韋 敏， 周魯川， 王柏森

（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋采油廠(chǎng)，山東 東營(yíng) 257000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著大陸架海域石油與天然氣開(kāi)采量的不斷增加，海洋資源開(kāi)發(fā)和空間利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，海洋工程已成為解決當(dāng)下能源危機(jī)的重要手段。其中，海洋石油與天然氣的開(kāi)發(fā)和利用對(duì)全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋石油資源約占全球石油資源總量的34%，而探明率只占到30%；分布于大陸架的油氣資源則約占全球海洋油氣資源的60%。在海洋油氣的開(kāi)采過(guò)程中，電力作為海上油氣平臺(tái)的主要?jiǎng)恿δ茉?，關(guān)系著海上平臺(tái)生產(chǎn)生活的順利進(jìn)行，其穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-2]。

由于海上平臺(tái)難以就近產(chǎn)生足夠的電力，大部分海上平臺(tái)需依賴(lài)陸地電網(wǎng)的電力輸送。而由于海上輸電難以實(shí)現(xiàn)架空線(xiàn)等方式，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電力安全輸送，海底電纜成為最有效的途徑。隨著絕緣材料技術(shù)的發(fā)展與電纜制造工藝水平的提升，海底電纜普遍采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為主要絕緣材料。由于海底電纜為典型的容性結(jié)構(gòu)，任何一處絕緣的破壞都將導(dǎo)致整個(gè)絕緣系統(tǒng)的失效，研究表明導(dǎo)致絕緣失效的主要原因?yàn)椴牧蟽?nèi)產(chǎn)生的電樹(shù)枝劣化[3-4]。

電樹(shù)枝劣化是指發(fā)生在絕緣內(nèi)部，由于放電形成的樹(shù)枝狀放電通道，其主要由電纜絕緣內(nèi)雜質(zhì)、電纜外力破壞、水樹(shù)枝缺陷等引發(fā)。電樹(shù)枝是一種發(fā)展較緩慢的絕緣劣化，其形成后將極大地威脅整個(gè)電纜系統(tǒng)的安全運(yùn)行[5]。溫度一直以來(lái)被認(rèn)為是影響電樹(shù)枝劣化的重要因素，溫度的升高會(huì)使XLPE內(nèi)電樹(shù)枝起始電壓降低并且會(huì)引發(fā)叢林狀電樹(shù)枝[6-7]，在較低的溫度下（<0℃），電樹(shù)枝的起始概率及生長(zhǎng)速率將隨著溫度的降低而減小[8]。而在實(shí)際的電纜運(yùn)行狀態(tài)下，其絕緣材料內(nèi)并非均一的恒定溫度場(chǎng)，而是存在由纜芯向外的徑向溫度梯度分布[9-10]，這一溫度梯度在直流電纜中將會(huì)極大影響絕緣內(nèi)電場(chǎng)分布，因此學(xué)者們對(duì)直流電纜絕緣在溫度梯度下的特性開(kāi)展了研究[11-13]。研究表明SiR材料鏈段松弛以及低密度區(qū)電荷密度上升會(huì)導(dǎo)致針尖溫度較高時(shí)電樹(shù)枝的起始概率升高，且更容易形成密集、短小的枝干結(jié)構(gòu)[14]；直流-沖擊復(fù)合電場(chǎng)及直流諧波復(fù)合電場(chǎng)下的XLPE內(nèi)電樹(shù)枝生長(zhǎng)特性均受溫度梯度影響而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)及生長(zhǎng)速率，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是不同溫度下的空間電荷動(dòng)態(tài)特性不同[15]。而交流電壓下的電場(chǎng)分布與材料的介電常數(shù)變化相關(guān)，因此溫度梯度也可能通過(guò)影響材料的介電常數(shù)而導(dǎo)致電場(chǎng)分布的差異，進(jìn)而影響材料中的電樹(shù)枝特性。已有研究發(fā)現(xiàn)在0～-196℃內(nèi)的溫度梯度會(huì)引起XLPE在不同溫區(qū)內(nèi)的電樹(shù)枝形態(tài)發(fā)生改變[16]，而更高溫度區(qū)間內(nèi)的交流電樹(shù)枝特性研究則較少。在海上平臺(tái)供電系統(tǒng)中，海底電纜外部為恒溫的海水，其內(nèi)部導(dǎo)體溫度則與電纜載流量呈正相關(guān)，由于平臺(tái)產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，電纜的載流量一般較大，使得電纜長(zhǎng)時(shí)間處于接近最大負(fù)荷狀態(tài)，從而使得其纜芯溫度與護(hù)套溫度存在較大差異，形成較大溫度梯度，這一溫度梯度將導(dǎo)致設(shè)計(jì)中均一的絕緣性能，例如介電常數(shù)、載流子遷移特性等發(fā)生改變，隨著絕緣各區(qū)域溫度的不同，對(duì)溫度極為敏感的電樹(shù)枝將在不同溫差下呈現(xiàn)出較大差異的生長(zhǎng)特性，而目前對(duì)于10 kV海底電纜絕緣在溫度梯度下的電樹(shù)枝特性研究較少。

