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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

1 引言

聚乙烯材料因其具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、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(duì)聚合物的研究主要集中在高場(chǎng)電導(dǎo)和電致?lián)舸﹥蓚€(gè)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(chǎng)作用下，聚合物中容易形成空間電荷，空間電荷會(huì)使電場(chǎng)分布嚴(yán)重畸變[1-5]。由于直流輸電的優(yōu)越性，近年來國(guó)內(nèi)外都大力發(fā)展直流輸電，因此降低直流電場(chǎng)下聚合物中的電荷注入，改善聚合物中的電場(chǎng)分布具有極高的工程意義和理論價(jià)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(shí)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(chǎng)下LDPE中的空間電荷特性，以探討電極材料對(duì)LDPE中空間電荷注入的影響機(jī)理。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)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(cè)試設(shè)備

本文采用電聲脈沖法（Pulsed Electroacoustic Method，PEA）測(cè)量薄片試樣中空間電荷分布，測(cè)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(jì)算機(jī)，GPIB板卡的傳輸速度可達(dá)2.3MB/s。整個(gè)系統(tǒng)從脈沖發(fā)出到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至電腦理論上不到1s，本實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)算可得本實(shí)驗(yàn)室的空間電荷測(cè)量裝置的測(cè)量分辨率為10mμ[5,6]。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)為100kV/mm。測(cè)量加壓20min的空間電荷特性。

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

2.3 電極制備

實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)量中的衰減，是由于聲波在試樣中傳播時(shí)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量減少試樣厚度以兼顧測(cè)量系統(tǒng)的分辨率，本文選取試樣厚度0.1mm。

3 試驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)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(shí)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(shí)，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(chǎng)強(qiáng)過高。從圖2b可見此時(shí)試樣中的最高場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(shí)（見圖 3）亦有大量的電子和空穴注入，但試樣中的電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)電子注入相對(duì)鋁電極和加鉛黃銅電極明顯減弱，且試樣中的場(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)降低，試樣中的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)呈下降趨勢(shì)。這可能是由于在金屬/絕緣體接觸的界面，電子注入勢(shì)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(shí)有大量的電子注入導(dǎo)致試樣中局部場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的畸變[9]。

4 結(jié)論

研究高場(chǎng)下電極材料對(duì)空間電荷注入的影響對(duì)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(chǎng)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(chǎng)下空間電荷注入的重要因素，不同電極材料對(duì)試樣中空間電荷的注入量、注入類型及試樣中的場(chǎng)強(qiáng)分布有很大影響；實(shí)驗(yàn)表明電極材料的功函數(shù)對(duì)高場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)過高。

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