空間電荷對LDPE介電譜測量結(jié)果的影響

魏力強(qiáng)，吳冀鵬，賈伯巖，張 鵬，伊?xí)杂?，徐志鈕

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺供電分公司，河北 邢臺 054001；3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

介電性能是絕緣材料的關(guān)鍵性能，而介電譜能表征材料的介電性能[1-2]，因此它在新型絕緣材料的研發(fā)和改性中應(yīng)用廣泛[3-4]。當(dāng)絕緣材料含水量增加或發(fā)生老化后，其介電譜會發(fā)生變化，因此介電譜對絕緣材料受潮[1,5]和老化[1-2,6]的診斷非常有效。研究者對介電譜的原理和應(yīng)用方面開展了廣泛而深入的研究，取得了很多重要的研究成果[7-10]。

聚乙烯由于電阻率大、電氣強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗因數(shù)小，成為電氣絕緣領(lǐng)域尤其是在高壓電纜中應(yīng)用最為廣泛的材料之一。研究表明[11-12]，低密度聚乙烯(low-density polyethylene，LDPE)材料在施加直流高壓后容易形成空間電荷[13]，甚至在長期承受交流電壓時也會在材料中產(chǎn)生空間電荷，導(dǎo)致LDPE的空間電荷問題比較嚴(yán)重[14-15]。目前，研究者們在空間電荷的產(chǎn)生機(jī)理和危害[16-17]、測量方法[18-20]、影響因素[21-26]和抑制方法[27-30]等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了很多成果。但針對空間電荷對材料介電譜的影響及影響程度的研究鮮見報道。

本研究對純LDPE試樣施加直流高壓，使其產(chǎn)生空間電荷，測量試樣在加壓前以及加壓停止后不同去極化時間下的介電譜。通過實驗結(jié)果分析空間電荷對介電譜測量結(jié)果尤其是對相對介電常數(shù)虛部（損耗）和介質(zhì)損耗因數(shù)的影響規(guī)律并初步分析其影響機(jī)理。比較短路接地和噴淋異丙醇方式對薄試樣空間電荷的釋放效果。通過實驗進(jìn)一步研究添加納米石墨烯和施加直流場強(qiáng)對LDPE介電譜測量結(jié)果的影響并初步分析原因。最后對空間電荷對LDPE老化的影響機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實驗

1.1 LDPE試樣的制備

考慮到LDPE中空間電荷問題比較嚴(yán)重，而納米添加對改善材料性能、抑制空間電荷方面有良好的效果[27-30]，本研究選擇純LDPE和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%納米石墨烯(nano graphene，NG)的LDPE(簡寫為3% NG/LDPE)作為試樣。使用高速研磨機(jī)研磨LDPE顆粒，得到平均直徑為0.5 mm的粉末。NG的平均直徑為5 μm，平均厚度為6～8 nm，典型比表面積為120～160 m2/g。采用文獻(xiàn)[31]的方法對NG進(jìn)行表面處理。將處理后的LDPE粉末和NG在丙酮中進(jìn)行混合，并采用電子攪拌器以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌40 min使丙酮全部蒸發(fā)。接著將混合物置于恒溫箱中，在60℃下干燥24 h后待用。

分別將純LDPE和處理后的NG/LDPE混合物采用單螺桿擠出機(jī)擠出獲得片狀LDPE試樣，如圖1所示。試樣面積約為70 cm2，明顯大于環(huán)電極外直徑對應(yīng)的面積，平均厚度為119.60 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為9.52 μm。

1.2 測量系統(tǒng)

圖1 純LDPE和3%納米石墨烯/LDPE試樣Fig.1 Pure LDPE and 3% NG/LDPE samples

施加直流電壓是廣泛應(yīng)用的一種對絕緣試樣注入空間電荷的方法，本研究采用該方法將空間電荷注入到LDPE試樣中。直流高壓通過美國Glassman High Voltage公司生產(chǎn)的PS/FJ60R02.O-22型直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生。考慮到LDPE注入空間電荷對應(yīng)的閾值場強(qiáng)和實驗的安全性，如無特殊說明，按照20 kV/mm的電場強(qiáng)度施加直流電壓，加壓持續(xù)時間為12 h。在研究直流場強(qiáng)大小的影響時，場強(qiáng)在5～30 kV/mm范圍內(nèi)取值。