本研究搭建大溫度梯度下的10 kV海底電纜XLPE絕緣電樹(shù)枝劣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得不同溫度梯度下交流電樹(shù)枝的生長(zhǎng)特性，分析其起始電壓、生長(zhǎng)速度、形態(tài)與擊穿概率等與溫度梯度的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合XLPE介電特性及聚集態(tài)特性的溫度相關(guān)性分析電樹(shù)枝生長(zhǎng)機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 電樹(shù)枝試樣制備及電極設(shè)置

選取10 kV海底電纜作為實(shí)驗(yàn)樣品。為清晰地觀(guān)測(cè)到電樹(shù)枝的生長(zhǎng)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將電纜進(jìn)行橫向切片，切片厚度為3 mm，切片后去除外部鉛封及銅屏蔽層。在電力電纜運(yùn)行過(guò)程中，電纜內(nèi)部存在的絕緣缺陷可能導(dǎo)致電樹(shù)枝的生成，其直接原因?yàn)閮?nèi)部缺陷導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變。為實(shí)現(xiàn)對(duì)于局部電場(chǎng)畸變的模擬，選用針電極作為高壓電極，試樣制作過(guò)程中將針電極由內(nèi)半導(dǎo)電層扎入XLPE絕緣層，針尖位置距離外半導(dǎo)電層2 mm，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針電極接高壓，外半導(dǎo)電層接地。

圖1 電纜切片試樣及電極設(shè)置Fig.1 Cable slice sample and electrode setting

依據(jù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[17]，XLPE絕緣電纜允許的短時(shí)最高運(yùn)行溫度約為90℃，而海水溫度約保持為4℃，因此設(shè)置高溫區(qū)溫度最高為90℃，考慮鉛封等作用，將絕緣外側(cè)的低溫區(qū)溫度設(shè)置為10℃。為防止高壓電源放電，實(shí)驗(yàn)中使用陶瓷加熱片進(jìn)行高溫區(qū)的加熱及溫度控制，控制誤差為±2℃，使用循環(huán)油浴實(shí)現(xiàn)低溫區(qū)的控制，油管為塑料管，溫度控制誤差為±2℃，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中整個(gè)試樣置于顯微鏡下，以冷光源及工業(yè)CCD同步開(kāi)展電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程的錄制。

1.2 溫度梯度設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度梯度的模擬，分別對(duì)針電極和地電極溫度實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持高溫區(qū)的溫度為30～90℃，間隔10℃，設(shè)置低溫區(qū)溫度為10℃，如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于針電極自身較高的熱導(dǎo)率，加熱5 min后針尖溫度可上升至與高溫區(qū)接近的溫度。因此，實(shí)驗(yàn)中首先分別對(duì)高低溫區(qū)加熱，使其溫度到達(dá)設(shè)定值，5 min后開(kāi)始對(duì)試樣加壓開(kāi)展電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性，每個(gè)溫度梯度下進(jìn)行15組電樹(shù)枝生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。

