半導電材料對納米MgO/XLPE復合介質空間電荷影響的研究

劉文輝， 吳建東， 王俏華， 王雅群， 尹 毅，2

(1.上海交通大學電氣工程系，上海200240;2.上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室，上海200240)

0 引言

隨著現在電力系統的發展及電力電子技術的進步，高壓直流輸電線路在線路造價、輸電容量、送電距離等方面的優勢越發明顯。與傳統的高壓直流架空輸電線路相比，高壓直流電纜線路因其輸送容量大、造價低、損耗小、不易老化、壽命長［1］等特點而應用越來越廣泛。由于少量的無機納米粉末加入聚合物中，會給聚合物在電、磁、光學和機械等方面帶來一些奇異的性能，使得聚合物復合介質在電氣領域中的應用前景日益光明，但由于交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜中空間電荷分布會使電場發生畸變，進而加速塑料電纜的老化和擊穿，因此空間電荷已經成為制約高壓直流電纜發展的重要因素。眾所周知，在高壓直流電纜中，半導電層起著均化電場的作用;但另一方面，不同的半導電層材料會影響空間電荷的注入［2，3］，而減少塑料電纜中空間電荷的一種重要途徑就是改變緊貼著絕緣層的半導電層材料的配方［4］。

本文采用6種不同的半導電材料作為電極，對比研究了XLPE與納米MgO/XLPE復合材料中的空間電荷分布和短路平均電荷密度，發現了其中比較適宜作為電極的半導電材料。

1 實驗方法

1.1 試樣制備

實驗中使用的半導電材料采用開式混煉機進行制備，以乙烯與醋酸乙烯的共聚物(EVA)與線性低密度聚乙烯(LLDPE)作為基礎材料，分別與3種炭黑摻雜制成6種半導電材料，炭黑含量均為30.0 wt%，為方便討論將其分別編號為E1、E2、E3與L1、L2、L3。

實驗中使用的納米MgO/XLPE復合材料試樣以LLDPE DJ-200為基料，添加濃度為0.5wt%、1.0 wt%、2.0wt%的MgO粉末，并加入過氧化二異丙苯(DCP)和抗氧劑1010，使用開式混煉機進行制備，隨后用平板硫化機壓成薄片。最后將納米MgO/XLPE復合材料樣品置入真空干燥箱中進行短路處理，以消除試樣制備過程中產生的水蒸汽、氣泡和苯乙酮等交聯副產物和殘余空間電荷。

1.2 空間電荷的測量

采用電聲脈沖法(PEA)測量薄片試樣中空間電荷分布，測試裝置以及測試參數如文獻［5］所描述的。分別以這6種半導電材料作為上電極，試樣上先施加－60 kV/mm的電場1 h，然后短路30 min，測量XLPE及納米MgO/XLPE復合介質內空間電荷分布。

2 實驗結果與分析

2.1 半導電材料對空間電荷分布的影響

2.1.1 半導電材料影響XLPE空間電荷分布

經過－60 kV/mm電場預壓1 h后，純XLPE與摻雜濃度為2.0wt%的MgO/LDPE納米復合介質在短路10 s與1800 s的空間電荷分布分別如圖1與圖2所示。

圖1 以不同半導電材料做電極直流預壓后XLPE在短路時空間電荷分布

圖2 以不同半導電材料做電極直流預壓后MgO/XLPE納米復合介質在短路時空間電荷分布

由圖1可知，除了以E3作為電極后呈現電荷分布較復雜之外，其它5種半導電材料作電極后，短路時XLPE內空間電荷分布基本相似，被測XLPE內靠近電極的兩側空間電荷都以注入電荷為主，區別僅在于空間電荷量不同，以及電荷衰減速率不同。

