0～—50℃交聯聚乙烯材料的電樹枝生長特性

馬一力 叢祥旭 李忠華

摘 要：交聯聚乙烯材料在電力電纜中有著廣泛的應用，且電樹枝生長特性是絕緣可靠性研究的重要基礎。針對交聯聚乙烯電纜的輕負荷及低溫運行條件，設計了一套可多試樣同時進行電樹枝實驗的電極裝置，研究了溫度對電樹枝引發和生長特性的影響。在0～-50℃范圍進行了不同溫度下的電樹枝實驗并與+25℃時進行對照，結果表明：溫度對電樹枝的引發、生長速度和電樹枝形貌有著重要影響。電樹枝50%起始電壓隨溫度的降低而升高，且溫度越低其增加幅度越小；低溫對電樹枝生長速度有抑制作用，且溫度越低越明顯；低溫環境下的電樹枝存在兩種典型形貌，且電樹枝的起始位置也有別于+25℃。

關鍵詞：

交聯聚乙烯；電樹枝；溫度；50%起始電壓；生長速度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.019

中圖分類號： TM85

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0111-06

Growth Behaviors of Electrical Tree in Cross-linked Polyethylene from 0℃ to -50℃

MA Yi-li， CONG Xiang-xu， LI Zhong-hua

（Key Laboratory of Engineering Dielectric and Its Application， Institute of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Cross-linked polyethylene has been widely used in the power cable， and the growth of electrical tree is significant foundations in the researching of insulation reliability. Considering the situation that Cross-linked polyethylene cable worked in the condition of light load and low temperature in extreme weather， a set of electrode device that multiple samples can be tested at a time was used in the experimental system in order to research the initiation and the growing behaviors of electrical tree in cross-linked polyethylene under different temperatures. The experiments of electrical tree were carried out under different temperatures from 0℃ to -50℃， and used the one under +25℃ as the comparison， it showed that temperature had a significant impact on the initiation、growth speed and the typical morphology of electrical tree. As the falling of temperature， the 50% initiation voltage increased obviously， and the increasing range was getting smaller as the temperature getting lower. The low temperature had some inhibitory impacts on the growth speed of electrical tree， and the lower temperature， the more obvious effect. There were two particular types of morphology in low temperature environment， and the growth site of electrical tree was different from the one growing in +25℃.

Keywords：cross-linked polyethylene； electrical trees； temperature； 50% initiation voltage； growth speed

0 引 言

憑借著良好的電氣性能和耐熱性能[1]交聯聚乙烯電纜在電網中有著越來越廣泛的應用，同時電樹枝生長特性對交聯聚乙烯絕緣壽命有著重要的影響[2-3]，因此對交聯聚乙烯電樹枝生長特性研究具有著重要的意義[4-6]。

國內外學者對交聯聚乙烯電樹枝生長機理進行了很多研究，J.V. Champion等將空間電荷和固體絕緣中的電樹枝現象一并進行了研究[7-9]，實驗證實空間電荷的抽出和注入對電樹枝的形成有著及其重要的作用，然而部分學者認為低溫下機械冷縮應力起主要作用[10-11]。目前為止，國內外學者對室溫及高溫環境下[14]的不同試驗條件如頻率[12]、絕緣缺陷[13]等對電樹枝的影響進行了大量的研究，一些學者致力于研究納米復合材料[15-17]的電樹枝性能[19]和電導[18]，同時由于超導材料的發展和低溫電工設備的應用，部分學者[10，20]探究了液氮溫區下的聚合物電樹枝現象，發現液氮溫度下聚合物抗樹枝狀放電性能出現了大幅度提高。但是近年來，隨著氣候問題的日趨嚴重，我國區域性極端低溫事件[21]頻繁產生，因此交聯聚乙烯電纜在室溫與液氮溫度間的低溫輕負荷工作情況時有發生，然而尚未有學者進行此溫區內的交聯聚乙烯材料電樹枝特性研究。因此研究室溫與液氮溫度區間內的交聯聚乙烯材料電樹枝生長特性有著重要的工程意義。

為了填補低溫下交聯聚乙烯材料電樹枝生長特性研究的空缺，對0～-50℃不同溫度及+25℃下交聯聚乙烯試樣進行實驗，并對50%起始電壓、電樹枝生長速度、電樹枝形貌和生長位置進行分析。結果表明，0～-50℃范圍的低溫對電樹枝的引發和生長存在抑制作用，且低溫環境中的電樹枝形貌和生長位置與室溫條件下存在顯著差異。

1 實驗裝置及方案

1.1 試樣及電極裝置

電極采用傳統的針-板結構。針電極，選用直徑為0.6mm的鎢絲在NaOH溶液中通以5V直流電壓控制電流約為4mA，利用電化學腐蝕形成針尖，選取針尖曲率半徑為3μm的針用于試樣制作。