表1 溫度梯度設(shè)置Tab.1 Temperature gradient setting℃

1.3 電壓設(shè)置

試驗(yàn)電壓采用50 Hz工頻電壓，經(jīng)升壓器施加至針電極。在電樹(shù)枝起始電壓測(cè)試過(guò)程中，升壓速率設(shè)置為200 V/s，連續(xù)升壓至6 kV后以200 V梯度升壓，每個(gè)梯度升壓完成后等待30 s以觀(guān)測(cè)是否有電樹(shù)枝生成。當(dāng)在顯微鏡內(nèi)觀(guān)測(cè)到長(zhǎng)度大于20 μm的電樹(shù)枝通道時(shí)，認(rèn)為已有電樹(shù)枝生成，以此時(shí)的電壓作為電樹(shù)枝的起始電壓。

在電樹(shù)枝生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，將電壓升壓至8 kV，同步記錄電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程。為掌握不同溫度梯度下的電樹(shù)枝特征，記錄電樹(shù)枝產(chǎn)生后60 min時(shí)的電樹(shù)枝形態(tài)作為該溫度梯度下的典型樹(shù)枝形態(tài)。為分析XLPE在不同溫度梯度下的擊穿特性，以電樹(shù)枝產(chǎn)生后120 min時(shí)的擊穿概率作為擊穿特征參數(shù)。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 電導(dǎo)率測(cè)試

為分析不同溫度下XLPE的電導(dǎo)率特性，使用圖2所示的三電極系統(tǒng)測(cè)量不同溫度下XLPE切片的電導(dǎo)率，皮安表型號(hào)為Keysight B2981A。被測(cè)試樣直徑為8 mm，厚度為500 μm，測(cè)量過(guò)程中施加電場(chǎng)為3 kV/mm，溫度為0～90℃，溫度間隔為10 ℃。

圖2 電導(dǎo)率測(cè)試裝置Fig.2 Conductivity testing device

選取3 000 s時(shí)的穩(wěn)定電流數(shù)據(jù)作為電導(dǎo)率計(jì)算的依據(jù)，并依據(jù)公式（1）計(jì)算出不同溫度下XLPE的電導(dǎo)率。

式（1）中：U為施加電壓；I為測(cè)試電流；l為試樣厚度；r為測(cè)量電極半徑。

1.4.2 寬頻介電譜測(cè)試

為獲得不同溫度下XLPE的相對(duì)介電常數(shù)，采用NOVOCONTROL Concept 80型寬頻介電阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量10～90℃下XLPE的相對(duì)介電常數(shù)，頻率范圍為0.1 Hz～10 MHz。

1.4.3 差示掃描量熱測(cè)試

采用梅特勒-托利多822E型差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試電纜XLPE絕緣的結(jié)晶及熔融特性。測(cè)試樣品質(zhì)量為4.3 mg，溫度范圍為10～140℃，變溫速度設(shè)定為10℃/min。測(cè)試過(guò)程采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，流速為50 mL/min。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同溫度下XLPE材料特性

圖3為不同溫度下XLPE的電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)溫度由0℃升高至90℃時(shí)，XLPE的電導(dǎo)率呈現(xiàn)單調(diào)遞增特征，其數(shù)值跨度達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明高溫下XLPE內(nèi)會(huì)激發(fā)出更多的載流子，XLPE電導(dǎo)率的變化將影響溫度梯度下的電荷遷移特性。

圖3 不同溫度下XLPE的電導(dǎo)率Fig.3 Conductivity of XLPE at different temperatures

圖4為不同溫度下XLPE的相對(duì)介電常數(shù)。從圖4可以看出，在0.1 Hz～10 MHz內(nèi)，XLPE的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高而小幅增大，且在低頻段（10 Hz以下）增大趨勢(shì)較為明顯。該變化與高溫下增多的載流子在低頻下積聚所引發(fā)的電極極化及界面極化有關(guān)[18-19]。

圖4 不同溫度下XLPE的相對(duì)介電常數(shù)Fig.4 Relative permittivity of XLPE at different temperatures

