基于空间电荷和脱陷电流的油纸绝缘界面电荷与陷阱特性

刘青，刘志国，马博翔，焦宇阳，陈荣佳，马运同，吕泽鹏

(1. 国网北京市电力公司电缆分公司，北京100031；2. 西安交通大学电气工程学院，西安710049)

0 引言

目前，我国电力资源分布不均衡，这种分布特点决定了必须进行大规模的电力能源输送[1 - 5]。近年来大量高压电力设备投入运行，但因变压器等电力设备绝缘性能发生变化而导致的事故时有发生[6 - 9]。在变压器油纸绝缘的工作环境中由于存在强电场及油纸界面，使得油纸绝缘内部产生空间电荷积聚，造成局部电场畸变，加速绝缘老化，增加绝缘失效风险，严重影响变压器的运行安全。以往研究表明绝缘材料老化会影响绝缘内部及绝缘界面的电荷积聚特性[10 - 11]。因此，利用变压器油纸绝缘电荷输运特性评估变压器油纸老化状态，对保障电力设备的运行安全具有重要意义[12 - 14]。目前空间电荷测量大多采用无损测量技术，根据测试原理可以将这些方法分为热学法[15]、压力波法[16]和电声脉冲法[17 - 19](pulsed electro-accoustic, PEA)3大类。但空间电荷测量方法仅适用于薄片试样，无法检测复杂结构中的电荷积聚，难以在线监测真实设备中空间电荷随老化和设备运行状态的特性演变。极化/去极化电流法具有测试电路简单、测试设备简单便携、电流信息丰富等优势，受到研究人员关注并开始用于变压器绝缘状态的评估和诊断中[20 - 23]。以往大部分研究利用极化/去极化电流获取绝缘材料的陷阱电荷的特性，目前仍然没有研究建立起极化/去极化电流与空间电荷的关联。因此本文尝试利用极化/去极化电流获取绝缘材料内部的电荷输运特性，与空间电荷积聚特性建立联系。利用型号分别为昆仑石油牌克拉玛依25#变压器油、Nynas10X变压器油以及进口绝缘纸制作两种试样，根据试样空间电荷特性提取界面势垒参数，利用极化/去极化电流计算的脱陷电流获取油纸绝缘中的陷阱特征参数，并发现了两者的相关性。

1 实验设计

1.1 试样制备

绝缘纸选用厚度为0.25 mm的进口变压器绝缘纸；变压器油选用克拉玛依昆仑25号油(记为K油)以及Nynas变压器油(记为N油)。将进口绝缘纸(记为I纸)裁剪成半径为60 mm的圆形纸板试样后放入真空干燥箱干燥24 h，同时将变压器油真空干燥24 h，以去除油纸和油中微水的影响。在油和油纸试样分别烘干后，将绝缘纸与绝缘油按照1:10的质量比例放置在烧杯中静置24 h。

将干燥后的绝缘纸以及变压器油进行两两组合置于烧杯中，可以得到如表1所示的2种类型试样。将试样1记为I纸-K油，将试样2记为I纸-N油。

表1 实验样品类型Tab.1 Experimental samples

1.2 实验平台搭建

1.2.1 油纸/油试样空间电荷的测量

本文采用PEA法进行空间电荷的测量。但PEA法通常应用于单一均匀介质中。电荷测试平台使用自制的PEA测量系统，该系统在传统测量系统基础上进行了改进，测试系统结构如图1所示。主要改进之处有：1)下极板由平板状改成一体化凹槽结构，将整块铝金属板中心切割出圆形凹槽，以及容纳变压器油样，便于测量油纸/油结构中的空间电荷；2)上、下电极处均增加循环油浴系统，实现上、下电极的温度控制；3)采用型号为HTS 80-12-UF的高频固态开关新制了电脉冲源，提高了电脉冲源的输出幅值，并改善了输出波形，输出的电脉冲信号为8 ns脉宽的高斯特征分布，幅值0～2 000 V可调，油纸/油试样放置方式如图2所示放置在两电极间，测量中将油纸放置于下电极铝电极侧，油隙放置于上电极半导电层侧。

