摘要：近年来，为了满足大功率输电的需求，高压输电系统获得了快速发展。高温超导（HTS）电缆作为下一代电力传输介质，由于其具有传输容量大、损耗小，以及在液氮温度（77K）环境下电流密度高等优点，在国内外输电系统中得到广泛应用。电缆终端作为高温超导电缆系统的基本结构单元，用于连接低温超导电力电缆与常温发电机或变压器，使得终端附件的工作温度范围为77-300K。含环氧套管结构的终端应力锥是高压电缆输电线路的关键部件，其性能与输电线路的安全运行有直接关系。环氧树脂具有成本低、粘附力强、固化方便、化学性能稳定以及电性能优良的特点，与液氮、氮气一起构成HTS电缆终端的复合绝缘系统，因此环氧树脂绝缘附件必须承受低温的极端环境。基于此，本文主要对环氧树脂在低温环境下的电树枝生长特性进行分析探讨。
关键词：环氧树脂；低温环境；电树枝；生长特性
前言
绝缘材料的老化是高温超导电缆线路安全运行的重要影响因素，主要包括电老化和热老化2种形式，而由电树枝引起的电老化是常见的老化形式。电缆终端在制造过程中，可能会在环氧树脂绝缘材料内部引入气泡和杂质等其他形式缺陷，造成局部电场集中，引起局部放电和电荷注入，进而导致电树枝通道的形成。在强电场的持续作用下，电树枝快速发展，最终导致绝缘击穿，严重威胁到高温超导电缆输电系统的安全稳定运行。电树枝结构与施加电压有关，倒闸操作、雷击、电流冲击等情况均会使电缆终端面临脉冲电压的冲击，因此研究环氧树脂在低温环境以及脉冲电压下的电树枝生长特性具有重要的意义。
1、试样制备和实验装置
1.1环氧树脂试样制备
本实验中使用的是天津燕海化学有限公司生产的高活性和低粘度液体双酚ACHY-511型），固化剂为聚酞胺树脂（HY-651型）。首先取适量环氧树脂与固化剂以3：1的质量化倒入烧杯中混合，用磁力搅拌器匀速搅拌该混合物20min，使其混合均匀；然后将混合液体在真空箱内抽真空2h，以去除内部空气和水分；完成上述过程后，将未固化环氧液体浇注于定制的模具中，为了模拟环氧套管内部的实际缺陷，金属针被提前插入到模具中形成针一板电极结构；最后，将试样放置于烘干箱内，在100℃温度下固化1440min（24h）。为了使观察到的电树枝图像更清晰，将试样固定在2片透明玻璃之间。金属针的半径为300μm，针尖曲率半径和针间夹角分别为3μm和30°，针尖与试样底部距离设置为2mm。环氧试样成形后尺寸为15mmx20mmx2mm（长x高x宽）。实验之前，将厚度为100μm的铝箔贴附在试样底部以使其与地电极接触紧密。
图 1，电树枝实验平台 图 2 脉冲电压波形图
1.2实验装置与实验方法
电树枝生长实验装置如图1所示。实验装置主要由高压脉冲电源、温度控制系统和数字显微镜成像系统组成。试样固定在针一板电极之间，然后放置于恒温箱内以保持实验温度。温控系统通过调节液氮的流量，保证恒温箱内部温度在室温至液氮温度范围内变化。本文定义室温为30℃。实验温度分别为30、-30、-60、-90、-120和-196℃，模拟超导电缆终端的工作温度，实验过程中，恒温箱内的温度以10℃/min的速度下降。数字显微镜成像系统包括光学显微镜（SDK-2000）和配套PC，用于拍摄电树枝的图像，并对电树枝的起始、发展过程以及树枝形态进行分析。脉冲电压的波形如图2所示。脉冲的上升和下降时间分别为100和120μs。本实验施加的脉冲电压为正极性脉冲，其幅值为10、12和14kV，频率为300、400和500Hz。为了保证实验的准确性，每组实验选用20个试样进行观测。
2、实验结果及分析
2.1电树枝典型形态