介電譜采用英國Megger公司生產(chǎn)的IDAX300型絕緣診斷分析儀測量。如無特殊說明，施加電壓的峰值為200 V，考慮到測量時間限制，測量頻率范圍選擇0.01 Hz～1 kHz。在直流加壓前和結(jié)束后立刻連續(xù)3次測量介電譜，結(jié)果取平均值，然后在加壓結(jié)束后的第1、2、4、8、10、12 h時間點均測量1次介電譜。每次介電譜測量耗時約6 min，不測量介電譜時試樣上、下表面短接進(jìn)行去極化。實驗前，采用異丙醇對試樣表面進(jìn)行充分噴淋，以抑制試樣中存在的空間電荷對測量結(jié)果的影響。為了減少人為因素對空間電荷及其分布的影響，在直流加壓開始前的介電譜測量到加壓結(jié)束后的12 h內(nèi)試樣均放置于電極上，操作人員不得接觸試樣。同時這種方式也可以避免試樣重新放入電極中間導(dǎo)致試樣與電極接觸狀態(tài)以及電極間樣本厚度的改變。

直流加壓注入空間電荷和介電譜測量均采用自制的三電極，測試環(huán)境溫度為24～26℃，實驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2 純LDPE試樣的實驗結(jié)果及分析

純LDPE試樣直流加壓前及加壓結(jié)束后不同去極化時間對應(yīng)的相對介電常數(shù)實部(εr′)、虛部(εr″)和介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)以及加壓停止后12 h內(nèi)這3個參數(shù)的平均下降速度隨頻率的變化如圖3所示。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test platform

圖3中“未極化”為噴淋異丙醇去除空間電荷且未加直流電壓的試樣，“去極化0 h”為加壓剛結(jié)束的試樣，“去極化1～12 h”為加壓結(jié)束后第1～12 h的試樣。直流加壓結(jié)束去極化12 h后在30 min內(nèi)噴淋異丙醇3次，然后測量介電譜3次，對應(yīng)的介電譜測量結(jié)果在圖3中用“異丙醇噴淋”表示。由圖3(a)可知，LDPE試樣的相對介電常數(shù)實部雖然隨頻率的增加變化幅度不大，但注入空間電荷后其值隨頻率的降低而增大。由圖3(b)可知，在測量的頻率范圍內(nèi)未加直流電壓的LDPE試樣εr″均非常小，不同頻率下的結(jié)果差別不大，0.01 Hz時的εr″分別為1 Hz和1 kHz時的1.57倍和2.54倍。注入空間電荷結(jié)束后的0～12 h內(nèi)，εr″隨頻率降低存在顯著增大的趨勢（非單調(diào)），0.01 Hz時的εr″分別為1 Hz和1 kHz時的0.75～0.97倍和8.92～17.00倍。圖3(c)中tanδ也有相似的規(guī)律，未施加直流電壓時，0.01 Hz時的tanδ分別為1 Hz和1 kHz時的1.56倍和2.53倍，注入空間電荷結(jié)束后的0～12 h內(nèi)，0.01 Hz時的tanδ分別為1 Hz和1 kHz時的0.74～0.95倍和8.71～16.54倍。顯然，注入的空間電荷對低頻下LDPE試樣的εr″和tanδ影響比高頻下的大。由圖3(c)可知，在低頻時，隨著頻率的降低，LDPE試樣的tanδ增大。這是因為低頻下極化損耗較少，損耗主要由電導(dǎo)導(dǎo)致，電導(dǎo)損耗導(dǎo)致的有功功率隨頻率降低變化不大，極化導(dǎo)致的無功功率隨頻率降低幾乎呈線性減小。而隨著頻率的提高，LDPE試樣的tanδ達(dá)到峰值然后又逐漸減小。這是因為隨著頻率的增加，有損極化增加，對應(yīng)的有功功率增加，而介電常數(shù)逐漸減小，開始階段有功功率的增加速度大于無功功率的增加速度，tanδ出現(xiàn)最大值。而后隨著頻率的增加，介電常數(shù)趨于穩(wěn)定，此時無功功率近似呈線性增大而有功功率趨于穩(wěn)定，因此tanδ隨頻率升高而逐漸減小。以上結(jié)果與文獻(xiàn)[32]的研究結(jié)果定性上吻合。此外，由圖3可知，對LDPE試樣施加場強(qiáng)為20 kV/mm的直流電壓12 h，注入空間電荷后，在測量的頻率范圍內(nèi)εr′略有增加，為未注入空間電荷LDPE試樣εr′的1.03～1.06倍。而εr″和tanδ顯著增大，分別為初始值的3.89～68.85倍和3.77～65.23倍。

