段志強，劉學(xué)忠，唐艷霞，劉冠芳，王景娜，黃 娜，3，俞文斌，3

（1.中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.西安中車永電捷力風(fēng)能有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機組向大功率、高電壓方向發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機的絕緣強度也逐步提高，其主絕緣大多采用玻璃絲帶、聚酯薄膜、粉云母帶或多種絕緣材料制成的復(fù)合絕緣帶包繞，由絕緣浸漬漆通過真空壓力浸漬技術(shù)（vacuum pressure impregnation，VPI）浸漬，再經(jīng)高溫固化而成[1]。這種由多種材料復(fù)合而成的絕緣體系，具有層狀、非勻質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點，雖然從設(shè)計上提高了風(fēng)力發(fā)電機的絕緣強度，但因其工藝的復(fù)雜性，不可避免地會在電機主絕緣、匝間絕緣等處產(chǎn)生絕緣薄弱點。

電樹枝是導(dǎo)致高壓設(shè)備中高分子絕緣材料劣化的重要原因，可能從裂紋、氣隙、空洞或雜質(zhì)粒子存在處等局部電場不均勻的缺陷中引發(fā)[2]。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機定子和雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子依靠高頻開關(guān)器件實現(xiàn)變頻控制，導(dǎo)致線圈主絕緣長期承受高頻重復(fù)脈沖電壓的沖擊，加上機械振動和高溫等因素的聯(lián)合作用，電樹枝易從絕緣薄弱點或缺陷處引發(fā)并快速發(fā)展，影響以復(fù)合材料為主絕緣的風(fēng)力發(fā)電機性能，威脅風(fēng)力發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。因此，研究風(fēng)力發(fā)電機用層狀復(fù)合絕緣材料在重復(fù)脈沖電壓條件下的電樹枝特性，對研究風(fēng)力發(fā)電機絕緣微觀破壞機理以及主絕緣材料的選擇具有重要意義。

浸漬漆是保證電機絕緣系統(tǒng)高可靠性的關(guān)鍵材料，要求其性能可靠、工藝適應(yīng)性良好、安全環(huán)保。環(huán)氧改性不飽和聚酯樹脂類浸漬漆因其良好的性能和成本優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機絕緣[3-4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對環(huán)氧樹脂的電樹枝特性進行了廣泛研究。有的側(cè)重于通過摻雜納米粒子抑制電樹枝的生長[5-8]、在不同溫度下對環(huán)氧樹脂中電樹枝生長特性進行對比分析[9-12]，以及研究直流偏壓[13-14]、諧波頻率[15]對環(huán)氧樹脂電樹枝生長特性的影響；還有的側(cè)重于研究環(huán)氧樹脂在脈沖電壓下的生長特性。G C STONE等[16]研究了重復(fù)電壓浪涌下環(huán)氧樹脂電老化和電致發(fā)光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)電樹枝破壞速度隨電壓幅值的增加而加快；當脈沖電壓重復(fù)率增大時，電樹枝引發(fā)所需要的脈沖數(shù)量增加，但是電致發(fā)光的總量與引發(fā)電樹枝所需要的脈沖數(shù)無關(guān)。歐陽文敏等[17]記錄了環(huán)氧樹脂在重復(fù)頻率脈沖下的電樹枝特性，結(jié)果表明高頻下叢林狀電樹枝明顯增多，材料的引發(fā)電壓隨頻率上升而降低。DU B X等[18-19]研究了脈沖電壓幅值、重復(fù)率、極性和占空比等一系列因素對電樹枝引發(fā)生長特性的影響，發(fā)現(xiàn)當脈沖電壓重復(fù)率或者占空比增加時，電樹枝的長度和分形維數(shù)往往會變大，并且大部分樹枝的形態(tài)會發(fā)生變化。文獻[20-21]分別研究了重復(fù)脈沖占空比、脈沖電壓頻率對環(huán)氧樹脂中電樹枝生長的影響，并且與工頻電壓下的電樹枝進行了對比，發(fā)現(xiàn)工頻電壓下電樹枝更容易呈現(xiàn)單枝狀，脈沖電壓下電樹枝能夠更快引發(fā)并且廣泛呈現(xiàn)多枝狀；當重復(fù)脈沖電壓幅值或者頻率增加時，電樹枝更易生長，電樹枝主干變粗，這主要與電荷的注入和脫陷有關(guān)。ZHANG C等[22]在頻率為50 Hz～20 kHz的雙極性方波脈沖電壓下，對環(huán)氧樹脂中電樹枝的生長機理進行了研究，測量發(fā)現(xiàn)電樹枝的介電功率損耗隨頻率增加而增大，將環(huán)氧樹脂中電樹枝生長特性歸因于介電功率損耗、空間電荷和局部放電在雙極方波場下的協(xié)同效應(yīng)。

