شکل (۲‑۲) مربوط به درخت الکتریکی کابلهای کاغذ روغنی که امروزه درصنعت برق کاربردی ندارد[۵].
شکل (۲‑۲). درخت الکتریکی کابل های کاغذ روغنی[۵]
درختهای الکتریکی از نقاطی با افزایش استرس الکتریکی در عایق رشد می کنند، که این نقاط میتوانند ذرات فلزی یا برآمدگی در سطح هادی باشد ولی در عمل وجود حفره مهمترین عامل در شکل گیری درختهای الکتریکی است[۱۳].
درخت الکتریکی اساسا در سه مرحله تشکیل می شود[۱۳]:
فاز شروع[۷]
فاز گسترش[۸]
فاز تکامل[۹]
با توجه به شکل (۲‑۳) در فاز شروع، آسیبها در نقاط معیوب موجود در عایق جمع می شوند. در فاز گسترش، ساختار شاخهای شدن از نقاط معیوب شروع می شود و در عایق گسترش مییابد. در فاز تکامل، درخت فاصله بین الکترود ها را پل میزند[۱۳].
شکل (۲‑۳) مراحل رشد درخت الکتریکی[۱۳]
درخت های الکتریکی را بسته به الگوهای درختی متفاوت می توان به صورت زیر دسته بندی کرد[۱۳]:
شاخه ای[۱۰]
بوته ای[۱۱]
گره - پاپیونی[۱۲]
…
درختهای شاخهای و بوتهای، عموما از برآمدگی سطحی هادی و یا نیمهرسانا شروع میشوند و فرق آنها در تراکم شاخهها است که تراکم در درختهای شاخهای از بوتهای کمتر است. درخت های گره - پاپیونی در داخل عایق، از یک ناخالصی و یا یک حفره شروع به رشد می کنند و به صورت متقارن، در راستای شدت میدان الکتریکی بیشتر،گسترش می یابند[۱۳][۱۳]. شکل (۲‑۴)، نمونه ای از این درختها را در عایق نشان می دهند:
شکل (۲‑۴). درخت بوته ای(الف) درخت شاخه ای(ب)، درخت گره - پاپیونی(ج) [۱]
به طور کلی، درختهای الکتریکی از جمله مهمترین عوامل شکست عایقی در کابلها میباشند که عمدتاً به دلیل بالا رفتن میدان الکتریکی درون عایق کابل ناشی از وجود عوامل مختلف، رشد می کنند. درختهای الکتریکی، عمدتاً به دلیل افزایش میدان الکتریکی به صورت محلی در عایق کابل به وجود میآیند. افزایش میدان محلی در عایق کابل، سبب افزایش انرژی در واحد حجم آن محل شده و این امر باعث می شود که عایق در آن محل ترک بخورد و شاخه های اولیه درخت الکتریکی ایجاد شوند.
درخت رطوبتی
یکی از مهمترین عیوبی که در عملکرد کابل های فشار قوی و فشار متوسط مشاهده شده پدیده درخت رطوبتی است . بطوری که در برخی از کشورهای اروپائی ۲۵% خطای کابل های سیستم قدرت مربوط به درخت رطوبتی است. این درخت باعث تنزل، تغییرخواص عایقی، کاهش توان الکتریکی و کاهش طول عمر کابل می شود. این پدیده اغلب در کابل های XLPE اتفاق می افتد[۱۱].
اهمیت تشخیص درخت رطوبتی به این دلیل است که گاهی ممکن است در اثر برخورد صاعقه با کابل و یا اضافه ولتاژهای شدید و یا گرمای محیط به درخت الکتریکی تبدیل شود که معمولاً سبب ایجاد شرایط بدتری برای عایق کابل می شود زیرا درخت الکتریکی با تخلیههای جزئی همراه خواهد بود که این تخلیهها خود سبب رشد درخت خواهند شد درحالیکه رشد درختهای رطوبتی بسیار کند میباشد.
یکی از مشکلات درخت رطوبتی شباهت فیزیکی و هندسی زیاد با درخت الکتریکی است از این رو تشخیص درخت رطوبتی از درخت الکتریکی مسئله مهمی برای محققان شده است آنها تلاش فراوانی کرده اند تا با بهره گرفتن از تکنیک های نوری و الکتریکی درخت الکتریکی را از درخت رطوبتی تشخیص دهند [۱۴].
در شکل (۲‑۵) رشد درخت رطوبتی روزنه ای که بنظر می رسد به درخت رطوبتی گره-پاپیونی تبدیل شده که ممکن است شدت شکست الکتریکی بیشتر از تنش کاری عایق باشد در نتیجه مقاومت در برابر اضافه ولتاژ بشدت کاهش یافته و شکل گیری درخت الکتریکی را تسهیل می کند[۱۵].
شکل (۲‑۵). نمائی از درخت الکتریکی که با بزرگ شدن درخت رطوبتی روزنه ای ایجاد شده است[۱۵].
درخت رطوبتی پس از نفوذ آب به داخل عایق درابتدا بصورت تک شاخه و پس از عواملی که باعث رشد آن می شود به شاخه های دیگر تبدیل شده و درنهایت تبدیل به درخت رطوبتی می شود، شاخه های بصورت تصادفی در امتداد عایق به ضخامت ۴ الی ۵ میلی مترتوزیع شده است. درخت رطوبتی با نفوذ خود بدون اینکه شکست لحظه ای ایجاد کند ، رشد کرده و باعث افزایش تلفات و کاهش سطح عایقی شده و در نهایت منجر به شکست زود هنگام می شود[۱۶].
