空间电荷对LDPE介电谱测量结果的影响

魏力强，吴冀鹏，贾伯岩，张 鹏，伊晓宇，徐志钮

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司邢台供电分公司，河北 邢台 054001；3.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

介电性能是绝缘材料的关键性能，而介电谱能表征材料的介电性能[1-2]，因此它在新型绝缘材料的研发和改性中应用广泛[3-4]。当绝缘材料含水量增加或发生老化后，其介电谱会发生变化，因此介电谱对绝缘材料受潮[1,5]和老化[1-2,6]的诊断非常有效。研究者对介电谱的原理和应用方面开展了广泛而深入的研究，取得了很多重要的研究成果[7-10]。

聚乙烯由于电阻率大、电气强度高、介质损耗因数小，成为电气绝缘领域尤其是在高压电缆中应用最为广泛的材料之一。研究表明[11-12]，低密度聚乙烯(low-density polyethylene，LDPE)材料在施加直流高压后容易形成空间电荷[13]，甚至在长期承受交流电压时也会在材料中产生空间电荷，导致LDPE的空间电荷问题比较严重[14-15]。目前，研究者们在空间电荷的产生机理和危害[16-17]、测量方法[18-20]、影响因素[21-26]和抑制方法[27-30]等方面进行了广泛而深入的研究，取得了很多成果。但针对空间电荷对材料介电谱的影响及影响程度的研究鲜见报道。

本研究对纯LDPE试样施加直流高压，使其产生空间电荷，测量试样在加压前以及加压停止后不同去极化时间下的介电谱。通过实验结果分析空间电荷对介电谱测量结果尤其是对相对介电常数虚部（损耗）和介质损耗因数的影响规律并初步分析其影响机理。比较短路接地和喷淋异丙醇方式对薄试样空间电荷的释放效果。通过实验进一步研究添加纳米石墨烯和施加直流场强对LDPE介电谱测量结果的影响并初步分析原因。最后对空间电荷对LDPE老化的影响机理进行分析。

1 实验

1.1 LDPE试样的制备

考虑到LDPE中空间电荷问题比较严重，而纳米添加对改善材料性能、抑制空间电荷方面有良好的效果[27-30]，本研究选择纯LDPE和添加质量分数为3%纳米石墨烯(nano graphene，NG)的LDPE(简写为3% NG/LDPE)作为试样。使用高速研磨机研磨LDPE颗粒，得到平均直径为0.5 mm的粉末。NG的平均直径为5 μm，平均厚度为6～8 nm，典型比表面积为120～160 m2/g。采用文献[31]的方法对NG进行表面处理。将处理后的LDPE粉末和NG在丙酮中进行混合，并采用电子搅拌器以500 r/min的转速搅拌40 min使丙酮全部蒸发。接着将混合物置于恒温箱中，在60℃下干燥24 h后待用。

分别将纯LDPE和处理后的NG/LDPE混合物采用单螺杆挤出机挤出获得片状LDPE试样，如图1所示。试样面积约为70 cm2，明显大于环电极外直径对应的面积，平均厚度为119.60 μm，标准差为9.52 μm。

1.2 测量系统

图1 纯LDPE和3%纳米石墨烯/LDPE试样Fig.1 Pure LDPE and 3% NG/LDPE samples

施加直流电压是广泛应用的一种对绝缘试样注入空间电荷的方法，本研究采用该方法将空间电荷注入到LDPE试样中。直流高压通过美国Glassman High Voltage公司生产的PS/FJ60R02.O-22型直流高压发生器产生。考虑到LDPE注入空间电荷对应的阈值场强和实验的安全性，如无特殊说明，按照20 kV/mm的电场强度施加直流电压，加压持续时间为12 h。在研究直流场强大小的影响时，场强在5～30 kV/mm范围内取值。

介电谱采用英国Megger公司生产的IDAX300型绝缘诊断分析仪测量。如无特殊说明，施加电压的峰值为200 V，考虑到测量时间限制，测量频率范围选择0.01 Hz～1 kHz。在直流加压前和结束后立刻连续3次测量介电谱，结果取平均值，然后在加压结束后的第1、2、4、8、10、12 h时间点均测量1次介电谱。每次介电谱测量耗时约6 min，不测量介电谱时试样上、下表面短接进行去极化。实验前，采用异丙醇对试样表面进行充分喷淋，以抑制试样中存在的空间电荷对测量结果的影响。为了减少人为因素对空间电荷及其分布的影响，在直流加压开始前的介电谱测量到加压结束后的12 h内试样均放置于电极上，操作人员不得接触试样。同时这种方式也可以避免试样重新放入电极中间导致试样与电极接触状态以及电极间样本厚度的改变。

