低頻電壓下XLPE電樹枝生長及局部放電特性

劉云鵬，尹子澳，劉賀晨，林浩凡，劉 黎，趙家瑩

（1. 華北電力大學 河北省綠色高效電工新材料與設備重點試驗室，河北 保定 071003；2. 華北電力大學 新能源電力系統國家重點試驗室，北京 102206；3. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310007）

0 引 言

柔性低頻交流輸電技術是一種基于電壓源型換流器的新型交流輸電技術，其兼顧了工頻輸電與直流輸電的優點，是交、直流輸電技術的有益補充，對海上風電送出、海島互聯、城市電網的發展等具有重要意義[1-2]。“分頻輸電”技術由我國王錫凡院士于20世紀90年代首次提出[3]，經過國內外學者30余年的深入研究，2021年，世界首個20 Hz柔性低頻輸電工程落點浙江杭州。低頻電纜作為柔性低頻輸電系統中的關鍵輸變電設備之一，其絕緣介質在低頻環境中的絕緣特性對電纜的設計和運行維護至關重要。目前，針對電纜主要絕緣材料XLPE 在低頻電壓下的絕緣特性缺乏深入研究。因此，探究XLPE 在低頻電壓下的電樹枝生長及局部放電特性對確保低頻電纜的安全穩定運行具有重要意義。

國內外學者對聚合物的電樹枝生長和局部放電特性等方面開展了大量研究，并取得了諸多研究成果[4-13]。陳向榮等[14-16]研究指出不同溫度與電壓穩定劑對XLPE 電樹枝生長和局部放電有顯著影響。劉賀晨等[17-18]對直流疊加交流時XLPE 電樹枝生長與局部放電特性開展了深入研究，指出當直流電纜中含有交流分量時會對其絕緣造成威脅。周遠翔等[19]研究了硅橡膠電樹枝分形維數等老化特征與局部放電量和放電次數等特征的對應關系。N A AWANG 等[20]對添加有機蒙脫土的硅橡膠電樹枝生長和局部放電特性開展了研究，結果表明納米復合材料的添加可以有效抑制電樹枝生長階段的局部放電。

在柔性低頻輸電系統中，電纜運行于20 Hz 的低頻電壓下，XLPE 作為其主要絕緣材料，頻率的降低將對XLPE 的絕緣特性造成影響。已有學者研究了不同頻率下電纜絕緣的電樹枝老化特性。周遠翔等[21]分析了XLPE 在50 Hz～90 kHz 下電樹枝的生長特性，指出電樹枝的起始形態與頻率密切相關。聶瓊等[22-23]在頻率為50 Hz～130 kHz 的電壓作用下對硅橡膠電樹枝的引發特性進行了分析，結果表明電樹枝的起樹電壓隨頻率的升高而降低。鮑明暉等[24]研究了高頻電壓下XLPE 電樹枝的形態特性，提出純藤枝狀電樹枝只在高頻電壓下出現。以上研究都是針對頻率為50 Hz 及以上的電壓作用下絕緣材料電樹枝的生長特性進行的探討，但對低頻20 Hz電壓下XLPE絕緣特性的研究還鮮有報道，對20～50 Hz 頻率段電壓作用下XLPE 電樹枝的生長規律和局部放電特性缺乏深入研究。

基于此，本研究搭建了頻率可控的XLPE 電樹枝-局部放電實時觀測采集平臺，利用針-板電極模擬低頻下電纜中的場強集中區域，獲得20、30、40、50 Hz頻率下XLPE電樹枝的引發電壓、生長過程及局部放電特征參量，描述電樹枝的形態特征，研究頻率對XLPE 電樹枝的引發、生長以及局部放電影響的規律，以期為低頻電纜運行維護與狀態評估提供基礎試驗支持。

1 試 驗

1.1 試樣制備

試驗所用原料為浙江萬馬公司生產的220 kV過氧化物交聯聚乙烯絕緣料，型號為WMY4201 EHV(YJ-220)。首先將盛有此原料的模具放置于平板硫化機上，升溫加壓至110℃、15 MPa以消除絕緣料中的氣泡，然后繼續升溫保壓至175℃、15 MPa，保持30 min 使絕緣料充分交聯，最后保持壓力不變，以7～9℃/min 的速率冷卻至室溫，得到尺寸為130 mm×20 mm×6 mm 的樣片。將此樣片放置于特制模具中，加熱至130℃保持5 min 使之軟化，以10 mm 等間隔插入10根針電極，恒溫保持5 min以減小插入過程中殘存的機械應力，然后以7～9℃/min的速率冷卻至室溫。在試樣底部粘貼銅箔以構成針-板電極，并在裸露的針電極處均勻涂抹熱熔膠以避免試驗過程中發生閃絡。試樣結構及針電極尺寸如圖1所示。

