图1 试样示意图
Fig.1 The diagram of samples
摘要 绝缘拉杆是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）断路器和隔离开关的关键部件，用于将运动从接地部分传送到高电位部分，以实现电气连接的通断。但在出厂试验、运输和安装过程中，绝缘拉杆容易吸收空气中的水分，造成局部受潮，影响其绝缘可靠性。该文以GIS绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂（GFRP）为对象，研究了水分含量对GFRP电树枝生长特性的作用规律。结果表明，GFRP受潮后，电树枝通道数量增多，生长速度先减小后增大，电树枝会沿着垂直电场方向的界面发展。分析认为GFRP中水分侵入会导致界面处产生离子交换，破坏界面化学键，加之界面处存在较大的湿失配应力，造成界面脱粘、开裂等现象，降低界面的击穿场强；同时水分会提高界面处相对介电常数，在工频电压下造成局部电场畸变，使电树枝劣化加剧。
关键词：绝缘拉杆 玻璃纤维增强环氧树脂（GFRP） 电树枝 水分含量
气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）具有结构紧凑、可靠性高、安全性强、环境适应能力强、维护工作量小等优势，广泛应用于超/特高压输变电系统[1-3]。绝缘拉杆是GIS中断路器、隔离开关等本体单元和操动机构之间用于机械连接的传动部件，起着绝缘、操作开断的作用[4]。绝缘拉杆在电气操作过程中会承受很高的电场及机械载荷，并且合闸、分闸操作频繁，是GIS绝缘系统中的一个薄弱环节[5]。绝缘拉杆击穿和炸裂的事故时有发生，且能观察到内部有树枝状放电通道，严重影响了GIS设备的安全运行[6-7]。目前，绝缘拉杆一般采用真空压力浸渍方法生产，制作完成后需要进行外观检查、机械强度试验、工频耐压试验、局部放电试验等一系列型式试验，试验通过后经运输并安装到GIS设备中方可应用[8]。在这些过程中，绝缘拉杆极有可能吸收空气中的水分，造成局部受潮，导致绝缘拉杆带“病”入网，影响电力系统供电的稳定性。
玻璃纤维增强环氧树脂（Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin, GFRP）复合材料具有质量轻、机械强度高、绝缘性能优异及耐腐蚀等优点[9-10]，成为制作绝缘拉杆的主绝缘材料之一。已有研究表明，GFRP中不仅强极性的环氧树脂（Epoxy Resin, EP）具有吸水性，其内部存在大量的玻璃纤维-环氧树脂界面也会通过“毛细管效应”吸收水分[11-12]。GFRP一旦暴露在潮湿环境中，水分子就会通过纤维-树脂界面逐渐扩散进入GFRP内部[13]。一方面，水分在界面处发生水解反应，破坏纤维与树脂之间的化学键，同时在吸水过程中，由于纤维与树脂基体的吸湿膨胀系数不同，使得其界面处产生剪应力，二者共同作用使界面易发生脱粘开裂[14-15]；另一方面，界面吸收了大量极性较高的水分子，在电场的作用下这些水分子会发生Maxwell-Wagner界面极化或偶极子极化，使得复合材料局部介电常数大幅度增加，导致GFRP内部电场畸变程度进一步加剧[16-17]。文献[18]表明水分渗透到树脂和纤维-树脂界面内部会导致复合材料中形成孔洞和裂纹，击穿电压随处理时间的延长而降低。文献[19]指出GFRP吸水后电导、极化损耗、局部放电等特征均会增大，玻璃纤维-环氧树脂界面水解失效形成气隙，在局部高场作用下引发电树枝，并沿着界面生长。综上所述，吸水受潮会影响GFRP复合材料的绝缘性能，然而目前水分影响下GFRP复合材料中电树枝的生长特性和劣化机理尚不清楚。
因此，探究水分含量对GIS绝缘拉杆主绝缘材料GFRP中电树枝生长的影响规律，揭示其绝缘劣化机理有助于充分认识受潮所产生的危害，对改进绝缘拉杆生产、运输、安装等过程中的防潮设计具有重要意义。本文以GIS绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂为对象，研究了GFRP中水分含量与受潮处理时间的关系，获得了水分含量对GFRP电树枝生长特性的影响规律；并结合不同水分含量下GFRP的水解特性及环氧树脂介电特性，从绝缘劣化和电场分布角度阐释了水分对GFRP电树枝生长特性作用机理。
