基于微带传输线的非透明聚合物中电树枝的表征

The initiation and growth of electrical trees in polymer are the important aspects of insulation degradation study of polymers. The most popular way of electrical tree characterization is microscopy observation, which is just fit for the transparent polymers. But most kinds of the high voltage insulating materials used in practice are opaque polymers, and there is no simple and convenient method yet to characterize the electrical trees in opaque polymers, which greatly limits the relevant studies. In this project, when microstrip lines are prepared on the surface of the polymer specimen, the morphology, size and conductivity of electrical tree can be characterized through the comparison of transmission performances before and after the initiation of electrical tree. The transmission performances of microstrip lines are very sensitive to the structure of microstrip lines and the properties of the dielectrics. Since electrical tree is the tree-like tunnels caused by partial discharge, and can be looked as dielectric discontinuity in polymer, the morphology and structure of the electrical tree will affect the distributed capacitor and distributed inductance around the conductor on the polymer, and take influence on the transmission performances of microstrip lines. The relevant information of electrical tree can be accurately characterized through the changes of measurement results of transmission performances. This method is irrelevant to the transparency of polymer material, and is very fit for the characterization of electrical trees in opaque polymers, and provide a foundation for the studies of insulation degradation in opaque polymers.

聚合物中电树枝的引发与生长是聚合物材料绝缘老化行为研究的重要方面。对电树枝的表征目前主要依赖于可见光条件下对透明聚合物的显微观测。但在实际应用中，高压绝缘材料多为非透明聚合物，而对于非透明聚合物中电树枝的表征目前尚无简便易行的解决方案，使得相关研究受到极大限制。本项目通过在电树枝试样表面构建微带传输线，测量电树枝引发前后微带线传输特性的变化来表征电树枝的形态、尺寸及导电类型。微带线的传输特性对微带线结构及电介质性质非常敏感。由于电树枝是因局部放电而形成的树枝状通道，是在聚合物中产生的介质不连续现象，其形态与结构将影响聚合物表面导体周围的分布电容与分布电感，从而对微带线的传输特性产生影响。通过测量微带线传输特性的变化，可以准确反映材料内部电树枝生长的相关信息。由于该方法并不依赖于材料的透光性，因此非常适合非透明聚合物中电树枝的表征，为非透明聚合物绝缘老化行为的研究打下基础。

聚合物中的电树枝指的是在特定条件下由于局部放电而形成的树枝状放电通道，电树枝在生成后易发展为击穿，对电力设备的安全运行可能会造成严重威胁。目前对电树枝的研究大多依赖于通过光学手段观测电树枝的形态，建立电树枝与工况条件的关系。但在实际应用中，为了提升材料的绝缘特性，往往会在聚合物中添加很多其它成分，这很有可能会导致材料变得不透明，无法通过光学手段观测电树枝的生长情况。. 由于微带传输线在传输微波信号时对周围介质的连续性非常敏感，本项目创新性地提出了基于微带传输线理论对非透明聚合物中电树枝进行表征的新方法。在项目研究过程中，我们先后探究了多种不同的微带传输线结构，建立了传输特性与电树枝生长情况的定性关系，在此基础上，将相关方法应用于非透明聚合物中电树枝的表征，取得了较好的效果。研究表明，微带贴片电极结构可以有效地体现电树枝对传输特性的影响，其中，非导电型电树枝将使传输极点向高频方向移动，导电型电树枝将使传输极点向低频方向移动；基于互补型开路环谐振器的微带传输线对电树枝不够敏感，但可有效地表征水树枝的生成；而基于微带缝隙谐振器的微带传输线则非常灵敏，不仅可以检测水树枝，同时还可对电树枝做出响应；以此为基础，成功地实现了对非透明聚合物中电树枝的表征。然后，我们又将本项目的研究思路和方法进一步扩展到了热老化和湿热老化的研究中，利用具有叉指型电容谐振器的微带传输线研究了热老化和湿热老化后的环氧树脂，有效地反映出了材料性能的变化，并建立了大尺寸试样绝缘强度测试的新方法。目前我们正在开展基本项目方法的油纸复合绝缘老化的研究，已取得阶段性成果。. 综上，本项目所提出的基于微带传输线理论对材料老化特性的表征方法，无论对于在强电场情况下在材料中生成的电树枝、水树枝这种局部的电化学老化，还是在热或湿热条件下所导致的材料整体的老化，都可以实现比较好的表征效果，未来有望为高电压与绝缘领域的相关研究提供支撑。