半导电材料对纳米MgO/XLPE复合介质空间电荷影响的研究

刘文辉， 吴建东， 王俏华， 王雅群， 尹 毅，2

(1.上海交通大学电气工程系，上海200240;2.上海市电气绝缘与热老化重点实验室，上海200240)

0 引言

随着现在电力系统的发展及电力电子技术的进步，高压直流输电线路在线路造价、输电容量、送电距离等方面的优势越发明显。与传统的高压直流架空输电线路相比，高压直流电缆线路因其输送容量大、造价低、损耗小、不易老化、寿命长［1］等特点而应用越来越广泛。由于少量的无机纳米粉末加入聚合物中，会给聚合物在电、磁、光学和机械等方面带来一些奇异的性能，使得聚合物复合介质在电气领域中的应用前景日益光明，但由于交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆中空间电荷分布会使电场发生畸变，进而加速塑料电缆的老化和击穿，因此空间电荷已经成为制约高压直流电缆发展的重要因素。众所周知，在高压直流电缆中，半导电层起着均化电场的作用;但另一方面，不同的半导电层材料会影响空间电荷的注入［2，3］，而减少塑料电缆中空间电荷的一种重要途径就是改变紧贴着绝缘层的半导电层材料的配方［4］。

本文采用6种不同的半导电材料作为电极，对比研究了XLPE与纳米MgO/XLPE复合材料中的空间电荷分布和短路平均电荷密度，发现了其中比较适宜作为电极的半导电材料。

1 实验方法

1.1 试样制备

实验中使用的半导电材料采用开式混炼机进行制备，以乙烯与醋酸乙烯的共聚物(EVA)与线性低密度聚乙烯(LLDPE)作为基础材料，分别与3种炭黑掺杂制成6种半导电材料，炭黑含量均为30.0 wt%，为方便讨论将其分别编号为E1、E2、E3与L1、L2、L3。

实验中使用的纳米MgO/XLPE复合材料试样以LLDPE DJ-200为基料，添加浓度为0.5wt%、1.0 wt%、2.0wt%的MgO粉末，并加入过氧化二异丙苯(DCP)和抗氧剂1010，使用开式混炼机进行制备，随后用平板硫化机压成薄片。最后将纳米MgO/XLPE复合材料样品置入真空干燥箱中进行短路处理，以消除试样制备过程中产生的水蒸汽、气泡和苯乙酮等交联副产物和残余空间电荷。

1.2 空间电荷的测量

采用电声脉冲法(PEA)测量薄片试样中空间电荷分布，测试装置以及测试参数如文献［5］所描述的。分别以这6种半导电材料作为上电极，试样上先施加－60 kV/mm的电场1 h，然后短路30 min，测量XLPE及纳米MgO/XLPE复合介质内空间电荷分布。

2 实验结果与分析

2.1 半导电材料对空间电荷分布的影响

2.1.1 半导电材料影响XLPE空间电荷分布

经过－60 kV/mm电场预压1 h后，纯XLPE与掺杂浓度为2.0wt%的MgO/LDPE纳米复合介质在短路10 s与1800 s的空间电荷分布分别如图1与图2所示。

图1 以不同半导电材料做电极直流预压后XLPE在短路时空间电荷分布

图2 以不同半导电材料做电极直流预压后MgO/XLPE纳米复合介质在短路时空间电荷分布

由图1可知，除了以E3作为电极后呈现电荷分布较复杂之外，其它5种半导电材料作电极后，短路时XLPE内空间电荷分布基本相似，被测XLPE内靠近电极的两侧空间电荷都以注入电荷为主，区别仅在于空间电荷量不同，以及电荷衰减速率不同。