直流加压注入空间电荷和介电谱测量均采用自制的三电极，测试环境温度为24～26℃，实验系统示意图如图2所示。

2 纯LDPE试样的实验结果及分析

纯LDPE试样直流加压前及加压结束后不同去极化时间对应的相对介电常数实部(εr′)、虚部(εr″)和介质损耗因数(tanδ)以及加压停止后12 h内这3个参数的平均下降速度随频率的变化如图3所示。

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of test platform

图3中“未极化”为喷淋异丙醇去除空间电荷且未加直流电压的试样，“去极化0 h”为加压刚结束的试样，“去极化1～12 h”为加压结束后第1～12 h的试样。直流加压结束去极化12 h后在30 min内喷淋异丙醇3次，然后测量介电谱3次，对应的介电谱测量结果在图3中用“异丙醇喷淋”表示。由图3(a)可知，LDPE试样的相对介电常数实部虽然随频率的增加变化幅度不大，但注入空间电荷后其值随频率的降低而增大。由图3(b)可知，在测量的频率范围内未加直流电压的LDPE试样εr″均非常小，不同频率下的结果差别不大，0.01 Hz时的εr″分别为1 Hz和1 kHz时的1.57倍和2.54倍。注入空间电荷结束后的0～12 h内，εr″随频率降低存在显著增大的趋势（非单调），0.01 Hz时的εr″分别为1 Hz和1 kHz时的0.75～0.97倍和8.92～17.00倍。图3(c)中tanδ也有相似的规律，未施加直流电压时，0.01 Hz时的tanδ分别为1 Hz和1 kHz时的1.56倍和2.53倍，注入空间电荷结束后的0～12 h内，0.01 Hz时的tanδ分别为1 Hz和1 kHz时的0.74～0.95倍和8.71～16.54倍。显然，注入的空间电荷对低频下LDPE试样的εr″和tanδ影响比高频下的大。由图3(c)可知，在低频时，随着频率的降低，LDPE试样的tanδ增大。这是因为低频下极化损耗较少，损耗主要由电导导致，电导损耗导致的有功功率随频率降低变化不大，极化导致的无功功率随频率降低几乎呈线性减小。而随着频率的提高，LDPE试样的tanδ达到峰值然后又逐渐减小。这是因为随着频率的增加，有损极化增加，对应的有功功率增加，而介电常数逐渐减小，开始阶段有功功率的增加速度大于无功功率的增加速度，tanδ出现最大值。而后随着频率的增加，介电常数趋于稳定，此时无功功率近似呈线性增大而有功功率趋于稳定，因此tanδ随频率升高而逐渐减小。以上结果与文献[32]的研究结果定性上吻合。此外，由图3可知，对LDPE试样施加场强为20 kV/mm的直流电压12 h，注入空间电荷后，在测量的频率范围内εr′略有增加，为未注入空间电荷LDPE试样εr′的1.03～1.06倍。而εr″和tanδ显著增大，分别为初始值的3.89～68.85倍和3.77～65.23倍。

图3 注入空间电荷前后纯LDPE的介电谱Fig.3 Dielectric spectra of pure LDPE before and after space charge injection

由图3(a)～(c)可知，直流加压停止后随着时间的增加，LDPE的εr′、εr″和tanδ均缓慢减小，且减小速度随时间增加而减缓。以上结果与去极化电流测量时电流幅值随时间增加而逐渐下降相吻合[33-34]。由图3(d)可知，随着频率的降低，介电谱的下降速度呈现加快的趋势，εr′的下降速度明显大于εr″和tanδ。这是因为低频下εr′、εr″和tanδ较大，且εr′＞＞εr″，εr′＞＞tanδ。采用电极短接试样上下表面的去极化方式时介电谱下降速度较慢，即使加压停止去极化12 h后空间电荷对εr″和tanδ的影响仍非常显著，在介电谱测量频率范围内εr″和tanδ的值分别为未加压试样初始值的4.03～49.65倍和3.92～47.36倍，仍然明显大于加压刚结束时测量值的一半。