圖1 試樣結構及針電極示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen structure and needle electrodes

1.2 試驗系統

本試驗搭建了電樹枝生長和局部放電同步觀測系統，其結構如圖2 所示。為了防止沿面閃絡和增強觀測效果，將試樣固定于裝有二甲基硅油的玻璃容器中，使硅油沒過試樣1 cm 以上。通過20～50 Hz 變頻電源和無局部放電變壓器對試樣施加不同頻率的電壓，在加壓過程中，使用水平固定在試驗臺上的顯微鏡觀測系統電樹枝的引發和生長過程并進行記錄，通過保定賽瑞電力科技有限公司生產的SR-400 型局部放電特高頻檢測儀對局部放電信號進行采集，采用Labview 軟件對局部放電數據進行處理，試驗系統滿足IEC 60270-2015 的要求。試驗全程在屏蔽室內完成，以減少外界信號的干擾。

圖2 試驗觀測系統Fig.2 Experimental observation system

1.3 試驗方案

對XLPE 試樣分別施加頻率為20、30、40、50 Hz的電壓，采取逐級加壓法，從5 kV 開始加壓，升壓步長為1 kV，升壓速率為1 kV/s，每級電壓保持1 min，直至顯微鏡觀察到針尖有電樹枝引發或特高頻檢測儀檢測到明顯大于環境噪音的局放信號時停止加壓，記錄此時的電壓作為試樣電樹枝的引發電壓。

為了探究XLPE 在不同頻率下電樹枝的生長情況及局部放電特性，在不同頻率下分別施加有效值為14、16、18 kV 的電壓，恒壓觀測30 min。采用CCD 相機每1 s 對電樹枝形態進行一次采集。采用局放記錄系統每1 s對局部放電信號進行一次存儲。試驗溫度為（23±1）℃，為減小試驗誤差以保證結果的準確性，每種頻率下至少測試15組。

2 試驗結果

2.1 電樹枝引發特性

采用二參數威布爾分布對不同頻率下XLPE 試樣的起樹電壓數據進行概率統計分析，取63.2%對應的電壓為起樹電壓，結果如圖3 所示。由圖3 可知，20、30、40、50 Hz 下XLPE 的起樹電壓分別為15.46、15.07、14.90、14.81 kV。即XLPE 的起樹電壓在20～50 Hz 內隨頻率的下降略有升高，XLPE 在20 Hz時的起樹電壓比50 Hz時升高了約4.3%。

圖3 不同頻率下XLPE起樹電壓的二參數威布爾分布圖Fig.3 Two-parameter Weibull distribution of XLPE electrical tree initiation voltage at different frequencies

2.2 電樹枝生長特性

對XLPE 試樣在不同頻率下分別施加有效值為14、16、18 kV的電壓，試驗發現在3種電壓下電樹枝的形態差異不大，試驗結果具有相似性。以有效值為16 kV 電壓為例，分別在20、30、40、50 Hz 頻率下生長1、10、30 min 時的電樹枝形態如圖4 所示。由圖4 可知，在16 kV 電壓作用下，加壓1 min 時，隨著頻率的降低，XLPE 電樹枝通道顏色更淺，電樹枝通道更長更細，且分布更加分散，其中20 Hz 下與50 Hz 下的XLPE 電樹枝對比尤為明顯。加壓10 min時，XLPE 電樹枝生長范圍增大，其形貌均為叢狀，隨著頻率的降低，電樹枝的生長范圍更大，生長顏色更淺，叢狀電樹枝外圍存在更多分支，分布更加分散，損傷面積更大。加壓30 min 時，XLPE 電樹枝生長范圍在10 min 基礎上繼續擴大，其形貌同樣均為叢狀，且隨頻率變化表現出與10 min 時相同的特征。

圖4 不同頻率下生長1、10、30 min時的電樹枝形態Fig.4 Electrical tree morphology growing at different frequencies for 1, 10, and 30 min

