環氧樹脂因具有優良的耐熱性、機械強度、電氣絕緣性能和良好的可加工性而廣泛應用於電工裝備絕緣的澆注、浸漬和封裝等領域。天津大學電氣自動化與信息工程學院的研究人員杜伯學、張瑩、孔曉曉、李進，在2022年第5期《電工技術學報》上撰文，根據國內外參考文獻綜合論述了由環氧樹脂絕緣電樹枝劣化引起的絕緣擊穿現象。
研究人員基於環氧樹脂空間電荷集聚與遷移、局域電場形成、紫外輻射和機械應力斷鏈理論，闡述了環氧樹脂電樹枝引發機理和劣化過程。結合電氣設備運行工況，介紹了疊加電場、溫度梯度場、機械應力場和潮濕環境等因素對環氧樹脂電樹枝劣化的影響規律，總結了多物理場作用下電樹枝生長形貌特徵與電荷輸運行為的關聯關係。從提高環氧樹脂絕緣性能保障電氣設備安全可靠運行的角度，基於環氧絕緣工藝調控、無機摻雜、自修復材料等方面介紹了電樹枝的抑制方法，基於分子構型、微觀結構、宏觀現象總結了電樹枝的抑制機理。根據環氧樹脂電樹枝生長和抑制方法的研究現狀，在電樹枝實驗探究、抑制方法等方面提出了相關建議。
環氧樹脂是含有環氧基團的高分子聚合物總稱，因其具有高透明度、強耐腐蝕性和高介電性能等特點，環氧樹脂在電工行業成為產量最大、使用最廣的一種絕緣材料。基於其良好的化學相容性，優異的絕緣性和黏結性，環氧樹脂被廣泛應用於支撐絕緣子、電磁線浸漬及灌封、膠浸紙套管、電子產品封裝、電纜終端等電氣設備。隨著電氣設備運行環境的改變電壓等級、容量和集成度的提升，對環氧樹脂絕緣性能提出了更加嚴苛的要求。
電樹枝劣化是絕緣件整體擊穿的前兆，一般指因絕緣件在製造過程中混入的雜質、氣泡等缺陷在外施電場作用下形成注入電荷、極化電荷和離子化電荷產生的局域強電場所引發的局部放電現象，因切斷分子鏈析出碳元素而形成的樹枝狀碳化通道。
研究者發現，引起電氣設備絕緣擊穿有兩種現象：一種是沿聚合物表面發生的電痕擊穿現象；另一種是在聚合物絕緣內部發生的體擊穿現象，早期稱之為內部電痕後則改稱為電樹枝現象，電樹枝擊穿是電氣設備常見的一種絕緣破壞現象。
電樹枝劣化現象是包括電荷集聚-遷移、局域場形成、機械應力、化學分解、電致發光、局部高溫等在內的綜合過程。普遍認為，電樹枝的生長與絕緣體中載流子遷移行為及其局域場形成密切相關，聚合物分子鏈的斷裂與自由基的形成是電樹枝引發的標誌。
近年來，根據國內外電氣設備事故統計，環氧樹脂絕緣部件的電樹枝擊穿事故頻發。2014年，某變電站發生環氧澆注盆式絕緣子破壞故障；2016年，某變電站氣體絕緣開關（Gas Insulated Switchgear, GIS）終端環氧套管發生炸裂破壞；2016年9月，某換流站500kV氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated transmission Line, GIL）三支柱絕緣子發生炸裂擊穿。事故調查認為，複雜運行工況是引發電樹枝劣化，導致環氧絕緣件擊穿故障的主要原因。
與交聯聚乙烯（XLPE）、矽橡膠等材料相比，環氧樹脂脆性大、應力集中、吸水性強等特點也使其電樹枝劣化影響因素更加複雜。環氧樹脂絕緣電樹枝擊穿現象嚴重威脅電氣設備運行可靠性和電力系統安全，急需深入探討電樹枝劣化引發機理和抑制方法。
天津大學電氣自動化與信息工程學院的研究人員針對目前環氧樹脂電樹枝劣化引起的絕緣破壞問題，圍繞電樹枝生長機理與抑制方法展開研究。總結了電樹枝的引發機理，以便從物理和化學角度更好地理解絕緣劣化過程。考慮環氧樹脂絕緣材料的複合電場、溫度梯度、機械應力和潮濕環境等運行工況，討論了電樹枝的影響因素和抑制方法，介紹了製造工藝調控、無機摻雜、絕緣自修復材料對電樹枝的抑制研究。
基於以上分析，他們對未來環氧樹脂電樹枝生長與抑制研究進行如下展望。
1）在實驗探究過程方面，目前電樹枝和空間電荷測試分別進行，需要改進環氧樹脂的電樹枝與空間電荷關聯的測量技術，在電樹枝生長過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律與機理。另外，電氣設備運行過程中，高電場、高溫、機械應力等運行工況影響絕緣介質空間電荷和電樹枝劣化行為。準確測量電-機-熱多場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機理與抑制方法。
2）在電樹枝抑制研究方面，工藝調控、無機摻雜、自修復材料等改性材料取得了一些成就。然而，研究多集中於環氧樹脂的電氣性能，缺乏其整體性能及抑制方法的長期有效性研究。同時，在多物理場的情況下，改性絕緣材料與抑制電樹枝效果的報導不多。未來仍需從改性材料的長期協調特性、電氣設備的運行工況出發，進一步探索更長效、簡易、可工業化的電樹枝抑制方法。
3）在環氧絕緣件製造與實際應用方面，應儘量避免氣隙、雜質等缺陷的形成、設備的不正確安裝、水分的侵入等引發局部放電、加速電樹枝劣化的行為，緩解其局部電場、應力集中現象，從而保障電氣設備絕緣件的絕緣可靠性。另外，開發具有高靈敏度的潛伏性缺陷檢測系統，準確診斷電樹枝生長過程中的局部放電特性，是保證電氣設備安全運行的關鍵。
本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為「環氧樹脂絕緣電樹枝劣化研究進展」，作者為杜伯學、張瑩 等。第一作者為杜伯學，1961年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為先進絕緣材料、電氣絕緣在線監測、高電壓新技術等。通訊作者為孔曉曉，1993年生，博士，助理研究員，研究方向為環氧樹脂絕緣材料、高壓套管絕緣結構設計與優化等。本課題得到了國家自然科學基金和天津市自然科學基金的資助。