圖5為不同溫度下XLPE的DSC測(cè)量結(jié)果。由圖5中熔融曲線(xiàn)可知，當(dāng)XLPE溫度升高至50℃時(shí)，XLPE的吸熱曲線(xiàn)開(kāi)始緩慢上升，在76℃時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)熔融峰，該峰值歸因于工廠(chǎng)脫氣工藝中形成的小尺寸晶粒的熔融[20]，當(dāng)溫度升高至105℃時(shí)出現(xiàn)最大峰值，這表明當(dāng)溫度逐漸升高到一定程度時(shí)，XLPE晶區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)較為劇烈的分子熱運(yùn)動(dòng)，分子熱運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)將逐漸破壞晶區(qū)的致密結(jié)構(gòu)。

圖5 DSC測(cè)量結(jié)果Fig.5 DSC test results

2.2 不同溫度梯度下的電樹(shù)枝起始特性

根據(jù)第1節(jié)中實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)展電樹(shù)枝起始特性研究，獲得不同溫度梯度下的電樹(shù)枝起始形態(tài)及起始電壓等特征。

2.2.1 電樹(shù)枝起始形態(tài)

不同溫度梯度下的電樹(shù)枝生長(zhǎng)60 s后的起始形態(tài)如圖6所示。

圖6 不同溫度梯度下的電樹(shù)枝起始形態(tài)Fig.6 Initial morphology of electrical tree under different temperature gradients

從圖6可以看出，XLPE電樹(shù)枝起始后60 s時(shí)刻的電樹(shù)枝形態(tài)具有明顯的差異。隨著溫度梯度的增大，起始電樹(shù)枝分枝數(shù)呈現(xiàn)明顯的增多趨勢(shì)，其分枝由最初的樹(shù)枝狀發(fā)展至多枝狀。導(dǎo)致這一形態(tài)變化的主要原因?yàn)椴煌瑴囟认耎LPE的結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生了改變。在溫度梯度為20℃和50℃時(shí)，電樹(shù)枝起始段均為樹(shù)枝狀，而隨著溫度梯度增大，晶區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)部分熔融，XLPE內(nèi)的絕緣薄弱區(qū)增多[6]，初始電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程中的新通道生成方向更加隨機(jī)，因此出現(xiàn)了圖6(c)所示的大量樹(shù)枝通道交錯(cuò)的現(xiàn)象。

2.2.2 電樹(shù)枝起始電壓

圖7為不同溫度梯度下的電樹(shù)枝起始電壓。從圖7可以看出，隨著溫度梯度的增大，電樹(shù)枝的起始電壓呈非線(xiàn)性變化特征。當(dāng)溫度梯度由20℃增大至40℃時(shí)，電樹(shù)枝起始電壓由7.2 kV升高至7.8 kV達(dá)到最高值。之后隨著溫度梯度的增大，電樹(shù)枝起始電壓開(kāi)始呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。在電樹(shù)枝起始機(jī)理中，電荷尤其是電子的注入與抽出是引發(fā)電樹(shù)枝的主要原因[21]。在交流電壓的負(fù)半周，大量電子由針電極注入XLPE內(nèi)，由于XLPE內(nèi)存在深陷阱，部分電子入陷進(jìn)而形成空間電荷，隨著外施電壓的極性變化，這些入陷的電子將在正半周電場(chǎng)的作用下獲得足夠能量從陷阱中脫出，并加速向針電極抽出。在注入-抽出過(guò)程中，具有較高動(dòng)能的電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷撞擊XLPE分子鏈，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂并在針尖附近產(chǎn)生低密度區(qū)。隨著低密度區(qū)的增大，外施高壓將在此區(qū)域產(chǎn)生局部放電進(jìn)而形成初始電樹(shù)枝，完成電樹(shù)枝的引起。電樹(shù)枝起始電壓的差異主要由針尖電場(chǎng)的改變及溫升導(dǎo)致的XLPE分子聚集態(tài)變化引發(fā)。由于不同溫度下XLPE的介電常數(shù)發(fā)生了變化，且在50 Hz頻率下的10～50℃溫度范圍內(nèi)略有升高，從而使得相同電壓下針尖處的電場(chǎng)隨溫度升高而略有降低，而由這一溫度區(qū)間內(nèi)的DSC曲線(xiàn)可知，分子鏈熱運(yùn)動(dòng)特性并未發(fā)生明顯改變，因此電場(chǎng)的降低成為導(dǎo)致電樹(shù)枝起始電壓升高的主要原因。隨著溫度的進(jìn)一步升高，XLPE分子鏈自身的熱運(yùn)動(dòng)逐漸成為影響電樹(shù)枝起始電壓變化的主要因素，在60～90℃溫度范圍內(nèi)，XLPE分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)逐漸加劇，且晶區(qū)開(kāi)始熔融[22]，在這一過(guò)程中自由體積將發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致在相同電場(chǎng)下電子獲得更高的加速度，使分子鏈更容易被破壞，這也是溫度梯度為50～80℃時(shí)電樹(shù)枝起始電壓降低的主要原因。

