低温环境下交联聚乙烯电树枝生长特性

高压直流输电线路可能因各种因素比如换流变压器中晶闸管的关断和极性翻转等原因而存在脉冲过电压的威胁。交联聚乙烯(XLPE)作为电力电缆的主绝缘在这种脉冲冲击过电压的工作环境下进一步恶化，易造成电树枝老化现象。

由于中国最北部地区最 低温度可达到−52.3℃，而在南极等地区最 低温度可达到−89.2 ℃，所以为保证电气设备安全可靠的运行，研究低温环境下重复脉冲电压对XLPE的作用具有重要意义。

高温超导(HTS)电缆具有体积小、质量小、大容量、低损耗的优点，近年来在输电领域备受重视，应用日益广泛。XLPE在HTS电缆中作为电气绝缘层，可能会面临低温环境，同时，高压直流输电系统的雷电过电压、操作过电压和高压直流系统换相失败经常产生重复的脉冲电压，研究低温环境下重复脉冲电压对XLPE的作用有深刻意义。

电老化和热老化是绝缘物质老化的两种主要方式，影响XLPE和HTS电缆操作的安全，而电树枝的引发和生长是绝缘老化的主要原因。电缆在制造过程中，可能会在XLPE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，严重威胁到电缆输电系统的安全稳定运行。因此，研究重复脉冲电压下XLPE电树枝在低温环境的生长特性具有深刻意义。

重点内容和实验结果

以下为一套低温杜瓦系统，以模拟特殊的低温工作环境。搭建了电树枝生长电光联合观测实验平台。

在实验过程中发现了4种形状的典型树，分别为丛林状、树枝状、停滞型和树枝−藤枝状。电树枝的形状随着温度变化而变化。

对XLPE在不同低温环境下的电树枝发展过程的生长速率、累积损伤进行了分析，发现不同温度和不同形状电树枝的生长过程也不同，使XLPE内部电树枝的生长规律更加直观。

研究发现，随着温度的降低，电树枝的生长速率明显降低。不同温度和不同形状电树枝的生长过程也不同。根据生长速率，将30℃温度下的丛林状、-90℃温度下的树枝﹣藤枝状和﹣196℃温度下的树枝状电树枝生长过程分为3个阶段。而同为树枝状电树枝，-30℃温度下引发的树枝状电树枝只有2个阶段。-90℃温度下引发的停滞型电树枝也只有2个阶段。

解决的问题和意义

目前为止，对低温环境下的聚合物绝缘电树枝特性鲜有研究。本文通过对XLPE在低温环境下的电树枝生长参数进行分析，研究低温温度梯度下绝缘本体老化特性。分析低温环境对老化发展过程的影响作用，研究低温环境对电缆本体绝缘击穿特性的影响，量化造成绝缘破坏的原因。为揭示绝缘材料老化破坏发展过程中微观层面的变化机理和规律打下基础。

后续研究

（一）高压直流电缆在运行过程中在导线周围会存在一个恒定方向磁场，磁场的存在会影响绝缘材料的击穿特性。研究电场、磁场共同作用下聚合物中电树枝生长特性。

（二）纳米填充是提高绝缘材料电气性能的有效途径，研究如何实现通过纳米复合技术改善直流高压下电缆绝缘内部的老化和破坏特性，建立纳米无机粒子对固体绝缘老化击穿等的调控理论。

（三）传统XLPE电缆在运行过程中由于交联剂和抗氧化剂的分解会在XLPE中产生缺陷，这些缺陷不断捕获空间电荷，从而造成更多的电荷累积和更严重的电场畸变。空间电荷的累积加速了绝缘材料的老化和电树枝的引发和生长。还需进一步开发适合于高压直流电缆的新型绝缘材料。