圖3 注入空間電荷前后純LDPE的介電譜Fig.3 Dielectric spectra of pure LDPE before and after space charge injection

由圖3(a)～(c)可知，直流加壓停止后隨著時間的增加，LDPE的εr′、εr″和tanδ均緩慢減小，且減小速度隨時間增加而減緩。以上結(jié)果與去極化電流測量時電流幅值隨時間增加而逐漸下降相吻合[33-34]。由圖3(d)可知，隨著頻率的降低，介電譜的下降速度呈現(xiàn)加快的趨勢，εr′的下降速度明顯大于εr″和tanδ。這是因為低頻下εr′、εr″和tanδ較大，且εr′＞＞εr″，εr′＞＞tanδ。采用電極短接試樣上下表面的去極化方式時介電譜下降速度較慢，即使加壓停止去極化12 h后空間電荷對εr″和tanδ的影響仍非常顯著，在介電譜測量頻率范圍內(nèi)εr″和tanδ的值分別為未加壓試樣初始值的4.03～49.65倍和3.92～47.36倍，仍然明顯大于加壓剛結(jié)束時測量值的一半。

由圖3可知，加壓停止去極化12 h并用異丙醇噴淋后的LDPE試樣εr″和tanδ的測量結(jié)果與原始未加壓LDPE試樣幾乎完全相同。說明對于含有空間電荷的薄LDPE試樣，通過噴淋異丙醇的方式釋放空間電荷遠(yuǎn)比試樣上、下表面短接有效。這可能是因為異丙醇是極性電介質(zhì)（偶極矩為4.3D），它存在大量陷阱，容易吸引LDPE中脫陷的空間電荷，同時考慮到LDPE試樣很薄且其中的空間電荷大多以淺陷阱的方式集中于試樣表面附近[35]，且異丙醇揮發(fā)很快，所以空間電荷得到了比較有效的釋放。在圖3(a)中這兩種情況下試樣εr′的測量結(jié)果略有差別的原因可能是試樣表面凹凸不平，各處厚度并非完全一致（見圖4），將試樣不同位置放置于電極間時，極間距離會發(fā)生變化，得到的復(fù)電容有所不同，但實際計算相對介電常數(shù)時所使用的試樣厚度均為同一值，故不同次數(shù)測量得到的復(fù)介電常數(shù)略有不同，引入了一些誤差。重新放置試樣會使電極與試樣的接觸情況產(chǎn)生一些變化。另外一個重要原因是未加壓前LPDE的εr″和tanδ值很小，相同的相對誤差在圖3(b)、(c)中表現(xiàn)不明顯。

圖4 樣本示意圖Fig.4 Schematic diagram of sample

在承受一定幅值的直流電壓后，LDPE中產(chǎn)生了空間電荷，空間電荷在LDPE中以電子、空穴或離子等載流子形式存在。進(jìn)行介電譜測量時這些載流子在電場的作用下定向運動，與材料的原子、電子和離子發(fā)生摩擦和碰撞，會產(chǎn)生能量損耗。而且在加壓過程中空間電荷也會不斷入陷和脫陷，屬于空間電荷極化的范疇，也會產(chǎn)生能量損耗。因此，在LDPE試樣中出現(xiàn)空間電荷后，其εr″和tanδ明顯大于沒有空間電荷的試樣。同時由于空間電荷極化也屬于一種極化過程，其結(jié)果除了導(dǎo)致能量損耗外，還會增大材料的εr′。

3 NG/LDPE試樣的實驗結(jié)果及分析

實際情況中LDPE可能會添加納米顆粒，而且直流加壓時其場強(qiáng)可能會發(fā)生變化。因此，下面分析添加納米顆粒和施加直流場強(qiáng)對LDPE介電譜測量結(jié)果的影響。

3.1 添加納米石墨烯

圖5為3% NG/LDPE試樣的εr′、εr″和tanδ隨去極化時間的變化。

圖5 3% NG/LDPE注入空間電荷前后的介電譜Fig.5 Dielectric spectra of 3% NG/LDPE sample before and after space charge injection