由图3可知，加压停止去极化12 h并用异丙醇喷淋后的LDPE试样εr″和tanδ的测量结果与原始未加压LDPE试样几乎完全相同。说明对于含有空间电荷的薄LDPE试样，通过喷淋异丙醇的方式释放空间电荷远比试样上、下表面短接有效。这可能是因为异丙醇是极性电介质（偶极矩为4.3D），它存在大量陷阱，容易吸引LDPE中脱陷的空间电荷，同时考虑到LDPE试样很薄且其中的空间电荷大多以浅陷阱的方式集中于试样表面附近[35]，且异丙醇挥发很快，所以空间电荷得到了比较有效的释放。在图3(a)中这两种情况下试样εr′的测量结果略有差别的原因可能是试样表面凹凸不平，各处厚度并非完全一致（见图4），将试样不同位置放置于电极间时，极间距离会发生变化，得到的复电容有所不同，但实际计算相对介电常数时所使用的试样厚度均为同一值，故不同次数测量得到的复介电常数略有不同，引入了一些误差。重新放置试样会使电极与试样的接触情况产生一些变化。另外一个重要原因是未加压前LPDE的εr″和tanδ值很小，相同的相对误差在图3(b)、(c)中表现不明显。

图4 样本示意图Fig.4 Schematic diagram of sample

在承受一定幅值的直流电压后，LDPE中产生了空间电荷，空间电荷在LDPE中以电子、空穴或离子等载流子形式存在。进行介电谱测量时这些载流子在电场的作用下定向运动，与材料的原子、电子和离子发生摩擦和碰撞，会产生能量损耗。而且在加压过程中空间电荷也会不断入陷和脱陷，属于空间电荷极化的范畴，也会产生能量损耗。因此，在LDPE试样中出现空间电荷后，其εr″和tanδ明显大于没有空间电荷的试样。同时由于空间电荷极化也属于一种极化过程，其结果除了导致能量损耗外，还会增大材料的εr′。

3 NG/LDPE试样的实验结果及分析

实际情况中LDPE可能会添加纳米颗粒，而且直流加压时其场强可能会发生变化。因此，下面分析添加纳米颗粒和施加直流场强对LDPE介电谱测量结果的影响。

3.1 添加纳米石墨烯

图5为3% NG/LDPE试样的εr′、εr″和tanδ随去极化时间的变化。

图5 3% NG/LDPE注入空间电荷前后的介电谱Fig.5 Dielectric spectra of 3% NG/LDPE sample before and after space charge injection

表1列出了纯LDPE和3% NG/LDPE试样在加压12 h 后（未开始去极化时）εr′、εr″和tanδ在整个频率范围内测量结果的统计值。为了从另一个角度显示空间电荷的影响，表1还列出了其相对值的统计结果，其中相对值表示测量值与未施加直流电压时的测量值之比。

表1 加压12 h后纯LDPE和添加纳米石墨烯LDPE相对介电常数和介质损耗因数的统计值Tab.1 Statistical results of relative permittivity and dielectric loss factor for pure LDPE and LDPE with NG applied DC voltage for 12 h

结合图5和表1可知，与第2节结果类似，直流加压后空间电荷对3% NG/LDPE试样的εr′影响不大，但对其εr″和 tanδ影响非常显著。3% NG/LDPE试样在直流加压12 h后的εr′约为未加压3% NG/LDPE试样初始值的1.05倍。与纯LDPE试样相比，整体上看，添加NG后LDPE试样在同样的直流加压条件下，εr″和tanδ的增量较小。加压12 h后，3% NG/LDPE试样的εr″测量值均值从纯LDPE的7.11×10-3减小到 4.20×10-3，εr″相对值均值从 22.71 减小到5.37；tanδ测量值均值从纯LDPE的3.64×10-3减小到2.35×10-3，tanδ相对值均值从21.69减小到4.94。这可能是因为纳米颗粒的加入减小了陷阱势能，提高了载流子的脱陷率；纳米颗粒之间形成的导电路径提升了载流子的迁移率；纳米颗粒在电极和介质之间界面形成陷阱中心，进入陷阱的电荷形成反向电场，削弱了外加电场，增加了势垒高度，从而抑制电荷的注入。以上测量结果与文献[36-38]中的观点，即纳米添加物可抑制LDPE（绝缘材料）中空间电荷的积累基本吻合。

由图5可知，直流加压结束后随着去极化时间的增加，两种试样的εr′、εr″和tanδ都逐渐下降，而且下降速度随时间增加而逐渐减缓。3% NG/LDPE试样介电谱的下降速度小于纯LDPE样本，这与纳米添加物能抑制LDPE（绝缘材料）中空间电荷的积累基本吻合[36-38]。

由图5可知，和纯LDPE试样相似，加压停止去极化12 h并喷淋异丙醇后3% NG/LDPE试样的εr″和tanδ基本下降到原始未加压试样的测量值，表明试样中的空间电荷得到了比较充分的释放，具体原因见第2节分析。

图6为直流加压结束后，随着去极化时间的增加纯LDPE和3% NG/LDPE试样在0.01 Hz下εr″和tanδ的变化速度。由图6可知，与纯LDPE试样类似，随着去极化时间的增加，3% NG/LDPE试样中电荷的消散速度（介电谱下降速度）呈现减小的趋势。

