浅谈电力电缆中的电树枝

浅谈电力电缆中的电树枝

摘要：电线电缆中的电树枝研究一直受到广大学者的关注，具有极高的实际应用价值和研究价值。文章综合了近几年对电树枝研究的相关文献，对电树枝的影响因素，电树枝产生机理及量化模型进行了评述，并对未来的研究指出了方向。

关键词：电树枝；电力电缆；量化模型

1 电树枝

1.1 电树枝现象

电树枝是指电介质在局部强电场作用下，内部热分解，逐步老化、击穿而形成一簇放电通道的现象。在聚合物中，这种击穿现象最后形成类似于树枝状放电破坏通道，因此得名为树枝化击穿。

对电树枝的引发过程，一般采用电树枝引发时间、电树枝引发率、50%电树枝引发电压等参数进行表征，而在电树枝的生长过程中，最重要的是它的生长特性，即在电压、温度、频率等外施条件发生变化时，电树枝随时间的变化过程，因此对电树枝生长过程进行描述时，一般采用电树枝生长率或电树枝长度来表征不同条件下电树枝化对绝缘材料的破坏程度。

1.2 电树枝的分类

根据形状可将电树枝分为枝状、丛林状、松枝状、藤枝状和局部丛林-枝状混合型电树枝。

另外，按通道的导电性可将电树枝分为导电型和非导电型两类。分类的依据由两个特点确定：第一是有基体内部放电；第二为树枝色度。各种类型的电树，其导电强弱不同，相应的形成机理也不尽相同。

2 影响电树枝引发的因素

2.1 电树枝引发与电极系统的关系

文献[3]研究表明试验所用的电极材料与结构、针尖的曲率半径、试样的制备都直接影响着电树枝的引发和生长。

目前研究电树枝化过程主要是使用针—板电极系统。通过利用针—板电极在聚合物材料内施加电压来模拟电力电缆中的电树老化，但针—板电极系统与真实电缆中的电场分布存在较大差异，未能很好地模拟出运行中的电缆电场分布。

另一种测试方法为短电缆电极系统，能得到与针—板电极系统类似的实验结

果。从树枝形态上看，可以观测到，在相同的电压条件下，针—板电极系统所得到的电树枝的稠密程度要明显大于短电缆电极系统，尤其是在外施电压比较低的时候。另外针—板电极系统中局部放电的起始时间明显短于短电缆模型。

2.2 电极功函数对电树枝引发的影响

文献[4]研究表明电极功函数对电树枝引发有明显影响，用不同的金属材料制成针电极，在交流电压下，随电极功函数的增加，试样的50%电树枝引发电压也增加。

电子发射功函数的增加导致电树枝的引发电压提高，因此认为来自电极的电子与聚合物的电树枝引发有关。

2.3 电树枝引发的极性效应

①交流、半波、直流电压对电树枝起始特性的影响。文献[5]选用不同的电场类型进行测试，得出电树枝引发特性与电压波形有关。随着电压波形由交流、半波到直流变化，试样的50%电树枝引发电压依次明显升高。可见，电树枝引发存在明显的极性效应。同时，温度对电树枝起始电压也有显著影响，在交流电压下，77K时的引发电压是室温下的6倍。

②交流叠加冲击电压作用下，电树枝起始特性。运行中的电缆不仅要承受交流电压，还要承受各种冲击电压，而这些电压是叠加在运行电压上的，使聚合物绝缘承受更高的各种暂态过电压，加速绝缘老化，最终导致绝缘劣化。测试结果表明当施加较低交流电压时，对电树枝起始电压几乎无影响；只有当施加的交流电压达到一定的幅值时，电树枝起始电压反而随着交流电压的增大而下降。在直流叠加试验中，发现只有两者叠加的极性相同时，击穿强度略有增加；叠加方向相反时，击穿强度减小。文献[7]认为这是由于决定绝缘击穿强度的主要因素是空间电荷，直流叠加使得电极附近的局部场强有所改变。

2.4 接地电树枝

在聚乙烯试样上施加一定直流电压，加压过程中没有出现电树枝，而在加压后，将试样迅速接地，却出现了电树枝。

接地实验结果表明，直流接地电树枝起始电压比相同条件下的直流电树枝起始电压低；随着施加直流电压的提高，电树枝引发率提高；直流短路电树枝引发率和直流电压衰减时间有关，衰减越慢，引发率越低。

2.5 聚合物预处理对电树枝引发的影响

2.5.1 残存机械应力的影响

文献[8]研究表明机械应力和电压频率对电缆绝缘中电树枝起始特性、生长

特性及电树枝结构的影响。研究发现，与不含应力试样相比，含有机械应力的XLPE试样中电树枝的引发时间短，生长速度快。在聚合物中存在着结晶相和无定形相，两相在相互转移的过程中会在边界产生内应力，进而生成微孔等缺陷，而这些微孔在交流电场中要承受大部分场强，极易出现反复放电，电腐蚀。可见，电缆内部残存的机械应力对电树老化形成有显著影响。

2.5.2 熔点对电树枝起始电压的影响

一般认为电树枝起始电压与晶层厚度密切相关，通过改变冷却速度和重结晶时间可以影响电树枝的起始特性。聚乙烯材料的熔点随冷却速度减小而升高，电树枝起始电压也提高。材料的热稳定性和电树枝起始电压有一定的关联。

实际应用中，发现处于高压电缆绝缘内外侧的电树枝生长特性有着较大差异。文献[9]研究发现，电缆绝缘内外侧聚集态存在巨大差异：内侧有大晶块存在且不均匀，而外侧绝缘中的小晶块十分均匀。不均匀结晶与大晶块是导致藤枝状电树枝迅速发展的主要原因之一。控制聚合物的结晶度与球晶尺寸，是从基体结构上限制电树枝产生和发展的基点。

2.6 纳米聚合物中电树枝

据报道在聚合物中加入少量的纳米粒子能显著提高其介电性能。纳米电介质研究方面集中于介电强度、局部放电性能、电老化性能以及真空沿面闪络性能等方面。一般认为，微量或少量的纳米掺杂是有利于提高介电性能，如冯军强等发现添加剂含量为10-4的纳米Ag粒子可以使聚乙烯醇（PV A）的常温介电强度提高2倍；樊友兵确认了纳米氧化物添加剂对聚合物击穿强度的正面影响。可见，纳米添加对提高基体材料的各种介电性能有着显著改善，特别是在击穿强度方面往往有着成倍数的提高，能够有效的延缓电树枝老化过程。然而，纳米复合材料也存在多种困扰，比如，复合材料的稳定性，可重复性。由于纳米材料的特性，其在基体中的分散均匀度始终是一棘手问题，且纳米粒子与基体材料之间的界面效应也未能得到系统的阐述。

3 电树枝的量化模型

目前电树枝量化模型主要有Ding等人提出的电树枝碎片丛模型。研究者认为电介质在外电场下作用下逐渐形成离散的微电树枝区，各个微区之间相互作用、贯通，并与电树枝主通道相互作用，相联促成电树枝的生长。在此基础得到电树枝的生长公式：

从式（1）可见电树枝的长度正比于t。通过对电老化的定量化，使得对老化机理有了进一步的理解，但影响电树枝的因素众多，定量模型仍然存在一定的局限性。

4 结语