实验所需的环氧树脂、酸酐固化剂、固化促进剂和无碱玻璃纤维布均由泰开集团有限公司提供。玻璃纤维经硅烷偶联剂预处理，用来提高与环氧树脂间的界面相容性。采用针-板电极系统模拟实际绝缘拉杆中出现的由杂质、气隙、分层等缺陷引起的局部电场强度集中。在设计好的模具中预置一个针电极，电极上方覆盖一层玻璃纤维布，之后将模具密封并放置在恒温箱中预热；将环氧树脂、酸酐固化剂和固化促进剂按质量比100:85:0.2加入真空压力浸渍设备混合罐中，在60℃下搅拌脱气30min；然后，采用真空压力浸渍方法将混合物浸渍到模具中；最后，将浸渍完成后的模具置于恒温箱中，在100℃下固化4h，在120℃下固化4h以达到完全固化。固化完成后从恒温箱取出试样，8h内冷却至室温，拆除模具获得GFRP电树枝试样，所得样品尺寸为20mm×20mm×6mm。在本实验中，制备了两种试样，如图1所示：第一种为纯环氧树脂（EP）试样；第二种为GFRP试样。针电极的直径为300μm，针尖的曲率半径为3μm，角度为30°，针-板电极距离严格控制在(1.5±0.1)mm；通过导电银胶在试样底端粘贴一层铜片作为地电极。
图1 试样示意图
Fig.1 The diagram of samples
1.2.1 电树枝劣化实验平台
电树枝劣化实验平台如图2所示，主要包括高压交流单元和电树枝成像系统。高压交流单元主要由调压器和升压变压器构成，其中调压器为50Hz单相电源，输入电压为220V，当电流超出设定值后，装置内部的过电流继电器启动自动断电来保护实验电路；升压变压器电压比为1:1 000，输出电压可在0～250kV范围内连续变化，可将输入的工频低压放大为工频高压，然后用于电树枝劣化实验。电树枝成像系统由显微镜、可控冷光源和计算机系统组成，具有录像、拍照等多种功能。实验时温度为室温（25℃±2℃），以1kV/s的升压速率施加50Hz的交流电压，在达到15kV后保持恒定，并开始记录电树枝生长过程。为保证电树枝实验的准确性，减小实验误差，每组实验条件下均重复十组实验。
图2 电树枝劣化实验平台
Fig.2 Electric tree degradation test platform
1.2.2 恒湿环境模拟实验平台
为了研究水分含量对GFRP电树枝生长特性的影响规律及机理，本文搭建了可程式恒温恒湿实验箱来模拟湿度环境，如图3所示，主要由调温（加热、冷却）和增湿两部分组成。恒温恒湿实验箱利用温湿度控制器来设定温度和湿度，可以实现-10～150℃范围内的温度调控和20%～98%范围内的相对湿度调控，且温度误差小于±1.0℃，相对湿度误差小于±1.0%。在对试样进行受潮处理之前，先用无水乙醇将试样表面清理干净，然后放入50℃恒温箱中干燥1h，之后取出试样冷却至室温，在精度为0.1mg的电子天平上测量此时的质量并记录。记录完成后，启动恒温恒湿箱，设定温度和湿度，等待0.5h，待温度和湿度稳定后，将试样放入箱体中，进行受潮处理。处理完成后，取出试样，擦拭干净，并迅速在电子天平上称重，即可得到试样中水分含量为
（1）
式中，
为试样中水分的质量分数；m0为干燥后试样的质量；mh为吸湿后试样的质量。
图3 恒温恒湿实验箱示意
Fig.3 Schematic diagram of constant temperature and humidity test box
实验时，将恒温恒湿箱温度设置为25℃±2℃，相对湿度设置为90%±3%，处理时间为0h、6h、12h和18h。为保证实验的准确性，减小误差，每组实验条件下均重复进行十组实验，并计算平均水分含量。
在交流电场作用下，由于绝缘介质局部介电常数存在差异，介质内部电场分布也会发生变化。此外，由于试样水分含量不同，受潮区域的大小也会不同。受潮后环氧树脂中针-板电极系统仿真模型示意图如图4所示，用来仿真分析受潮后试样内部电场强度的分布规律，其中蓝色区域（阴影区域）为受潮区域，其深度d及受潮后的相对介电常数都与试样水分含量有关。针尖的曲率半径为3μm，针电极与地电极之间的距离为1.5mm。仿真时对针电极施加幅值为15kV的交流电压，空气的相对介电常数取为1，环氧树脂基体的相对介电常数根据实验测量获得。本文中使用的控制方程为
（2）
（3）
（4）
式中，D为电位移矢量，C/m2；
为真空介电常数，F/m；
为各介质的相对介电常数；
为点电荷密度，C/m3；E为电场强度，V/m；V为电势，V。
图4 受潮后针-板电极系统电场仿真模型示意图
Fig.4 Schematic diagram of the simulation model of the needle-plate electrode system after exposure to moisture
EP和GFRP试样中水分含量随受潮处理时间的变化规律如图5所示。由图5可知，经过6h、12h、18h受潮处理后，EP中平均水分含量分别为0.08%、0.11%、0.13%，GFRP中平均水分含量分别为0.1%、0.13%、0.16%，并且水分含量与处理时间的平方根呈线性关系。因此，水分在环氧树脂复合材料中的扩散行为符合Fick模型，水分的自由扩散是吸水的主要方式[15]。对于GFRP而言，其水分含量要略高于EP。这是因为在GFRP中，玻璃纤维与环氧树脂之间的界面相中存在大量的孔隙，水分除了通过试样表面向内部扩散外，还会在“毛细管效应”的作用下沿界面迅速扩散，导致水分含量增大[20]。