以上研究均在環(huán)氧樹脂單一絕緣介質(zhì)中進行，而對類似電機主絕緣結(jié)構(gòu)的層狀屏障多相絕緣介質(zhì)中的電樹枝引發(fā)和生長研究大多在工頻電壓下進行[23-26]，關(guān)于層狀復(fù)合絕緣在重復(fù)脈沖電壓下的相關(guān)研究較少。文獻[27-30]在不同幅值的工頻電壓及不同重復(fù)率和波形的脈沖電壓下，研究了以環(huán)氧、亞胺改性聚酯漆配合多種絕緣帶的復(fù)合材料中的電樹枝生長特征，對比了電壓幅值、電壓波形、脈沖重復(fù)率、復(fù)合材料構(gòu)成等條件因素對電樹枝形態(tài)及發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)電樹枝在重復(fù)脈沖電壓下引發(fā)更快，且大多呈單支狀快速生長至絕緣帶，在不同絕緣帶附近呈現(xiàn)的形態(tài)差異較大；脈沖電壓重復(fù)率的升高會促進電樹枝的引發(fā)和生長，因為重復(fù)率的上升增加了樹枝通道內(nèi)的放電次數(shù)。

環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬漆與聚酰亞胺薄膜補強云母帶復(fù)合絕緣體系被廣泛用于大型風(fēng)力發(fā)電機線圈主絕緣中，本研究分別在重復(fù)率為500、1 000、2 000 Hz，峰值電壓為7 kV的雙極性方波脈沖電壓下，對上述復(fù)合絕緣材料構(gòu)成的試樣進行電樹枝試驗，分析脈沖電壓重復(fù)率對風(fēng)力發(fā)電機用層狀復(fù)合絕緣耐電樹枝化能力的影響。

1 試驗

1.1 試樣制備

本研究采用的T1168浸漬漆是由環(huán)氧改性不飽和聚酯、特種固化劑和活性稀釋劑等配置而成的無溶劑浸漬樹脂，具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性和浸漬工藝性，對中膠和少膠云母帶均適用，且具有固化后機械強度高、耐熱性好、電氣絕緣性能好、介質(zhì)損耗小等優(yōu)點，廣泛適用于F、H級大中型高壓電機真空壓力整體浸漬和其他耐冷媒電機、電器繞組的浸漬。

為了觀測T1168浸漬漆配合聚酰亞胺薄膜補強云母帶使用時電樹枝的生長特性，模擬風(fēng)力發(fā)電機繞組絕緣系統(tǒng)中浸漬漆和絕緣帶的層狀屏障結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制作了長度為15 mm、寬度為10 mm、厚度為4 mm的復(fù)合絕緣試樣。試驗采用針-板電極模擬缺陷在絕緣中造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖1[24]所示。為保證浸漬漆、絕緣帶和地電極之間緊密貼合，制樣時首先將絕緣帶水平鋪置在模具底部、將針電極插入模具夾口，再將T1168浸漬漆反復(fù)抽真空3次去除內(nèi)部氣泡后，注入預(yù)先置有針電極和絕緣帶的模具中，再將整個磨具反復(fù)抽真空，確保浸漬漆與針電極、絕緣帶之間不存在氣隙。最后在170℃下固化8 h，得到層狀試樣，并對試樣底部噴金作為試樣地電極。

圖1 復(fù)合絕緣試樣和電極Fig.1 Structure of composite insulation sample and electrode

針尖附近最大電場強度的計算公式為式（1）。

式（1）中：Emax為針尖附近最大電場強度；U為針尖上所施加的電壓幅值；r為針尖曲率半徑；d為針尖到板電極的距離。

式（1）表明，針尖的曲率半徑以及針尖與板電極之間的距離均會影響電樹枝尖端的電場強度。針尖曲率半徑越小，試驗周期越短，因此為縮短試驗周期，選取針尖曲率半徑r為3 μm的不銹鋼針，保持針尖到板電極的距離為（1.5±0.3）mm，其中針電極尖端與絕緣帶間的距離約為1 mm，絕緣帶與板（地）電極之間的距離約為0.5 mm。