而以E3作为电极，XLPE内空间电荷分布与上述不同，比较复杂，在XLPE内靠近阳极的一侧，存在两个正极性电荷峰。造成这种现象的原因有两个:(1)在直流预压的过程中，从阳极注入的电荷削弱了XLPE内阳极附近的电场，从而抑制了正极性的电荷注入。同时注入的正电荷，在外加电场的作用下，将向阴极迁移。随着电荷的迁移，阳极附近的注入电荷减少，使注入电荷削弱阳极附近电场的作用减弱，也即阳极附近的电场又开始增加，导致阳极向XLPE内注入电荷又逐渐增多，在XLPE靠近阳极侧又产生正极性的电荷包。考虑到以不同半导电材料做电极时，阳极一直是铝电极，从阳极注入电荷不应有较大差别，故这个原因可能性较小。(2)由于用电声脉冲法测量复合介质内空间电荷分布，测量的结果是正负电荷的代数和，XLPE靠近阳极一侧的两个正极性电荷峰，是由一个正极性电荷峰与一个负极性电荷峰的叠加得到的。以不同的半导电材料做成不同的上电极，主要是改变阴极与XLPE所形成的势垒，从而改变从阴极注入的电荷的能量，因此导致了在XLPE内电荷的注入深浅各不相同。XLPE靠近阴极的一侧存在一个正的异极性电荷包，此电荷包可能是由于XLPE内的阳离子迁移所形成，从阴极注入的负电荷由于具有较高的能量，使其在XLPE内的注入深度较深，未能与迁移至XLPE内靠近阴极侧的正电荷复合，在靠近阴极侧形成了正极性的空间电荷包。

2.1.2 半导电材料影响MgO/XLPE空间电荷分布

由图2可知，MgO/XLPE复合介质内空间电荷分布与XLPE的空间电荷分布相似，复合介质靠近电极的两侧，都以同极性的电荷注入为主，但注入深度相对较浅。以半导电材料E3作为阴极时，2.0wt%的MgO/XPLE纳米复合介质靠近阴极一侧短路时的同极性电荷分布较广，即负电荷注入深度较大。以半导电材料E2作为阴极时，复合介质内靠近阴极一侧几乎没有空间电荷的分布，即以E2作为半导电材料能有效抑制空间电荷的注入。

2.2 不同半导电电极下短路时的平均电荷密度

为方便对复合介质短路状态下的空间电荷分布进行分析，引入变量Qmed来表征复合介质内积累的空间电荷密度的绝对量的平均值。Qmed的值可以由式(1)计算得到［6，7］:

式中，x1与x2为两个电极的位置;ρ(x)为经过－60 kV/mm电场预压1 h后短路的空间电荷分布密度。

按式(1)计算的短路10 s时用不同的半导电材料做电极时各复合介质内平均空间电荷如图3所示。

图3 XLPE与MgO/XLPE纳米复合介质在不同半导电电极下短路时平均电荷密度

从图中可以看出，当半导电电极材料不同时，MgO/XLPE复合介质中的空间电荷量存在很大的差异。其中，半导电电极材料为E2，MgO添加浓度为0.5wt%和2wt%的复合介质中，空间电荷量相比于其它五种半导电电极材料在相同浓度下的电荷量都小很多。即使在E2电极材料下，MgO添加浓度为1wt%时，复合介质的空间量只比电极材料为L2同浓度的电荷量略大，但依然比其它四种的都小。

3 结论

通过测量不同半导电电极材料下XLPE与MgO/XLPE复合介质短路时的空间电荷分布和计算的平均电荷密度，可以得到以下结论:

(1)对于XLPE与MgO/XLPE这两种不同的电缆绝缘材料，即使相同的半导电电极也会对其空间电荷的注入产生不同的影响，这与绝缘材料和半导电电极材料之间的势垒有关。

(2)无论从短路时空间电荷分布情况还是从平均电荷密度来看，E2半导电材料对空间电荷注入的抑制作用最大，相比其它五种材料更适合作MgO/XLPE复合介质的半导电电极。

［1］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］Chen G，Tay T Y G，Davies A E，et al.Electrodes and charge injection in low-density polyethylene［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，8(6):867-873.

［3］Chen G，Tanaka Y，Takada T，et al.Effect of polyethylene interface on space charge formation［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11(1):113-121.

［4］Hanley T L，Burford R P，Fleming R J，et al.A general review of polymeric insulation for use in HVDC cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2003，19(1):13-24.

［5］尹毅，韩社教，屠德民.固体绝缘中空间电荷测量装置的研制和应用［J］. 中国电机工程学报，2000，20(8):1-5.

［6］Boufayed F，Leroy S，Teyssedre G，et al.Models of bipolar charge transport in Polyethylene［J］.Journal of Applied Phys，2006，100(10):104105-104115.

［7］Montanari G C.Extration of information from space charge measurements and correlation with insulation ageing［C］.Proc.IEEE CSC，Tours，France，2001:178-184.