图5 试样中水分含量随受潮处理时间的变化规律
Fig.5 Variation of moisture content in samples with damp treatment time
不同水分含量下EP中电树枝生长特性是探究绝缘劣化程度的重要形式。不同水分含量下EP中5min和10min时典型的电树枝生长形貌特征如图6所示。由图6可以看出，电树枝形态在受潮处理后会发生显著改变，在不同水分含量下，电树枝形貌特征存在较大差别。
图6 不同水分含量下EP中典型的电树枝形貌特征
Fig.6 Typical electrical morphologies in EP under different moisture contents
图6a所示是水分含量为0%时环氧树脂中的电树枝形态，前5min电树枝主要沿着电场方向生长，在针尖附近可以看到清晰的电树枝，但是随着电树枝的生长，树枝通道变得非常细小，难以区分，并且在5min之后电树枝沿电场方向的生长近乎停滞，而电树枝宽度逐渐增大。图6b所示为水分含量为0.08%时EP中的电树枝形态，受潮处理改变了电树枝形貌特征，电树枝主要沿电场方向生长，生长速度加快，电树枝通道由细变粗、分支数量减少，并且在5min之后电树枝生长近乎停滞。随着水分含量进一步增大，如图6c与图6d所示，电树枝通道宽度继续增大，劣化损伤区域增大，电树枝长度增加，电树枝出现明显沿着垂直电场方向生长的趋势。当水分含量达到0.13%时，EP中的电树枝劣化变得极为严重，电树枝从一开始就沿着垂直电场方向生长，电树枝主通道粗大，并从主通道中延伸出许多细小分支，电树枝通道几乎占据了图像的绝大部分。综上所述，环氧树脂受潮初期，电树枝沿电场方向生长加快、分支减少，而随着受潮处理时间的增长，环氧树脂中电树枝通道数量增多、宽度增大，电树枝越来越早地呈现出横向生长趋势，劣化损伤区域逐渐增大。
在相同的实验条件下测量电树枝在不同生长阶段的传播特性，可以直接评估绝缘介质耐电树枝劣化的性能。电树枝长度是表征绝缘劣化的关键参数，一般来讲，电树枝劣化过程中电树枝长度会逐渐增加，当电树枝末端生长到地电极侧时，就会引发绝缘击穿，导致绝缘失效。本文用电树枝长度与生长时间的关系来表征电树枝的生长速度。定义电树枝长度L为电树枝沿电场方向上的最大距离，电树枝宽度W为垂直电场方向上的最大距离。不同水分含量下EP中电树枝长度和宽度随时间的变化规律如图7所示。图7a为电树枝长度随时间的变化，水分含量为0%时，EP中电树枝的生长呈现明显的饱和特征，初期以一个较慢的速度增长，在5min后基本不再发生变化。受潮处理后，电树枝生长速度先加快后降低。水分含量为0.08%和0.11%时，电树枝生长速度逐渐加快，而水分含量为0.13%时电树枝生长速度下降，但仍然高于水分含量为0的试样的生长速度。图7b为电树枝宽度随时间的变化，水分含量为0%时，EP中电树枝宽度增长较快，5min后同样基本不再发生变化。水分含量为0.08%时，电树枝宽度增长速度减小，9min后基本不再发生变化。水分含量为0.11%时电树枝宽度增长速度与水分含量为0%的试样中电树枝宽度增长速度相近，但是并不会停滞，并且在4min后宽度超过未受潮试样中电树枝宽度。当水分含量达到0.13%时，电树枝宽度增长速度进一步加快。综上所述，受潮程度加重后，GFRP内部电树枝更容易沿着垂直电场方向生长。
图7 EP中电树枝长度和宽度随时间的变化规律
Fig.7 Variation of length and width of electrical tree in EP with time
为了直观地表现电树枝在横、纵两个方向上的生长长度之间的关系，引入扩展系数。扩展系数即电树枝的宽度与长度的比值，用来分析电树枝横、纵两个方向上的延伸情况。EP中电树枝在5min时的扩展系数如图8所示。水分含量为0时，扩展系数约为1.9，表明电树枝更易向着垂直电场方向生长；水分含量为0.08%时，扩展系数迅速减小，约为0.8，说明此时电树枝更易沿着电场方向生长；随着受潮程度加重，扩展系数逐渐增大，在水分含量为0.13%时达到1.8左右。
图8 EP中电树枝的扩展系数
Fig.8 Expansion coefficient of electrical tree in EP