1.2 試驗裝置

電樹枝引發(fā)和生長實時顯微觀測平臺主要由試樣裝置盒、電源系統(tǒng)和顯微鏡圖像記錄系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2[27]所示。顯微鏡圖像記錄系統(tǒng)主要包括體視顯微鏡、LED冷光源、攝像頭和計算機，其中攝像頭安裝在顯微鏡上，并通過數(shù)據(jù)線與外部計算機相連。試樣裝置盒由硅油器皿和試樣電極組成，LED冷光源通過硅油器皿底部的透光玻璃為試樣觀測提供透射光，試樣電極由聚四氟乙烯、銅電極和彈簧組成。為模擬風(fēng)力發(fā)電機的實際工況，采用雙極性重復(fù)方波脈沖電源為試樣施加電壓，進行電樹枝試驗。

圖2 電樹枝實時顯微觀測平臺Fig.2 Real-time microscope observation platform for electrical tree

1.3 試驗方法

試驗時，將試樣固定在試驗裝置盒中并以硅油浸沒，以防止外部放電和沿面閃絡(luò)，每次試驗都應(yīng)更換潔凈的硅油并對電極和試驗盒進行清洗，以防止硅油中的細小纖維對電樹枝試驗圖像的采集造成影響。試樣的針電極通過高壓線與脈沖電源輸出端相連，試樣盒的地電極嚴格接地，脈沖電壓上升時間約為40 ns，幅值Up為7 kV，重復(fù)率在500～2 000 Hz可調(diào)，脈沖重復(fù)率為500 Hz時的波形如圖3所示。

圖3 雙極性方波脈沖電壓波形Fig.3 Waveform of bipolar square wave voltage

為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，每個重復(fù)脈沖電壓重復(fù)率下，至少選取5個試樣進行電樹枝試驗。從試樣施加電壓開始到擊穿，利用實時觀測平臺每隔30 s采集一次照片，分析電樹枝引發(fā)時間、形態(tài)特征、生長曲線以及在絕緣帶上的界面生長特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 電樹枝的引發(fā)特性

定義電樹枝徑向長度為10 μm時電樹枝引發(fā)，則電樹枝引發(fā)時間為從施加電壓至電樹枝引發(fā)所用時間，引發(fā)率為在規(guī)定時間內(nèi)引發(fā)電樹枝的試樣數(shù)量與總試樣數(shù)量之比。在重復(fù)率分別為500、1 000、2 000 Hz的峰值為7 kV的雙極性方波脈沖電壓下，各試樣中電樹枝的引發(fā)時間和90 min內(nèi)引發(fā)率如表1所示。從表1可以看出，隨著脈沖電壓重復(fù)率的增加，浸漬漆中電樹枝的引發(fā)時間縮短、引發(fā)率提高，這表明電樹枝的引發(fā)隨著脈沖電壓重復(fù)率的提高變得更加容易。

表1 不同重復(fù)率下電樹枝的引發(fā)時間和引發(fā)率Tab.1 Initiation time and rate of electrical tree branches under different repetitive rates

分析認為，一方面是因為強電場作用下針尖附近會感應(yīng)出麥克斯韋電-機械應(yīng)力，當此應(yīng)力達到一定程度時會在絕緣的微觀薄弱點產(chǎn)生裂紋，進而發(fā)展為可以引發(fā)電樹枝的缺陷，達到一定電場強度時，缺陷處便會發(fā)生局部放電，引發(fā)電樹枝[2]。試驗用雙極性方波脈沖電源的電壓上升時間為納秒級，而電機用聚合物的力學(xué)弛豫時間在毫秒級，因此絕緣材料的應(yīng)變跟不上電致應(yīng)力的改變，聚合物材料在相同時間內(nèi)受到的脈沖個數(shù)隨著脈沖重復(fù)率的增加而增多，使得電-機械應(yīng)力的破壞作用更加明顯。另一方面，隨著脈沖重復(fù)率的增加，相同時間內(nèi)電荷的注入-抽出頻率提高，這就使得相同時間內(nèi)針尖附近承受的電子轟擊更加頻繁，加速電樹枝的引發(fā)[32]。因而，在以上兩方面因素的共同作用下，電樹枝在更高的脈沖重復(fù)率下會在更短的時間內(nèi)引發(fā)，且引發(fā)率更高。

