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環(huán)氧樹脂是含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子聚合物總稱，因其具有高透明度、強(qiáng)耐腐蝕性和高介電性能等特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂在電工行業(yè)成為產(chǎn)量最大、使用最廣的一種絕緣材料。基于其良好的化學(xué)相容性，優(yōu)異的絕緣性和黏結(jié)性，環(huán)氧樹脂被廣泛應(yīng)用于支撐絕緣子、電磁線浸漬及灌封、膠浸紙?zhí)坠?、電子產(chǎn)品封裝、電纜終端等電氣設(shè)備。隨著電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的改變電壓等級(jí)、容量和集成度的提升，對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。

電樹枝劣化是絕緣件整體擊穿的前兆，一般指因絕緣件在制造過(guò)程中混入的雜質(zhì)、氣泡等缺陷在外施電場(chǎng)作用下形成注入電荷、極化電荷和離子化電荷產(chǎn)生的局域強(qiáng)電場(chǎng)所引發(fā)的局部放電現(xiàn)象，因切斷分子鏈析出碳元素而形成的樹枝狀碳化通道。

研究者發(fā)現(xiàn)，引起電氣設(shè)備絕緣擊穿有兩種現(xiàn)象：一種是沿聚合物表面發(fā)生的電痕擊穿現(xiàn)象；另一種是在聚合物絕緣內(nèi)部發(fā)生的體擊穿現(xiàn)象，早期稱之為內(nèi)部電痕后則改稱為電樹枝現(xiàn)象，電樹枝擊穿是電氣設(shè)備常見(jiàn)的一種絕緣破壞現(xiàn)象。

電樹枝劣化現(xiàn)象是包括電荷集聚-遷移、局域場(chǎng)形成、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)分解、電致發(fā)光、局部高溫等在內(nèi)的綜合過(guò)程。普遍認(rèn)為，電樹枝的生長(zhǎng)與絕緣體中載流子遷移行為及其局域場(chǎng)形成密切相關(guān)，聚合物分子鏈的斷裂與自由基的形成是電樹枝引發(fā)的標(biāo)志。

近年來(lái)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外電氣設(shè)備事故統(tǒng)計(jì)，環(huán)氧樹脂絕緣部件的電樹枝擊穿事故頻發(fā)。2014年，某變電站發(fā)生環(huán)氧澆注盆式絕緣子破壞故障；2016年，某變電站氣體絕緣開關(guān)（Gas Insulated Switchgear, GIS）終端環(huán)氧套管發(fā)生炸裂破壞；2016年9月，某換流站500kV氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated transmission Line, GIL）三支柱絕緣子發(fā)生炸裂擊穿。事故調(diào)查認(rèn)為，復(fù)雜運(yùn)行工況是引發(fā)電樹枝劣化，導(dǎo)致環(huán)氧絕緣件擊穿故障的主要原因。

與交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、硅橡膠等材料相比，環(huán)氧樹脂脆性大、應(yīng)力集中、吸水性強(qiáng)等特點(diǎn)也使其電樹枝劣化影響因素更加復(fù)雜。環(huán)氧樹脂絕緣電樹枝擊穿現(xiàn)象嚴(yán)重威脅電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性和電力系統(tǒng)安全，急需深入探討電樹枝劣化引發(fā)機(jī)理和抑制方法。

天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院的研究人員針對(duì)目前環(huán)氧樹脂電樹枝劣化引起的絕緣破壞問(wèn)題，圍繞電樹枝生長(zhǎng)機(jī)理與抑制方法展開研究?？偨Y(jié)了電樹枝的引發(fā)機(jī)理，以便從物理和化學(xué)角度更好地理解絕緣劣化過(guò)程。考慮環(huán)氧樹脂絕緣材料的復(fù)合電場(chǎng)、溫度梯度、機(jī)械應(yīng)力和潮濕環(huán)境等運(yùn)行工況，討論了電樹枝的影響因素和抑制方法，介紹了制造工藝調(diào)控、無(wú)機(jī)摻雜、絕緣自修復(fù)材料對(duì)電樹枝的抑制研究。

基于以上分析，他們對(duì)未來(lái)環(huán)氧樹脂電樹枝生長(zhǎng)與抑制研究進(jìn)行如下展望。

1）在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程方面，目前電樹枝和空間電荷測(cè)試分別進(jìn)行，需要改進(jìn)環(huán)氧樹脂的電樹枝與空間電荷關(guān)聯(lián)的測(cè)量技術(shù)，在電樹枝生長(zhǎng)過(guò)程中觀察絕緣材料的空間電荷行為，揭示絕緣劣化與擊穿的微觀變化規(guī)律與機(jī)理。另外，電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，高電場(chǎng)、高溫、機(jī)械應(yīng)力等運(yùn)行工況影響絕緣介質(zhì)空間電荷和電樹枝劣化行為。準(zhǔn)確測(cè)量電-機(jī)-熱多場(chǎng)共同作用下空間電荷行為才能全面深入揭示電樹枝的生長(zhǎng)機(jī)理與抑制方法。

2）在電樹枝抑制研究方面，工藝調(diào)控、無(wú)機(jī)摻雜、自修復(fù)材料等改性材料取得了一些成就。然而，研究多集中于環(huán)氧樹脂的電氣性能，缺乏其整體性能及抑制方法的長(zhǎng)期有效性研究。同時(shí)，在多物理場(chǎng)的情況下，改性絕緣材料與抑制電樹枝效果的報(bào)道不多。未來(lái)仍需從改性材料的長(zhǎng)期協(xié)調(diào)特性、電氣設(shè)備的運(yùn)行工況出發(fā)，進(jìn)一步探索更長(zhǎng)效、簡(jiǎn)易、可工業(yè)化的電樹枝抑制方法。

3）在環(huán)氧絕緣件制造與實(shí)際應(yīng)用方面，應(yīng)盡量避免氣隙、雜質(zhì)等缺陷的形成、設(shè)備的不正確安裝、水分的侵入等引發(fā)局部放電、加速電樹枝劣化的行為，緩解其局部電場(chǎng)、應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而保障電氣設(shè)備絕緣件的絕緣可靠性。另外，開發(fā)具有高靈敏度的潛伏性缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確診斷電樹枝生長(zhǎng)過(guò)程中的局部放電特性，是保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“環(huán)氧樹脂絕緣電樹枝劣化研究進(jìn)展”，作者為杜伯學(xué)、張瑩 等。第一作者為杜伯學(xué)，1961年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)絕緣材料、電氣絕緣在線監(jiān)測(cè)、高電壓新技術(shù)等。通訊作者為孔曉曉，1993年生，博士，助理研究員，研究方向?yàn)榄h(huán)氧樹脂絕緣材料、高壓套管絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金的資助。