電極材料對高密度聚乙烯中空間電荷的影響

陳少卿 鄭明波 王 霞 彭宗仁

（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

1 引言

由于聚乙烯具有優(yōu)良的機械和電性能，被廣泛應(yīng)用到電力電纜絕緣中。隨著電壓等級的不斷提高，對聚乙烯介電性能的研究已經(jīng)受到廣大學(xué)者的關(guān)注。聚合物絕緣中的空間電荷，特別是直流電場下的空間電荷嚴(yán)重影響絕緣的使用壽命，因為空間電荷的積聚可以提高絕緣材料內(nèi)部的局部電場，從而導(dǎo)致絕緣材料的局部擊穿。但是空間電荷是一個極其復(fù)雜的問題，它受到絕緣材料微觀結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、添加劑、熱歷史、環(huán)境溫度、外施場強等諸多因素的影響。到目前為止空間電荷領(lǐng)域仍存在許多難以解釋的問題，例如電極材料對電荷注入的影響、絕緣材料內(nèi)部陷阱的發(fā)展機理等[1-4]。

國外廣大學(xué)者已經(jīng)對各種電力和實驗室常用電極材料對低密度聚乙烯（LDPE）中空間電荷的影響進(jìn)行了深入的研究。研究表明電極材料及電極與絕緣的接觸狀態(tài)嚴(yán)重影響電荷的注入[5-7]。本小組在這方面已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。為了討論不同分子鏈結(jié)構(gòu)的影響，并與對LDPE 研究的結(jié)果進(jìn)行對比，本文研究了鋁電極和半導(dǎo)電橡膠電極對高密度聚乙烯（HDPE）中空間電荷注入的影響。

2 試驗方法

本文采用電聲脈沖法（Pulsed Electroacoustic Method，PEA）測量薄片試樣中空間電荷分布。其原理是陷阱電荷受到外加的前沿很陡的電場脈沖的作用，這是一個真實的沖撞，由于在電荷與介質(zhì)之間的運動，從而產(chǎn)生一個彈性波，此彈性波在材料中以聲速傳播，由壓電傳感器接收和測量壓力波脈沖，就可以得到相應(yīng)的試樣中空間電荷的分布情況，測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。直流電源0～30kV，脈沖寬度5ns，幅值0～1kV。壓電傳感器（PVDF）薄膜厚度為9μm。選用電力電纜常用電極材料鋁和半導(dǎo)電橡膠，并以半導(dǎo)電橡膠作為測量系統(tǒng)上電極，金屬鋁板作為下電極，聲耦合劑是硅油。此外還測試了蒸鍍鋁電極試樣中的空間電荷，來研究不同電極接觸狀態(tài)對空間電荷分布的影響?？臻g電荷測量系統(tǒng)的分辨率取決于外加納秒脈沖電壓的半峰寬、壓電傳感器的厚度及放大器的頻率帶寬。由計算可得本實驗室的空間電荷測量裝置的測量分辨率為

10μm[8-10]。

圖1 空間電荷測試系統(tǒng) Fig.1 Setup of pulsed electro-acoustic（PEA）measurement system

實驗場強為50kV/mm。測量加壓90min 及撤去電壓30min 后的空間電荷分布。待測試樣厚度約為100μm 的板狀HDPE 試樣。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 電極材料對空間電荷的影響

加壓和短路過程中的空間電荷分布通過數(shù)據(jù)采集卡（GPIB 卡）與配套的Labview 軟件進(jìn)行實時檢測，測量間隔為5s。加壓過程中空間電荷密度均用黑白圖表示，圖中用顏色深淺反映空間電荷密度隨時間的實時變化情況。電場變化及短路時的空間電荷分布均用曲線表示。圖2 和圖3 分別為施加負(fù)極性電壓和正極性電壓下的空間電荷及場強分布圖。從圖中可以看到電極上感應(yīng)的電荷和試樣中的電荷，以及電荷分布圖所對應(yīng)的場強分布圖。圖 2a和圖3a 分別是負(fù)壓和正壓下空間電荷隨加壓時間的分布圖。由試樣的加壓電荷分布圖及短路電荷分布圖（見圖2a、2c、3a 及3c）可見，在正極性電壓和負(fù)極性電壓下試樣中均有電子和空穴注入（即正電荷注入）。但在負(fù)壓下（半導(dǎo)電橡膠為負(fù)極性， 鋁為正極性，見圖2）電荷的注入明顯減小。這可能是由于半導(dǎo)電橡膠的功函數(shù)（4.8eV）比鋁的功函數(shù)（4.28eV）大，而電子注入勢壘正比于Φm?x（其中Φm金屬功函數(shù)，x 為絕緣材料的電子親和力），故半導(dǎo)電橡膠不易注入電子而容易注入空穴，而鋁容易注入電子不易注入空穴。所以當(dāng)半導(dǎo)電橡膠為陰極時可以抑制陰極上大量負(fù)電荷的注入，同理，鋁為陽極時可以抑制陽極上大量正電荷的注入。