由图6可以看出，受潮后电树枝越来越早地呈现出横向生长的趋势，这可以通过引入电树枝生长角度来进行评估。EP中电树枝的生长角度如图9所示。在图9a中，以针尖为起点，向两侧作两条线，使得两条线下方为电树枝劣化区域，两条线之间的夹角α定义为电树枝生长角度。可以看出，对于具有同样宽度的电树枝，越早横向生长的电树枝其α越大。图9b为受潮10min时环氧树脂中电树枝的生长角度，受潮后α呈现出先减小后增大的趋势，在水分含量为0.13%时，α甚至达到了约200°，也就是说会出现“反向生长”现象，如图6d所示。这可能是因为水分在环氧树脂中分布不均匀改变了材料中的电场分布，使电树枝更早地沿垂直于电场的方向发展。
图9 EP中电树枝的生长角度
Fig.9 Electric tree growth angle in EP
不同水分含量下，GFRP中5min和10min时典型的电树枝生长形貌特征如图10所示。由图10可知，电树枝生长形态在纤维填充后发生改变，与图6所示EP中的电树枝形态存在较大差异。图10a所示为水分含量为0%时GFRP中的电树枝形态，电树枝沿着平行于电场方向的玻璃纤维与环氧树脂界面迅速生长，电树枝通道单一，仅有少量分支，电树枝劣化区域较小，在5min时树枝通道非常细小，但在10min时电树枝通道宽度增大，表明此时绝缘进一步劣化，有击穿趋势。图10b所示为水分含量为0.1%时GFRP中的电树枝形态，电树枝通道细小、分支增多、劣化区域增大，并且在5min时电树枝主要沿着平行于电场方向的玻璃纤维与环氧树脂界面生长，在垂直电场方向的界面上电树枝分支较短，但是在10min时可以明显地观察到电树枝向两侧延伸，沿着垂直电场方向界面生长的电树枝分支长度增大。当水分含量为0.13%时，如图10c所示，此时电树枝沿着电场方向迅速生长，分支数量进一步增多，劣化区域扩大，且在5min时就已经开始沿着垂直电场方向的界面生长，电树枝通道极为密集，而在5～10min之间电树枝主要在垂直电场方向的界面上生长。当试样水分含量进一步增大时，电树枝形态变得更为复杂，如图10d所示，在水分含量为0.16%时，GFRP中一开始就会出现较粗的电树枝通道并且交错重叠，电树枝更明显地沿着玻璃纤维与环氧树脂界面生长，电树枝劣化损伤区域进一步增大。电树枝在前5min内生长迅速，主要沿着平行于电场方向的界面生长，在垂直电场方向界面上的电树枝通道数量较少，但是在10min时可以观测到大量沿着垂直电场方向界面上生长的电树枝，并且树枝通道更加密集，甚至出现先沿着平行电场方向界面生长、再沿着垂直电场方向界面生长、再转向平行电场方向界面生长这种多次转向的电树枝通道，如图10d中红色箭头所示。
图10 不同水分含量下GFRP中典型的电树枝形貌特征
Fig.10 Typical electrical morphologies in GFRP under different moisture contents
综上所述，随着试样中水分含量的增加，GFRP中电树枝通道数量会逐渐增多，电树枝除了沿着平行于电场方向的玻璃纤维与环氧树脂界面生长外，还会沿着垂直电场方向的界面生长，甚至出现电树枝通道多次转向的现象，并且劣化损伤区域会逐渐扩大[21]。
GFRP中电树枝长度和宽度随时间的变化规律如图11所示，与EP不同的是，GFRP电树枝的生长没有饱和特性。图11a为电树枝长度随时间的变化，水分含量为0%时GFRP中电树枝生长速度较快，在120s左右时已经生长至显微镜视野范围之外。受潮处理后，GFRP中的电树枝生长速度先降低后加快。在水分含量为0.1%时，GFRP中电树枝的生长速度降到了最低，需要大约330s才能生长至显微镜视野底部；之后电树枝生长速度逐渐加快，在水分含量为0.16%时，电树枝生长速度已经超过水分含量为0%的试样中电树枝生长速度，在仅仅30s左右就已经生长到显微镜视野范围之外。图11b为GFRP中电树枝宽度随时间的变化，可以看出水分含量为0%和0.1%时，电树枝宽度增长速度相近，而随着试样水分含量的继续增多，电树枝宽度增长速度逐渐增大，这就表明GFRP中的电树枝出现更明显沿着垂直电场方向生长的趋势。
图11 GFRP中电树枝长度和宽度随时间的变化规律
Fig.11 Variation of length and width of electrical tree in GFRP with time
由图11可知，GFRP中电树枝很快就生长到显微镜视野范围之外，因此无法统计电树枝扩展系数。本文直接测量了10min时GFRP中电树枝的生长角度，如图12所示。水分含量为0%时，电树枝生长角度最小，只有约60°；随着试样中水分含量的增多，电树枝生长角度逐渐增大，在水分含量为0.16%时，电树枝生长角度达到了约150°。GFRP试样中水分含量较少时，水分的不均匀分布导致材料中电场分布发生变化，使电树枝分枝数量增多，宽度增大，形成“屏障”效果而阻碍电树枝沿着平行电场方向生长；而当GFRP试样中水分含量增多时，侵入试样的水分会破环玻璃纤维与环氧树脂之间形成缺陷，更容易引发局部放电，加快电树枝生长，使电树枝在长度和宽度上都迅速增大。