圖7 不同溫度梯度下的電樹(shù)枝起始電壓Fig.7 Initial voltage of electrical tree under different temperature gradients

由上述分析可知，在電樹(shù)枝起始的過(guò)程中，由于介電常數(shù)差異引起的電場(chǎng)分布不均與由于XLPE聚集態(tài)變化引起的自由體積變化共同影響了電樹(shù)枝的起始電壓特性，導(dǎo)致了其非線(xiàn)性變化特征。而在上述兩個(gè)原因中，聚集態(tài)變化是導(dǎo)致電樹(shù)枝起始電壓在高溫區(qū)減小的主要原因。

2.3 不同溫度梯度下的電樹(shù)枝生長(zhǎng)特性

2.3.1 電樹(shù)枝形態(tài)分布

在本研究中主要出現(xiàn)了3種電樹(shù)枝形態(tài)，分別為主干數(shù)量較少的藤枝狀電樹(shù)枝（如圖8(a)所示）、樹(shù)枝通道較細(xì)且較為密集的叢林狀電樹(shù)枝（如圖8(b)所示）及叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝（如圖8(c)所示）。其中藤枝狀電樹(shù)枝主要由幾個(gè)較少的藤狀主干構(gòu)成，各枝干間距離較遠(yuǎn)，未出現(xiàn)彼此重疊；而在叢林狀電樹(shù)枝中，無(wú)法區(qū)分主干，各通道彼此重疊形成濃密的樹(shù)枝區(qū)域；隨著溫度梯度的變化，某些電樹(shù)枝并不是單一結(jié)構(gòu)，很多溫度梯度下出現(xiàn)了幾種樹(shù)枝形態(tài)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，針尖附近為叢林狀，地電極附近為藤枝狀。

圖8 3種典型電樹(shù)枝形態(tài)Fig.8 Three typical electrical tree morphologies

隨著溫度梯度的變化，在60 min時(shí)刻試樣內(nèi)的電樹(shù)枝形態(tài)出現(xiàn)變化，3種電樹(shù)枝形態(tài)的占比隨溫度梯度的變化如表2所示。由表2可知，在溫度梯度為20℃、30℃時(shí)，試樣內(nèi)的電樹(shù)枝以藤枝狀為主，占比90%以上。而隨著溫度梯度增大，單一藤枝狀電樹(shù)枝占比逐漸減小，同時(shí)出現(xiàn)了較多的叢林及叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝，可見(jiàn)針尖附近溫度的升高明顯改變了樹(shù)枝形態(tài)，而地電極附近較低的溫度則限制了低溫區(qū)電樹(shù)枝形態(tài)的變化。當(dāng)針尖溫度升高至70℃及以上時(shí)，藤枝狀電樹(shù)枝形態(tài)消失，電樹(shù)枝以叢林-藤枝混合狀為主。

表2 不同溫度梯度下的電樹(shù)枝類(lèi)型占比Tab.2 Proportion of electrical tree types under different temperature gradients%

