電樹相關(guān)研究

為了解頻率對高密度聚乙烯電樹老化特性的影響，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) 薄膜的電樹老化特性。結(jié)果表明，頻率對電樹起始形態(tài)具有重要的影響，隨著電壓頻率的升高，樹枝型電樹的起始幾率逐漸降低，叢狀型電樹的起始幾率逐漸升高，電樹逐漸由樹枝型起始為主向叢狀型起始為主轉(zhuǎn)變，樹干型和直擊型為高頻下所特有的電樹起始形態(tài)。隨著電樹的生長，電樹形態(tài)存在轉(zhuǎn)換的可能，低頻下，起始占主導(dǎo)的樹枝型電樹向叢狀和樹干型轉(zhuǎn)變；高頻下，起始占主導(dǎo)的叢狀型電樹則極易轉(zhuǎn)變?yōu)闃涓珊蛽舸┬停瑢?dǎo)致絕緣的破壞。電樹的發(fā)展可分為起始、滯長、生長和擊穿期4 個階段。頻率的提高加快了電樹的發(fā)展速度且減少了電樹的發(fā)展階段，使發(fā)生擊穿的幾率大為增加。

1、電樹的體內(nèi)有“硅”元素，在它的體內(nèi)形成太陽能硅電池的形式，所以經(jīng)陽光照射的時候會像太陽能·電池一樣產(chǎn)生電流。

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

電樹老化過程的觀測

電樹試驗在室溫下進(jìn)行。將試品用2 塊玻璃片固定放入試驗平臺，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)觀測和記錄電樹老化過程。電樹試驗電氣原理見圖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。觀測電樹生長1 h 后停止加壓（如電樹發(fā)生擊穿，則立即停止加壓）。在同等條件且每個電壓頻率下測量20次，得到統(tǒng)計結(jié)果。

實(shí)驗結(jié)果及討論

電樹枝在起始過程中表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，指出不同起始形態(tài)的電樹對應(yīng)的起樹電壓有所不同，且各種起始形態(tài)的形成機(jī)理也不同。因此，研究頻率對電樹起始形態(tài)的影響有助于不同頻率下電樹起始機(jī)理的分析。通過試驗觀測和記錄，在50 Hz～90 kHz 頻率范圍內(nèi)電樹的起始形態(tài)主要有樹枝、叢狀、樹干和直擊型4 類，樹枝型和叢狀型電樹較為常見；樹干型和直擊型則是高頻下所出現(xiàn)的特殊電樹起始形態(tài)，二者一旦起始即快速發(fā)展，對絕緣材料的破壞程度明顯高于樹枝和叢狀型電樹頻率對各種電樹起始形態(tài)出現(xiàn)幾率的影響。當(dāng)電壓頻率為50～400 Hz 時，樹枝型電樹占主導(dǎo)地位；頻率> 5 kHz 時，開始出現(xiàn)樹干和叢狀型電樹；頻率> 50 kHz 時，則出現(xiàn)直擊型電樹。隨著電壓頻率的升高，樹枝型電樹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,電樹逐漸由樹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 加快了叢狀型電樹的發(fā)展且易造成絕緣破壞從電樹生長過程中的形態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律可見，不同的電樹形態(tài)對絕緣帶來的危害不同，在評估絕緣老化時應(yīng)區(qū)別對待。樹枝型電樹在工頻下較常見，但在實(shí)驗中并未發(fā)現(xiàn)從樹枝型直接擊穿的例子。而叢狀型和樹干型電樹一旦發(fā)生，就會對絕緣造成很大的影響，易引起擊穿。這是由于高頻時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，電樹形態(tài)變化幾率大大增加。在1 h 加壓時間內(nèi)，多數(shù)從樹枝型或叢狀型起始的電樹都轉(zhuǎn)換為樹干型或擊穿型，表明樹干型或擊穿型是電樹發(fā)展到后期的形態(tài)，對比低頻下多為樹枝型的簡單電樹，反映了高頻對電樹老化的加速作用。

頻率對電樹生長的影響

不同頻率下，電樹生長過程有很大區(qū)別。頻率為400 Hz 時，電樹發(fā)展過程。每條曲線表示一次完整的電樹生長過程，其中粗線是在該頻率下不同電樹發(fā)展過程的中值，即選擇一條生長曲線，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曲線。電樹的發(fā)展過程可分為起始、滯長、生長和擊穿期4 個階段。起始期為電樹從起始開始到生長速度第一次停滯的階段，在此階段內(nèi)電樹發(fā)展速度較快，決定了電樹的起始形態(tài)特征；然后是停滯期，此階段內(nèi)電樹枝條的長度不再增加，其中有一部分樹枝存。在逐漸變粗的現(xiàn)象，此時期內(nèi)電樹生長活動緩慢或停滯；在滯長期結(jié)束后，電樹枝又重新以一較快速度發(fā)展，稱為生長期；最后是電樹老化導(dǎo)致絕緣擊穿的過程，稱為擊穿期。

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

從電樹發(fā)展的4 個階段見，50 Hz 下1 h 內(nèi)一般僅從起始階段發(fā)展到滯長階段，400 Hz 下相當(dāng)比例的電樹則在1 h 內(nèi)從滯長期發(fā)展到生長期。高頻下

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

結(jié)論

b) 在電樹生長過程中，電樹形態(tài)存在轉(zhuǎn)換。頻率的提高加快了電樹形態(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)闃涓尚秃蛽舸┬碗姌洹?

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

d) 頻率的提高加快了電樹的發(fā)展速度且減少了電樹的發(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)致了電樹老化的加速，使內(nèi)部存在缺陷的絕緣材料易過早損壞。 2100433B

(1)電樹枝。在絕緣層中由于過高的集中場強(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擠出的方法并使用超純原材料且規(guī)定絕緣層厚度，在正常運(yùn)行電壓下，可以避免電樹枝的產(chǎn)生。

(2)化學(xué)樹枝。沒有金屬密封護(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)樹枝的形成。

(3)水樹枝。以蒸汽或硅烷交聯(lián)的電纜，其絕緣中存有凝結(jié)水，或因外界周圍的水分自護(hù)層或?qū)w的股線間侵入絕緣內(nèi)，在電場和溫度的作用下導(dǎo)致樹枝狀老化而擊穿。

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，其電樹枝老化成為了電力電纜長期安全運(yùn)行的瓶頸，迫切需要研究電樹枝老化規(guī)律和機(jī)理。隨著絕緣材料的物化性能測量技術(shù)的進(jìn)步，為研究電樹枝老化機(jī)理提供了更加有效的方法。通過研究電纜電樹枝化的引發(fā)和生長過程，最終為找到電樹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。首先通過一個短電纜試驗系統(tǒng)，通過施加針尖缺陷，考察了不同電壓、不同環(huán)境溫度、不同聚集態(tài)參數(shù)對電樹枝的引發(fā)和生長過程的影響，并對比了針板電極下材料塊電樹枝的形態(tài)參數(shù)，結(jié)果表明所設(shè)計的短電纜試驗系。

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