陳廣輝,王東芳,岳彩鵬,王偉,董小兵

（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.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640；3.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

交流電壓下基于空間電荷效應(yīng)的XLPE電纜絕緣老化研究現(xiàn)狀

陳廣輝1,王東芳2,岳彩鵬1,王偉1,董小兵3

（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.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640；3.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

Project Supported by National Basic Research Program of China（973Program）（2009CB724506）。

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)的可靠性運(yùn)行提出了更高的要求。在城市配電網(wǎng)中，考慮到環(huán)境以及輸電線路安全等因素，架空線路逐漸被電纜取代。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜屬于塑料絕緣電纜，安裝簡(jiǎn)便、耐高溫、耐腐蝕、電氣強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗小，而且適于高落差和垂直敷設(shè)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)[1]。

影響XLPE電纜壽命的主要是樹(shù)枝狀老化，隨著抗水樹(shù)電纜料的研發(fā)和應(yīng)用，水樹(shù)枝對(duì)XLPE電纜絕緣老化的影響越來(lái)越小，研究重點(diǎn)放在電樹(shù)枝對(duì)絕緣老化的影響上。電樹(shù)枝的引發(fā)是一種復(fù)雜的綜合性電腐蝕現(xiàn)象，目前沒(méi)有統(tǒng)一的理論能合理解釋電樹(shù)枝引發(fā)過(guò)程中的所有現(xiàn)象。

XLPE屬于聚合物，聚合物是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結(jié)構(gòu)單位或單體經(jīng)由共價(jià)鍵連接在一起[2]。XLPE絕緣的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其中存在大量的陷阱，當(dāng)外加電壓時(shí)，絕緣介質(zhì)中的載流子被陷阱捕獲，形成空間電荷，畸變絕緣中的電場(chǎng)分布，進(jìn)而影響材料的老化和擊穿特性。

基于不同老化階段的空間電荷分布特性，從空間電荷效應(yīng)角度研究交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化機(jī)理，進(jìn)行電纜絕緣狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)，是故障診斷與在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要研究方向。

目前大多是關(guān)于直流電場(chǎng)下空間電荷對(duì)聚合物絕緣影響的研究，由于交流電壓下電場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)空間電荷分布的瞬態(tài)測(cè)量存在困難，研究相對(duì)較少[3]。本文綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于交流電壓下空間電荷對(duì)XLPE絕緣老化影響的研究，并介紹了測(cè)量交流電壓下空間電荷分布的改進(jìn)的電聲脈沖法。

1 空間電荷的產(chǎn)生

空間電荷一般指陷阱電荷，即被陷阱捕獲后留在介質(zhì)內(nèi)部的電荷，也包括由于電場(chǎng)不均勻極化表現(xiàn)出來(lái)的分布電荷，電極注入通常被認(rèn)為是空間電荷形成的主要原因。

對(duì)應(yīng)陷阱的形成因素，空間電荷的形成也有內(nèi)在和外在因素。產(chǎn)生陷阱的內(nèi)在因素可以成為空間電荷的來(lái)源和駐留位置，在電場(chǎng)的作用下，晶區(qū)與非晶區(qū)的界面極化產(chǎn)生極化電荷，存在于界面附近，形成空間電荷；雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下電離并定向移動(dòng)，形成異極性空間電荷[4]。產(chǎn)生陷阱的外在因素（如輻射）可以向介質(zhì)內(nèi)部注入電荷，形成空間電荷；在外施電場(chǎng)作用下，可在電極和介質(zhì)的界面或介質(zhì)內(nèi)通過(guò)Schottky或Fowler-Nordheim效應(yīng)發(fā)射電荷，在介質(zhì)中形成同極性空間電荷[5]。

2 空間電荷測(cè)量方法

空間電荷測(cè)量技術(shù)是空間電荷研究的基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代之前，開(kāi)發(fā)出了有損測(cè)量技術(shù)（TSC），20世紀(jì)80年代之后，開(kāi)發(fā)出了多種無(wú)損測(cè)量技術(shù)（PWP、LIMM、PEA），到20世紀(jì)90年代后，測(cè)量技術(shù)趨于成熟?，F(xiàn)代空間電荷常用的非破壞性測(cè)量方法可分為3大類[6]。

2.1 熱學(xué)方法

熱學(xué)方法原理是利用熱在介質(zhì)中擴(kuò)散速度的不均勻性造成電荷的移動(dòng)，在相鄰電極檢測(cè)位移電流或開(kāi)路電壓達(dá)到測(cè)量空間電荷的目的。根據(jù)熱源的不同可以分為熱脈沖技術(shù)、激光強(qiáng)度調(diào)制法（LIMM）和熱階躍法（TSM）。