以往研究表明，XLPE中的溫度差異會(huì)導(dǎo)致不同類(lèi)型電樹(shù)枝的生成[23]。在較低的溫度下，XLPE中較常見(jiàn)的樹(shù)枝類(lèi)型為樹(shù)枝狀與藤枝狀；在高溫下的電樹(shù)枝形態(tài)則具有明顯差異，大多數(shù)呈現(xiàn)短而密集的叢林狀形態(tài)。但在溫度梯度條件下，隨著電樹(shù)枝的生長(zhǎng)，其最前端樹(shù)枝將穿越不同的溫區(qū)，在這些溫區(qū)內(nèi)，XLPE由于溫度的差異而處于不同的聚集態(tài)，使得樹(shù)枝通道的形成規(guī)律不同。因此在XLPE整體溫度都較低的溫度梯度（20～30℃）內(nèi)，不同溫區(qū)的跨度較小，XLPE具有接近的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，電樹(shù)枝的生長(zhǎng)并不會(huì)隨著溫區(qū)的變化形成不同的形態(tài)，整體呈現(xiàn)出明顯的均一藤枝狀結(jié)構(gòu)。隨著針尖附近溫度的升高，使得初始電樹(shù)枝通道增多的同時(shí)，也會(huì)使后續(xù)的電樹(shù)枝生長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯差異，溫度的升高有利于通道內(nèi)局部放電導(dǎo)致的新樹(shù)枝通道的形成，這些樹(shù)枝通道交疊呈現(xiàn)濃密的叢林狀特征，開(kāi)始在針尖附近出現(xiàn)叢林狀電樹(shù)枝區(qū)域。而隨著叢林狀電樹(shù)枝生長(zhǎng)，其樹(shù)枝邊緣將進(jìn)入溫度較低的區(qū)域，此時(shí)某些叢林狀電樹(shù)枝邊緣將隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)藤枝狀結(jié)構(gòu)，且在較低溫度區(qū)域持續(xù)生長(zhǎng)，因此在溫度梯度為40～80℃時(shí)，XLPE中出現(xiàn)了大量的叢林狀電樹(shù)枝及叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝。

2.3.2 電樹(shù)枝生長(zhǎng)特性

不同溫度梯度下XLPE的電樹(shù)枝生長(zhǎng)趨勢(shì)具有明顯差異。本研究統(tǒng)計(jì)了60 min內(nèi)各樹(shù)枝形態(tài)的典型生長(zhǎng)趨勢(shì)，取其不同生長(zhǎng)時(shí)間的垂直方向最長(zhǎng)樹(shù)枝為電樹(shù)枝長(zhǎng)度參數(shù)，得到如圖9所示的各類(lèi)型電樹(shù)枝生長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖9 各類(lèi)型電樹(shù)枝生長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.9 Growth trend of various types of electrical tree

從圖9可以看出，叢林狀電樹(shù)枝在60 min時(shí)的電樹(shù)枝長(zhǎng)度最小，約為600 μm，在電樹(shù)枝開(kāi)始生長(zhǎng)的10 min內(nèi)，叢林狀電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度較快，之后電樹(shù)枝生長(zhǎng)幾乎停滯，進(jìn)入滯長(zhǎng)期。導(dǎo)致這一生長(zhǎng)趨勢(shì)的原因是叢林狀樹(shù)枝前端輪廓較整齊，各樹(shù)枝前端電場(chǎng)較為均勻，這一均勻的電場(chǎng)將抑制通道內(nèi)局部放電的產(chǎn)生，從而減緩電樹(shù)枝長(zhǎng)度的繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，電樹(shù)枝新通道的形成原因較多，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為局部放電產(chǎn)生的高能電子及通道內(nèi)氣體、高溫等是促進(jìn)電樹(shù)枝生長(zhǎng)的主因，而叢林狀電樹(shù)枝內(nèi)所有通道均與針尖位置互通，內(nèi)部腔體空間較大，使得通道內(nèi)無(wú)法形成較高的局部氣壓[24-25]。因此，較為均勻的電場(chǎng)與內(nèi)部較低的氣壓是叢林狀電樹(shù)枝生長(zhǎng)緩慢的主要原因。在具有較高溫度的針尖附近，初始電樹(shù)枝呈現(xiàn)叢林狀，其較為緩慢的生長(zhǎng)速度使其前端無(wú)法進(jìn)入溫度較低的XLPE區(qū)域，無(wú)法形成新的藤枝狀結(jié)構(gòu)。