图12 GFRP中电树枝的生长角度
Fig.12 Electric tree growth angle in GFRP
在环氧树脂中，水分会通过试样表面向内部逐渐扩散，水分含量会逐渐增加。环氧树脂中水分子的存在形式如图13所示。吸收的水分主要以结合水和自由水两种形式存在于试样内部，其中结合水通常通过氢键与环氧树脂中的羟基等极性基团相结合；自由水则多存在于分子链之间的空隙中。水分进入环氧树脂试样会使其整体质量增加，导致环氧树脂产生溶胀、塑化[22]。
图13 环氧树脂中水分子存在形式示意图
Fig.13 Schematic diagram of the existence form of water molecules in epoxy resin
在GFRP中，玻璃纤维与环氧树脂之间的界面相中存在大量的孔隙，水分除了通过试样表面向内部扩散外，还会在“毛细管效应”的作用下沿界面迅速扩散[20]。在玻璃纤维-环氧树脂界面水分子的影响下，玻璃纤维中的Na+等金属阳离子会向界面移动并交换氢离子（H+），反应式（5），其中氢离子（H+）是由水的解离（见式（6））产生的[23]。因此，在界面处会发生离子交换，从电学的角度来看，增加了载流子的数量和迁移率，增大了内部界面的导电性；从化学角度来看，形成了碱性介质，能够通过催化水解破坏环氧树脂基体和玻璃纤维之间的结合键（“硅腐蚀”，见式（7））。在碱性介质的存在下，例如由式（6）得到的OH-，反应式（7）被加速为式（8）。
（5）
（6）
（7）
（8）
除此之外，环氧树脂基体因含有大量极性基团而吸水膨胀，同时玻璃纤维和环氧树脂基体的弹性模量相差较大，其中玻璃纤维弹性模量约为75GPa，环氧树脂基体弹性模量约为4GPa，前者约为后者的19倍，所以玻璃纤维与环氧树脂基体会产生膨胀不匹配性，进而在玻璃纤维-环氧树脂基体界面处产生湿失配应力[24]。GFRP中水分含量越高，玻璃纤维-环氧树脂基体界面处所承受的湿失配应力就越大，当湿失配应力大于其所能承受的最大强度时，界面易出现损伤，发生脱粘开裂。
将GFRP试样沿着垂直针电极方向拉断，在显微镜下观测针电极下方区域的断口形貌，如图14所示。可以看出GFRP试样在不同水分含量下，玻璃纤维与环氧树脂的粘接程度不同。玻璃纤维表面越光滑，纤维与树脂之间的界面状态越差。当试样中水分含量较低时，玻璃纤维与环氧树脂之间的界面粘接良好，因此GFRP试样断口处纤维表面上仍会有大量残留的树脂，并且纤维会成簇断裂，较为整齐，如图14a和图14b所示。当GFRP中水分含量较高时，界面处的水分子会破坏环氧树脂基体和玻璃纤维之间的结合键，加之纤维-基体界面处存在较大的湿失配应力，易造成界面脱粘、开裂等现象，在基体及界面处产生微裂纹、微孔洞，因此GFRP试样断口处拔出纤维的表面非常光滑，并且纤维断裂参差不齐，如图14c和图14d所示。
图14 不同水分含量下GFRP试样断口形貌
Fig.14 Fracture morphologies of GFRP specimens under different moisture contents
为了进一步验证受潮对化学基团的影响，对受潮时间分别为0%和12h的GFRP进行傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）研究，结果如图15所示。3 420cm-1处为O—H伸缩振动吸收峰，1 450cm-1处为(—CH2)的弯曲振动峰，1 380cm-1处为甲基上C—H的对称弯曲吸收峰。受潮后，O—H、—CH2、C—H吸收振动峰的强度都出现下降，这是由于树脂基体和纤维结合界面被水解，导致部分化学键断裂减少。
图15 受潮前后GFRP红外光谱图
Fig.15 FTIR of GFRP with different moisture contents
环氧树脂复合材料吸收了大量极性较高的水分子，在电场的作用下水分子发生取向极化，导致局部介电常数会发生变化[25]。对环氧树脂薄片试样进行不同时间的受潮处理后测试了其相对介电常数，结果如图16所示。测试频率为40～106Hz。在整个频率范围内，水分含量的增多对试样相对介电常数有明显的提高，环氧树脂经过0h、6h、12h、18h受潮处理后，在50Hz时的相对介电常数分别为3.96、4.05、4.12、4.22。
图16 环氧树脂相对介电常数
Fig.16 Relative dielectric constant of epoxy resin