本文采用電樹枝的長度和寬度描述其生長特性，將針尖軸線方向上電樹枝的最遠距離定義為電樹枝的長度，將垂直于軸線方向上電樹枝的最大距離定義為電樹枝的寬度。圖5 為不同頻率下XLPE電樹枝的長度與寬度隨時間的變化情況。由圖5可見，同一頻率下，XLPE 電樹枝的長度在加壓0～2 min 內保持較高速度的增長，隨后其增長速率有所減緩；而電樹枝的寬度在加壓0～4 min 內保持較高速度的增長，電樹枝長度保持高速生長的時間更短，且最終電樹枝長度小于寬度，形狀呈橢圓形。

圖5 不同頻率下XLPE電樹枝的長度與寬度隨時間的變化情況Fig.5 Variation of XLPE electrical tree length and width with time at different frequencies

對比不同頻率下XLPE 電樹枝生長情況可知，在20～50 Hz 范圍內，隨著頻率的降低，電樹枝長度和寬度的增長速率都更快。加壓30 min 時，50 Hz下XLPE 電樹枝的長度和寬度分別為0.91 mm 和1.20 mm；40 Hz 下電樹枝的長度和寬度分別為1.07 mm 和1.31 mm；30 Hz 下電樹枝的長度和寬度分別為1.11 mm 和1.46 mm；20 Hz 下電樹枝的長度和寬度分別為1.22 mm 和1.63 mm。低頻20 Hz 下的電樹枝長度和寬度增長最為明顯，分別比工頻50 Hz時增長了34.1%和35.8%。

2.3 電樹枝局部放電特性

伴隨著XLPE 電樹枝的生長，試驗實時記錄了不同頻率下局部放電的特征參量。局部放電相位分析圖譜（phase-resolved partial discharge，PRPD）是應用最廣的局部放電特征分析模式，展示了相位、放電量與放電次數之間的關系。圖6為電壓有效值為16 kV，分別在20、30、40、50 Hz 下采集30 min 時的PRPD 圖譜。圖7 為電樹枝生長30 min 時，不同頻率下放電相位和放電次數的關系圖。

圖6 不同頻率下電樹枝生長30 min時PRPD圖譜Fig.6 PRPD spectra after electrical tree growing for 30 min under different frequencies

圖7 不同頻率下電樹枝生長30 min時放電相位與放電次數的關系圖Fig.7 Relationship between discharge phase and discharge number after electrical tree growing for 30 min under different frequencies

由圖6 可知，在同一電壓下，正、負半周局部放電的圖形基本上是一致的，均類似于“翼形”，且放電量小的脈沖數多于放電量大的脈沖數。在不同頻率下，對比20、30、40、50 Hz 下XLPE 電樹枝局部放電的特征可以看出，隨著頻率的降低，相對放電量和脈沖放電次數均逐漸增大，在PRPD 圖譜中表現為更高更尖、顏色更深的“翼形”。表1 為不同頻率下電樹枝生長1、10、30 min 時的最大相對放電量。由表1 可知，30 min 時，最大相對放電量隨頻率的降低而增大，低頻20 Hz 時的最大相對放電量比工頻50 Hz 時增大了11.1%。表2 為不同頻率下電樹枝生長1、10、30 min 時的最大放電次數。由表2可知，最大放電次數也隨頻率的降低而增大。在30 min時，低頻20 Hz正極性時的最大放電次數比工頻50 Hz 時增大了159%，低頻20 Hz 負極性時的最大放電次數比工頻50 Hz時增大了118%。

表1 不同頻率下電樹枝生長1、10、30 min時的最大相對放電量Tab.1 Maximum relative discharge after electrical tree growing for 1, 10, 30 min under different frequencies

表2 不同頻率下電樹枝生長1、10、30 min時的最大放電次數Tab.2 The maximum discharges number after electrical tree growing for 1, 10, and 30 min under different frequencies

在放電相位方面，從圖7可以看出，不同頻率下放電相位分布基本重疊，正極性的放電相位集中在0°～105°和335°～360°，負極性的放電相位集中在155°～275°，放電主要分布在一、三象限，由于針尖有異號電荷的注入，發生強烈的電荷復合，進而產生局部放電。局部放電并未在電壓最大的90°和270°附近產生，表明XLPE 電樹枝內的局部放電是由外加電場和電樹枝內空間電荷構成的復合電場決定的[25]。

