电极材料对低密度聚乙烯中空间电荷的影响

陈少卿 郑明波 王 霞 彭宗仁

（1.四川电力科学研究院 成都 610072 2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）

1 引言

聚乙烯材料因其具有高击穿场强、低介电损耗和极低的电导率在电力绝缘中得到广泛的应用。近年来对聚合物的研究主要集中在高场电导和电致击穿两个方面。目前研究表明聚合物低电导率的原因是由于聚合物体内极少的载流子以及体内较高的陷阱密度造成载流子的入陷和复合引起的。在直流电场作用下，聚合物中容易形成空间电荷，空间电荷会使电场分布严重畸变[1-5]。由于直流输电的优越性，近年来国内外都大力发展直流输电，因此降低直流电场下聚合物中的电荷注入，改善聚合物中的电场分布具有极高的工程意义和理论价值。

聚合物中空间电荷的形成主要是由于电极注入的电荷及体内杂质电离产生的电荷陷入聚合物陷阱形成的。近年来广大学者采用的方法是向聚合物中添加物质来减少聚合物体内陷阱深度、改变结晶形态来抑制空间电荷的产生从而减缓绝缘材料的电老化[6-8]。其实研究已经表明电极材料也影响空间电荷的注入，如果能选取适当的电极材料，则在源头上抑制了空间电荷的注入，比向聚合物中混合添加剂更具优越性。

本文选用四种电极材料，研究了不同材料在高场下LDPE中的空间电荷特性，以探讨电极材料对LDPE中空间电荷注入的影响机理。

2 试验方法

2.1 试样制备

本实验采用的聚乙烯是大庆18D低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene, LDPE），密度为0.918g/cm3。颗粒通过熔融挤压工艺压制成厚度为100μm，试样直径约8cm的薄膜试样。

2.2 测试设备

本文采用电声脉冲法（Pulsed Electroacoustic Method，PEA）测量薄片试样中空间电荷分布，测量装置的结构如图1所示。直流电源0～30kV，脉冲宽度5ns，频率1kHz，幅值0～1kV。压电传感器（PVDF）薄膜厚度为9μm。示波器采用TDS 3032B，其采样率为2.5GS/s。使用NI PCMCIA—GPIB卡将示波器数据传入计算机，GPIB板卡的传输速度可达2.3MB/s。整个系统从脉冲发出到数据储存至电脑理论上不到1s，本实验取采样间隔为5s。以金属铝板作为下电极，声耦合剂是硅油。另外空间电荷测量系统的分辨率取决于外加纳秒脉冲电压的半峰宽、压电传感器的厚度及放大器的频率带宽。由计算可得本实验室的空间电荷测量装置的测量分辨率为10mμ[5,6]。实验场强为100kV/mm。测量加压20min的空间电荷特性。

图1 电声脉冲法(PEA)测试系统Fig.1 Setup of PEA measurement system

2.3 电极制备

实验所用的电极材料为铝、含铅黄铜、含锌黄铜和紫铜。与以往的PEA测试设备不同的是，将上电极系统改造成可更换的电极系统，用以上材料做成直径15mm，厚度4mm的带螺纹电极，更换使用。测量中的衰减，是由于声波在试样中传播时的衰减和上电极与试样界面阻抗不匹配造成声波反射引起的衰减。为了减少声波衰减对测试结果的影响，实验中应尽量减少试样厚度以兼顾测量系统的分辨率，本文选取试样厚度0.1mm。

3 试验结果及讨论

图2～图5所示上电极为4种不同电极材料，在100kV/mm负压下，LDPE试样中空间电荷密度及电场强度随时间的分布图。图2a横坐标为试样厚度，纵坐标表示试样厚度方向不同时间的空间电荷密度。系统的采样间隔为5s，共采样20min。由图2a可见当铝为阴极时，有大量的空穴和电子注入，在电极附近形成异极性空间电荷，引起试样中局部场强过高。从图2b可见此时试样中的最高场强达到150kV/mm以上，空间电荷的注入严重畸变了试样中的电场分布。

图2 铝/铝电极系统Fig.2 Al/Al electrode system

图3 铝/黄铜（铅）电极系统Fig.3 Al/brass(Pb)electrode system

图3 铝/黄铜（铅）电极系统Fig.3 Al/brass(Pb)electrode system

当加铅黄铜为阴极时（见图 3）亦有大量的电子和空穴注入，但试样中的电场强度较铝电极有所下降。有趣的是电子的注入明显地呈现某种周期性，其原因还不清楚。如图4所示当加锌黄铜为阴极时电子注入相对铝电极和加铅黄铜电极明显减弱，且试样中的场强分布较铝电极和加铅黄铜电极有所下降，电子和空穴的注入开始呈现周期性，渐渐趋于稳定。

由图5a可见当紫铜电极为阴极时只有微弱的电子注入。从阳极注入的大量同极性正电荷导致阳极附近场强降低，试样中的电场强度未发生严重畸变。

图4 铝/黄铜(锌)电极系统Fig.4 Al/brass(Zn)electrode system

图5 铝/紫铜电极系统Fig.5 Al/copper electrode system

从图 2～图 5可以看出，试样中注入的电荷密度及场强分布与电极材料有密切的关系，随着电极材料功函数的提高(四种电极材料的功函数关系：铝(4.28eV)＜含铅黄铜 (4.45eV)＜含锌铅黄铜 (4.5eV)＜紫铜 (4.65eV)，电子注入及试样中的场强呈下降趋势。这可能是由于在金属/绝缘体接触的界面，电子注入势垒正比于Φm-x（其中Φm金属功函数，x为绝缘材料的电子亲和力），故功函数越大越不容易注入电子的缘故。当铝电极做阴极时有大量的电子注入导致试样中局部场强达到150kV/mm以上，将严重影响绝缘寿命。作为阴极的紫铜电极有效地抑制了电子的注入，未引起试样中电场的畸变[9]。

4 结论

研究高场下电极材料对空间电荷注入的影响对高压直流输电具有很大的指导意义。本文采用四种电极材料研究高场下低密度聚乙烯中空间电荷的注入特性，得出了以下结论：电极材料是影响 LDPE高场下空间电荷注入的重要因素，不同电极材料对试样中空间电荷的注入量、注入类型及试样中的场强分布有很大影响；实验表明电极材料的功函数对高场下电极的电子注入能力有很大影响，功函数越高越不容易注入电子，功函数越低越不容易注入空穴；铝(+)/紫铜(-)电极系统能有效抑制聚乙烯中的空间电荷注入，抑制因空间电荷聚集引起的局部场强过高。

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