交流電場(chǎng)下XLPE絕緣空間電荷研究綜述

陳廣輝，王安妮，李云強(qiáng)，王偉

（1.華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.東平供電公司，山東東平 271509）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求越來(lái)越大，對(duì)輸配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了更高的要求。在城市配電網(wǎng)中，考慮到環(huán)境美觀和供電安全，架空輸電線路逐漸被地下電纜取代。電纜主要有聚氯乙烯絕緣電纜、交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜和乙丙橡膠絕緣電纜，其中，XLPE電纜以其優(yōu)異的性能而應(yīng)用最廣[1]。XLPE電纜與傳統(tǒng)的油紙絕緣電纜相比，安裝敷設(shè)簡(jiǎn)單，機(jī)械性能優(yōu)良，耐酸堿腐蝕和耐高溫能力強(qiáng)，運(yùn)行維護(hù)方便，已經(jīng)取代了油紙絕緣電纜成為主要的輸送點(diǎn)設(shè)備[2]。

XLPE屬于聚合物，在電場(chǎng)和熱的應(yīng)力作用下，會(huì)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生陷阱，介質(zhì)中的載流子被陷阱捕獲形成空間電荷，畸變?cè)须妶?chǎng)分布，影響絕緣的介電性能和擊穿過(guò)程。陷阱將材料微觀特性及結(jié)構(gòu)與材料的宏觀電氣性能相結(jié)合，國(guó)內(nèi)外大量報(bào)道從空間電荷分布獲得介質(zhì)內(nèi)陷阱的分布信息，研究介質(zhì)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布、老化破壞機(jī)理和擊穿特性。

電介質(zhì)的擊穿與老化和空間電荷研究在電氣科學(xué)與工程“十一五”發(fā)展規(guī)劃的工程電介質(zhì)學(xué)科戰(zhàn)略中分別被定位于六大發(fā)展方向之一，規(guī)劃指出，空間電荷是影響甚至制約核能、航天、航空、國(guó)防、超、特高壓輸電等近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大科學(xué)前沿問(wèn)題。IEEE-DEIS（國(guó)際電介質(zhì)與電氣絕緣分會(huì)）也指出空間電荷、表面電荷、界面電荷效應(yīng)及其科學(xué)利用等基礎(chǔ)問(wèn)題將是21世紀(jì)國(guó)際電介質(zhì)與絕緣技術(shù)學(xué)科發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)[3]。

研究交流電場(chǎng)下XLPE電纜絕緣的空間電荷分布特性對(duì)于預(yù)測(cè)XLPE電纜絕緣的早期劣化程度、完善XLPE電纜絕緣狀態(tài)評(píng)估與故障診斷理論、保障電纜正常運(yùn)行具有重要的意義，這也是當(dāng)前XLPE電纜絕緣診斷和狀態(tài)評(píng)估的重要研究方向。

1 交流電場(chǎng)下基于空間電荷效應(yīng)的XLPE絕緣老化

1.1 交流電場(chǎng)下場(chǎng)強(qiáng)、頻率、溫度對(duì)XLPE絕緣空間電荷積累的影響

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量關(guān)于固體絕緣中空間電荷分布的研究，大多數(shù)研究是基于直流電場(chǎng)下的，關(guān)于50 Hz工頻交流電場(chǎng)下的空間電荷分布特性及其對(duì)介質(zhì)擊穿影響的研究很少。文獻(xiàn)[4-9]指出，聚乙烯材料在40 kV/mm及50 Hz交流高場(chǎng)強(qiáng)下經(jīng)過(guò)7 h，10 d，2個(gè)月極化后觀測(cè)到了空間電荷，交流電場(chǎng)下空間電荷量比直流電場(chǎng)下的空間電荷量至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)[4]，文獻(xiàn)[10]指出交流電場(chǎng)下空間電荷積累的頻率閾值為0.1 Hz數(shù)量級(jí)。文獻(xiàn)[11]指出交流電場(chǎng)下空間電荷效應(yīng)可以導(dǎo)致絕緣劣化，包括局部能量存儲(chǔ)直接引發(fā)絕緣劣化，交流電場(chǎng)下電機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致機(jī)械疲勞和微孔中的熱電子發(fā)射和電子崩間接造成絕緣劣化。