圖2 負(fù)壓下的空間電荷和電場分布圖 Fig.2 Space charge distributions and electric field strength curves with negative polarity

圖3 正壓下的空間電荷和電場分布圖 Fig.3 Space charge distributions and electric field strength curves with positive negative polarity

由圖3b 可以看出，當(dāng)施加+50kV/mm 場強時，正壓下的內(nèi)部場強在陰極附近最高達(dá)到65kV/mm，為所施加場強的1.3 倍，這說明大量的電荷注入嚴(yán)重畸變了試樣內(nèi)部的場強，引起局部場強過高。

比較圖2c 和圖3c 可見，正壓時的電荷注入峰值為負(fù)壓時的5 倍左右。這與加正壓時的空間電荷密度大于負(fù)壓時的空間電荷密度是一致的。這是由半導(dǎo)電橡膠和鋁電極的電荷注入勢壘導(dǎo)致的，半導(dǎo)電橡膠電極易于注入空穴，而鋁電極易于注入電子。有趣的是，在圖2c 中鋁和半導(dǎo)電橡膠電極附近均出現(xiàn)同極性電荷。而在圖3c 中電極附近出現(xiàn)了異極性電荷，并且在陰極附近形成了較大的正電荷峰。由于試樣是未加任何添加劑的純HDPE，所以認(rèn)為圖中的同極性電荷與異極性電荷均是電極注入引起的，而不考慮雜質(zhì)離子的影響。而正壓下的異極性電荷則是由于大量的注入電荷在外加電場作用下在試樣內(nèi)部遷移形成的。圖2c 和圖3c 中的電荷均隨時間衰減，這說明電荷注入大多在淺陷阱中容易脫陷。正壓下短路后的場強明顯大于負(fù)壓短路后的場強，并隨短路時間衰減（見圖2d 和圖3d）。

3.2 電極接觸狀態(tài)對空間電荷的影響

圖4 鋁板電極和鍍鋁電極加壓?50kV/mm,90min 短路瞬間的空間電荷分布圖 Fig.4 Space charge distributions for Al plate and evaporated Al electrode under short-circuit after the application of ?50kV/mm for 90 min

圖4 為鋁板電極和鍍鋁電極分別為下電極，半 導(dǎo)體橡膠為上電極，在施加負(fù)壓50kV/mm 場強，90min 后短路瞬間的空間電荷分布圖。大量的同極性電荷出現(xiàn)在鋁板電極附近，但只有少量的同極性電荷出現(xiàn)在鍍鋁電極附近。

這是因為鋁板和HDPE 為機械接觸，許多氣體分子（如O2和H2O 等）和雜質(zhì)等可能吸附在他們的界面從而形成表面態(tài)。表面態(tài)有許多局部能級，這些能級有助于電荷從鋁板注入到HDPE 中。另外機械接觸必然存在氣體間隙，在電場的作用下電荷會被加速從而注入HDPE 或者通過氣體間隙的局部放電進(jìn)入絕緣材料[11]。

4 結(jié)論

研究了電極材料及電極接觸狀態(tài)對HDPE 中空間的影響，主要結(jié)論如下：

（1）電極材料是影響HDPE 中空間電荷注入的重要因素。半導(dǎo)體橡膠容易注入空穴不易注入電子，而鋁電極容易注入電子不易注入空穴。

（2）當(dāng)半導(dǎo)電橡膠為陰極鋁為陽極時能有效抑制HDPE 中的電荷注入。

（3）電極接觸狀態(tài)嚴(yán)重影響空間電荷注入。相比鋁板電極鍍鋁電極能有效抑制電荷注入。

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