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1、环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展简要：摘要 环氧树脂因具有优良的耐热性、机械强度、电气绝缘性能和良好的可加工性而广泛应用于电工装备绝缘的浇注、浸渍和封装等领域。该文根据国内外参考文献综合论述了由环氧树脂绝缘电摘要 环氧树脂因具有优良的耐热性、机械强度、电气绝缘性能和良好的可加工性而广泛应用于电工装备绝缘的浇注、浸渍和封装等领域。该文根据国内外参考文献综合论述了由环氧树脂绝缘电树枝劣化引起的绝缘击穿现象。基于环氧树脂空间电荷集聚与迁移、局域电场形成、紫外辐射和机械应力断链理论，阐述了环氧树脂电树枝引发机理和劣化过程。结合电气设备运行工况，介绍了叠加电场、温度梯度场、机械应力场和潮湿环境等因素对环氧
2、树脂电树枝劣化的影响规律，总结了多物理场作用下电树枝生长形貌特征与电荷输运行为的关联关系。从提高环氧树脂绝缘性能保障电气设备平安可靠运行角度，基于环氧绝缘工艺调控、无机掺杂、自修复材料等方面介绍了电树枝的抑制方法，基于分子构型、微观结构、宏观现象总结了电树枝的抑制机理。根据环氧树脂电树枝生长和抑制方法的研究现状，在电树枝实验探究、抑制方法等方面提出了相关建议。关键词：环氧树脂 电树枝劣化 叠加电场 温度梯度 机械应力 绝缘击穿 抑制方法杜伯学; 张莹; 孔晓晓; 李进 电工技术学报2022-12-07环氧树脂是含有环氧基团的高分子聚合物总称，因其具有高透明度，强耐腐蚀性和高介电性能等特点，环氧
3、树脂在电气行业成为产量最大、使用最广的一种绝缘材料。基于其良好的化学相容性，优异的绝缘性和粘结性，环氧树脂被广泛应用于支撑绝缘子、电磁线浸渍及灌封、胶浸纸套管、电子产品封装、电缆终端等电气设备1-2。随着电气设备运行环境电压等级、容量和集成度的提升，对环氧树脂绝缘性能提出了更加严苛的要求和挑战3。电树枝劣化是绝缘件整体击穿的前兆，一般指因绝缘件在制造过程中混入的杂质、气泡等缺陷在外施电场作用下形成注入电荷、极化电荷和离子化电荷产生的局域强电场所引发的局部放电现象，因切断分子链析出碳元素而形成的树枝状碳化通道 4。研究者发现，引起电气设备绝缘击穿有两种现象，一种是沿聚合物外表发生的电痕击穿现象5
4、;另一种是在聚合物绝缘内部发生的体击穿现象，早期称之为内部电痕后那么改称为电树枝现象，电树枝击穿是电气设备常见的一种绝缘破坏现象6。电树枝劣化现象是包括电荷集聚-迁移、局域场形成、机械应力、化学分解、电致发光、局部高温等在内的综合过程。普遍认为，电树枝的生长与绝缘体中载流子迁移行为及其局域场形成密切相关，聚合物分子链的断裂与自由基的形成是电树枝引发的标志。近年，根据国内外电气设备事故统计，环氧树脂绝缘部件的电树枝击穿事故频发。2022 年，某变电站发生环氧浇注盆式绝缘子破坏故障;2022 年，某变电站 GIS 终端环氧套管发生炸裂破坏;2022 年 9 月，某换流站 500 kV GIL 三支
5、柱绝缘子发生炸裂击穿7-8。事故调查认为，复杂运行工况是引发电树枝劣化导致环氧绝缘件击穿故障的主要原因。与交联聚乙烯(XLPE)、硅橡胶等材料相比，环氧树脂脆性大、应力集中、吸水性强等特点也使其电树枝劣化影响因素更加复杂。环氧树脂绝缘电树枝击穿现象严重威胁电气设备运行可靠性和电力系统平安，急需深入探讨电树枝引发机理和抑制方法。本文结合电气设备运行工况环境，基于复合电场、温度梯度场、机械应力场和潮湿环境因素论述了环氧树脂电树枝的研究进展，总结了抑制电树枝的几种主要方法，即工艺调控、无机掺杂、自修复材料等，并论述了对电树枝研究的展望。1 电树枝引发机理 1.1 空间电荷集聚-迁移普遍认为，电树枝引