2.2 電樹枝的形態(tài)特征

圖4為環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬漆復(fù)合試樣中的電樹枝生長形態(tài)。從圖4可以看出，3種脈沖重復(fù)率下電樹枝均呈現(xiàn)枝狀，且樹枝通道較為稀疏。在500 Hz和1 000 Hz的脈沖重復(fù)電壓下，電樹枝基本呈藤枝狀，放電通道較粗；而在2 000 Hz下，電樹枝分支明顯增加，放電通道較細。這主要與電荷的注入和抽出過程隨脈沖電壓重復(fù)率的增加變得更為頻繁有關(guān)，使得電樹枝尖端的局部放電次數(shù)增加[33]。局部放電對電樹枝通道的促進方向具有隨機性，而其帶來的局部高壓以及局部高溫等現(xiàn)象更加劇烈，加劇了電場的畸變，使得電樹枝的形狀隨著脈沖電壓重復(fù)率的增加變得更加復(fù)雜。

圖4 不同重復(fù)率下浸漬漆中電樹枝形態(tài)Fig.4 Typical features of electrical trees under different repetitive rates

分形維數(shù)（D）反映了復(fù)雜形狀在空間中的占有率，可以用來表示電樹枝生長形態(tài)的復(fù)雜程度以及電樹枝對材料的破壞程度。一般來說，分形維數(shù)較小的電樹枝為枝狀結(jié)構(gòu)，分形維數(shù)較大的電樹枝為叢狀結(jié)構(gòu)。為更加具體地描述電樹枝的形態(tài)特征，本研究采用盒計數(shù)法計算電樹枝的分形維數(shù)，具體方法如下：將顯微鏡拍攝的電樹枝圖片進行灰度化處理，然后將灰度化后的圖像轉(zhuǎn)換成黑白二色圖。通過長度為a的方格來劃分圖像，a=2i，i=1，2，3…，a的值小于圖像的長度。統(tǒng)計出所有方格中包含電樹枝的格子數(shù)Na，得到（a，Na）。變換方格邊長a的取值，針對不同的a，將得到一系列的Na，將一系列的（a，Na）取對數(shù)后進行線性擬合，得到的直線斜率即為分形維數(shù)，如式（2）所示。

不同脈沖重復(fù)率下各個試樣中電樹枝的分形維數(shù)均隨加壓時間的增加而增大，選取各個試樣擊穿前的電樹枝圖像，計算其分形維數(shù)。同一頻率下，對5個試樣擊穿前的圖像進行分形維數(shù)的計算，并取分形維數(shù)的平均值和方差作圖，圖5為3個脈沖頻率下環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬漆中電樹枝分形維數(shù)的變化范圍。

圖5 分形維數(shù)隨重復(fù)率的變化Fig.5 Fractal dimension varies with repetitive rates

從圖5可以看出，在3種脈沖電壓重復(fù)率下，環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬漆試樣中電樹枝分形維數(shù)變化較小、形狀特征相似，說明試驗所用頻率范圍不足以完全改變試樣中電樹枝的形態(tài)結(jié)構(gòu)類型?？梢?，電樹枝在非晶聚合物中的發(fā)展，不僅與聚合物材料本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與外施電壓和環(huán)境因素有很強的相關(guān)性。

2.3 電樹枝的生長曲線

定義電樹枝沿徑向的最大生長距離為徑向長度r，徑向長度r隨時間t的變化率為電樹枝的徑向生長速率v1。在重復(fù)率為500、1 000、2 000 Hz，幅值為7 kV的脈沖電壓下，得到環(huán)氧改性不飽和聚酯復(fù)合試樣中電樹枝的徑向長度隨時間的變化，如圖6所示。從圖6可以看出，電樹枝的徑向長度r隨加壓時間的延長而增大。

圖6 不同重復(fù)率下電樹枝徑向長度變化Fig.6 Radial length of electrical trees under different repetitive rates

對電樹枝的徑向生長曲線進行線性擬合，計算不同脈沖電壓重復(fù)率下電樹枝的平均徑向生長速率，統(tǒng)計得到500、1 000、2 000 Hz下電樹枝的平均徑向生長率分別為18.9、45.2、72.6 μm/min?？梢钥闯?，電樹枝引發(fā)后生長速度較快，隨脈沖電壓重復(fù)率的增加，電樹枝的平均徑向生長速率明顯增大，但兩者并不呈線性關(guān)系。這是因為電樹枝的發(fā)展過程與電荷的注入-抽出有密切的關(guān)系，通道內(nèi)獲得充足能量的電荷會攻擊聚合物的分子鏈并引發(fā)局部放電。當脈沖電壓的重復(fù)率增加，電荷的注入-抽出過程更加頻繁，使得有更多的熱電子撞擊聚合物大分子鏈，局部放電的次數(shù)增加，同時產(chǎn)生了更多的氣體，局部高壓和局部高溫的聯(lián)合作用促進了電樹枝的發(fā)展[32]。與此同時，隨著重復(fù)率的增加，電壓正、負半個周期的變化時間縮短，每個周期內(nèi)電子的加速過程變短，使得單個電子在每個周期獲得的能量減少，從而單個電子在每個周期產(chǎn)生的局部放電的幅值減小[33]。在兩個方面的相互作用下，電樹枝的徑向生長速率與脈沖電壓重復(fù)率并非呈嚴格線性關(guān)系。