空間電荷能導(dǎo)致局部能量的釋放，并降低各類(lèi)熱化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的能量勢(shì)壘，加速絕緣老化，空間電荷效應(yīng)是交流電場(chǎng)下聚合物絕緣電老化的主要因素之一[12-13]。文獻(xiàn)[14]研究了1 Hz到50 Hz的電致發(fā)光現(xiàn)象和空間電荷分布，表明XLPE絕緣在較低頻率下會(huì)貯存更多的空間電荷，因此，比工頻低很多的高壓設(shè)備絕緣性能診斷試驗(yàn)可能危害設(shè)備的絕緣。文獻(xiàn)[17]明確指出由于大多數(shù)的XLPE高壓電纜運(yùn)行在交流工況下，所以有必要研究交流電場(chǎng)下絕緣介質(zhì)中的空間電荷分布及其動(dòng)態(tài)特性。

G.C.Montanari等人研究了用PEA法分別測(cè)試環(huán)境溫度20℃時(shí)，交流和直流電場(chǎng)下0.15 mm厚的XLPE薄膜中的空間電荷分布，指出交流下空間電荷積累的閾值場(chǎng)強(qiáng)有效值約是20 kV/mm，直流下空間電荷積累的閾值場(chǎng)強(qiáng)約是15 kV/mm[15]。

Tatsuo Takada等人用PEA法測(cè)量了0.5 mm厚的XLPE薄膜在-20 kV直流電壓1 min內(nèi)的空間電荷分布，和20 kV交流峰值電壓80 min內(nèi)的空間電荷分布，通過(guò)短間隔測(cè)試空間電荷分布觀測(cè)了直流電場(chǎng)下異極性空間電荷的產(chǎn)生及其積累過(guò)程，還觀測(cè)了0.000 2 Hz和50 Hz交流電場(chǎng)下的空間電荷分布。研究發(fā)現(xiàn)：50 Hz下幾乎觀測(cè)不到空間電荷分布；0.000 2 Hz下，在相位45°時(shí)，異極性空間電荷開(kāi)始出現(xiàn)；在90°和270°附近，異極性空間電荷量最大；180°電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)，空間電荷重新分布。直流下的空間電荷分布既反映淺陷阱的分布信息，又反映深陷阱的分布信息，而交流下的空間電荷分布主要反映深陷阱的分布情況[16]。

Y.L.Chong，Y.Tanaka等人用PEA法研究了交流電場(chǎng)下0.22 mm厚的經(jīng)過(guò)脫氣處理的和未經(jīng)過(guò)脫氣處理的XLPE薄膜在直流電場(chǎng)和1 Hz，10 Hz，50 Hz交流電場(chǎng)下的空間電荷分布。交流電場(chǎng)極化后的XLPE短路空間電荷分布，主要是地電極附近的正極性空間電荷，在高壓電極附近存在少量負(fù)極性空間電荷，在兩電荷分布區(qū)域之間存在異極性空間電荷，可能由慢的遷移率引起。對(duì)比不同頻率下的空間電荷分布發(fā)現(xiàn)：未經(jīng)脫氣處理的空間電荷測(cè)試結(jié)果為Q1Hz>Q10Hz>Q50Hz；而經(jīng)脫氣處理的XLPE中的空間電荷測(cè)試結(jié)果為Q1Hz>Q50Hz>Q10Hz。其中，Q1Hz是頻率為1 Hz交流電場(chǎng)下的空間電荷量；Q10Hz是頻率為10 Hz交流電場(chǎng)下的空間電荷量；Q50Hz是頻率為50 Hz交流電場(chǎng)下的空間電荷量[17]。