3 分析與討論

在交變電壓作用下，電荷由針尖向XLPE 介質內部反復注入和抽出，其攜帶的能量作用于介質，造成電致損傷[26]。在負半周時，獲得能量的電子從針尖注入介質傳導帶內，高速撞擊聚合物分子鏈，導致XLPE分子鏈斷裂；同時，注入的電子也可能與空穴復合，此過程伴隨著能量的釋放，這部分能量被傳導帶中的電子吸收形成熱電子，這些熱電子在交變電壓的作用下不斷高速撞擊材料分子鏈，造成XLPE分子鏈斷裂，其過程如圖8所示。

圖8 熱電子的作用過程Fig.8 Action process of a hot electron

在正半周時，空穴從針尖注入介質傳導帶內，可能與入陷的電子發生復合，此過程同樣伴隨著能量的釋放與熱電子的形成，與負極性時情況相同。考慮XLPE 結晶狀態對XLPE 電樹枝引發的影響，XLPE 介質內部分為結晶區和無定形區，由于無定形區XLPE 分子鏈排列相對分散，其化學鍵與機械強度相對較弱[27]。因此，在高能電子和熱電子的撞擊下，針尖附近無定形區的聚合物分子鏈最先斷裂，大量電荷聚集造成電場畸變繼而引發局部放電，放電通路得以發展，最終引發電樹枝。

在XLPE 電樹枝引發階段，外加電場的大小和方向隨頻率呈周期性變化，在20～50 Hz 范圍內，隨著頻率的降低，針尖交替注入和抽出電荷的頻率減慢。雖然針尖注入和抽出電荷的次數減少，但是仍應考慮空間電荷對電場的影響，由文獻[28]可知，頻率的降低提高了XLPE 內部空間電荷的密度，加深了電荷進入絕緣層的距離。因此，在20～50 Hz 范圍內，隨著頻率的降低，一方面，針尖交替注入和抽出電荷的次數減少，不利于電樹枝的引發，使得XLPE 電樹枝引發電壓略有升高。但另一方面，空間電荷進入更深的陷阱有利于正、負電荷復合，導致低密度區域的形成，同時電荷難以脫陷致使空間電荷在XLPE 內部積聚，短期來說能夠形成空間屏蔽層抑制電樹枝引發，但最終會引發電場畸變，促進電樹枝后續生長。

在XLPE 電樹枝生長階段，對電樹枝生長與局部放電特性進行分析，在XLPE電樹枝生長初期，其生長十分迅速，由圖4 和圖6 可知，電壓的頻率越低，局部放電的放電量和放電次數越多，XLPE 電樹枝通道的生長速度越快，與文獻[29]中對XLPE試樣施加高頻5.0～7.5 kHz 電壓時得到的結果一致。在XLPE 電樹枝生長一段時間后，電樹枝生長速度逐漸放緩，形成較均勻的叢狀。由圖4(b)～(c)和圖6可知，與電樹枝生長初期相似，電壓的頻率越低，局部放電的放電量和放電次數越多，電樹枝損傷面積越大，形成的叢狀越不均勻。低頻20 Hz 下與工頻50 Hz 下的電樹枝形態對比尤為明顯。低頻20 Hz下的叢狀電樹枝整體顏色較淺，且外圍有許多外延的分支，而工頻50 Hz 下的叢狀電樹枝整體顏色較深，外圍相對均勻，基本沒有外延的分支。由此可見，相對于工頻50 Hz，低頻20 Hz 下電樹枝生長過程中局部放電過程更加強烈，更加有利于電樹枝的生長。同時，低頻20 Hz 下的電樹枝外圍更加稀疏，樹枝間距較大，相互之間屏蔽作用更弱，使得電樹枝外圍電場強于電樹枝密集區域，經歷一段滯長期后，這些區域更容易形成枝狀電樹枝，引發絕緣擊穿。

4 結 論

（1）電樹枝引發階段，在20～50 Hz 的頻率范圍內，XLPE 電樹枝的起樹電壓隨電壓頻率的降低略有升高。XLPE 在20 Hz 時的起樹電壓比50 Hz 時升高了約4.3%。

（2）當電壓有效值為14～16 kV 時，在20～50 Hz的頻率范圍內，XLPE電樹枝的形狀為叢狀，且電壓頻率越低，電樹枝的生長速度越快，損傷面積越大。低頻20 Hz 下電樹枝的長度和寬度分別比50 Hz時增長了34.1%和35.8%。

（3）電樹枝生長階段，在20～50 Hz 的頻率范圍內，隨著頻率的降低，局部放電量和放電次數均逐漸增大，在PRPD 圖譜中表現為更高更尖、顏色更深的“翼形”。