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研究作者与机构
本研究由Hualong Zheng（重庆大学电气工程学院）、Fang Liu、Simon Rowland、Siyuan Chen（曼彻斯特大学电气与电子工程学院）以及Zepeng Lv（西安交通大学电气工程学院）共同完成。研究论文发表于IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2020年6月，第27卷第3期。
学术背景
本研究聚焦于电气树（electrical treeing）现象，这是高电压电缆和附件中绝缘材料失效的主要原因之一。电气树的形成通常源于材料中的局部电场增强，例如制造缺陷或安装不当导致的损伤。实验室研究中，常使用金属针电极在聚合物中人为制造高电场以加速电气树的形成。然而，针电极与聚合物之间可能存在微小的空气间隙（air gaps），这些间隙可能对电气树的形成和生长产生重要影响。尽管空气间隙的存在已被推测，但其对电气树的具体影响尚未得到充分研究。本研究的目的是通过实验手段，揭示空气间隙对电气树形成和生长的影响机制，并为实验室电气树实验提供更准确的解释依据。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
样品制备
实验采用针-平面（needle-plane）样品，将针电极插入低密度聚乙烯（LDPE）块中。针的直径为1毫米，尖端锥角为30°，尖端半径为3微米。为了研究不同温度对空气间隙形成的影响，针插入温度分别设置为100°C、110°C和120°C。样品制备过程中，使用X射线投影成像技术（X-ray projectional radiography）检测空气间隙的存在和尺寸。
空气间隙检测
使用两种X射线显微镜（Zeiss Xradia 520 Versa和Zeiss Xradia 800 Ultra）对样品进行成像，分辨率为0.7微米和150纳米。通过X射线成像，研究团队成功检测到长度在10至55微米之间的空气间隙，并对其形态进行了详细表征。
电气树实验
在8.4 kV峰值电压下进行电气树形成实验。实验装置包括一个30 kV功率放大器、一个100 kΩ限流电阻和一个用于测量局部放电（partial discharge, PD）的商业阻抗。样品部分浸入硅油中，以避免油渗入空气间隙，同时便于通过CCD摄像头观察电气树的形成。
数据分析
实验过程中，记录了局部放电的模式、放电频率、放电能量等数据，并分析了这些数据与电气树形成时间、生长模式之间的关系。通过相位分辨局部放电分析（phase-resolved PD analysis），研究团队揭示了空气间隙放电的特征及其对电气树形成的影响。
主要结果
1. 空气间隙的检测与表征
X射线成像技术成功检测到针尖与聚合物之间的空气间隙，其长度在10至55微米之间。这些间隙在光学显微镜下难以观察，但通过X射线成像可以清晰识别。
空气间隙对局部放电的影响
空气间隙的存在导致局部放电模式类似于空穴放电（void-discharge）。在电气树形成前，局部放电的频率和相位滞后随电压增加而变化，反映了空气间隙物理状态的变化。
空气间隙对电气树形成的影响
带有空气间隙的样品通常比无间隙样品更快形成电气树。然而，局部放电活动并未对电气树形成时间起决定性作用。相反，初始空气间隙对电气树的后续生长有显著影响。
电气树生长模式
在存在持续局部放电的样品中，电气树形成更大、更分支的结构，且局部放电幅度更高。此外，正负半周期之间的局部放电不对称性也更为明显。
结论
本研究表明，针尖与聚合物之间的空气间隙对电气树的形成和生长具有重要影响。空气间隙的存在不仅加速了电气树的形成，还显著改变了电气树的生长模式和局部放电特性。研究强调了在实验室电气树实验中，理解针尖与聚合物界面微观结构的重要性，并为高电压绝缘材料的失效机制研究提供了新的视角。
研究亮点
1. 创新性实验方法
本研究首次系统性地使用X射线成像技术检测针尖与聚合物之间的空气间隙，为相关研究提供了新的技术手段。
重要发现
研究发现，空气间隙的存在显著加速了电气树的形成，并改变了其生长模式，这一发现对高电压绝缘材料的设计和测试具有重要意义。
应用价值
研究结果为实验室电气树实验提供了更准确的解释依据，有助于优化高电压电缆和附件的绝缘设计，延长其使用寿命。
其他有价值的内容
研究还指出，空气间隙的局部放电特性可以作为区分不同类型缺陷导致电气树形成的标准。这一发现为实际工程中绝缘材料的缺陷检测和评估提供了新的思路。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究的背景、流程、结果、结论及其科学价值和应用意义。