در شکل (۲‑۶) رشد درخت رطوبتی تحت تسریع فرکانس های بالا درکابل های PE قابل مشاهده است. در کابل های واقعی درخت رطوبتی در طول فاز شروع، با کندی برجسته[۱۴] شده ویا در سطح (نیمه هادی، ناخالصی ها، حفره ها وغیره) که درآن حوزه می تواند به مقدار زیاد تولید شود.در آزمایش تسریع درخت رطوبتی خرابی های سطحی (سوزن آبی الکترود ها،سطح خراشیده و غیره)که در معرض محلول یونی قرار دارند باعث تسریع شروع درخت رطوبتی می شود. این درخت خیلی سریع رشد می کنند و پس از رسیدن به سطح اشباع از سرعت رشد خود کاسته و با گذشت زمان نسبتا ثابت است[۱۷].
پارامتر های موثر در فاز رشد درخت:
فرکانس میدان و اندازه آن
ساختار پلیمر
ماهیت یون و غلظت
دما
فرایند شتاب فرکانسی نشان می دهد که درخت رطوبتی در برخی موارد نقش پیری القا شده الکتریکی را بازی می کند[۱۸].
شکل (۲‑۶). تاثیر فرکانس در طول درخت رطوبتی درعایق کابل پلی اتیلن مرطوب اندازه گیری شده با آب مقطر تحت میدان الکتریکی ثابت ) ولت بر متر ۸-۱۰×۹/۴) [۱۸]
نتایج بدست آمده از شکل (۲‑۶) را می توان بصورت لگاریتمی در شکل (۲‑۷) نشان داد که در آن لگاریتم طول درخت رطوبتی L و لگاریتم تعداد سیکل ها N رسم شده است ، به روشنی مشخص است که ارتباط خطی بین طول درخت رطوبتی و تعداد سیکل ها برقرار است[۱۹].
شکل (۲‑۷). نتایج شکل۲-۵ که بصورت لگاریتمی Log L و Log N رسم شده است[۱۹]
انواع درخت رطوبتی
درخت رطوبتی را می توان براساس مبنای شکل آن به چهار گروه طبقه بندی کرد :
درخت روزنه ای[۱۵]
درخت روزنه ای اکثرا نزدیک رابط لایه عایق ، هادی و نیمه هادی شروع شده و در مقایسه با درخت گره – پاپیونی از رشد بسیار سریع تری برخوردارند. درخت روزنه ای دارای اجسامی نسبتا بزرگ هستند شکل (۲‑۸) که تمایل دارند بصورت جدا از هم رشدکرده و گسترش یابند و نیز گرایش به اشغال بخش زیادی از عایق دارند درصورتی که درخت گره پاپیونی پس از رسیدن به تعادل، رشد خود را متوقف می کند[۲۰].
شکل (۲‑۸). درخت روزنه ای کابل های مینیاتوری تحت شتاب پیری (بخش برش شعاعی ) [۲۰]
درخت روزنه ای به دو صورت زیر ظاهر می شود :
درخت رطوبتی پل شده
درخت رطوبتی غیر پل شده
در شکل (۲‑۹) شکست عایقی درخت رطوبتی پل شده بین هادی و جداره عایق را نشان می دهد[۲۱].
شکل (۲‑۹). (الف) درخت رطوبتی پلشده (ب) درخت رطوبتی غیر پلشده[۲۱]
درخت گره – پاپیونی[۱۶]
در شکل (۲‑۱۰) درخت گره-پاپیونی را در عایق کابل های کاغذ روغنی مشاهده می کنید که امروزه دیگر از این نوع کابل ها در شبکه کابلی بکار نمی روند[۵].
شکل (۲‑۱۰). درخت گره– پاپیونی کاغذهای روغنی[۵]
درخت گره – پاپیونی شکل (۲‑۱۱) معمولا در هسته عایق کابل ها بصورت حفره بوجود می آید. با توجه به شکل (۲‑۱۱) رشد درخت در قسمت نوک تیز که نقطه مشترکشان است نسبت به بقیه بخش ها از رشد کمتری برخوردار است. این درخت تمایل دارد وقتی به رشد ایده آل خود رسید ، فعالیتش را متوقف کند.
تفاوت کلی درخت روزنه ای و گره – پاپیونی در نحوه دسترسی مستقیم به منبع آب و نیز اندازه توزیع درخت است که در درخت گره – پاپیونی بیشتر از درخت روزنه ای است[۲۰].
شکل (۲‑۱۱) . درخت گره– پاپیونی حفره هسته عایق[۲۰]
درخت سوزنی[۱۷]
درخت سوزنی از ریز حفره های خیلی کوچک در هسته بصورت یک یا چند لایه تشکیل شده است و معمولا در شرایطی که آلودگی نباشد، غیرفعال است. بعبارتی دیگر درخت سوزنی تنها درصورت بروز آلودگی درعایق کابل های پلی اتیلن بوجود می آید. در شکل (۲‑۱۲) تولید درخت سوزنی توسط آزمایش تسریع پیری تحت فرایند افزایش دما[۱۸]را مشاهده می کنید[۲۰] .
شکل (۲‑۱۲). تولید درخت سوزنی توسط آزمایش تسریع پیری تحت فرایند افزایش دما[۲۰]
درخت نقره ای[۱۹]
رشد درخت رطوبتی در محلول AgNO3 را درخت نقره ای[۲۲] گویند که باعث می شود محلول بیرنگ AgNO3 ( یا یونAg+ ) به قهوه ای – زرد تبدیل شده و همچنین باعث کاهش غلظت و نشست نقره می شود.