表1列出了純LDPE和3% NG/LDPE試樣在加壓12 h 后（未開始去極化時）εr′、εr″和tanδ在整個頻率范圍內(nèi)測量結(jié)果的統(tǒng)計值。為了從另一個角度顯示空間電荷的影響，表1還列出了其相對值的統(tǒng)計結(jié)果，其中相對值表示測量值與未施加直流電壓時的測量值之比。

表1 加壓12 h后純LDPE和添加納米石墨烯LDPE相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的統(tǒng)計值Tab.1 Statistical results of relative permittivity and dielectric loss factor for pure LDPE and LDPE with NG applied DC voltage for 12 h

結(jié)合圖5和表1可知，與第2節(jié)結(jié)果類似，直流加壓后空間電荷對3% NG/LDPE試樣的εr′影響不大，但對其εr″和 tanδ影響非常顯著。3% NG/LDPE試樣在直流加壓12 h后的εr′約為未加壓3% NG/LDPE試樣初始值的1.05倍。與純LDPE試樣相比，整體上看，添加NG后LDPE試樣在同樣的直流加壓條件下，εr″和tanδ的增量較小。加壓12 h后，3% NG/LDPE試樣的εr″測量值均值從純LDPE的7.11×10-3減小到 4.20×10-3，εr″相對值均值從 22.71 減小到5.37；tanδ測量值均值從純LDPE的3.64×10-3減小到2.35×10-3，tanδ相對值均值從21.69減小到4.94。這可能是因為納米顆粒的加入減小了陷阱勢能，提高了載流子的脫陷率；納米顆粒之間形成的導(dǎo)電路徑提升了載流子的遷移率；納米顆粒在電極和介質(zhì)之間界面形成陷阱中心，進(jìn)入陷阱的電荷形成反向電場，削弱了外加電場，增加了勢壘高度，從而抑制電荷的注入。以上測量結(jié)果與文獻(xiàn)[36-38]中的觀點，即納米添加物可抑制LDPE（絕緣材料）中空間電荷的積累基本吻合。

由圖5可知，直流加壓結(jié)束后隨著去極化時間的增加，兩種試樣的εr′、εr″和tanδ都逐漸下降，而且下降速度隨時間增加而逐漸減緩。3% NG/LDPE試樣介電譜的下降速度小于純LDPE樣本，這與納米添加物能抑制LDPE（絕緣材料）中空間電荷的積累基本吻合[36-38]。

由圖5可知，和純LDPE試樣相似，加壓停止去極化12 h并噴淋異丙醇后3% NG/LDPE試樣的εr″和tanδ基本下降到原始未加壓試樣的測量值，表明試樣中的空間電荷得到了比較充分的釋放，具體原因見第2節(jié)分析。

圖6為直流加壓結(jié)束后，隨著去極化時間的增加純LDPE和3% NG/LDPE試樣在0.01 Hz下εr″和tanδ的變化速度。由圖6可知，與純LDPE試樣類似，隨著去極化時間的增加，3% NG/LDPE試樣中電荷的消散速度（介電譜下降速度）呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖6 純LDPE和3% NG/LDPE試樣εr″和tanδ隨去極化時間的變化速度Fig.6 Change rate of εr″ and tanδ of pure LDPE and 3% NG/LDPE samples with depolarization time

3.2 施加直流場強(qiáng)

在不同直流場強(qiáng)下對3% NG/LDPE試樣進(jìn)行試驗，直流電場強(qiáng)度分別設(shè)置為30、20、10、5 kV/mm，其中20 kV/mm的結(jié)果已在3.1節(jié)中給出?？紤]到相似性，本節(jié)不再以圖像方式給出tanδ的測量結(jié)果，不同場強(qiáng)下3% NG/LDPE試樣εr″的測量結(jié)果如圖7所示，不同場強(qiáng)下加壓12 h后（未開始去極化時）介電譜測量結(jié)果的統(tǒng)計值如表2所示，其中相對值的定義與表1一致。由圖7和表2可知，隨著直流場強(qiáng)的減小，空間電荷對介電譜測量結(jié)果的影響減小，當(dāng)場強(qiáng)從30 kV/mm減小到20 kV/mm時，空間電荷對介電譜測量結(jié)果的影響變化不大，但當(dāng)場強(qiáng)從20 kV/mm減小到10 kV/mm時，空間電荷對介電譜測量結(jié)果的影響出現(xiàn)突變，εr′、εr″與tanδ三者的相對值均值分別從1.09、5.37和4.94減小到1.00、1.14和1.14，相對值在不同頻率下的最大值分別從1.09、12.80和11.81減小到1.00、1.53和1.53。也就是說，對于場強(qiáng)為10 kV/mm的直流高壓，加壓前后介電譜在測量頻率范圍內(nèi)的均值沒有顯著變化，表明注入電荷的影響很小。隨后進(jìn)一步減小場強(qiáng)到5 kV/mm，結(jié)果也非常相似，加壓結(jié)束后介電譜最大值又進(jìn)一步下降。這個結(jié)果與文獻(xiàn)[39]中LDPE中注入空間電荷的閾值場強(qiáng)為10～20 kV/mm基本吻合。