2.4 電樹枝沿絕緣帶界面的橫向延伸特性

電樹枝自針尖引發(fā)后，先在不飽和聚酯漆中生長至絕緣帶，隨后沿著絕緣帶橫向延伸，需經(jīng)過較長時間的停滯后，試樣才發(fā)生擊穿，擊穿時間明顯比純浸漬漆的長。在不同重復(fù)率的雙極性方波脈沖電壓作用下，環(huán)氧改性不飽和聚酯浸漬漆配合聚酰亞胺薄膜補強云母帶復(fù)合試樣中電樹枝沿絕緣帶界面橫向延伸的典型特征圖像如圖7所示。

圖7 不同重復(fù)率下電樹枝沿絕緣帶延伸圖像Fig.7 Typical features of electrical tree extension along insulation tape under different repetitive rates

從圖7可以看出，復(fù)合材料中的絕緣帶對電樹枝的生長起阻礙作用，且絕緣帶的耐電強度比浸漬漆強。電樹枝生長至絕緣帶后，因絕緣帶的阻礙作用使其沿著絕緣帶界面橫向延伸，并且電樹枝通道的顏色逐漸加深，直徑逐漸變大。浸漬漆中未生長至絕緣帶的分支會加速發(fā)展至絕緣帶，待分支生長到絕緣帶后，其直徑也開始逐漸加大，顏色變深。在電壓的持續(xù)作用下，電樹枝的樹干寬度逐漸增加，這表明電樹枝對聚合物的破壞面積逐漸增大。

定義電樹枝沿絕緣帶橫向延伸長度d為沿針-板電極中軸線方向距離絕緣帶50 μm內(nèi)，電樹枝在平行于板電極方向（橫向）的最大長度，電樹枝沿絕緣帶橫向延伸速率v2為延伸長度d隨時間的變化速率。繪制不同脈沖電壓重復(fù)率下電樹枝沿絕緣帶橫向延伸長度d隨時間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 不同重復(fù)率下電樹枝沿絕緣帶延伸長度隨時間變化Fig.8 The extension length of electrical tree along insulation tape with time under different repetitive rates

從圖8可以看出，電樹枝生長至絕緣帶的前50 min內(nèi)，電樹枝沿絕緣帶的橫向延伸速率v2與脈沖電壓重復(fù)率呈正相關(guān)，但電樹枝沿絕緣帶橫向延伸的最終長度與重復(fù)率無明顯相關(guān)性。這是因為不同重復(fù)率下電樹枝的形態(tài)特征不同，使得電樹枝生長到絕緣帶時的初始橫向延伸長度不同。此時，已經(jīng)生長至絕緣帶的電樹枝沿著絕緣帶橫向延伸，仍未生長至絕緣帶的電樹枝分支開始加速生長，最終也會生長至絕緣帶，造成絕緣帶與浸漬漆界面處電樹枝沿帶生長的差異性較大。

3 結(jié)論

（1）隨脈沖電壓重復(fù)率增加，復(fù)合試樣中電樹枝引發(fā)時間縮短、引發(fā)率提高，平均徑向生長速率增大，表明在研究的重復(fù)率范圍內(nèi)，浸漬漆的耐電樹能力隨脈沖電壓重復(fù)率的增加而減弱。

（2）在3種脈沖電壓重復(fù)率下，復(fù)合試樣中的電樹枝均呈枝狀，且樹枝較為稀疏。隨重復(fù)率提高，電樹枝分支增加、放電通道變細，分形維數(shù)變化較小，說明試驗重復(fù)率范圍不足以完全改變環(huán)氧改性不飽和聚酯復(fù)合試樣中電樹枝的形態(tài)結(jié)構(gòu)類型。

（3）絕緣帶對電樹枝生長具有阻礙作用，電樹枝生長至絕緣帶后沿界面橫向生長，大幅延長了試樣擊穿的時間，說明復(fù)合絕緣的耐電樹能力相對純浸漬漆更強。