交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

陈广辉，王安妮，李云强，王伟

（1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206；2.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；3.东平供电公司，山东东平 271509）

随着我国经济的快速发展，电力需求越来越大，对输配电系统的可靠运行提出了更高的要求。在城市配电网中，考虑到环境美观和供电安全，架空输电线路逐渐被地下电缆取代。电缆主要有聚氯乙烯绝缘电缆、交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆和乙丙橡胶绝缘电缆，其中，XLPE电缆以其优异的性能而应用最广[1]。XLPE电缆与传统的油纸绝缘电缆相比，安装敷设简单，机械性能优良，耐酸碱腐蚀和耐高温能力强，运行维护方便，已经取代了油纸绝缘电缆成为主要的输送点设备[2]。

XLPE属于聚合物，在电场和热的应力作用下，会发生微观结构的变化，产生陷阱，介质中的载流子被陷阱捕获形成空间电荷，畸变原有电场分布，影响绝缘的介电性能和击穿过程。陷阱将材料微观特性及结构与材料的宏观电气性能相结合，国内外大量报道从空间电荷分布获得介质内陷阱的分布信息，研究介质内的场强分布、老化破坏机理和击穿特性。

电介质的击穿与老化和空间电荷研究在电气科学与工程“十一五”发展规划的工程电介质学科战略中分别被定位于六大发展方向之一，规划指出，空间电荷是影响甚至制约核能、航天、航空、国防、超、特高压输电等近代科学技术发展的重大科学前沿问题。IEEE-DEIS（国际电介质与电气绝缘分会）也指出空间电荷、表面电荷、界面电荷效应及其科学利用等基础问题将是21世纪国际电介质与绝缘技术学科发展的前沿和热点[3]。

研究交流电场下XLPE电缆绝缘的空间电荷分布特性对于预测XLPE电缆绝缘的早期劣化程度、完善XLPE电缆绝缘状态评估与故障诊断理论、保障电缆正常运行具有重要的意义，这也是当前XLPE电缆绝缘诊断和状态评估的重要研究方向。

1 交流电场下基于空间电荷效应的XLPE绝缘老化

1.1 交流电场下场强、频率、温度对XLPE绝缘空间电荷积累的影响

国内外开展了大量关于固体绝缘中空间电荷分布的研究，大多数研究是基于直流电场下的，关于50 Hz工频交流电场下的空间电荷分布特性及其对介质击穿影响的研究很少。文献[4-9]指出，聚乙烯材料在40 kV/mm及50 Hz交流高场强下经过7 h，10 d，2个月极化后观测到了空间电荷，交流电场下空间电荷量比直流电场下的空间电荷量至少低一个数量级[4]，文献[10]指出交流电场下空间电荷积累的频率阈值为0.1 Hz数量级。文献[11]指出交流电场下空间电荷效应可以导致绝缘劣化，包括局部能量存储直接引发绝缘劣化，交流电场下电机械应力导致机械疲劳和微孔中的热电子发射和电子崩间接造成绝缘劣化。

空间电荷能导致局部能量的释放，并降低各类热化学反应发生的能量势垒，加速绝缘老化，空间电荷效应是交流电场下聚合物绝缘电老化的主要因素之一[12-13]。文献[14]研究了1 Hz到50 Hz的电致发光现象和空间电荷分布，表明XLPE绝缘在较低频率下会贮存更多的空间电荷，因此，比工频低很多的高压设备绝缘性能诊断试验可能危害设备的绝缘。文献[17]明确指出由于大多数的XLPE高压电缆运行在交流工况下，所以有必要研究交流电场下绝缘介质中的空间电荷分布及其动态特性。

G.C.Montanari等人研究了用PEA法分别测试环境温度20℃时，交流和直流电场下0.15 mm厚的XLPE薄膜中的空间电荷分布，指出交流下空间电荷积累的阈值场强有效值约是20 kV/mm，直流下空间电荷积累的阈值场强约是15 kV/mm[15]。

Tatsuo Takada等人用PEA法测量了0.5 mm厚的XLPE薄膜在-20 kV直流电压1 min内的空间电荷分布，和20 kV交流峰值电压80 min内的空间电荷分布，通过短间隔测试空间电荷分布观测了直流电场下异极性空间电荷的产生及其积累过程，还观测了0.000 2 Hz和50 Hz交流电场下的空间电荷分布。研究发现：50 Hz下几乎观测不到空间电荷分布；0.000 2 Hz下，在相位45°时，异极性空间电荷开始出现；在90°和270°附近，异极性空间电荷量最大；180°电压极性反转时，空间电荷重新分布。直流下的空间电荷分布既反映浅陷阱的分布信息，又反映深陷阱的分布信息，而交流下的空间电荷分布主要反映深陷阱的分布情况[16]。

Y.L.Chong，Y.Tanaka等人用PEA法研究了交流电场下0.22 mm厚的经过脱气处理的和未经过脱气处理的XLPE薄膜在直流电场和1 Hz，10 Hz，50 Hz交流电场下的空间电荷分布。交流电场极化后的XLPE短路空间电荷分布，主要是地电极附近的正极性空间电荷，在高压电极附近存在少量负极性空间电荷，在两电荷分布区域之间存在异极性空间电荷，可能由慢的迁移率引起。对比不同频率下的空间电荷分布发现：未经脱气处理的空间电荷测试结果为Q1Hz>Q10Hz>Q50Hz；而经脱气处理的XLPE中的空间电荷测试结果为Q1Hz>Q50Hz>Q10Hz。其中，Q1Hz是频率为1 Hz交流电场下的空间电荷量；Q10Hz是频率为10 Hz交流电场下的空间电荷量；Q50Hz是频率为50 Hz交流电场下的空间电荷量[17]。

