環(huán)氧樹脂絕緣電樹枝劣化研究進(jìn)展

　　摘要 環(huán)氧樹脂因具有優(yōu)良的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、電氣絕緣性能和良好的可加工性而廣泛應(yīng)用于電工裝備絕緣的澆注、浸漬和封裝等領(lǐng)域。該文根據(jù)國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)綜合論述了由環(huán)氧樹脂絕緣電樹枝劣化引起的絕緣擊穿現(xiàn)象。基于環(huán)氧樹脂空間電荷集聚與遷移、局域電場(chǎng)形成、紫外輻射和機(jī)械應(yīng)力斷鏈理論，闡述了環(huán)氧樹脂電樹枝引發(fā)機(jī)理和劣化過(guò)程。結(jié)合電氣設(shè)備運(yùn)行工況，介紹了疊加電場(chǎng)、溫度梯度場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)和潮濕環(huán)境等因素對(duì)環(huán)氧樹脂電樹枝劣化的影響規(guī)律，總結(jié)了多物理場(chǎng)作用下電樹枝生長(zhǎng)形貌特征與電荷輸運(yùn)行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從提高環(huán)氧樹脂絕緣性能保障電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行角度，基于環(huán)氧絕緣工藝調(diào)控、無(wú)機(jī)摻雜、自修復(fù)材料等方面介紹了電樹枝的抑制方法，基于分子構(gòu)型、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀現(xiàn)象總結(jié)了電樹枝的抑制機(jī)理。根據(jù)環(huán)氧樹脂電樹枝生長(zhǎng)和抑制方法的研究現(xiàn)狀，在電樹枝實(shí)驗(yàn)探究、抑制方法等方面提出了相關(guān)建議。

　　關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂 電樹枝劣化 疊加電場(chǎng) 溫度梯度 機(jī)械應(yīng)力 絕緣擊穿 抑制方法

　　杜伯學(xué); 張瑩; 孔曉曉; 李進(jìn) 電工技術(shù)學(xué)報(bào)2021-12-07

　　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)氧樹脂在電氣行業(yè)成為產(chǎn)量最大、使用最廣的一種絕緣材料?；谄淞己玫幕瘜W(xué)相容性，優(yōu)異的絕緣性和粘結(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[1-2]。隨著電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境電壓等級(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)苛的要求和挑戰(zhàn)[3]。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 [4]。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[5];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)備常見的一種絕緣破壞現(xiàn)象[6]。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，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 GIS 終端環(huán)氧套管發(fā)生炸裂破壞;2016 年 9 月，某換流站 500 kV GIL 三支柱絕緣子發(fā)生炸裂擊穿[7-8]。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引發(fā)機(jī)理和抑制方法。本文結(jié)合電氣設(shè)備運(yùn)行工況環(huán)境，基于復(fù)合電場(chǎng)、溫度梯度場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)和潮濕環(huán)境因素論述了環(huán)氧樹脂電樹枝的研究進(jìn)展，總結(jié)了抑制電樹枝的幾種主要方法，即工藝調(diào)控、無(wú)機(jī)摻雜、自修復(fù)材料等，并論述了對(duì)電樹枝研究的展望。

