電極材料對低密度聚乙烯中空間電荷的影響

陳少卿 鄭明波 王 霞 彭宗仁

（1.四川電力科學(xué)研究院 成都 610072 2.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

聚乙烯材料因其具有高擊穿場強、低介電損耗和極低的電導(dǎo)率在電力絕緣中得到廣泛的應(yīng)用。近年來對聚合物的研究主要集中在高場電導(dǎo)和電致?lián)舸﹥蓚€方面。目前研究表明聚合物低電導(dǎo)率的原因是由于聚合物體內(nèi)極少的載流子以及體內(nèi)較高的陷阱密度造成載流子的入陷和復(fù)合引起的。在直流電場作用下，聚合物中容易形成空間電荷，空間電荷會使電場分布嚴(yán)重畸變[1-5]。由于直流輸電的優(yōu)越性，近年來國內(nèi)外都大力發(fā)展直流輸電，因此降低直流電場下聚合物中的電荷注入，改善聚合物中的電場分布具有極高的工程意義和理論價值。

聚合物中空間電荷的形成主要是由于電極注入的電荷及體內(nèi)雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電荷陷入聚合物陷阱形成的。近年來廣大學(xué)者采用的方法是向聚合物中添加物質(zhì)來減少聚合物體內(nèi)陷阱深度、改變結(jié)晶形態(tài)來抑制空間電荷的產(chǎn)生從而減緩絕緣材料的電老化[6-8]。其實研究已經(jīng)表明電極材料也影響空間電荷的注入，如果能選取適當(dāng)?shù)碾姌O材料，則在源頭上抑制了空間電荷的注入，比向聚合物中混合添加劑更具優(yōu)越性。

本文選用四種電極材料，研究了不同材料在高場下LDPE中的空間電荷特性，以探討電極材料對LDPE中空間電荷注入的影響機理。

2 試驗方法

2.1 試樣制備

本實驗采用的聚乙烯是大慶18D低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene, LDPE），密度為0.918g/cm3。顆粒通過熔融擠壓工藝壓制成厚度為100μm，試樣直徑約8cm的薄膜試樣。

2.2 測試設(shè)備

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，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，頻率1kHz，幅值0～1kV。壓電傳感器（PVDF）薄膜厚度為9μm。示波器采用TDS 3032B，其采樣率為2.5GS/s。使用NI PCMCIA—GPIB卡將示波器數(shù)據(jù)傳入計算機，GPIB板卡的傳輸速度可達(dá)2.3MB/s。整個系統(tǒng)從脈沖發(fā)出到數(shù)據(jù)儲存至電腦理論上不到1s，本實驗取采樣間隔為5s。以金屬鋁板作為下電極，聲耦合劑是硅油。另外空間電荷測量系統(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10mμ[5,6]。實驗場強為100kV/mm。測量加壓20min的空間電荷特性。

圖1 電聲脈沖法(PEA)測試系統(tǒng)Fig.1 Setup of PEA measurement system

2.3 電極制備

實驗所用的電極材料為鋁、含鉛黃銅、含鋅黃銅和紫銅。與以往的PEA測試設(shè)備不同的是，將上電極系統(tǒng)改造成可更換的電極系統(tǒng)，用以上材料做成直徑15mm，厚度4mm的帶螺紋電極，更換使用。測量中的衰減，是由于聲波在試樣中傳播時的衰減和上電極與試樣界面阻抗不匹配造成聲波反射引起的衰減。為了減少聲波衰減對測試結(jié)果的影響，實驗中應(yīng)盡量減少試樣厚度以兼顧測量系統(tǒng)的分辨率，本文選取試樣厚度0.1mm。

3 試驗結(jié)果及討論

圖2～圖5所示上電極為4種不同電極材料，在100kV/mm負(fù)壓下，LDPE試樣中空間電荷密度及電場強度隨時間的分布圖。圖2a橫坐標(biāo)為試樣厚度，縱坐標(biāo)表示試樣厚度方向不同時間的空間電荷密度。系統(tǒng)的采樣間隔為5s，共采樣20min。由圖2a可見當(dāng)鋁為陰極時，有大量的空穴和電子注入，在電極附近形成異極性空間電荷，引起試樣中局部場強過高。從圖2b可見此時試樣中的最高場強達(dá)到150kV/mm以上，空間電荷的注入嚴(yán)重畸變了試樣中的電場分布。

圖2 鋁/鋁電極系統(tǒng)Fig.2 Al/Al electrode system

圖3 鋁/黃銅（鉛）電極系統(tǒng)Fig.3 Al/brass(Pb)electrode system

圖3 鋁/黃銅（鉛）電極系統(tǒng)Fig.3 Al/brass(Pb)electrode system

當(dāng)加鉛黃銅為陰極時（見圖 3）亦有大量的電子和空穴注入，但試樣中的電場強度較鋁電極有所下降。有趣的是電子的注入明顯地呈現(xiàn)某種周期性，其原因還不清楚。如圖4所示當(dāng)加鋅黃銅為陰極時電子注入相對鋁電極和加鉛黃銅電極明顯減弱，且試樣中的場強分布較鋁電極和加鉛黃銅電極有所下降，電子和空穴的注入開始呈現(xiàn)周期性，漸漸趨于穩(wěn)定。

由圖5a可見當(dāng)紫銅電極為陰極時只有微弱的電子注入。從陽極注入的大量同極性正電荷導(dǎo)致陽極附近場強降低，試樣中的電場強度未發(fā)生嚴(yán)重畸變。

圖4 鋁/黃銅(鋅)電極系統(tǒng)Fig.4 Al/brass(Zn)electrode system

圖5 鋁/紫銅電極系統(tǒng)Fig.5 Al/copper electrode system

從圖 2～圖 5可以看出，試樣中注入的電荷密度及場強分布與電極材料有密切的關(guān)系，隨著電極材料功函數(shù)的提高(四種電極材料的功函數(shù)關(guān)系：鋁(4.28eV)＜含鉛黃銅 (4.45eV)＜含鋅鉛黃銅 (4.5eV)＜紫銅 (4.65eV)，電子注入及試樣中的場強呈下降趨勢。這可能是由于在金屬/絕緣體接觸的界面，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），故功函數(shù)越大越不容易注入電子的緣故。當(dāng)鋁電極做陰極時有大量的電子注入導(dǎo)致試樣中局部場強達(dá)到150kV/mm以上，將嚴(yán)重影響絕緣壽命。作為陰極的紫銅電極有效地抑制了電子的注入，未引起試樣中電場的畸變[9]。

4 結(jié)論

研究高場下電極材料對空間電荷注入的影響對高壓直流輸電具有很大的指導(dǎo)意義。本文采用四種電極材料研究高場下低密度聚乙烯中空間電荷的注入特性，得出了以下結(jié)論：電極材料是影響 LDPE高場下空間電荷注入的重要因素，不同電極材料對試樣中空間電荷的注入量、注入類型及試樣中的場強分布有很大影響；實驗表明電極材料的功函數(shù)對高場下電極的電子注入能力有很大影響，功函數(shù)越高越不容易注入電子，功函數(shù)越低越不容易注入空穴；鋁(+)/紫銅(-)電極系統(tǒng)能有效抑制聚乙烯中的空間電荷注入，抑制因空間電荷聚集引起的局部場強過高。

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