陳少卿 鄭明波 王 霞 彭宗仁

（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

1 引言

由于聚乙烯具有優(yōu)良的機(jī)械和電性能，被廣泛應(yīng)用到電力電纜絕緣中。隨著電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)聚乙烯介電性能的研究已經(jīng)受到廣大學(xué)者的關(guān)注。聚合物絕緣中的空間電荷，特別是直流電場(chǎng)下的空間電荷嚴(yán)重影響絕緣的使用壽命，因?yàn)榭臻g電荷的積聚可以提高絕緣材料內(nèi)部的局部電場(chǎng)，從而導(dǎo)致絕緣材料的局部擊穿。但是空間電荷是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，它受到絕緣材料微觀結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、添加劑、熱歷史、環(huán)境溫度、外施場(chǎng)強(qiáng)等諸多因素的影響。到目前為止空間電荷領(lǐng)域仍存在許多難以解釋的問(wèn)題，例如電極材料對(duì)電荷注入的影響、絕緣材料內(nèi)部陷阱的發(fā)展機(jī)理等[1-4]。

國(guó)外廣大學(xué)者已經(jīng)對(duì)各種電力和實(shí)驗(yàn)室常用電極材料對(duì)低密度聚乙烯（LDPE）中空間電荷的影響進(jìn)行了深入的研究。研究表明電極材料及電極與絕緣的接觸狀態(tài)嚴(yán)重影響電荷的注入[5-7]。本小組在這方面已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。為了討論不同分子鏈結(jié)構(gòu)的影響，并與對(duì)LDPE 研究的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文研究了鋁電極和半導(dǎo)電橡膠電極對(duì)高密度聚乙烯（HDPE）中空間電荷注入的影響。

2 試驗(yàn)方法

本文采用電聲脈沖法（Pulsed Electroacoustic Method，PEA）測(cè)量薄片試樣中空間電荷分布。其原理是陷阱電荷受到外加的前沿很陡的電場(chǎng)脈沖的作用，這是一個(gè)真實(shí)的沖撞，由于在電荷與介質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)彈性波，此彈性波在材料中以聲速傳播，由壓電傳感器接收和測(cè)量壓力波脈沖，就可以得到相應(yīng)的試樣中空間電荷的分布情況，測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。直流電源0～30kV，脈沖寬度5ns，幅值0～1kV。壓電傳感器（PVDF）薄膜厚度為9μm。選用電力電纜常用電極材料鋁和半導(dǎo)電橡膠，并以半導(dǎo)電橡膠作為測(cè)量系統(tǒng)上電極，金屬鋁板作為下電極，聲耦合劑是硅油。此外還測(cè)試了蒸鍍鋁電極試樣中的空間電荷，來(lái)研究不同電極接觸狀態(tài)對(duì)空間電荷分布的影響。空間電荷測(cè)量系統(tǒng)的分辨率取決于外加納秒脈沖電壓的半峰寬、壓電傳感器的厚度及放大器的頻率帶寬。由計(jì)算可得本實(shí)驗(yàn)室的空間電荷測(cè)量裝置的測(cè)量分辨率為

10μm[8-10]。

圖1 空間電荷測(cè)試系統(tǒng) Fig.1 Setup of pulsed electro-acoustic（PEA）measurement system

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)為50kV/mm。測(cè)量加壓90min 及撤去電壓30min 后的空間電荷分布。待測(cè)試樣厚度約為100μm 的板狀HDPE 試樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 電極材料對(duì)空間電荷的影響

加壓和短路過(guò)程中的空間電荷分布通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（GPIB 卡）與配套的Labview 軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)量間隔為5s。加壓過(guò)程中空間電荷密度均用黑白圖表示，圖中用顏色深淺反映空間電荷密度隨時(shí)間的實(shí)時(shí)變化情況。電場(chǎng)變化及短路時(shí)的空間電荷分布均用曲線表示。圖2 和圖3 分別為施加負(fù)極性電壓和正極性電壓下的空間電荷及場(chǎng)強(qiáng)分布圖。從圖中可以看到電極上感應(yīng)的電荷和試樣中的電荷，以及電荷分布圖所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)分布圖。圖 2a和圖3a 分別是負(fù)壓和正壓下空間電荷隨加壓時(shí)間的分布圖。由試樣的加壓電荷分布圖及短路電荷分布圖（見(jiàn)圖2a、2c、3a 及3c）可見(jiàn)，在正極性電壓和負(fù)極性電壓下試樣中均有電子和空穴注入（即正電荷注入）。但在負(fù)壓下（半導(dǎo)電橡膠為負(fù)極性， 鋁為正極性，見(jiàn)圖2）電荷的注入明顯減小。這可能是由于半導(dǎo)電橡膠的功函數(shù)（4.8eV）比鋁的功函數(shù)（4.28eV）大，而電子注入勢(shì)壘正比于Φm?x（其中Φm金屬功函數(shù)，x 為絕緣材料的電子親和力），故半導(dǎo)電橡膠不易注入電子而容易注入空穴，而鋁容易注入電子不易注入空穴。所以當(dāng)半導(dǎo)電橡膠為陰極時(shí)可以抑制陰極上大量負(fù)電荷的注入，同理，鋁為陽(yáng)極時(shí)可以抑制陽(yáng)極上大量正電荷的注入。

