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實驗室，北京 102206；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；3.東平供電公司，山東東平 271509）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求越來越大，對輸配電系統(tǒng)的可靠運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)簡單，機(jī)械性能優(yōu)良，耐酸堿腐蝕和耐高溫能力強(qiáng)，運行維護(hù)方便，已經(jīng)取代了油紙絕緣電纜成為主要的輸送點設(shè)備[2]。

XLPE屬于聚合物，在電場和熱的應(yīng)力作用下，會發(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，畸變原有電場分布，影響絕緣的介電性能和擊穿過程。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，國內(nèi)外大量報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)前沿問題。IEEE-DEIS（國際電介質(zhì)與電氣絕緣分會）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)問題將是21世紀(jì)國際電介質(zhì)與絕緣技術(shù)學(xué)科發(fā)展的前沿和熱點[3]。

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

1 交流電場下基于空間電荷效應(yīng)的XLPE絕緣老化

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

國內(nèi)外開展了大量關(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下的，關(guān)于50 Hz工頻交流電場下的空間電荷分布特性及其對介質(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交流高場強(qiáng)下經(jīng)過7 h，10 d，2個月極化后觀測到了空間電荷，交流電場下空間電荷量比直流電場下的空間電荷量至少低一個數(shù)量級[4]，文獻(xiàn)[10]指出交流電場下空間電荷積累的頻率閾值為0.1 Hz數(shù)量級。文獻(xiàn)[11]指出交流電場下空間電荷效應(yīng)可以導(dǎo)致絕緣劣化，包括局部能量存儲直接引發(fā)絕緣劣化，交流電場下電機(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，并降低各類熱化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的能量勢壘，加速絕緣老化，空間電荷效應(yīng)是交流電場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高壓電纜運行在交流工況下，所以有必要研究交流電場下絕緣介質(zhì)中的空間電荷分布及其動態(tài)特性。

G.C.Montanari等人研究了用PEA法分別測試環(huán)境溫度20℃時，交流和直流電場下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強(qiáng)有效值約是20 kV/mm，直流下空間電荷積累的閾值場強(qiáng)約是15 kV/mm[15]。

Tatsuo Takada等人用PEA法測量了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，通過短間隔測試空間電荷分布觀測了直流電場下異極性空間電荷的產(chǎn)生及其積累過程，還觀測了0.000 2 Hz和50 Hz交流電場下的空間電荷分布。研究發(fā)現(xiàn)：50 Hz下幾乎觀測不到空間電荷分布；0.000 2 Hz下，在相位45°時，異極性空間電荷開始出現(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，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法研究了交流電場下0.22 mm厚的經(jīng)過脫氣處理的和未經(jīng)過脫氣處理的XLPE薄膜在直流電場和1 Hz，10 Hz，50 Hz交流電場下的空間電荷分布。交流電場極化后的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試結(jié)果為Q1Hz>Q10Hz>Q50Hz；而經(jīng)脫氣處理的XLPE中的空間電荷測試結(jié)果為Q1Hz>Q50Hz>Q10Hz。其中，Q1Hz是頻率為1 Hz交流電場下的空間電荷量；Q10Hz是頻率為10 Hz交流電場下的空間電荷量；Q50Hz是頻率為50 Hz交流電場下的空間電荷量[17]。

J.Zhao，G.Chen等人采用PEA法研究了交流電場下聚乙烯中的空間電荷行為，試驗中通過高頻高壓脈沖和數(shù)學(xué)處理方法研究了空間電荷分布的相位特性，觀測了不同交流極化時間下加壓、撤壓以及短路衰減過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)氧樹脂在交流不均勻電場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，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電樹枝引發(fā)產(chǎn)生影響[19]。這為交流電場下XLPE電纜絕緣中空間電荷分布對電樹枝起始場強(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，都在60℃時空間電荷量達(dá)到最大，而且 Q60℃>Q90℃>Q45℃。其中，Q45℃是 45 ℃時交流電場下的空間電荷量；Q60℃是60℃時交流電場下的空間電荷量；Q90℃是90℃時交流電場下的空間電荷量[10]。

此外，電力設(shè)備運行中的溫升現(xiàn)象嚴(yán)重影響絕緣的使用壽命，高溫下的空間電荷測量已經(jīng)引起關(guān)注。但是，溫度改變時，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，質(zhì)點間碰撞幾率增大，聲波在介質(zhì)中傳播時與熱聲子(即晶格振動)、電子、點缺陷、位錯等相互作用增強(qiáng)，使得介質(zhì)的衰減和色散加劇，引起聲衰減[20]，無法準(zhǔn)確測量出介質(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量波形的恢復(fù)具有重要意義。

1.2 交流電場下空間電荷分布與XLPE絕緣老化關(guān)系研究

隨著電場作用時間的增加，空間電荷表現(xiàn)出動態(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，而且試樣在加壓過程中和短路過程中的空間電荷總量都近似地隨老化時間呈線性增長[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)，交流電場極化1 min內(nèi)幾乎測不到空間電荷，交流電場極化時間不到1 min時，可以忽略XLPE絕緣中的空間電荷效應(yīng)[22]。

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

A.Tzimas，L.A.Dissado等人對交流耐壓試驗前后經(jīng)過老化和未經(jīng)老化的XLPE電纜本體進(jìn)行空間電荷特性的切片測試，以便探索交流耐壓試驗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，空間電荷對聚合物的老化和擊穿的研究主要集中在空間電荷對電樹枝的影響上,歸納起來有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。隨著空間電荷研究的深入，最近相關(guān)研究指出：極化能量的一個重要組成是和場致機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的，頻繁的脫陷可能會釋放能量，傳播和擾動的機(jī)械脈沖可能導(dǎo)致缺陷的發(fā)展，陷阱電荷周圍復(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 交流電場下測量固體介質(zhì)中空間電荷的PEA法

電聲脈沖法（PEA）由日本國武藏工業(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、動態(tài)響應(yīng)較好與低聲阻抗，使PEA法能用于測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提出了測交流電壓下PE類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軟件控制在交流高壓電源特定相位施加高壓脈沖，由此實現(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）研究交流電場和直流電場下的空間電荷分布特性，并定量分析2種電場下深陷阱和淺陷阱的分布情況，從微觀角度對比交流電場和直流電場對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)象的一個方向。

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

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

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