6、发与空间电荷动态行为密切相关。空间电荷的动态迁移行为可改变聚合物内部局域电场分布，影响局部放电概率，进而改变电树枝劣化进程。空间电荷的迁移过程与电压波形密切相关。在交流电压负半周期，注入电荷、极化电荷使得缺陷区、结晶区和非结晶区集聚的空间电荷处于某一稳定状态;当正半周期到来时，空间电荷迁移，正负电荷复合并向外辐射光子进而破坏聚合物分子结构，加速绝缘介质降解过程9。在直流电压下，注入的同极性电荷集聚在高压电极附近，在局部范围内均匀了电场，且无异极性电荷注入及复合过程，因此直流电场下电树枝较难引发。在脉冲电压下，当脉冲电压幅值较高时，针尖注入电荷数量多且能量较高，极易打断聚合物分子链，引发电树枝1
7、0。此外，介质极化在脉冲上升阶段得到加强，极化电荷在绝缘内部形成了局部电场，从而加速电树枝的产生。其脉冲上升速率同样改变空间电荷迁移过程，在施加脉冲电压瞬间，瞬时注入的空间电荷刺激入陷电荷脱陷11。因此，增大脉冲上升速率导致电荷迁移过程加速，从而局域电场迅速改变，局部放电频繁，电树枝劣化加速。温度是影响空间电荷集聚、迁移过程，形成局部电场的重要因素之一。在温度上升阶段，分子链排列结构动态变化，空间电荷迁移过程更加复杂4。在温度上升瞬间，分子链段来不及发生松弛运动，链间的势能不变，空间电荷迁移率较低。在分子链段发生相对位移时，链间的势能减小，空间电荷迁移率升高，局域电场发生改变。因此，温度上升速
8、率与电树枝的生长密切相关。此外，研究发现温度梯度下试样的电荷积累量大于高温样品的电荷积累量12。由于两电极温度的不同，低温侧集聚的空间电荷导致较强的电场畸变，将加剧电树枝劣化过程。1.2 局域电场构建理论由局部放电引起的电树枝现象与局域电场密切相关。空间电荷入陷、脱陷、复合过程释放能量并加速聚合物的降解，最终形成低密度区。随着分子链损伤的累积，低密度区产生缺陷，在外施电压作用下在缺陷处发生极化，产生极化电荷，电荷积累形成局域强场。因此，当局域电场强度超过此区域绝缘击穿临界值时，诱发局部放电，屡次局部放电可形成电树枝缺陷。电树枝缺陷周围极易发生局部放电，电树枝通道与分子结构、分子链密切相关，因此
9、呈现出一种类似树枝状结构。根据原子力显微镜-红外光谱技术对电树枝区域进行纳米级化学分析，证实由局部放电引起的化学键断裂可以导致电树枝的引发和生长13。1.3 紫外辐射断链理论近几十年来，许多研究人员针对聚合物的电致发光现象进行了比拟系统的研究，认为波长较短的紫外线是导致电树枝劣化的主要原因：交变电场负半周期集聚的空间电荷，将与电场正半周期注入的空穴复合并发射紫外光，其辐射能量导致分子链的断裂，产生缺陷，形成局域场，引发局部放电并形成电树枝;随着外施电场的增强，空间电荷注入量增加，费米能级和界限能级向带边移动，一些局域态从陷阱态变为正负电荷复合的中心，这将产生强度和能量更高的紫外光。紫外线辐射不
10、仅直接释放能量破坏分子链，而且会引起光降解链式反响10。图 1 所示为紫外线所引发的自由基降解链式反响：通常饱和聚烯烃(例如聚乙烯)不会吸收 300 nm 以上的光，然而聚合物绝缘材料在制造和加工时往往引入含有发色基团的物质，例如羰基、氢过氧化物、氧化钛残留物和副产物，可以被紫外线激发。激发的物质可以使碳碳键断裂并产生自由基 R;这些自由基将与聚合物自由体积中存在的氧分子发生反响，从而产生过氧自由基 ROO，进而夺取分子链中的氢，形成氢过氧化物 ROOH;同样作为基态三线态的氧将淬灭某些激发态，形成单线态氧 1O2;单线态氧具有强氧化性，攻击分子链并产生氢过氧化物，氢过氧化物可以形成烷氧自由基
11、 RO;烷氧自由基可直接或通过形成羰基 C=O 与其他聚合物分子反响生成自由基 R。因此，紫外辐射可引起自由基降解链式反响并导致聚合物绝缘材料的降解，加速电树枝的引发。1.4 机械应力断链理论早在 20 世纪 70 年代，有学者指出绝缘材料中电树枝的引发可能是麦克斯韦应力导致的机械破坏所引起，交流电压产生的麦克斯韦应力引起聚合物机械形变，当应力到达材料形变极限时，产生微孔，并最终开展成裂纹，从而引发局部放电并形成电树枝14。文献10指出机械应力 与电场 E 之间的关系为 = E 2，并计算了产生裂纹所需的电场。因此，机械应力对聚合物材料中的电树枝引发、生长有重要影响作用。机械应力改变绝缘介质分