在仿真中，受潮区域的深度d分别设置为0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm，相对介电常数分别设置为3.96、4.05、4.12、4.22，针尖附近电场分布仿真结果如图17所示。由图17可知，试样受潮后受潮区域相对介电常数增大，使得针电极与受潮区域之间的电场强度增强，因此电树枝引发后向地电极的生长速度加快。而当试样中水分含量达到0.13%时，受潮区域扩展到针尖附近，使得针尖部位电场发生严重畸变，如图17d中椭圆框所示，针尖两侧电场强度升高，导致电树枝向针尖两侧生长加快，增大了针电极的等效半径，树枝通道前方电场强度降低，电树枝向地电极生长速度降低。这就解释了随着受潮处理时间的延长，电树枝越来越早地出现垂直电场方向生长的现象的原因。
图17 不同受潮程度针尖附近电场分布仿真结果
Fig.17 Simulation results of electric field distribution near the needle tip with different moisture contents
受潮后GFRP中电树枝劣化过程示意图如图18所示。GFRP中环氧树脂基体的相对介电常数约为4，玻璃纤维相对介电常数约为8。因此，未受潮时，GFRP试样中针电极和玻璃纤维之间的区域将承受更高的电场，电树枝会向玻璃纤维一侧生长至界面区域[26]。如图18a所示，电树枝会沿着GFRP中绝缘薄弱的界面生长，电树枝通道单一，能量集中，因此生长速度较快。但是在受潮吸水之后，水分会通过“毛细管效应”沿着界面快速深入试样内部，一方面会提高界面区域相对介电常数，使针电极和玻璃纤维之间承受的电场进一步提高，电树枝更容易向界面处生长；另一方面会使玻璃纤维与环氧树脂之间的化学键发生水解，形成微孔并增强界面区域的导电性，如图18b所示。微孔处容易积聚电荷造成局部场强畸变，超过电场阈值时容易发生局部放电侵蚀通道内壁形成侧枝通道，因此会导致电树枝通道由细变粗，分支增多，劣化损伤区域增大[27]。此时，电树枝数量增加增大了针电极的等效半径，导致每个分支前方电场强度降低，形成“屏蔽”效应，电树枝生长速度降低[29]。随着水分含量进一步增多，水分对界面的破坏效果越来越严重，在界面处形成的微孔彼此连接，形成宏观气隙，如图18c所示。气隙的存在会降低界面的击穿强度，并且在电场作用下更容易产生剧烈的局部放电，因此会导致电树枝生长速度大幅增大[26]。
图18 GFRP中电树枝劣化过程示意图
Fig.18 Schematic diagram of the degradation process of electrical tree in GFRP
本文以GIS绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂为对象，研究了水分含量与受潮处理时间的关系，获得了水分含量对GFRP电树枝生长特性的影响规律和作用机理。主要结论如下：
1）基于水分含量与受潮时间对应关系验证了EP和GFRP复合材料中水分扩散行为符合自由扩散Fick模型。
2）获得了水分含量对EP和GFRP介电性能和电树枝生长特性的影响规律，发现EP和GFRP中水分含量分别超过0.08%和0.1%时，电树枝劣化程度显著增加，这为绝缘拉杆试验、运输及装配过程中的防潮控制提供了依据。
3）GFRP受潮后的断口抽丝形貌及傅里叶红外光谱结果表明玻璃纤维-环氧树脂基体界面可能因水解及湿失配应力形成不同程度的缺陷，同时水分梯度扩散进一步造成局部电场集中，使得GFRP电树枝劣化加剧。
致谢：感谢泰开电器绝缘有限公司对原料供应、试样制备等方面提供的帮助。
参考文献
[1] Zhang Liang, He Cong, Guo Ruochen, et al. Research on effectiveness of lightning impulses with different parameters for detecting protrusion defects in GIS[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(4): 1354-1362.
[2] 李进, 赵仁勇, 杜伯学, 等. 电工环氧绝缘件缺陷无损检测方法研究进展[J]. 电工技术学报, 2021, 36(21): 4598-4607. Li Jin, Zhao Renyong, Du Boxue, et al. Research progress of nondestructive detection methods for defects of electrical epoxy insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(21): 4598-4607.