J.Zhao，G.Chen等人采用PEA法研究了交流電場(chǎng)下聚乙烯中的空間電荷行為，試驗(yàn)中通過(guò)高頻高壓脈沖和數(shù)學(xué)處理方法研究了空間電荷分布的相位特性，觀測(cè)了不同交流極化時(shí)間下加壓、撤壓以及短路衰減過(guò)程中的空間電荷分布[18]。

Massum Fukuma等人基于PEA法研究了針板電極系統(tǒng)下環(huán)氧樹(shù)脂在交流不均勻電場(chǎng)下空間電荷分布的相位特性，發(fā)現(xiàn)低頻下針電極注入的電荷在板電極附近積累，當(dāng)交流電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)，針板電極附近殘留的載流子形成的異極性空間電荷可能對(duì)電樹(shù)枝引發(fā)產(chǎn)生影響[19]。這為交流電場(chǎng)下XLPE電纜絕緣中空間電荷分布對(duì)電樹(shù)枝起始場(chǎng)強(qiáng)影響的研究提供了參考。

P.Notingher Ji，L.Martinotto等人用熱脈沖法研究了交流電場(chǎng)在溫度45℃和90℃下XLPE，VLDPE，PP及PE/PP中的空間電荷積累。研究發(fā)現(xiàn)，交流和直流電場(chǎng)下，空間電荷分布特性并不是隨著溫度呈現(xiàn)單調(diào)變化趨勢(shì)，都在60℃時(shí)空間電荷量達(dá)到最大，而且 Q60℃>Q90℃>Q45℃。其中，Q45℃是 45 ℃時(shí)交流電場(chǎng)下的空間電荷量；Q60℃是60℃時(shí)交流電場(chǎng)下的空間電荷量；Q90℃是90℃時(shí)交流電場(chǎng)下的空間電荷量[10]。

此外，電力設(shè)備運(yùn)行中的溫升現(xiàn)象嚴(yán)重影響絕緣的使用壽命，高溫下的空間電荷測(cè)量已經(jīng)引起關(guān)注。但是，溫度改變時(shí)，聚合物材料的聲阻抗、Young模量、密度、聲波在其中傳播的速度發(fā)生變化。而且，溫度升高時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間碰撞幾率增大，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)與熱聲子(即晶格振動(dòng))、電子、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等相互作用增強(qiáng)，使得介質(zhì)的衰減和色散加劇，引起聲衰減[20]，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出介質(zhì)中的空間電荷特性，所以，進(jìn)行不同溫度下的空間電荷測(cè)量波形的恢復(fù)具有重要意義。

1.2 交流電場(chǎng)下空間電荷分布與XLPE絕緣老化關(guān)系研究

隨著電場(chǎng)作用時(shí)間的增加，空間電荷表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性，存在電荷峰的分離和疊加。尹毅、肖登明等人研究了空間電荷分布等與交流老化程度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在電老化過(guò)程中空間電荷的分布發(fā)生變化,出現(xiàn)正負(fù)電荷峰的分離和疊加，而且試樣在加壓過(guò)程中和短路過(guò)程中的空間電荷總量都近似地隨老化時(shí)間呈線性增長(zhǎng)[21]。

K.Murata，Y.Tanaka和 T.Takada用 PEA 法研究了20 kV直流和峰值20 kV低頻交流電壓下厚0.5 mm的XLPE絕緣中的空間電荷分布，研究發(fā)現(xiàn)，交流電場(chǎng)極化1 min內(nèi)幾乎測(cè)不到空間電荷，交流電場(chǎng)極化時(shí)間不到1 min時(shí)，可以忽略XLPE絕緣中的空間電荷效應(yīng)[22]。