2.2 壓力波法

壓力波法以聲速傳播的彈性波使電荷產(chǎn)生位移，檢測(cè)方法與熱學(xué)方法相同。根據(jù)激勵(lì)源類型可分為激光調(diào)制壓力波法（LIPP）、壓電脈沖壓力波法（PIPP）和壓電階躍壓力波法（PIPS）。

2.3 電聲脈沖法

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。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[7]。電聲脈沖法的基本原理是對(duì)試樣施加高壓脈沖，脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中的空間電荷在脈沖電場(chǎng)作用下受到庫(kù)侖力的作用而發(fā)生位移，產(chǎn)生聲波，傳到壓電傳感器上，聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)分析電信號(hào)得出空間電荷分布。

目前電聲脈沖法研究主要集中在提高空間分辨率、提高測(cè)試重復(fù)率、開(kāi)發(fā)三維測(cè)試裝置、設(shè)備小型化和功能多樣化等方面。

S.S.Bamji提出了電聲脈沖法（PEA）的分相技術(shù)測(cè)交流電壓下聚乙烯絕緣材料空間電荷分布[8]。改進(jìn)的PEA法可以在交流波形的不同相位施加脈沖，通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)所加脈沖與交流高壓電源的同步。系統(tǒng)可在交流電壓的任意相位施加脈沖。測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用分相技術(shù)的PEA法測(cè)量模塊Fig.1 Block diagram of the phase resolved PEA setup

計(jì)算機(jī)內(nèi)置輸出數(shù)據(jù)采集卡，第一通道產(chǎn)生60Hz的交流波形，經(jīng)高壓放大器放大后施加到PEA測(cè)試單元的試樣。第二通道可以在交流波形的任意相位輸出信號(hào)觸發(fā)脈沖生器產(chǎn)生脈沖。采用計(jì)算機(jī)軟件控制，將脈沖施加與交流電壓的特定相位同步，并由此實(shí)現(xiàn)不同相位下的空間電荷分布測(cè)量。

3 交流電壓下空間電荷對(duì)XLPE電纜絕緣老化影響機(jī)理

基于空間電荷分布特性評(píng)估聚合物絕緣電老化程度的優(yōu)點(diǎn)：①空間電荷是陷阱電荷在介質(zhì)中空間上的分布，可從空間電荷的分布獲取陷阱的空間分布信息[9]；②空間電荷測(cè)量技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，試驗(yàn)具有可重復(fù)性；③空間電荷測(cè)量技術(shù)多種多樣，而且發(fā)展的更加成熟，可根據(jù)不同的測(cè)試要求選擇合適的測(cè)量技術(shù)，來(lái)定性和定量分析聚合物的電老化程度。

空間電荷影響聚合物絕緣老化和擊穿的研究主要集中在對(duì)電樹(shù)枝的研究上，目前，基于空間電荷效應(yīng)的電樹(shù)枝引發(fā)機(jī)理研究主要分為以下4個(gè)理論。

3.1 電荷的注入和抽出理論

1978年，Tanaka提出了電荷的注入和抽出理論，并且研究了電荷的注入和抽出在聚乙烯絕緣電樹(shù)枝引發(fā)中的作用[9]，理論的核心是在交流電場(chǎng)作用下，受電機(jī)械應(yīng)力的作用,介質(zhì)產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)裂紋，電荷交替注入和抽出，在電場(chǎng)加速作用下一些電荷成為高能電荷，撞擊聚合物分子，導(dǎo)致分子鏈斷裂并產(chǎn)生低分子和氣體,氣體中引發(fā)局部放電，并形成樹(shù)枝狀的放電微孔通道，引發(fā)電樹(shù)枝。

3.2 熱電子理論

1982年，Kao把陷阱模型引入聚合物的擊穿過(guò)程，他認(rèn)為載流子的遷移率很低，很難在電場(chǎng)中加速至擁有足夠的動(dòng)能擊斷聚合物分子鏈，于是提出載流子復(fù)合過(guò)程中的非輻射能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生熱電子，熱電子造成聚合物分子鏈斷裂，并將大分子分解成小分子低密度區(qū)。該理論的關(guān)鍵思想是：①電子和空穴的注入；②熱電子的形成；③低分子密度區(qū)的形成。

3.3 電致發(fā)光的光降解理論

該理論由Bamji提出，理論的核心是：在交流電場(chǎng)作用下，正負(fù)極性的載流子交替注入和抽出，一部分受陷的載流子與相反極性的載流子復(fù)合發(fā)光，其中的紫外線能量很高，再加上氧的作用，聚合物發(fā)生降解，絕緣劣化，產(chǎn)生電樹(shù)枝[10]。