　　1 電樹枝引發(fā)機(jī)理 1.1 空間電荷集聚-遷移

　　普遍認(rèn)為，電樹枝引發(fā)與空間電荷動(dòng)態(tài)行為密切相關(guān)。空間電荷的動(dòng)態(tài)遷移行為可改變聚合物內(nèi)部局域電場(chǎng)分布，影響局部放電概率，進(jìn)而改變電樹枝劣化進(jìn)程。空間電荷的遷移過(guò)程與電壓波形密切相關(guān)。在交流電壓負(fù)半周期，注入電荷、極化電荷使得缺陷區(qū)、結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)集聚的空間電荷處于某一穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)正半周期到來(lái)時(shí)，空間電荷遷移，正負(fù)電荷復(fù)合并向外輻射光子進(jìn)而破壞聚合物分子結(jié)構(gòu)，加速絕緣介質(zhì)降解過(guò)程[9]。在直流電壓下，注入的同極性電荷集聚在高壓電極附近，在局部范圍內(nèi)均勻了電場(chǎng)，且無(wú)異極性電荷注入及復(fù)合過(guò)程，因此直流電場(chǎng)下電樹枝較難引發(fā)。在脈沖電壓下，當(dāng)脈沖電壓幅值較高時(shí)，針尖注入電荷數(shù)量多且能量較高，極易打斷聚合物分子鏈，引發(fā)電樹枝[10]。此外，介質(zhì)極化在脈沖上升階段得到加強(qiáng)，極化電荷在絕緣內(nèi)部形成了局部電場(chǎng)，從而加速電樹枝的產(chǎn)生。其脈沖上升速率同樣改變空間電荷遷移過(guò)程，在施加脈沖電壓瞬間，瞬時(shí)注入的空間電荷刺激入陷電荷脫陷[11]。因此，增大脈沖上升速率導(dǎo)致電荷遷移過(guò)程加速，從而局域電場(chǎng)迅速改變，局部放電頻繁，電樹枝劣化加速。

　　溫度是影響空間電荷集聚、遷移過(guò)程，形成局部電場(chǎng)的重要因素之一。在溫度上升階段，分子鏈排列結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，空間電荷遷移過(guò)程更加復(fù)雜[4]。在溫度上升瞬間，分子鏈段來(lái)不及發(fā)生松弛運(yùn)動(dòng)，鏈間的勢(shì)能不變，空間電荷遷移率較低。在分子鏈段發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，鏈間的勢(shì)能減小，空間電荷遷移率升高，局域電場(chǎng)發(fā)生改變。因此，溫度上升速率與電樹枝的生長(zhǎng)密切相關(guān)。此外，研究發(fā)現(xiàn)溫度梯度下試樣的電荷積累量大于高溫樣品的電荷積累量[12]。由于兩電極溫度的不同，低溫側(cè)集聚的空間電荷導(dǎo)致較強(qiáng)的電場(chǎng)畸變，將加劇電樹枝劣化過(guò)程。

　　1.2 局域電場(chǎng)構(gòu)建理論

　　由局部放電引起的電樹枝現(xiàn)象與局域電場(chǎng)密切相關(guān)?？臻g電荷入陷、脫陷、復(fù)合過(guò)程釋放能量并加速聚合物的降解，最終形成低密度區(qū)。隨著分子鏈損傷的累積，低密度區(qū)產(chǎn)生缺陷，在外施電壓作用下在缺陷處發(fā)生極化，產(chǎn)生極化電荷，電荷積累形成局域強(qiáng)場(chǎng)。因此，當(dāng)局域電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)此區(qū)域絕緣擊穿臨界值時(shí)，誘發(fā)局部放電，多次局部放電可形成電樹枝缺陷。電樹枝缺陷周圍極易發(fā)生局部放電，電樹枝通道與分子結(jié)構(gòu)、分子鏈密切相關(guān)，因此呈現(xiàn)出一種類似樹枝狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)原子力顯微鏡-紅外光譜技術(shù)對(duì)電樹枝區(qū)域進(jìn)行納米級(jí)化學(xué)分析，證實(shí)由局部放電引起的化學(xué)鍵斷裂可以導(dǎo)致電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)[13]。