[3] Zheng Shusheng, Wu Shiyou. Detection study on propagation characteristics of partial discharge optical signal in GIS[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 1-12.
[4] 陈允, 张鹏飞, 崔博源, 等. 特高压GIS断路器用绝缘拉杆应用现状[J]. 高电压技术, 2019, 45(9): 2699-2706. Chen Yun, Zhang Pengfei, Cui Boyuan, et al. Application status of insulation pull rod for 1 100 kV GIS circuit breaker[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(9): 2699-2706.
[5] Zhao R Y, Li J, Chen Y, et al. Defects detection of high voltage insulation pull rod based on ultrasonic wave method[C]//2020 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application, Beijing, China, 2020: 1-4.
[6] 陶风波, 王帅, 贾勇勇, 等. 特高压气体绝缘金属封闭式组合电器的现场冲击耐压试验方法[J]. 高电压技术, 2018, 44(12): 3936-3943. Tao Fengbo, Wang Shuai, Jia Yongyong, et al. Method of on-site tests for the withstand voltage of ultra-high-voltage GIS lightning impulse[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(12): 3936-3943.
[7] 张卓, 杨威, 颜丙越, 等. 高压绝缘拉杆树脂浸润纤维的气泡缺陷数值模拟与工艺参数优化[J]. 绝缘材料, 2020, 53(4): 89-94. Zhang Zhuo, Yang Wei, Yan Bingyue, et al. Bubble defect simulation and technique parameters optimization of resin impregnated fiber for high voltage insulated pull rod[J]. Insulating Materials, 2020, 53(4): 89-94.
[8] 国家电网有限公司设备管理部组. GIS绝缘拉杆技术及故障案例分析[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2021.
[9] Gao Yanfeng, Liang Xidong, Liu Yingyan, et al. Effect of electrical stress on glass fiber reinforced polymer used in high voltage composite insulator under wet environment[J]. Composites Science and Technology, 2018, 155: 151-159.
[10] Li Sheng, Tsang H H, Cheng Yongfeng, et al. Seismic testing and modeling of cylindrical electrical equipment with GFRP composite insulators[J]. Composite Structures, 2018, 194: 454-467.
[11] 杜伯学, 张莹, 孔晓晓, 等. 环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展[J]. 电工技术学报, 2022, 37(5): 1128-1135, 1157. Du Boxue, Zhang Ying, Kong Xiaoxiao, et al. Research progress on electrical tree in epoxy resin insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1128-1135, 1157.
[12] Nagao M, Oda K, Nishioka K, et al. Effect of moisture on treeing phenomenon in epoxy resin with filler under AC voltage[C]//Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Cancun, Mexico, 2002: 951-954.
[13] Guermazi N, Ben Tarjem A, Ksouri I, et al. On the durability of FRP composites for aircraft structures in hygrothermal conditioning[J]. Composites Part B: Engineering, 2016, 85: 294-304.
[14] 王国建, 孙耀宁, 姜宏, 等. 湿热–高温循环老化对环氧乙烯基酯树脂/玻璃纤维复合材料性能影响[J]. 工程塑料应用, 2020, 48(9): 121-126, 132. Wang Guojian, Sun Yaoning, Jiang Hong, et al. Influences of cyclic hygrothermal-thermal aging on properties of epoxy vinyl ester resin/glass fiber composites[J]. Engineering Plastics Application, 2020, 48(9): 121-126, 132.
[15] 高坤, 史汉桥, 孙宝岗, 等. 湿热老化对玻璃纤维/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 复合材料学报, 2016, 33(6): 1147-1152. Gao Kun, Shi Hanqiao, Sun Baogang, et al. Effects of hydro-thermal aging on properties of glass fiber/epoxy composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(6): 1147-1152.
[16] Zhang Hongliang, Ning Xin, Feng Hua, et al. Influence of absorbed moisture on the dielectric properties of epoxy resin impregnated paper composites[C]//2015 IEEE 11th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials, Sydney, NSW, Australia, 2015: 672-675.
[17] Schrijver C, Herden A, Kärner H C. A chemical approach to the dielectric aging of fibre-reinforced polymer (FRP) insulators[J]. European Transactions on Electrical Power, 1998, 8(3): 221-222.
[18] Amini M, Khavandi A. Evaluation of the electrical properties and mechanical behavior of insulator's composite core in harsh environments[J]. Materials Research Express, 2018, 5(11): 115306.
[19] 袁之康. 高湿环境下复合绝缘子材料劣化特性及机理[D]. 北京: 华北电力大学（北京）, 2019.
[20] Gibhardt D, Doblies A, Meyer L, et al. Effects of hygrothermal ageing on the interphase, fatigue, and mechanical properties of glass fibre reinforced epoxy[J]. Fibers, 2019, 7(6): 55.