图1 空间电荷测量系统Fig.1 Space charge measurement system

图2 油纸-油试样放置方式Fig.2 Oil paper-oil sample placement method

1.2.2 油纸/油试样极化/去极化电流的测量

极化/去极化电流测试平台的高压源选用上海惠东电气的HDG高压试验电源，测试仪器选用Keitheley公司的6517静电计，本实验采用三电极系统，电极设计参数如下：高压电极半径20 mm，测量电极外层的外径为16 mm，内径为13 mm，内层的半径为10 mm。实验所用绝缘油纸直径60 mm，厚0.25 mm；聚酯膜外径60 mm，内径30 mm，厚0.15 mm；实验时将绝缘纸、聚酯膜放置于高压电极与测量电极之间，使绝缘纸放置于下电极一侧、聚酯膜放置在绝缘纸上，在聚酯膜环内加入绝缘油形成油隙。实验电路如图3所示，测量极化电流时将高压继电器开关置于左半边回路，测量去极化电流时置于右半边回路。

图3 极化/去极化电流测量系统Fig.3 Polarization/depolarization current measurement system

2 空间电荷结果与分析

利用空间电荷测试平台对1.1节中制备的试样在25 ℃下进行测试，得到+5.5 kV电压下加压、去压阶段各试样体内空间电荷的动态分布以及不同电压下各试样体内空间电荷的稳态分布，分别如图4—6所示。

图4 +5.5 kV加压阶段两种试样中的空间电荷动态分布Fig.4 Dynamic distributions of space charge in two samples at the + 5.5 kV pressurization stage

由图4可以看出，加压阶段下，两种油纸组合的空间电荷分布规律基本相同，但不同试样中油纸体电荷量和油纸/油界面电荷量均存在着明显差异。随着加压时间的增长，油纸/油界面处积聚与油侧电压极性一致的电荷，油纸内部积聚纸侧电极极性一致的电荷。加压20 min后，各试样中界面电荷密度基本达到平衡稳定状态。两种试样体内的空间电荷在10 min后基本消散。

由图5可以看出，去压阶段下，两种油纸组合的界面电荷总体消散速率不存在显著差异，界面电荷信号在10 min即完全衰减至背景噪声级别。

图5 +5.5 kV下去压阶段两种试样中的空间电荷动态分布Fig.5 Dynamic distribution of space charge in two samples at the +5.5 kV depressurization stage

由图6可以看出，各试样中空间电荷稳态分布规律基本一致。随着外施电压的增加，不同试样中界面电荷和油纸体电荷极性不变而电荷量逐渐增加。界面电荷分布也呈现由界面处向油纸内部拓展的趋势，这和界面电荷密度的增加以及更多的负电荷通过界面进入油纸内部有关。

图6 不同电压下两种试样中的空间电荷稳态分布Fig.6 Steady-state distribution of space charge in two samples under different voltages

图7为+5.5 kV电压下去压阶段不同油纸/油试样中界面电荷处电荷量随时间的变化曲线，前10 s内两种组合的油纸/油试样界面电荷消散速率具有明显差异。在10 s前界面电荷消散较快，10 s后界面电荷消散速率随着时间缓慢下降。I纸K油组合界面电荷量略少于I纸N油组合。

图7 +5.5 kV去压阶段两种试样的界面电荷量Fig.7 Interface charge of two samples in +5.5 kV depressurization stage

文献[24]提出了一种界面势垒的计算方法，如式(1)—(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：t为时间；Q(0)为起始时刻的电荷量；Q(t)为t时刻的电荷量；a为与时间无关的因数；tmin和tmax分别为电荷脱陷的起始和终止时刻；ν为电荷热振动频率；kB为玻尔兹曼常数；T为温度；Δmin和Δmax分别为试样界面势垒最小、最大值。

对不同组合的试样中油纸/油的界面势垒进行了计算，结果见表2。从表中界面势垒参数值可见，不同油纸/油试样中界面势垒最小、最大值存在差异，但差异不大。这是因为此种方法通过全时段的界面电荷量计算获得界面势垒的宏观视在值，其能一定程度上反映I纸-N油具有更快的电荷消散速率，但不能反映两者在前10 s内电荷消散速率的巨大差异。

表2 两种试样界面势垒的计算值Tab.2 Calculation value of interface barrier of two samples

3 电流结果与分析

3.1 极化/去极化电流

对表1中制备的试样施加5 kV的直流电压进行极化/去极化电流(polarization/depolarization current, PDC)测试，并得到油纸/油试样的极化/去极化电流曲线。将去极化电流取绝对值，并采用半对数坐标系绘图。各试样的极化/去极化电流曲线如图8所示。