　　1.3 紫外輻射斷鏈理論

　　近幾十年來(lái)，許多研究人員針對(duì)聚合物的電致發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，認(rèn)為波長(zhǎng)較短的紫外線是導(dǎo)致電樹枝劣化的主要原因：交變電場(chǎng)負(fù)半周期集聚的空間電荷，將與電場(chǎng)正半周期注入的空穴復(fù)合并發(fā)射紫外光，其輻射能量導(dǎo)致分子鏈的斷裂，產(chǎn)生缺陷，形成局域場(chǎng)，引發(fā)局部放電并形成電樹枝;隨著外施電場(chǎng)的增強(qiáng)，空間電荷注入量增加，費(fèi)米能級(jí)和界限能級(jí)向帶邊移動(dòng)，一些局域態(tài)從陷阱態(tài)變?yōu)檎?fù)電荷復(fù)合的中心，這將產(chǎn)生強(qiáng)度和能量更高的紫外光。紫外線輻射不僅直接釋放能量破壞分子鏈，而且會(huì)引起光降解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[10]。圖 1 所示為紫外線所引發(fā)的自由基降解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：通常飽和聚烯烴(例如聚乙烯)不會(huì)吸收 300 nm 以上的光，然而聚合物絕緣材料在制造和加工時(shí)往往引入含有發(fā)色基團(tuán)的物質(zhì)，例如羰基、氫過(guò)氧化物、氧化鈦殘留物和副產(chǎn)物，可以被紫外線激發(fā)。激發(fā)的物質(zhì)可以使碳碳鍵斷裂并產(chǎn)生自由基 R·;這些自由基將與聚合物自由體積中存在的氧分子發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生過(guò)氧自由基 ROO·，進(jìn)而奪取分子鏈中的氫，形成氫過(guò)氧化物 ROOH;同樣作為基態(tài)三線態(tài)的氧將淬滅某些激發(fā)態(tài)，形成單線態(tài)氧 1O2;單線態(tài)氧具有強(qiáng)氧化性，攻擊分子鏈并產(chǎn)生氫過(guò)氧化物，氫過(guò)氧化物可以形成烷氧自由基 RO·;烷氧自由基可直接或通過(guò)形成羰基 C=O 與其他聚合物分子反應(yīng)生成自由基 R·。因此，紫外輻射可引起自由基降解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并導(dǎo)致聚合物絕緣材料的降解，加速電樹枝的引發(fā)。

　　1.4 機(jī)械應(yīng)力斷鏈理論

　　早在 20 世紀(jì) 70 年代，有學(xué)者指出絕緣材料中電樹枝的引發(fā)可能是麥克斯韋應(yīng)力導(dǎo)致的機(jī)械破壞所引起，交流電壓產(chǎn)生的麥克斯韋應(yīng)力引起聚合物機(jī)械形變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料形變極限時(shí)，產(chǎn)生微孔，并最終發(fā)展成裂紋，從而引發(fā)局部放電并形成電樹枝[14]。文獻(xiàn)[10]指出機(jī)械應(yīng)力 δ 與電場(chǎng) E 之間的關(guān)系為 δ = E 2，并計(jì)算了產(chǎn)生裂紋所需的電場(chǎng)。因此，機(jī)械應(yīng)力對(duì)聚合物材料中的電樹枝引發(fā)、生長(zhǎng)有重要影響作用。機(jī)械應(yīng)力改變絕緣介質(zhì)分子鏈排列結(jié)構(gòu)、破壞化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)絕緣介質(zhì)電荷輸運(yùn)及電樹枝劣化過(guò)程產(chǎn)生影響[4]：拉伸形變較小時(shí)，聚合物內(nèi)部分子鏈間距與自由體積均增大，分子鏈間勢(shì)能減小，載流子遷移率增大;拉伸形變較大時(shí)，部分分子鏈開始斷裂，極化電荷在斷裂區(qū)域及其周圍形成局域強(qiáng)場(chǎng)，局部放電概率增加，進(jìn)而加速電樹枝的產(chǎn)生。根據(jù)機(jī)械應(yīng)力下分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，證實(shí)了拉伸應(yīng)力使聚合物自由體積分?jǐn)?shù)增大，內(nèi)聚能密度降低，分子鏈更易被打破，因而對(duì)電樹枝生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[15]。目前，電樹枝引發(fā)機(jī)制的研究較多，但基本上局限于某種因素的影響，尚未有環(huán)氧樹脂電樹枝劣化統(tǒng)一的理論解釋引發(fā)機(jī)理。因此，有必要全面深入地揭示電氣設(shè)備環(huán)氧絕緣部件在運(yùn)行工況下電樹枝引發(fā)與生長(zhǎng)機(jī)理，提高對(duì)絕緣材料劣化機(jī)理的理解與認(rèn)識(shí)，安全可靠使用并開發(fā)高介電性能的絕緣材料。