12、子链排列结构、破坏化学键结构，进而对绝缘介质电荷输运及电树枝劣化过程产生影响4：拉伸形变较小时，聚合物内局部子链间距与自由体积均增大，分子链间势能减小，载流子迁移率增大;拉伸形变较大时，局局部子链开始断裂，极化电荷在断裂区域及其周围形成局域强场，局部放电概率增加，进而加速电树枝的产生。根据机械应力下分子动力学仿真结果，证实了拉伸应力使聚合物自由体积分数增大，内聚能密度降低，分子链更易被打破，因而对电树枝生长具有促进作用15。目前，电树枝引发机制的研究较多，但根本上局限于某种因素的影响，尚未有环氧树脂电树枝劣化统一的理论解释引发机理。因此，有必要全面深入地揭示电气设备环氧绝缘部件在运行工况下电树
13、枝引发与生长机理，提高对绝缘材料劣化机理的理解与认识，平安可靠使用并开发高介电性能的绝缘材料。2 电树枝的影响因素 2.1 叠加电场的影响电力系统在运行工况中，断路器、换流变压器、非线性电力电子器件等容易产生脉冲电压、谐波电压，其与直流电压耦合形成复合电压11。复杂工况下，环氧树脂内的空间电荷集聚、电荷输运过程与局域场分布更加复杂。为深入了解复合电场下电树枝的生长特性，国内外学者针对复合电场下电树枝的生长情况进行了广泛的研究。天津大学研究了环氧树脂在直流叠加脉冲电压作用下的电树枝生长特性，阐述了电树枝的生长机理16。在实验过程中，对样品施加了图 2 所示的直流叠加正极性脉冲电压。图 3 为加压
14、 70 min 时电树枝形态，在叠加同极性脉冲和异极性脉冲电压下，环氧树脂电树枝形态有较大差异。当叠加同极性脉冲时，在相同的加压时间内，电树枝长度随着直流电压幅值的增大而变大;异极性脉冲电压下，电树枝的长度和累积损伤随着电压幅值的增加而减小，且树枝通道颜色变浅。在直流叠加脉冲电压下，频率脉冲电场使得介质极化断续变化，随着直流电压幅值的增加，电树枝通道内集聚电荷增加，同极性脉冲电压作用促进极化电荷累加并提升了局域电场强度，进而提高了局部放电概率，加速电树枝的生长;异极性脉冲电压作用瞬间导致局域电场急剧下降，进而局部放电剧烈程度减弱，抑制电树枝的生长。从图 3 可以看出，直流叠加暂态脉冲电场下，电
15、树枝生长主要由介质极化产生的电荷形成的局域电场所决定，其中正负电荷复合放电能量对电树枝的影响占次要位置。直流叠加谐波电压作用于环氧树脂绝缘时，当谐波电压的幅值固定为 15 kV，随着谐波次数的增加，环氧树脂中电树枝长度先增加再减小，并在 3 次谐波下到达最大值17。随着直流电压幅值的增加，这一规律更加明显，如图 4 所示。随着谐波次数的增加，电场的周期性变化加速正负电荷复合过程，发射的紫外光辐射更多能量来打断分子链，因而电树枝长度增加;当谐波次数进一步增加，空间电荷数目增加并在绝缘内杂质附近集聚、气泡等缺陷附近，形成同极性空间电荷层，削弱外施电场的作用，进而减小局部放电概率，抑制电树枝的生长。2.2 温度梯度场的影响电气设备在实际运行中承受温度梯度分布的问题，由于导体内电流产生焦耳热，而外部为环境温度，所以在电气设备运行过程中，环氧树脂绝缘内部存在着连续分布的温度梯度9。目前，环氧树脂电缆终端工作温度为 5060 ，故障时可高达 150 18，因此，研究温度梯度对电树枝劣化的影响规律对于评定绝缘材料的介电性能意义重大。天津大学采用温度梯度试验平台研究了环氧树脂的电树枝生长特性，讨论了温度梯度下电荷输运行为与电树枝生长的关联关系19。温度梯度指接地侧和高压侧间的温差，加压 30 s 时电树枝长度如图 5 所示。可以看出，电树枝长度随温度梯度的增大呈现不断上升的趋势，一方面，