[21] 王成. 玻璃纤维增强环氧树脂材料的电树枝生长特性及机制研究[D]. 北京: 华北电力大学（北京）, 2020.
[22] 丁宁, 穆海宝, 丁清鹏, 等. 基于频域介电谱的环氧树脂受潮评估及影响因素[J]. 高电压技术, 2022, 48(2): 706-715. Ding Ning, Mu Haibao, Ding Qingpeng, et al. Moisture evaluation and influencing factors of epoxy resin based on frequency domain spectroscopy[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(2): 706-715.
[23] Janssen H, Seifert J M, Karner H C. Interfacial phenomena in composite high voltage insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(5): 651-659.
[24] 侯思祖, 钟正, 刘云鹏, 等. 高压复合绝缘子用GFRP材料吸湿特性及湿应力分布数值模拟[J]. 电工技术学报, 2022, 37(4): 1010-1019.Hou Sizu, Zhong Zheng, Liu Yunpeng, et al. Numerical simulation of hygroscopic characteristic and wet stress distribution of GFRP material used in high voltage composite insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(4): 1010-1019.
[25] Alhabill F N, Bhabha H, Harmer S, et al. On the dynamics of moisture absorption and its impact on dielectric properties of epoxy networks under DC and AC voltages[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2021, 28(5): 1677-1685.
[26] Yuan Zhikang, Wang Cheng, Tu Youping, et al. Growth law of electrical tree in glass/epoxy resin composite[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2021, 28(2): 476-484.
[27] Jones J P, Llewellyn J P, Lewis T J. The contribution of field-induced morphological change to the electrical aging and breakdown of polyethylene[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5): 951-966.
[28] Wang Yongqiang, Liu Han, Feng Changhui, et al. Electric tree characteristics of glass fiber reinforced epoxy insulation composites with different contents[J]. Fibers and Polymers, 2019, 20(10): 2207-2214.
[29] 田猛. 直流复合场下环氧树脂内电树枝生长特性研究[D]. 天津: 天津大学, 2019.
Abstract Insulating pull rod is a key component of circuit breaker and disconnector of gas insulated metal enclosed switchgear (GIS), which is used to transfer movement from the grounding part to the high voltage part. It needs to withstand the recovery overvoltage and frequent mechanical operation, which puts forward high requirements on the comprehensive performance of the glass fiber reinforced epoxy resin (GFRP) composite. However, many internal breakdown and disassembly failures of insulation rods occurred in recent years, which seriously threaten the reliability of power equipment. In this paper, the influence of moisture content on the electrical tree growth characteristics of GFRP was studied. Combined with the dielectric properties and the hydrolysis characteristics of GFRP with different moisture contents, the mechanism of the electrical treeing process of GFRP was explained from the perspective of electric field distortion and insulation degradation.
(1) Based on the relationship between moisture content and exposure time, it is verified that the moisture diffusion behavior in epoxy resin and GFRP composites conforms to the free diffusion Fick model.
(2) When the pure epoxy resin absorbs moisture, the number of electrical tree channels increased and the color gradually deepened. In details, the growth rate of electrical tree length first increased and then decreased. Moreover, the expansion coefficient and the growth angle of electrical tree decreased and then increased, and the deterioration damage area gradually increased, indicating that electrical tree is more likely to grow along the vertical electric field direction with the increase of moisture content in the sample.
(3) When the GFRP absorbs moisture, the number of electrical tree channels increases. In addition, the electrical tree will also grow along the interface perpendicular to the electric field direction. The growth rate of electrical tree length decreases first and then increases, while the growth rate and the growth angle of electrical tree also gradually increases.
(4) It is found that when the moisture content in epoxy resin and GFRP exceeds 0.08% and 0.1% respectively, the deterioration of electrical tree significantly enhanced, which provided a basis for moisture control during the test, transportation and assembly of insulating pull rod. The fiber-epoxy interface may have defects of varying degrees due to hydrolysis and wet mismatch stress, and the moisture gradient diffusion further causes local electric field concentration, which aggravates the deterioration of GFRP.
keywords：Insulation pull rod,glass fiber reinforced epoxy resin (GFRP), electrical tree, moisture content
国家自然科学基金（51807136）和泰安市科技创新重大专项（2021ZDZX009）资助项目。
收稿日期 2022-07-26
改稿日期 2022-09-22
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221441
中图分类号：TM216
李 进 男，1988年生，博士，副教授，研究方向为功能梯度材料、绝缘失效机理和无损检测技术。E-mail：lijin@tju.edu.cn（通信作者）
赵仁勇 男，1997年生，硕士，研究方向为特高压GIS绝缘拉杆缺陷检测与绝缘失效机理分析。E-mail：zhaorenyong@tju.edu.cn
（编辑 李冰）