　　2 電樹枝的影響因素 2.1 疊加電場(chǎng)的影響

　　電力系統(tǒng)在運(yùn)行工況中，斷路器、換流變壓器、非線性電力電子器件等容易產(chǎn)生脈沖電壓、諧波電壓，其與直流電壓耦合形成復(fù)合電壓[11]。復(fù)雜工況下，環(huán)氧樹脂內(nèi)的空間電荷集聚、電荷輸運(yùn)過(guò)程與局域場(chǎng)分布更加復(fù)雜。為深入了解復(fù)合電場(chǎng)下電樹枝的生長(zhǎng)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)合電場(chǎng)下電樹枝的生長(zhǎng)情況進(jìn)行了廣泛的研究。天津大學(xué)研究了環(huán)氧樹脂在直流疊加脈沖電壓作用下的電樹枝生長(zhǎng)特性，闡述了電樹枝的生長(zhǎng)機(jī)理[16]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)樣品施加了圖 2 所示的直流疊加正極性脈沖電壓。圖 3 為加壓 70 min 時(shí)電樹枝形態(tài)，在疊加同極性脈沖和異極性脈沖電壓下，環(huán)氧樹脂電樹枝形態(tài)有較大差別。當(dāng)疊加同極性脈沖時(shí)，在相同的加壓時(shí)間內(nèi)，電樹枝長(zhǎng)度隨著直流電壓幅值的增大而變大;異極性脈沖電壓下，電樹枝的長(zhǎng)度和累積損傷隨著電壓幅值的增加而減小，且樹枝通道顏色變淺。在直流疊加脈沖電壓下，頻率脈沖電場(chǎng)使得介質(zhì)極化斷續(xù)變化，隨著直流電壓幅值的增加，電樹枝通道內(nèi)集聚電荷增加，同極性脈沖電壓作用促進(jìn)極化電荷累加并提升了局域電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了局部放電概率，加速電樹枝的生長(zhǎng);異極性脈沖電壓作用瞬間導(dǎo)致局域電場(chǎng)急劇下降，進(jìn)而局部放電劇烈程度減弱，抑制電樹枝的生長(zhǎng)。從圖 3 可以看出，直流疊加暫態(tài)脈沖電場(chǎng)下，電樹枝生長(zhǎng)主要由介質(zhì)極化產(chǎn)生的電荷形成的局域電場(chǎng)所決定，其中正負(fù)電荷復(fù)合放電能量對(duì)電樹枝的影響占次要位置。

　　直流疊加諧波電壓作用于環(huán)氧樹脂絕緣時(shí)，當(dāng)諧波電壓的幅值固定為 15 kV，隨著諧波次數(shù)的增加，環(huán)氧樹脂中電樹枝長(zhǎng)度先增加再減小，并在 3 次諧波下達(dá)到最大值[17]。隨著直流電壓幅值的增加，這一規(guī)律更加明顯，如圖 4 所示。隨著諧波次數(shù)的增加，電場(chǎng)的周期性變化加速正負(fù)電荷復(fù)合過(guò)程，發(fā)射的紫外光輻射更多能量來(lái)打斷分子鏈，因而電樹枝長(zhǎng)度增加;當(dāng)諧波次數(shù)進(jìn)一步增加，空間電荷數(shù)目增加并在絕緣內(nèi)雜質(zhì)附近集聚、氣泡等缺陷附近，形成同極性空間電荷層，削弱外施電場(chǎng)的作用，進(jìn)而減小局部放電概率，抑制電樹枝的生長(zhǎng)。