图6 纯LDPE和3% NG/LDPE试样εr″和tanδ随去极化时间的变化速度Fig.6 Change rate of εr″ and tanδ of pure LDPE and 3% NG/LDPE samples with depolarization time

3.2 施加直流场强

在不同直流场强下对3% NG/LDPE试样进行试验，直流电场强度分别设置为30、20、10、5 kV/mm，其中20 kV/mm的结果已在3.1节中给出。考虑到相似性，本节不再以图像方式给出tanδ的测量结果，不同场强下3% NG/LDPE试样εr″的测量结果如图7所示，不同场强下加压12 h后（未开始去极化时）介电谱测量结果的统计值如表2所示，其中相对值的定义与表1一致。由图7和表2可知，随着直流场强的减小，空间电荷对介电谱测量结果的影响减小，当场强从30 kV/mm减小到20 kV/mm时，空间电荷对介电谱测量结果的影响变化不大，但当场强从20 kV/mm减小到10 kV/mm时，空间电荷对介电谱测量结果的影响出现突变，εr′、εr″与tanδ三者的相对值均值分别从1.09、5.37和4.94减小到1.00、1.14和1.14，相对值在不同频率下的最大值分别从1.09、12.80和11.81减小到1.00、1.53和1.53。也就是说，对于场强为10 kV/mm的直流高压，加压前后介电谱在测量频率范围内的均值没有显著变化，表明注入电荷的影响很小。随后进一步减小场强到5 kV/mm，结果也非常相似，加压结束后介电谱最大值又进一步下降。这个结果与文献[39]中LDPE中注入空间电荷的阈值场强为10～20 kV/mm基本吻合。

图7 不同场强下直流电压施加前后3% NG/LDPE试样的εr″Fig.7 The εr″ of 3% NG/LDPE samples under different field strength before and after DC voltage applied

表2 不同场强下加压12 h后3% NG/LDPE试样的εr′、εr″和tanδTab.2 The εr′, εr″,and tanδ of 3% NG/LDPE samples under different field strengths applied voltage for 12 h

4 空间电荷对LDPE老化影响的分析

前人研究指出空间电荷可能导致LDPE电场畸变[40]，使击穿风险增加，也会导致局部放电[41]和电树枝发生[42]，进一步加速材料的老化。本研究结果表明空间电荷存在可能不会显著增加电气设备的电容量，但可能会导致其在交变电场下的损耗显著增加。施加20 kV/mm直流场强后，LDPE试样的εr′为其初始（不含空间电荷）情况下的1.04～1.09倍，εr″和tanδ分别增加到原来的5.37～22.71倍和4.94～21.69倍。空间电荷导致的损耗将绝大部分转化为热量，导致绝缘材料的温度上升，温度升高会进一步导致绝缘材料的电导增大，从而导致材料的介质损耗增大，再次导致温度上升，最终加速绝缘材料的老化。在电力工程中，空间电荷与交变电场同时存在的情况非常常见，比如高压直流电缆承受直流高压而产生空间电荷，同时在其承受的直流电压中也含有一定含量的脉动分量，标准规定脉动因数不大于3%。电力工程的绝大部分绝缘均工作在交流电压下，在交流电压长时间作用下也会在LDPE中逐渐积累空间电荷[11]。这些空间电荷在交变电场作用下导致介质损耗增加的效应同样不可忽视。综上可知，空间电荷导致绝缘材料损耗增加可能是LDPE老化加速的机理之一。

5 结论

（1）空间电荷对LDPE试样的相对介电常数虚部和介质损耗因数有显著影响，对LDPE试样施加20 kV/mm直流高压后，其相对介电常数实部、虚部和介质损耗因数分别增加到原来的1.04～1.09倍、5.37～22.71倍和4.94～21.69倍。空间电荷导致绝缘材料损耗增加可能是导致其老化加速的另外一个机理。

（2）随着去极化（短路放电）时间的增加，介电谱的幅值逐渐减小，且减小速度随去极化时间增加而减缓。在注入电荷结束后，试样在电极上放置12 h(去极化约11 h)后，空间电荷对介电谱的影响仍然非常显著。因此，在进行了一些可能会产生空间电荷的实验后，比如施加直流高压，在测量介电谱之前务必消除试样中的空间电荷；针对薄试样，用异丙醇喷淋方法远比试样两面短接放电方式有效。

（3）添加纳米石墨烯后，空间电荷对LDPE介电谱的影响下降；随着直流场强的降低，空间电荷对介电谱测量结果的影响减小，对介电谱有影响的空间电荷临界注入场强为10～20 kV/mm。