽(yáng)光的照射有關(guān)。

(1)電樹(shù)枝。在絕緣層中由于過(guò)高的集中場(chǎng)強(qiáng)(如導(dǎo)線表面的毛刺或凸起，絕緣層中夾雜有金屬粉末等)引起的局部放電，導(dǎo)致絕緣呈樹(shù)枝狀老化而擊穿。如果采用內(nèi)、外屏蔽層和絕緣層三層同時(shí)擠出的方法并使用超純?cè)牧锨乙?guī)定絕緣層厚度，在正常運(yùn)行電壓下，可以避免電樹(shù)枝的產(chǎn)生。

(2)化學(xué)樹(shù)枝。沒(méi)有金屬密封護(hù)套的交聯(lián)電纜，如果敷設(shè)在含有酸或堿的土壤中，日久后土壤中的化學(xué)溶液滲透至電纜絕緣內(nèi)部，形成灌本狀樹(shù)枝導(dǎo)致絕緣老化而擊穿。金屬密封護(hù)套可以隔斷化學(xué)溶液滲透途徑，從而防止化學(xué)樹(shù)枝的形成。

(3)水樹(shù)枝。以蒸汽或硅烷交聯(lián)的電纜，其絕緣中存有凝結(jié)水，或因外界周?chē)乃肿宰o(hù)層或?qū)w的股線間侵入絕緣內(nèi)，在電場(chǎng)和溫度的作用下導(dǎo)致樹(shù)枝狀老化而擊穿。

隨著交聯(lián)聚乙烯電力電纜在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其電樹(shù)枝老化成為了電力電纜長(zhǎng)期安全運(yùn)行的瓶頸，迫切需要研究電樹(shù)枝老化規(guī)律和機(jī)理。隨著絕緣材料的物化性能測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，為研究電樹(shù)枝老化機(jī)理提供了更加有效的方法。通過(guò)研究電纜電樹(shù)枝化的引發(fā)和生長(zhǎng)過(guò)程，最終為找到電樹(shù)枝化的防止或抑止措施提供幫助，有著重要的學(xué)術(shù)和實(shí)際意義。首先通過(guò)一個(gè)短電纜試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)施加針尖缺陷，考察了不同電壓、不同環(huán)境溫度、不同聚集態(tài)參數(shù)對(duì)電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)過(guò)程的影響，并對(duì)比了針板電極下材料塊電樹(shù)枝的形態(tài)參數(shù)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的短電纜試驗(yàn)系。

水樹(shù)枝老化是運(yùn)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，水樹(shù)枝在一定情況下可能引發(fā)電樹(shù)枝，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣擊穿。該文主要研究水分和水樹(shù)枝劣化對(duì)交聯(lián)聚乙烯(cross-linked Polyethylene，XLPE)中電樹(shù)枝引發(fā)生長(zhǎng)的影響。選用過(guò)氧化物交聯(lián)聚乙烯作為實(shí)驗(yàn)材料，用水針電極、高頻加速老化的方法培養(yǎng)水樹(shù)枝，采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯微數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)觀測(cè)電樹(shù)枝的引發(fā)和發(fā)展。分別研究了濕潤(rùn)水樹(shù)枝和干燥水樹(shù)枝在不同電極類(lèi)型(水針電極、鋼針電極)、不同電壓下(15、20 kV)向電樹(shù)枝的轉(zhuǎn)化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：就電樹(shù)枝的平均引發(fā)時(shí)間而言，未劣化試樣最短，濕潤(rùn)水樹(shù)枝試樣最長(zhǎng)，干燥水樹(shù)枝試樣介于二者之間；就電樹(shù)枝引發(fā)率而言，干燥水樹(shù)枝試樣最高，濕潤(rùn)水樹(shù)枝試樣最低，未劣化試樣介于二者之間；采用水針電極時(shí)，3種試樣引發(fā)的電樹(shù)枝均為枝狀。結(jié)合對(duì)比3種試樣中電樹(shù)枝的形態(tài)，研究了濕潤(rùn)水樹(shù)枝和干燥水樹(shù)枝中電樹(shù)枝的引發(fā)和生長(zhǎng)機(jī)制。