　　2.2 溫度梯度場(chǎng)的影響

　　電氣設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中承受溫度梯度分布的問(wèn)題，由于導(dǎo)體內(nèi)電流產(chǎn)生焦耳熱，而外部為環(huán)境溫度，所以在電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)氧樹脂絕緣內(nèi)部存在著連續(xù)分布的溫度梯度[9]。目前，環(huán)氧樹脂電纜終端工作溫度為 50~60 ℃，故障時(shí)可高達(dá) 150 ℃[18]，因此，研究溫度梯度對(duì)電樹枝劣化的影響規(guī)律對(duì)于評(píng)定絕緣材料的介電性能意義重大。天津大學(xué)采用溫度梯度試驗(yàn)平臺(tái)研究了環(huán)氧樹脂的電樹枝生長(zhǎng)特性，討論了溫度梯度下電荷輸運(yùn)行為與電樹枝生長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系[19]。溫度梯度指接地側(cè)和高壓側(cè)間的溫差，加壓 30 s 時(shí)電樹枝長(zhǎng)度如圖 5 所示?？梢钥闯觯姌渲﹂L(zhǎng)度隨溫度梯度的增大呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，一方面，接地側(cè)的溫升導(dǎo)致介質(zhì)電導(dǎo)非線性變化，載流子非線性遷移過(guò)程中，其絕緣體內(nèi)缺陷上形成大小不同的各種局域場(chǎng)，增加局部放電概率，進(jìn)而加劇電樹枝劣化行為。另一方面，由于溫升在接地側(cè)，自由電荷從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域輸運(yùn)。在高溫下難以俘獲受熱激勵(lì)的電荷，電荷輸運(yùn)過(guò)程得到促進(jìn)。局域電場(chǎng)和電荷輸運(yùn)行為解釋了溫度梯度增大時(shí)電樹枝更容易生長(zhǎng)的現(xiàn)象。因此，局部溫升更容易引起絕緣的劣化，溫度梯度在電氣設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中不容忽略。

　　2.3 機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)的影響

　　環(huán)氧樹脂絕緣器件在運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的作用，包括復(fù)合材料系統(tǒng)因熱膨脹產(chǎn)生機(jī)械壓力，懸式絕緣子也承受巨大的機(jī)械拉力，550 kV 氣體絕緣輸電線路(Gas Insulated transmission Line, GIL)三支柱絕緣子嵌件與環(huán)氧樹脂粘接處的應(yīng)力最大值可達(dá)到 15.2 MPa[20]。與橡膠等材料相比，環(huán)氧樹脂絕緣的韌性較差。研究表明，機(jī)械應(yīng)力作用下環(huán)氧樹脂部件易產(chǎn)生絕緣內(nèi)部缺陷或微裂紋，以及在機(jī)械應(yīng)力與強(qiáng)電場(chǎng)共同作用下發(fā)生局部放電導(dǎo)致電樹枝擊穿現(xiàn)象，也是威脅電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一[21]。當(dāng)環(huán)氧樹脂受到外施機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，電應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合作用破壞分子鏈，內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力隨著外施應(yīng)力增大而增大，因此，引發(fā)局部放電起始需要的電應(yīng)力減小，易于產(chǎn)生電樹枝。機(jī)械應(yīng)力的持續(xù)作用在聚合物內(nèi)部形成裂縫，導(dǎo)致發(fā)生由絕緣件局部放電引發(fā)的爆裂擊穿事故。

　　2.4 潮濕環(huán)境的影響

　　與其他絕緣材料不同，環(huán)氧樹脂屬于強(qiáng)極性材料，具有吸水性，因此潮濕環(huán)境水分對(duì)于環(huán)氧樹脂絕緣性能有非常重要的影響。當(dāng)水分浸入環(huán)氧樹脂絕緣件后，會(huì)改變其介電性能，研究水分子對(duì)電樹枝劣化的影響是絕緣材料設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。環(huán)氧樹脂含有環(huán)氧基以及羥基、酯基等極性基團(tuán)，易與水分子結(jié)合，水分子在外電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生正離子與電子。它們中的大多數(shù)在很短時(shí)間內(nèi)重新復(fù)合，發(fā)射的紫外光輻射能量來(lái)打破分子鏈，斷鏈分解形成游離碳，附著在被破壞區(qū)域，以碳的形式形成堆積，呈現(xiàn)為黑色的電樹枝放電通道;此外，殘余的遷移率較低的正離子在絕緣內(nèi)部形成穩(wěn)定分布的空間電荷區(qū)，提升了局域電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了局部放電概率，加速電樹枝的生長(zhǎng)。隨著含水量的增加，環(huán)氧樹脂電導(dǎo)率顯著增大，載流子遷移加速。當(dāng)環(huán)氧樹脂水解后形成微孔，微孔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度增加，將在局部強(qiáng)電場(chǎng)作用下更易引發(fā)水樹，而最終轉(zhuǎn)化為電樹枝絕緣擊穿。文獻(xiàn)[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分子通過(guò)樹脂擴(kuò)散到無(wú)機(jī)填料內(nèi)部時(shí)，嚴(yán)重破壞環(huán)氧樹脂與無(wú)機(jī)填料的界面，影響復(fù)合材料的性能。