K.Suzuki，Y.Tanaka，T.Takada等人開(kāi)展了老化的XLPE電纜本體中空間電荷分布與水樹(shù)枝定位關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)空間電荷測(cè)試和水樹(shù)枝引發(fā)的位置基本一致，由此可以通過(guò)測(cè)試空間電荷分布診斷并定位老化電纜中的水樹(shù)枝[23]。

A.Tzimas，L.A.Dissado等人對(duì)交流耐壓試驗(yàn)前后經(jīng)過(guò)老化和未經(jīng)老化的XLPE電纜本體進(jìn)行空間電荷特性的切片測(cè)試，以便探索交流耐壓試驗(yàn)前后電纜絕緣特性是否變化。研究發(fā)現(xiàn)，在高壓電極附近出現(xiàn)同極性雙電荷峰可作為絕緣發(fā)生老化的標(biāo)志[24]。

聚合物老化現(xiàn)象的本質(zhì)是材料結(jié)構(gòu)的變化，空間電荷對(duì)聚合物的老化和擊穿的研究主要集中在空間電荷對(duì)電樹(shù)枝的影響上,歸納起來(lái)有4種主要理論：電荷的注入和抽出理論[25]、熱電子理論[26]、光降解理論[27]和空間電荷效應(yīng)理論[28]?？臻g電荷對(duì)聚合物老化和擊穿的影響，以往的解釋模型大都是以電荷的注入導(dǎo)致電介質(zhì)中的局部電場(chǎng)增強(qiáng)引起擊穿和電子注入直接使聚合物大分子鏈的斷裂為出發(fā)點(diǎn)。隨著空間電荷研究的深入，最近相關(guān)研究指出：極化能量的一個(gè)重要組成是和場(chǎng)致機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的，頻繁的脫陷可能會(huì)釋放能量，傳播和擾動(dòng)的機(jī)械脈沖可能導(dǎo)致缺陷的發(fā)展，陷阱電荷周?chē)鷱?fù)雜的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致缺陷的形成并產(chǎn)生老化[28-33]。

1.3 交流電場(chǎng)下測(cè)量固體介質(zhì)中空間電荷的PEA法

電聲脈沖法（PEA）由日本國(guó)武藏工業(yè)大學(xué)的Takada Tatsuo教授于1933年提出。1988年之前，PEA法還只能測(cè)量平板式樣。1988年之后，用高度單向性的聚偏四氟乙烯PVDF薄膜做成的新型壓電傳感器投入使用。這種薄膜壓電性能好、頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好與低聲阻抗，使PEA法能用于測(cè)量同軸電纜等形狀復(fù)雜試樣中的空間電荷。目前已成功用于測(cè)量電子束輻照樣品、同軸電纜、XLPE、LDPE以及多層樣品中的空間電荷的分布特性[34]。

S.S.Bamji提出了測(cè)交流電壓下PE類(lèi)絕緣材料空間電荷分布的電聲脈沖法（PEA法）。該方法的核心是通過(guò)軟件控制在交流高壓電源特定相位施加高壓脈沖，由此實(shí)現(xiàn)交流電壓不同相位下的空間電荷分布特性研究[35-36]。

2 結(jié)論

1）研究交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)下的空間電荷分布特性，并定量分析2種電場(chǎng)下深陷阱和淺陷阱的分布情況，從微觀角度對(duì)比交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)對(duì)XLPE絕緣造成的影響，可以作為從空間電荷效應(yīng)角度研究XLPE電纜絕緣老化微觀現(xiàn)象的一個(gè)方向。

2）確定交流電場(chǎng)下空間電荷分布的頻率和溫度特性，是目前國(guó)內(nèi)外空間電荷分布特性研究的熱點(diǎn)。

3）研究交流耐壓試驗(yàn)前后XLPE電纜絕緣中的空間電荷分布特性，可以用于評(píng)估耐壓試驗(yàn)對(duì)絕緣的損害程度。

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