从图8中可以看出，仅I纸-N油试样的极化电流在10-9数量级，剩余极化和去极化电流均在10-10数量级。I纸-N油试样的极化电流变化受油纸/油试样体电荷输运和界面电荷阻挡积聚两个过程的共同作用。从图4空间电荷分布的结果可以知，I纸-N油组合的试样中，油纸侧电极附近注入的同极性电荷量相较于I纸-K油组合的试样中多，且注入速率更大；界面电荷也呈现同样的规律，即I纸-N油组合中电荷量更大且积聚速率更快，呈现更加集中于界面的趋势。因此，试样内更多的体电荷和界面电荷的分布和较快的变化速率决定了I纸-N油组合的试样中极化电流幅值高出一个数量级，同时电流下降速率更快。

两种油纸组合试样的去极化电流起始阶段幅值均在10-10数量级，I纸-K油组合的去极化电流下降速度更快，这可能与电极附近体电荷的快速消散有关，也不同程度地受到界面电荷消散过程的影响。同时观察到，前10 s内I纸-N油组合的去极化电流小于I纸-K油组合的去极化电流，但根据图7中的结果，前10 s内I纸-N油组合界面电荷量下降更快，应产生更大的去极化电流，与图8中的结果不相符，由此可见，仅利用去极化电流无法准确地反映界面电荷输运规律。

图8 各试样的极化/去极化电流Fig.8 Polarization and depolarization current of each sample

3.2 脱陷电流

由于存在Poole-Frenkel 效应，在PDC测试的极化阶段试样施加的直流高压会加大陷阱中电荷的脱陷概率[25]，因此极化电流中会含有陷阱电荷的脱陷电流成分。通过测量PDC，并提取出脱陷电流分量，可以进一步分析电介质中陷阱电荷密度及相应的陷阱深度信息。

由文献[24]可知，脱陷电流的计算如式(4)—(5)所示。

Ide-trap=Ip(t)-Idp(t)-Ic

(4)

Ic=Ip(tfinal)-Idp(tfinal)

(5)

式中：Ide-trap为脱陷电流；Ip(t)为极化电流；Idp(t)为去极化电流；Ic为传导电流；Ip(tfinal)为极化电流终值；Idp(tfinal)为去极化电流终值。

极化/去极化电流中均含有容性电流分量，但在脱陷电流的计算中，两者的容性分量相互抵消。脱陷电流主要由阻性电流组成，可以更好地反映界面电荷输运规律。

根据上式计算并绘制各试样的脱陷电流曲线如图9所示。

图9 各试样的脱陷电流Fig.9 The de-trapping current of each sample

一方面，试样体内深陷阱越多，载流子被深陷阱捕获的概率越大，在去极化过程中，载流子脱陷形成脱陷电流的速率就越小；另一方面，油纸/油界面介质不连续处存在势垒，界面势垒越高，电荷跨越界面并传导至电极形成电流的速率就越小。深陷阱以及界面处势垒的共同作用，当试样体内深陷陷阱越多、界面势垒越高时，脱陷电流就越小。

从图9中可以看出，两试样脱陷电流的曲线数量级均在10-10～10-9；两试样的脱陷电流曲线均呈下降趋势，曲线在100 s前下降速度快，100 s后下降速率放缓。脱陷电流是由被陷阱捕获的电荷脱陷组成，而陷阱根据能级分布分为深陷阱与浅陷阱。曲线在100 s内下降速度快是因为去压时浅陷阱中的电荷快速脱陷；曲线在100 s后下降速度放缓是因为大部分浅陷阱中的电荷已完成脱陷，此时脱陷电流主要由被深陷阱捕获的电荷脱陷组成，深陷阱中的电荷脱陷速率随陷阱深度的增加而下降。随着去极化时间的增加，浅陷阱捕获的电荷越来越少，未脱陷电荷大部分处于深陷阱，从而使脱陷电流曲线下降速率减缓。

从图中可以看出I纸-K油组合脱陷电流的下降速率比I纸-N油组合更快，所以I纸-K油组合相较于I纸-N油组合存在更多的深陷阱。I纸-K油组合在其极化过程中进入深陷阱的电荷更多，脱陷电流更小。

4 陷阱特性分析

4.1 脱陷电流分阶段线性拟合

由文献[26]可知，绝缘介质中某能级的陷阱电荷脱陷行为导致的电流可以表示为：

(6)

式中：q为电子电荷量；d为试样厚度；N0(Em)为陷阱能级为Em的陷阱的初始密度；τm为载流子在能级为Em的陷阱中的停留时间。故绝缘介质的总脱陷电流为：

(7)