交聯聚乙烯材料，LDPE粒料與DCP進行混煉，在特制模具下經由平板硫化機通過110℃熱壓成型175℃進行交聯，制成100mm×100mm×3mm的交聯聚乙烯片狀材料，保持一定壓力冷卻至室溫。隨后在恒溫箱中將熱壓制成的交聯聚乙烯片狀材料切割成尺寸為10mm×8mm×3mm的塊狀樣品，在恒溫箱中加熱至交聯聚乙烯材料呈完全透明狀后將針勻速插入，用千分尺測量并控制針尖與塊狀樣品底部間距為3mm±0.2mm，在室溫條件下自然冷卻后在底部均勻涂抹上一層快干型導電銀漆，試樣結構詳見圖1。

此外，本文設計并采用一種可多試樣同步加壓的電樹枝引發電極裝置，此種裝置的優點是：第一，電樹枝實驗往往需要同種條件下多次進行，而多試樣同步加壓進行實驗可大大減小由于環境溫度的變化、電網的波動和實驗操作等造成的誤差，減少實驗時間提高實驗效率；第二，此實驗裝置有利于獲得一個對于絕緣壽命管理有著重要意義的參數，即電樹枝50%起始電壓。電樹枝引發電極裝置具體結構如圖2所示。

在實驗開始前，打開銷軸6將試樣固定桿4以鉸接連接件5為軸逆時針旋轉抬高一定角度，在實驗所用試樣7的高壓電極9上套上壓緊彈簧8，后逐一裝入試樣固定桿4上的直徑為1mm的固定孔內，而后使試樣固定桿4順時針旋轉相應角度恢復至原位并固定好銷軸6，隨后檢查并調整壓緊彈簧8使得涂抹過導電銀漆的試樣底部與地電極1緊密接觸。最后，將電極裝置的地電極1接地，高壓端連接導線用分別與多個試樣的高壓電極9連接，最后將電極裝置置于裝有變壓器油的實驗箱中并放入低溫冰箱內進行電樹枝實驗。

1.2 觀測系統

加壓結束后的交聯聚乙烯試樣，用帶有攝像頭的數碼體式顯微鏡進行觀測并拍照，同時利用軟件對試樣中產生的電樹枝尺寸進行標定，電樹枝觀測系統如圖3所示，主體由顯微鏡、接口相機、光源、PC機和處理軟件組成。

1.3 實驗流程

根據圖1所示的結構制作若干個交聯聚乙烯試樣，實驗前置于90℃環境下干燥30min待試樣自然冷卻后將其裝入電極裝置，用壓緊彈簧控制試樣底部與接地電極緊密接觸。將注入適量變壓器油的實驗箱放入設置好溫度的低溫冰箱內，實驗前放置24h待油溫和試樣溫度均達到設定溫度后加壓，以1kV/s的速度均勻升至所需電壓穩定加壓1h進行實驗。考慮到實驗系統的影響和實驗的分散性，以每10個試樣為一組，依次分別在0～-50℃間6個不同溫度及+25℃下，按照不同電壓在每個溫度下分別進行40至50組實驗。當電樹枝長度等于或大于20μm時，稱為出現電樹枝；一組試樣為10個，施加電壓一個小時出現電樹枝的試樣個數與該組試樣總數之比，稱為電樹枝引發率；而電樹枝引發率為50%時試樣上所施加的電壓，稱為電樹枝50%起始電壓。實驗結束后分析不同溫度下的電樹枝引發率與電壓關系，并確定電樹枝50%起始電壓。加壓結束后的試樣在觀測系統下觀察電樹枝形貌并就其尺寸進行標定，樹枝長度為沿電極方向生長的距離。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度對電樹枝引發的影響

采用線性擬合利用Origin軟件繪制出不同溫度下的電樹枝引發率和電壓關系圖，如圖4所示。可以直觀地看出，隨著電壓的升高，不同溫度下的電樹枝引發率均逐漸增大，且溫度越低線性回歸曲線的斜率越小。由此表明，隨著溫度的降低電樹枝引發率呈現減小的趨勢。

用SPSS軟件對不同溫度下的電壓與電樹枝引發率關系進行了Pearson相關性分析，結果顯示：就單個溫度而言，Pearson相關性系數均處于0.8～1.0之間，體現了極強的正相關，零假設成立的概率P=0.000，可認為隨著電壓的升高電樹枝引發率增大，這與圖4所示規律一致。繪出不同溫度下的Pearson相關性系數變化圖，如圖5所示。從圖5可看到，隨著溫度的降低，Pearson相關性系數由0.980減小到0.876，且溫度越低減小越快，尤其是-40降至-50℃時相關性系數出現了大幅度減小，表明隨著溫度的降低電壓和電樹枝引發率間的Pearson相關性減小。

由圖4可獲取不同溫度下電樹枝引發率為50%時交聯聚乙烯試樣上所施加的電壓值，即電樹枝50%起始電壓。對溫度與電樹枝50%起始電壓進行相關性分析，結果顯示Pearson相關性系數為-0.933，零假設成立的概率P=0.000，故可認為：溫度和電樹枝50%起始電壓間存在極強的負相關。這點也可以由圖6清晰地看出：從0℃至-50℃，電樹枝50%起始電壓在15～35kV內隨著溫度的降低呈增大趨勢，但電壓的變化速率逐漸減緩，即溫度越低50%起始電壓增加的幅值越小。