圖2 負(fù)壓下的空間電荷和電場(chǎng)分布圖 Fig.2 Space charge distributions and electric field strength curves with negative polarity

圖3 正壓下的空間電荷和電場(chǎng)分布圖 Fig.3 Space charge distributions and electric field strength curves with positive negative polarity

由圖3b 可以看出，當(dāng)施加+50kV/mm 場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，正壓下的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)在陰極附近最高達(dá)到65kV/mm，為所施加場(chǎng)強(qiáng)的1.3 倍，這說(shuō)明大量的電荷注入嚴(yán)重畸變了試樣內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)，引起局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高。

比較圖2c 和圖3c 可見(jiàn)，正壓時(shí)的電荷注入峰值為負(fù)壓時(shí)的5 倍左右。這與加正壓時(shí)的空間電荷密度大于負(fù)壓時(shí)的空間電荷密度是一致的。這是由半導(dǎo)電橡膠和鋁電極的電荷注入勢(shì)壘導(dǎo)致的，半導(dǎo)電橡膠電極易于注入空穴，而鋁電極易于注入電子。有趣的是，在圖2c 中鋁和半導(dǎo)電橡膠電極附近均出現(xiàn)同極性電荷。而在圖3c 中電極附近出現(xiàn)了異極性電荷，并且在陰極附近形成了較大的正電荷峰。由于試樣是未加任何添加劑的純HDPE，所以認(rèn)為圖中的同極性電荷與異極性電荷均是電極注入引起的，而不考慮雜質(zhì)離子的影響。而正壓下的異極性電荷則是由于大量的注入電荷在外加電場(chǎng)作用下在試樣內(nèi)部遷移形成的。圖2c 和圖3c 中的電荷均隨時(shí)間衰減，這說(shuō)明電荷注入大多在淺陷阱中容易脫陷。正壓下短路后的場(chǎng)強(qiáng)明顯大于負(fù)壓短路后的場(chǎng)強(qiáng)，并隨短路時(shí)間衰減（見(jiàn)圖2d 和圖3d）。

3.2 電極接觸狀態(tài)對(duì)空間電荷的影響

圖4 鋁板電極和鍍鋁電極加壓?50kV/mm,90min 短路瞬間的空間電荷分布圖 Fig.4 Space charge distributions for Al plate and evaporated Al electrode under short-circuit after the application of ?50kV/mm for 90 min

圖4 為鋁板電極和鍍鋁電極分別為下電極，半 導(dǎo)體橡膠為上電極，在施加負(fù)壓50kV/mm 場(chǎng)強(qiáng)，90min 后短路瞬間的空間電荷分布圖。大量的同極性電荷出現(xiàn)在鋁板電極附近，但只有少量的同極性電荷出現(xiàn)在鍍鋁電極附近。

這是因?yàn)殇X板和HDPE 為機(jī)械接觸，許多氣體分子（如O2和H2O 等）和雜質(zhì)等可能吸附在他們的界面從而形成表面態(tài)。表面態(tài)有許多局部能級(jí)，這些能級(jí)有助于電荷從鋁板注入到HDPE 中。另外機(jī)械接觸必然存在氣體間隙，在電場(chǎng)的作用下電荷會(huì)被加速?gòu)亩⑷際DPE 或者通過(guò)氣體間隙的局部放電進(jìn)入絕緣材料[11]。

4 結(jié)論

研究了電極材料及電極接觸狀態(tài)對(duì)HDPE 中空間的影響，主要結(jié)論如下：

（1）電極材料是影響HDPE 中空間電荷注入的重要因素。半導(dǎo)體橡膠容易注入空穴不易注入電子，而鋁電極容易注入電子不易注入空穴。

（2）當(dāng)半導(dǎo)電橡膠為陰極鋁為陽(yáng)極時(shí)能有效抑制HDPE 中的電荷注入。

（3）電極接觸狀態(tài)嚴(yán)重影響空間電荷注入。相比鋁板電極鍍鋁電極能有效抑制電荷注入。

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