而在某些叢林狀電樹(shù)枝內(nèi)，當(dāng)其前端某一電樹(shù)枝在形成過(guò)程中生成較長(zhǎng)的樹(shù)枝通道時(shí)，其尖端較高的場(chǎng)強(qiáng)將使其內(nèi)部發(fā)生劇烈的局部放電，而這一部分區(qū)域處于較低的溫區(qū)，新生成的電樹(shù)枝將與溫度梯度為20～30℃時(shí)的形態(tài)接近，呈現(xiàn)出明顯的藤枝狀結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝。由于藤枝狀部分是在叢林區(qū)域邊緣開(kāi)始生長(zhǎng)，因此這一樹(shù)枝形態(tài)并未出現(xiàn)明顯的滯長(zhǎng)期，在60 min內(nèi)長(zhǎng)度持續(xù)增長(zhǎng)。叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝的生長(zhǎng)趨勢(shì)表明不同溫區(qū)的聚集態(tài)及電場(chǎng)分布是引起電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度變化的重要原因。在溫度較為均一的溫度梯度（20～30℃）內(nèi)，試樣內(nèi)溫度變化不大，電場(chǎng)分布差異較小，使得藤枝狀電樹(shù)枝最終長(zhǎng)度明顯短于叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝。

與叢林-藤枝混合狀電樹(shù)枝類(lèi)似，單一的藤枝狀結(jié)構(gòu)電樹(shù)枝生長(zhǎng)無(wú)明顯的滯長(zhǎng)期，60 min時(shí)其長(zhǎng)度約為1 400 μm，這與已有研究中的藤枝狀結(jié)構(gòu)電樹(shù)枝生長(zhǎng)趨勢(shì)類(lèi)似[26-27]。

2.3.3 電樹(shù)枝擊穿特性

為進(jìn)一步分析不同溫度梯度下的電樹(shù)枝擊穿概率，本研究進(jìn)行了120 min的電樹(shù)枝實(shí)驗(yàn)，以觀(guān)測(cè)這一時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的電樹(shù)枝擊穿情況。圖10為不同溫度梯度下的電樹(shù)枝擊穿概率，每種溫度梯度下的試樣數(shù)量為10。從圖10可以看出，隨著試樣內(nèi)叢林狀電樹(shù)枝的增多，120 min時(shí)電樹(shù)枝的擊穿概率明顯降低，而溫度梯度為20～60℃時(shí)，電樹(shù)枝擊穿概率較高，這是由于藤枝狀電樹(shù)枝生長(zhǎng)速度快，在120 min內(nèi)較易生長(zhǎng)至地電極而發(fā)生擊穿。

圖10 各溫度梯度下電樹(shù)枝擊穿概率Fig.10 Breakdown probability of electrical tree under different temperature gradients

3 結(jié) 論

本研究搭建了不同溫度梯度下XLPE的電樹(shù)枝測(cè)試平臺(tái)，獲得了各溫度梯度下的電樹(shù)枝特征，并統(tǒng)計(jì)了電樹(shù)枝類(lèi)型，分析了電樹(shù)枝生長(zhǎng)趨勢(shì)，得到以下主要結(jié)論：

（1）不同溫度梯度下XLPE中電樹(shù)枝的起始特征明顯不同，較高的針尖溫度將形成通道數(shù)量較多的初始電樹(shù)枝。

（2）不同溫度下的XLPE材料聚集態(tài)及介電特性差異使得電樹(shù)枝起始電壓不同，在本研究溫度范圍內(nèi)，溫度梯度為40℃時(shí)，XLPE具有最高的電樹(shù)枝起始電壓。

（3）在本研究溫度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中共出現(xiàn)3種電樹(shù)枝類(lèi)型，溫度梯度為20～30℃時(shí)主要為藤枝狀電樹(shù)枝，隨著針尖溫度的升高逐漸出現(xiàn)叢林-藤枝混合狀及叢林狀電樹(shù)枝，最終藤枝狀電樹(shù)枝消失。