2.2 溫度對電樹枝生長速度的影響

在觀測系統下利用處理軟件對交聯聚乙烯試樣中的電樹枝長度進行標定，并繪制出不同溫度下電壓與電樹枝長度的關系圖，如圖7所示。本文規定實驗時間一個小時，標定出實驗結束后試樣中電樹枝的生長長度，以此來度量電樹枝的生長速度。隨后進行相關性分析，結果顯示不同溫度下電壓與電樹枝生長長度的Pearson相關性系數均在0.8～1.0之間，表現出了極強的正相關，這點在圖7上表現為隨著電壓的增加電樹枝長度的增大。比較低溫環境0℃至-50℃這6個不同溫度下的曲線可發現，電壓增大相同的數值時溫度越低電樹枝長度增加的幅值越小，即在圖7中表現為溫度越低電樹枝長度隨電壓增長變化的曲線越平穩，這表明：低溫下電樹枝的生長受到一定程度的抑制，且溫度越低抑制作用越顯著。究其原因可能是在較低的溫度下，交聯聚乙烯分子熱運動的能量不足，從而使得反應速率減慢，體現為電樹枝的生長速度的減慢。

2.3 溫度對電樹枝形貌和生長位置的影響

實驗后交聯聚乙烯試樣經由觀測系統觀察后每個溫度下獲取約200～300張圖片，表1就不同溫度各列出4張共計28張采樣圖用以說明，電樹枝引發率用P表示，其中U1對應P≥85%的試樣中的典型電樹枝形貌、U2對應P∈65%，85%的試樣中的典型電樹枝形貌、U3對應P∈45%，65%的試樣中的典型電樹枝形貌、U4對應P∈45%，25%的試樣中的典型電樹枝形貌。+25℃下的電樹枝有五種典型形貌：枝狀、叢林狀、松枝狀、藤枝狀和混合狀，而觀察表1發現：+25℃下的U1、U2，0℃、-10、-20℃時的U1對應的典型電樹枝形貌均為較為清晰的叢狀，而-30℃時U1對應的叢狀電樹枝尺寸明顯小于前兩個溫度，同時觀察-40℃和-50℃下全部采樣圖發現只有極個別樣品出現叢狀電樹枝，這一現象表明低溫條件下叢狀電樹枝不易產生。觀察實驗獲取的全部圖片并結合表1，發現-40℃和-50℃時無論電壓等級的高低，最常見的兩種典型形貌分別為樹枝狀和樹枝-松枝狀。+25℃和0℃時電樹枝各個分枝都相對清晰分明，從-10℃開始低溫環境下不同溫度下的各枝干都趨于呈現“纖細狀”，-50℃時最為明顯，這表明低溫下形成電樹枝枝干的過程中需要的能量比+25℃時少，且溫度越低越明顯。

+25℃、0℃和-10℃時無論何種形貌的電樹枝由于針尖處的高場強其生長的起始位置均為針尖處，而-20℃時U1、U3、U4和-30℃時的U1、U2、U3對應的典型電樹枝形貌中電樹枝的起始位置到針尖有一小段的距離，而溫度更低時這種現象有減弱的趨勢，推測原因認為是由于空間電荷的注入削弱了針尖電極尖端處的電場強度，而溫度更低時空間電荷對針尖電場強度的削弱有一定程度的減小。與+25℃時不同，-30℃時U3、U4對應的典型電樹枝形貌和-40℃的4張圖，包括-50℃的U1、U2、U3對應的典型電樹枝形貌中都出現了電樹枝在針尖側面產生的現象，結合全部采樣圖發現這種現象隨著溫度的降低出現的概率增大，究其原因發現，試樣中針電極的插入在高溫下進行而后在室溫環境下自然冷卻，如此制作而成的試樣存在弱機械應力，然而實驗溫度為低溫環境下-30℃、-40℃和-50℃，這種情況下交聯聚乙烯產生的收縮應力大于金屬針尖的收縮應力，則形成的強抱緊力可能在針尖的側面形成極其細小的微裂紋，從而出現低溫下電樹枝在針尖側面產生的現象。

3 結 論

本文通過0～-50℃范圍內的交聯聚乙烯材料中電樹枝引發和生長實驗，可以得出以下結論：

1）隨著溫度的降低，電樹枝引發率與電壓的相關性減小；低溫環境下，電樹枝50%起始電壓比+25℃時高得多，且溫度越低其增加幅度越小。

2）與+25℃時相比，低溫下的電樹枝長度和生長速度都顯著減小，這表明低溫環境能夠抑制電樹枝的生長，且溫度越低越明顯。

3）低溫下的電樹枝存在兩種典型形貌，且由于空間電荷和機械收縮應力的共同作用電樹枝易在針尖的側面產生，或電樹枝起始位置到針尖有一小段的距離。

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