　　3 電樹枝的抑制方法 3.1 制造工藝調(diào)控

　　在環(huán)氧樹脂絕緣器件真空澆注固化過(guò)程中，不同受熱溫度、固化時(shí)間、配方比例等因素可能給絕緣內(nèi)部引入應(yīng)力集中、交聯(lián)度差異、收縮不均等缺陷。在外部電、熱、機(jī)械多應(yīng)力作用下，缺陷附近將形成無(wú)數(shù)的局域強(qiáng)場(chǎng)，極易誘發(fā)電樹枝劣化過(guò)程。環(huán)氧自動(dòng)壓力凝膠(Automatic Pressure Gelation, APG)技術(shù)為解決上述問(wèn)題打開了思路，當(dāng)發(fā)生固化體積收縮時(shí)，壓力補(bǔ)償裝置驅(qū)動(dòng)液態(tài)環(huán)氧混合料快速補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)固化收縮的補(bǔ)償。采用 APG 技術(shù)，大大減少了絕緣中缺陷尺寸與含量，從而降低極化電荷形成的局域強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)制品表面光滑、內(nèi)應(yīng)力低、產(chǎn)品致密[23]，APG 技術(shù)可減少由于微小缺陷帶來(lái)的局部碳化，從而提升材料的耐電樹枝性能。同時(shí)高溫固化工藝可提高環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而在運(yùn)行工況下保持抑制電樹枝的效果[24]。

　　3.2 無(wú)機(jī)摻雜改善環(huán)氧樹脂電性能

　　基于無(wú)機(jī)納米摻雜改善環(huán)氧樹脂機(jī)械、熱和電氣性能，成為電工裝備絕緣材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) [25]。目前，在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)摻雜 Al2O3、ZnO、 SiO2 和 MgO 無(wú)機(jī)顆粒制備復(fù)合材料抑制電樹枝生長(zhǎng)得到國(guó)內(nèi)外關(guān)注[26]。文獻(xiàn)[27]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二氧化硅納米顆?？梢栽诃h(huán)氧樹脂基體中實(shí)現(xiàn)良好的分散，并且在納米二氧化硅的表面官能團(tuán)與主體環(huán)氧聚合物之間產(chǎn)生 C-O 鍵，增強(qiáng)分子鏈間相互作用，提高電樹枝通道擴(kuò)展所需克服的能量閾值。圖 6 展示了加壓 15 min 時(shí)，不同填料濃度納米 ZnO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電樹枝長(zhǎng)度，可以看出當(dāng)摻雜適量的納米 ZnO 時(shí)，其耐電樹枝性能力可達(dá)最優(yōu)[28]。由于納米顆粒的表面效應(yīng)，納米顆粒與周圍聚合物鏈的界面區(qū)域能夠?qū)酆衔镫姎庑阅墚a(chǎn)生重要的影響。注入電荷、極化電荷集聚在大量的界面區(qū)域，相當(dāng)于間接增大缺陷處的曲率半徑，電場(chǎng)均化效果導(dǎo)致局域電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，局部放電概率降低。此外，納米粒子與環(huán)氧基團(tuán)在分子力的作用下形成氫鍵，破壞該化學(xué)鍵需要更大能量，通過(guò)測(cè)量局部放電量、傅里葉變換紅外光譜證實(shí)了氫鍵存在于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中且氫鍵斷鏈所需能量更高[29]。然而隨著納米顆粒的進(jìn)一步增加，納米顆粒之間的距離減小，過(guò)渡區(qū)開始重疊，從而集聚的空間電荷開始重疊，加劇局域電場(chǎng)畸變，從而增強(qiáng)局部放電劇烈程度，耐電樹枝能力也隨之下降。

