我们日常用的电网、各类功率电子设备，能安安稳稳运行，核心离不开聚合物绝缘材料的保驾护航。这类材料凭借优异的介电性能，早已成为各类电气绝缘设备的标配，但它一直面临一个致命的隐形威胁 —— 电树枝。
在设备长期带电运行的过程中，聚合物材料会持续受到机械应力、热效应、电应力的耦合作用，再加上生产过程中不可避免会产生的气隙、杂质等微小缺陷，很容易造成局部电场分布不均，进而引发放电，形成树枝状的损伤通道，这就是电树枝
它是材料内部电老化的直接体现，一旦出现就会快速发展，最终造成材料绝缘击穿，引发设备故障甚至安全事故。因此，搞清楚电树枝的生长规律，找到能精准预测它发展的方法，一直是保障电气设备安全的核心课题。
过去国内外学者已经做了大量相关实验，探明了温度、脉冲幅值、频率、边沿时间等因素对电树枝生长的影响，但实验很难系统解释电树枝完整的演化规律，数值模拟就成了重要的研究手段。可现有的模拟方法，始终有个绕不开的痛点：模型参数难以通过实验获取和校准，导致模拟结果很难落地到实际工程应用中。
最早基于分形理论的 NPW 模型，以及后续优化的 WZ 模型，都把电树枝的生长简化成了离散步长的突变模式，和实际中自由基引发的电树枝渐进生长过程完全不符。后来被引入的相场模型，虽然能模拟电树枝的渐进生长，但它的临界能量密度、界面能等关键参数，没法从实验中直接获得，只能通过模型校核适配特定场景，根本没法完成从材料参数测试到复杂结构电树枝预测的工程任务。
这次中国工程物理研究院电子工程研究所、重庆大学的边浩然、姚成、董守龙，找到了破局的关键。他们注意到，电树枝损伤累积增长的唯象规律，刚好符合反幂定律 —— 这是一个直接基于固体电介质寿命数据建立的唯象电损伤模型，不仅模型简单，核心参数还能通过实验直接获取。
本文提出模型与其他电树枝仿真模型效果对比
基于这个发现，研究者建立了局部电损伤方程，结合有限元计算搭建了全新的电树枝模拟方法，系统分析了电压耐受指数、累积损伤阈值、材料分散性等核心参数对模拟结果的影响规律，还专门开展了电树枝老化实验，验证这个方法的有效性。
实验结果证明，这套方法仅用实验就能获取的材料参数，就能很好地还原电树枝的真实形态和生长规律，完美解决了传统模型参数难获取、难校准的核心痛点。
这套模型结构简单、参数可直接实验测量，工程适用性大幅提升，后续还能用于研究复合电介质、复杂绝缘结构下的电树枝生长机制，为提升电气设备绝缘可靠性，提供了更具落地价值的研究工具。
本工作成果发表在2025年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于反幂定律的聚合物电树枝生长数值模拟”。 |