J.Zhao，G.Chen等人采用PEA法研究了交流电场下聚乙烯中的空间电荷行为，试验中通过高频高压脉冲和数学处理方法研究了空间电荷分布的相位特性，观测了不同交流极化时间下加压、撤压以及短路衰减过程中的空间电荷分布[18]。

Massum Fukuma等人基于PEA法研究了针板电极系统下环氧树脂在交流不均匀电场下空间电荷分布的相位特性，发现低频下针电极注入的电荷在板电极附近积累，当交流电压极性反转时，针板电极附近残留的载流子形成的异极性空间电荷可能对电树枝引发产生影响[19]。这为交流电场下XLPE电缆绝缘中空间电荷分布对电树枝起始场强影响的研究提供了参考。

P.Notingher Ji，L.Martinotto等人用热脉冲法研究了交流电场在温度45℃和90℃下XLPE，VLDPE，PP及PE/PP中的空间电荷积累。研究发现，交流和直流电场下，空间电荷分布特性并不是随着温度呈现单调变化趋势，都在60℃时空间电荷量达到最大，而且 Q60℃>Q90℃>Q45℃。其中，Q45℃是 45 ℃时交流电场下的空间电荷量；Q60℃是60℃时交流电场下的空间电荷量；Q90℃是90℃时交流电场下的空间电荷量[10]。

此外，电力设备运行中的温升现象严重影响绝缘的使用寿命，高温下的空间电荷测量已经引起关注。但是，温度改变时，聚合物材料的声阻抗、Young模量、密度、声波在其中传播的速度发生变化。而且，温度升高时，质点间碰撞几率增大，声波在介质中传播时与热声子(即晶格振动)、电子、点缺陷、位错等相互作用增强，使得介质的衰减和色散加剧，引起声衰减[20]，无法准确测量出介质中的空间电荷特性，所以，进行不同温度下的空间电荷测量波形的恢复具有重要意义。

1.2 交流电场下空间电荷分布与XLPE绝缘老化关系研究

随着电场作用时间的增加，空间电荷表现出动态特性，存在电荷峰的分离和叠加。尹毅、肖登明等人研究了空间电荷分布等与交流老化程度之间的关系,发现在电老化过程中空间电荷的分布发生变化,出现正负电荷峰的分离和叠加，而且试样在加压过程中和短路过程中的空间电荷总量都近似地随老化时间呈线性增长[21]。

K.Murata，Y.Tanaka和 T.Takada用 PEA 法研究了20 kV直流和峰值20 kV低频交流电压下厚0.5 mm的XLPE绝缘中的空间电荷分布，研究发现，交流电场极化1 min内几乎测不到空间电荷，交流电场极化时间不到1 min时，可以忽略XLPE绝缘中的空间电荷效应[22]。

K.Suzuki，Y.Tanaka，T.Takada等人开展了老化的XLPE电缆本体中空间电荷分布与水树枝定位关系的研究，发现空间电荷测试和水树枝引发的位置基本一致，由此可以通过测试空间电荷分布诊断并定位老化电缆中的水树枝[23]。

A.Tzimas，L.A.Dissado等人对交流耐压试验前后经过老化和未经老化的XLPE电缆本体进行空间电荷特性的切片测试，以便探索交流耐压试验前后电缆绝缘特性是否变化。研究发现，在高压电极附近出现同极性双电荷峰可作为绝缘发生老化的标志[24]。

聚合物老化现象的本质是材料结构的变化，空间电荷对聚合物的老化和击穿的研究主要集中在空间电荷对电树枝的影响上,归纳起来有4种主要理论：电荷的注入和抽出理论[25]、热电子理论[26]、光降解理论[27]和空间电荷效应理论[28]。空间电荷对聚合物老化和击穿的影响，以往的解释模型大都是以电荷的注入导致电介质中的局部电场增强引起击穿和电子注入直接使聚合物大分子链的断裂为出发点。随着空间电荷研究的深入，最近相关研究指出：极化能量的一个重要组成是和场致机械应力相关的，频繁的脱陷可能会释放能量，传播和扰动的机械脉冲可能导致缺陷的发展，陷阱电荷周围复杂的机械应力导致缺陷的形成并产生老化[28-33]。

1.3 交流电场下测量固体介质中空间电荷的PEA法

电声脉冲法（PEA）由日本国武藏工业大学的Takada Tatsuo教授于1933年提出。1988年之前，PEA法还只能测量平板式样。1988年之后，用高度单向性的聚偏四氟乙烯PVDF薄膜做成的新型压电传感器投入使用。这种薄膜压电性能好、频带宽、动态响应较好与低声阻抗，使PEA法能用于测量同轴电缆等形状复杂试样中的空间电荷。目前已成功用于测量电子束辐照样品、同轴电缆、XLPE、LDPE以及多层样品中的空间电荷的分布特性[34]。

S.S.Bamji提出了测交流电压下PE类绝缘材料空间电荷分布的电声脉冲法（PEA法）。该方法的核心是通过软件控制在交流高压电源特定相位施加高压脉冲，由此实现交流电压不同相位下的空间电荷分布特性研究[35-36]。

2 结论

1）研究交流电场和直流电场下的空间电荷分布特性，并定量分析2种电场下深陷阱和浅陷阱的分布情况，从微观角度对比交流电场和直流电场对XLPE绝缘造成的影响，可以作为从空间电荷效应角度研究XLPE电缆绝缘老化微观现象的一个方向。

2）确定交流电场下空间电荷分布的频率和温度特性，是目前国内外空间电荷分布特性研究的热点。

3）研究交流耐压试验前后XLPE电缆绝缘中的空间电荷分布特性，可以用于评估耐压试验对绝缘的损害程度。

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