　　研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的尺寸效應(yīng)同樣影響電介質(zhì)的絕緣特性。當(dāng)納米 Al2O3 粒徑為 45 nm 時(shí)，納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度值低于純環(huán)氧體系的值，且形狀參數(shù)也發(fā)生改變[30]。但是當(dāng)納米 Al2O3 粒徑為 12 nm 和 14 nm 時(shí)，納米復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度增大 [31]。這是因?yàn)轭w粒尺寸的增大導(dǎo)致納米顆粒的比表面積減小，界面作用帶來(lái)的局域電場(chǎng)均化效果減弱，可能被引入的缺陷以及場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)所掩蓋，使得復(fù)合材料的性質(zhì)發(fā)生改變。無(wú)機(jī)摻雜可有效改善環(huán)氧樹脂電性能，摻雜納米顆粒后的聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的耐電樹枝能力。這有利于拓展摻雜物的選擇范圍，為進(jìn)一步提高環(huán)氧樹脂的電氣性能奠定基礎(chǔ)。

　　3.3 絕緣自修復(fù)材料

　　自修復(fù)材料模仿生物體損傷自愈原理，自行發(fā)現(xiàn)損傷并自動(dòng)愈合，有著廣泛需求[32]。在電氣絕緣領(lǐng)域，自修復(fù)材料在改善環(huán)氧樹脂絕緣材料的可靠性、耐久性和使用壽命方面顯示出巨大潛力。圖 7 為微膠囊型自修復(fù)材料的抑制電樹枝示意圖[33]。將微囊化的愈合劑包埋在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中，該基質(zhì)包含能夠聚合愈合劑的催化劑。在電樹枝尖端處活躍的熱和機(jī)械力足以使膠囊破裂并釋放出愈合劑，在催化劑作用下，愈合劑開始聚合，從而抑制電樹枝進(jìn)一步發(fā)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電樹枝到達(dá)微膠囊時(shí)，微膠囊破裂，雙環(huán)戊二烯進(jìn)入電樹枝通道中，電樹枝的發(fā)展停滯。

　　然而，微膠囊型自修復(fù)材料在自愈過(guò)程后，基體殘留中空膠囊，引入了新的缺陷，積聚的空間電荷在附近形成局域場(chǎng)，可能造成耐電樹枝能力下降;此外，愈合劑的耗盡意味著喪失自愈能力。因此，提高熱固性環(huán)氧樹脂的自愈耐久性是該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的工作。氫鍵自修復(fù)材料不需外加修復(fù)劑，具有可逆性、方向性、速度快和靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[34]。將可以形成氫鍵作用的特殊官能團(tuán)(羧基、酰胺鍵、脲基嘧啶酮等)修飾在環(huán)氧樹脂分子鏈，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，氫鍵被解離，但局部溫度的增加導(dǎo)致復(fù)合材料膨脹和距離足夠接近而再次形成氫鍵。自修復(fù)材料通過(guò)氫鍵分擔(dān)局部放電釋放的能量，減弱了環(huán)氧分子鏈的損傷，從而提高了其絕緣性能。文獻(xiàn)[34]研究結(jié)果表明，氫鍵型自修復(fù)材料可顯著提高環(huán)氧樹脂的耐電樹枝能力。與采用微膠囊型自修復(fù)材料相比，氫鍵型自修復(fù)材料重復(fù)性好，為環(huán)境友好材料，但其機(jī)械性能相對(duì)較差，因此，仍需深入研究發(fā)展電氣、機(jī)械、耐熱、韌性等整體性能優(yōu)異的智能調(diào)控材料。

　　4 結(jié)論

　　本文針對(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?？紤]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?；诒疚牡木C述，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)，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。