圖7 不同場強(qiáng)下直流電壓施加前后3% NG/LDPE試樣的εr″Fig.7 The εr″ of 3% NG/LDPE samples under different field strength before and after DC voltage applied

表2 不同場強(qiáng)下加壓12 h后3% NG/LDPE試樣的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 空間電荷對LDPE老化影響的分析

前人研究指出空間電荷可能導(dǎo)致LDPE電場畸變[40]，使擊穿風(fēng)險增加，也會導(dǎo)致局部放電[41]和電樹枝發(fā)生[42]，進(jìn)一步加速材料的老化。本研究結(jié)果表明空間電荷存在可能不會顯著增加電氣設(shè)備的電容量，但可能會導(dǎo)致其在交變電場下的損耗顯著增加。施加20 kV/mm直流場強(qiáng)后，LDPE試樣的εr′為其初始（不含空間電荷）情況下的1.04～1.09倍，εr″和tanδ分別增加到原來的5.37～22.71倍和4.94～21.69倍?？臻g電荷導(dǎo)致的損耗將絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致絕緣材料的溫度上升，溫度升高會進(jìn)一步導(dǎo)致絕緣材料的電導(dǎo)增大，從而導(dǎo)致材料的介質(zhì)損耗增大，再次導(dǎo)致溫度上升，最終加速絕緣材料的老化。在電力工程中，空間電荷與交變電場同時存在的情況非常常見，比如高壓直流電纜承受直流高壓而產(chǎn)生空間電荷，同時在其承受的直流電壓中也含有一定含量的脈動分量，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定脈動因數(shù)不大于3%。電力工程的絕大部分絕緣均工作在交流電壓下，在交流電壓長時間作用下也會在LDPE中逐漸積累空間電荷[11]。這些空間電荷在交變電場作用下導(dǎo)致介質(zhì)損耗增加的效應(yīng)同樣不可忽視。綜上可知，空間電荷導(dǎo)致絕緣材料損耗增加可能是LDPE老化加速的機(jī)理之一。

5 結(jié)論

（1）空間電荷對LDPE試樣的相對介電常數(shù)虛部和介質(zhì)損耗因數(shù)有顯著影響，對LDPE試樣施加20 kV/mm直流高壓后，其相對介電常數(shù)實部、虛部和介質(zhì)損耗因數(shù)分別增加到原來的1.04～1.09倍、5.37～22.71倍和4.94～21.69倍?？臻g電荷導(dǎo)致絕緣材料損耗增加可能是導(dǎo)致其老化加速的另外一個機(jī)理。

（2）隨著去極化（短路放電）時間的增加，介電譜的幅值逐漸減小，且減小速度隨去極化時間增加而減緩。在注入電荷結(jié)束后，試樣在電極上放置12 h(去極化約11 h)后，空間電荷對介電譜的影響仍然非常顯著。因此，在進(jìn)行了一些可能會產(chǎn)生空間電荷的實驗后，比如施加直流高壓，在測量介電譜之前務(wù)必消除試樣中的空間電荷；針對薄試樣，用異丙醇噴淋方法遠(yuǎn)比試樣兩面短接放電方式有效。

（3）添加納米石墨烯后，空間電荷對LDPE介電譜的影響下降；隨著直流場強(qiáng)的降低，空間電荷對介電譜測量結(jié)果的影響減小，對介電譜有影響的空間電荷臨界注入場強(qiáng)為10～20 kV/mm。