温度的不同会对环氧树脂内部的局部放电产生影响，因此产生的电树枝形态也会出现较大差异。在施加电压期间，针尖处的集中电场导致材料内部发生局部放电现象。局部放电过程中将会伴随能量的释放，致使高能电子不断注入到环氧内部，分子链被打破，产生电树枝通道，同时聚合物分子的裂解会在树枝通道留下碳化产物。在较高的温度下，环氧内部的氧（由电缆终端制造时引入和聚合物裂解产生）为气态，在此状态下容易与碳化产物反应，因此较少的碳留在通道内，致使电树枝呈现较浅的颜色。当温度低于氧的液化温度时，氧气被液化，且温度降低，分子活性随之降低，不利于氧化反应的进行，随着局部放电的产生，聚合物分子不断裂解，较多的黑色碳化产物使树枝通道颜色加深环氧树脂在-90、-120℃下被施加高电压时，其内部会出现树枝一松枝状电树。在电树枝生长初始阶段，树枝为“纤细树枝状”，分枝较为明显；继续施加脉冲电压，局部放电不断进行，聚合物分子经过裂解气化，产生高压气体，并积累热量，形成较高的温度和气压，电树枝沿电场方向发展，树枝长度变长，高温和高压导致新枝干上出现许多小树枝，形状为“松枝状”，从而形成树枝一松枝状的双结构形态。
2.2低温对电树枝生长速度的影响
随着温度的降低，电树枝生长速度明显减小，说明低温能够抑制电树枝的生长，这对超导电缆线路的运行是有利的。此外，2种电压幅值下的电树枝生长趋势相似。电树枝生长趋势与电树枝形态有关，当温度>-60℃时，电树枝在初始阶段迅速生长，直到树枝接近地电极（电树枝长约1600mm），此后电树枝以极慢的速度生长；当温度<-90℃时，电树枝生长呈现相反的趋势，电树枝在加压前60min内，生长速度较慢，随后电树枝生长呈较快的增长趋势。以上现象可以归结为树枝通道碳化物的影响。温度较高时，通道内残留碳化物较少，电树枝导电能力较差。电树枝越长，其树枝尖端的电场越小，局部放电越不明显，因此在电树枝生长达到一定长度时，生长速度开始变慢，直至击穿。当温度<-90℃、电压施加一定长的时间后，电树枝通道由于含有大量的碳化物，呈现导电状态，树枝尖端相当于新的针尖。针尖最大电场强度的计算式为
式中：U为电极两端电压幅值；R为针尖与地电极之间的距离；r为针尖的曲率半径。导电通道的存在使R由针尖与地电极的距离减小为树尖与地电极的距离，E随之增大。电场的增强有助于产生更激烈的局部放电，电树枝生长加快。同时环氧内部产生的高温和高压也能促进电树通道的延伸，因此电树枝在后期以极快的速度增长。
图 3 不同温度下扩展系数与生长时间的关系
2.3低温对电树枝扩展系数的影响
扩展系数为电树枝沿垂直电场方向的最大长度（D）与平行电场方向的最大长度（（L）的比值。电压为14kV，400Hz时，不同温度下的电树枝扩展系数如图3所示。室温时，电树枝的扩展系数在1.1-1.2之间，电树枝向地电极发展的同时，沿垂直电场方向迅速延伸，其速度甚至大于平行电场方向的速度。与室温相比，电树枝在低温下的扩展系数<1.0。其中在-30、-60℃时，扩展系数在0.7-0.8之间，电树枝主要沿电场向地电极发展；而在-90、-120，-196℃环境下，该值范围为0.9-1.0，说明电树枝沿2个方向延伸的速度相差不大。
3、结论
1）在室温和不同的低温环境下，环氧树脂内部长出的电树枝形态有较大差别；与室温相比，低温能够抑制电树枝的生长速度，温度越低，电树枝生长越慢；然而温度的降低使得电树枝老化产生的劣化区域增大，表明低温下电树枝的产生将会对超导电缆附件产生更严重的损坏。
2）脉冲电压的频率和幅值的增加都会促进电树枝的生长，对环氧树脂造成更大的破坏。
参考文献：
[1]王旗.微/纳米氧化铝对环氧树脂导热和电气性能的影响研究[D].上海交通大学2013.
[2]曾柏顺，饶保林，韦衍乐，等.干式变压器用高导热抗开裂环氧浇注料田.绝缘材料2013（2）：7-10.
论文作者:1方强,2李冰峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：树枝论文; 生长论文; 温度论文; 环氧树脂论文; 电场论文; 低温论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第29期论文;