对脱陷电流进行分段指数拟合[24]，假设绝缘介质中存在的陷阱能级数为n+1，则m=1,2,…。n+1即分段拟合的数目。根据式(3)，参数Am可表示为：

(8)

式中：N0(Em)为最深陷阱的初始密度；τm为载流子在最深陷阱中的停留时间。

对脱陷电流j取对数后，可以将其表示为：

(9)

式中Am和τm的乘积Amτm可以表征对应陷阱能级的陷阱电荷密度。

对脱陷电流曲线j(t)取对数后，得到的脱陷电流对数曲线在末尾段为一条直线。根据这一特性对脱陷电流进行分段指数曲线拟合，各试样分段拟合结果分别如图10所示。由图10可以看出，两曲线均可以用两阶段拟合，拟合的第一阶段较为陡峭，第二阶段较为平稳。

图10 两种试样的分阶段线性拟合直线Fig.10 Phased linear fitting line of two samples

4.2 陷阱特征参数的提取

根据式(9)提取两试样的脱陷电流曲线特征参数，得到试样的特征参数A0τ0、A1τ1以及τ0、τ1，如表3所示。

表3 两种试样的陷阱特征参数Tab.3 The trap characteristic parameters of the two samples

由式(9)可知，Amτm表示相应陷阱能级的陷阱电荷密度；τm表示载流子在相应陷阱能级的停留时间，即在相同实验条件下，τm可以作为表征陷阱能级相对深度的参数，载流子在陷阱中停留的时间越长，载流子脱陷概率越小，即陷阱越深。

因此，A0τ0和τ0分别表征较浅陷阱中的陷阱电荷密度与较浅陷阱能级的相对深度；A1τ1和τ1分别表征较深陷阱中的陷阱电荷密度与较深陷阱能级的相对深度。根据表3中的数据，可以得出以下结论。

浅陷阱方面，I纸-K油组合的τ0值小于I纸-N油组合，这说明I纸-K油组合的浅陷阱的相对深度更浅；I纸-K油组合的A0τ0值大于I纸-N油组合，这说明I纸-K油组合浅陷阱中的电荷密度大于I纸-N油组合。深陷阱方面，I纸-K油组合的τ1值远大于I纸-N油组合，这说明I纸-K油组合的深陷阱的相对深度更深；I纸-K油组合的A1τ1值略大于I纸-N油组合，这说明I纸-K油组合深陷阱中的电荷密度略大于I纸-N油组合。

I纸-K油组合深陷阱的相对深度远大于I纸-N油组合，且I纸-K油组合的深陷阱电荷密度大于I纸-N油组合，这与之前I纸-K油组合脱陷电流更小的结果相对应。

综合油纸试样的脱陷电流和空间电荷分布结果可以看出，从脱陷电流中提取的陷阱特征参数与空间电荷分布中提取的界面势垒参数具有相关性，电荷在油纸试样体内的输运过程受到陷阱的影响，并在外电流中体现。因此可以利用测量试样极化/去极化电流的方法提取脱陷电流，进而表征绝缘材料内部的陷阱密度与能级深度，同时对于存在多相界面的材料，也可以反映界面处电荷的陷阱状态。该方法利用极化/去极化电流获取脱陷电流，利用脱陷电流代替极化/去极化电流能够有效减少容性电流带来的误差，更准确地建立与空间电荷和界面电荷的关联。该方法在运行电气设备(电缆、变压器等)中绝缘电介质的老化状态评估具有广泛的应用潜力。

5 结论

本文制备两种试样并对其进行了PEA以及PDC测试，得到了各试样不同状态下的空间电荷分布以及脱陷电流曲线，并对各脱陷电流曲线进行了分阶段线性拟合，获得了两种试样的陷阱特征参数，可以得到以下结论。

1)相同条件下，I纸-K油组合相较于I纸-N油组合，界面势垒值更高，界面电荷量更少，脱陷电流更小且下降速率更快。

2)相同条件下，I纸-K油组合相较I纸-N油组合，介质内陷阱深度更深，深陷阱密度更大，脱陷电流更小。

综上所述，本文中制备的I纸-K油组合相较于I纸-N油组合的深陷阱具有更深的相对深度，其中存在更多净电荷；同时，I纸-K油组合具有更高的界面势垒值，根据界面势垒与陷阱电荷密度间相关性可以推断，具有更高界面势垒值以及更高深陷阱电荷密度的油纸试样组合脱陷电流更小。