3.4 空間電荷效應(yīng)理論

以往的解釋空間電荷影響聚合物老化和擊穿的模型，大都以電荷的注入導(dǎo)致電介質(zhì)中的局部電場(chǎng)增強(qiáng)，超過(guò)介質(zhì)擊穿的本征介電強(qiáng)度引起擊穿或電子注入撞擊，直接導(dǎo)致聚合物大分子鏈斷裂或載流子復(fù)合發(fā)光引起聚合物降解為出發(fā)點(diǎn)，最新研究指出，聚合物的老化和擊穿發(fā)生在空間電荷脫陷時(shí)，本質(zhì)是外加應(yīng)力突變了介質(zhì)內(nèi)局域電場(chǎng)分布而引起空間電荷脫陷[11-13]。

在19世紀(jì)90年代，Ying Li通過(guò)在交流電壓的特定相位施加脈沖，提出了測(cè)交流電壓下空間電荷分布的方法，并研究了含水樹(shù)枝的XLPE電纜中的空間電荷分布，發(fā)現(xiàn)在樹(shù)枝和非樹(shù)枝的界面電導(dǎo)率不同導(dǎo)致界面極化效應(yīng)，出現(xiàn)空間電荷的積聚；空間電荷量與外加電壓成正比，電聲脈沖法可作為評(píng)估水樹(shù)枝長(zhǎng)度和發(fā)展的非破壞性方法[14]。

Y.F.F.Ho等人研究了交流電壓50Hz下老化24h的XLPE塊中的空間電荷分布和電場(chǎng)分布，指出交流電壓下XLPE中空間電荷快速注入比空間電荷緩慢，注入現(xiàn)象明顯，空間電荷分布改變介質(zhì)內(nèi)的交流電場(chǎng)分布，也改變電極和XLPE絕緣界面的電場(chǎng)分布，界面產(chǎn)生的陷阱可解釋電樹(shù)枝引發(fā)機(jī)理[15]。

大量研究表明，交流老化后的聚乙烯類絕緣材料內(nèi)部出現(xiàn)空間電荷積累，而且空間電荷量隨老化時(shí)間呈線性關(guān)系，由空間電荷量可以評(píng)估材料的老化程度[16-17]。

4 結(jié)論

1）交流電壓下空間電荷分布特性影響XLPE電纜絕緣老化。

2）通過(guò)軟件控制，可以實(shí)現(xiàn)在交流電壓的特定相位施加高壓脈沖，為研究空間電荷分布的相位特性提供了基礎(chǔ)。

3）工頻電場(chǎng)下，空間電荷分布瞬時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)提出很高的要求，也是目前空間電荷研究的一個(gè)重要方向。

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Research on Aging of XLPE Cable Insulation Based on Space Charge Effect under AC Voltage

CHEN Guang-hui1，WANG Dong-fang2，YUE Cai-peng1，WANG Wei1，DONG Xiao-bing3
（1.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC，North China Electric Power University，Beijing 102206,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China；3.Nothwest China Grid Company Limited，Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

XLPE cable is widely used in the modern power system for its excellent mechanical and electrical properties.Studies show that under DC voltage space charge is apt to form in insulation and cause electric distortion,which accelerates the insulation degradation.Few studies have been conducted on the space charge effect on XLPE insulation under AC voltage both at home and abroad.This paper summarized the influence of space charge on XLPE cable and itsmechanism,and introduced the modified PEA method used under AC voltage.The result show that space charge distribution characteristics affect the aging process of XLPE cable insulation.

XLPE;cable aging；space charge；PEA

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜以其優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)。研究表明，在直流電壓作用下絕緣中容易形成空間電荷，導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，加速絕緣老化。國(guó)內(nèi)外很少關(guān)于交流電壓下空間電荷對(duì)XLPE電纜絕緣影響的研究。本文綜述了交流電壓下空間電荷對(duì)XLPE電纜絕緣老化的影響及其作用機(jī)理，并介紹了交流電壓下測(cè)量空間電荷分布的改進(jìn)的電聲脈沖法。結(jié)果表明，交流電壓下，空間電荷分布特性影響XLPE電纜絕緣老化。

XLPE；電纜老化；空間電荷；電聲脈沖法

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2009CB724506）。

1674-3814（2011）11-0005-04

TM247

A

2011-05-05。

陳廣輝（1988—），男，碩士，從事不同電壓和溫度下XLPE電纜中空間電荷分布特性研究。

（編輯 董小兵）