而以E3作為電極，XLPE內空間電荷分布與上述不同，比較復雜，在XLPE內靠近陽極的一側，存在兩個正極性電荷峰。造成這種現象的原因有兩個:(1)在直流預壓的過程中，從陽極注入的電荷削弱了XLPE內陽極附近的電場，從而抑制了正極性的電荷注入。同時注入的正電荷，在外加電場的作用下，將向陰極遷移。隨著電荷的遷移，陽極附近的注入電荷減少，使注入電荷削弱陽極附近電場的作用減弱，也即陽極附近的電場又開始增加，導致陽極向XLPE內注入電荷又逐漸增多，在XLPE靠近陽極側又產生正極性的電荷包。考慮到以不同半導電材料做電極時，陽極一直是鋁電極，從陽極注入電荷不應有較大差別，故這個原因可能性較小。(2)由于用電聲脈沖法測量復合介質內空間電荷分布，測量的結果是正負電荷的代數和，XLPE靠近陽極一側的兩個正極性電荷峰，是由一個正極性電荷峰與一個負極性電荷峰的疊加得到的。以不同的半導電材料做成不同的上電極，主要是改變陰極與XLPE所形成的勢壘，從而改變從陰極注入的電荷的能量，因此導致了在XLPE內電荷的注入深淺各不相同。XLPE靠近陰極的一側存在一個正的異極性電荷包，此電荷包可能是由于XLPE內的陽離子遷移所形成，從陰極注入的負電荷由于具有較高的能量，使其在XLPE內的注入深度較深，未能與遷移至XLPE內靠近陰極側的正電荷復合，在靠近陰極側形成了正極性的空間電荷包。

2.1.2 半導電材料影響MgO/XLPE空間電荷分布

由圖2可知，MgO/XLPE復合介質內空間電荷分布與XLPE的空間電荷分布相似，復合介質靠近電極的兩側，都以同極性的電荷注入為主，但注入深度相對較淺。以半導電材料E3作為陰極時，2.0wt%的MgO/XPLE納米復合介質靠近陰極一側短路時的同極性電荷分布較廣，即負電荷注入深度較大。以半導電材料E2作為陰極時，復合介質內靠近陰極一側幾乎沒有空間電荷的分布，即以E2作為半導電材料能有效抑制空間電荷的注入。

2.2 不同半導電電極下短路時的平均電荷密度

為方便對復合介質短路狀態下的空間電荷分布進行分析，引入變量Qmed來表征復合介質內積累的空間電荷密度的絕對量的平均值。Qmed的值可以由式(1)計算得到［6，7］:

式中，x1與x2為兩個電極的位置;ρ(x)為經過－60 kV/mm電場預壓1 h后短路的空間電荷分布密度。

按式(1)計算的短路10 s時用不同的半導電材料做電極時各復合介質內平均空間電荷如圖3所示。

圖3 XLPE與MgO/XLPE納米復合介質在不同半導電電極下短路時平均電荷密度

從圖中可以看出，當半導電電極材料不同時，MgO/XLPE復合介質中的空間電荷量存在很大的差異。其中，半導電電極材料為E2，MgO添加濃度為0.5wt%和2wt%的復合介質中，空間電荷量相比于其它五種半導電電極材料在相同濃度下的電荷量都小很多。即使在E2電極材料下，MgO添加濃度為1wt%時，復合介質的空間量只比電極材料為L2同濃度的電荷量略大，但依然比其它四種的都小。

3 結論

通過測量不同半導電電極材料下XLPE與MgO/XLPE復合介質短路時的空間電荷分布和計算的平均電荷密度，可以得到以下結論:

(1)對于XLPE與MgO/XLPE這兩種不同的電纜絕緣材料，即使相同的半導電電極也會對其空間電荷的注入產生不同的影響，這與絕緣材料和半導電電極材料之間的勢壘有關。

(2)無論從短路時空間電荷分布情況還是從平均電荷密度來看，E2半導電材料對空間電荷注入的抑制作用最大，相比其它五種材料更適合作MgO/XLPE復合介質的半導電電極。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］Chen G，Tay T Y G，Davies A E，et al.Electrodes and charge injection in low-density polyethylene［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，8(6):867-873.

［3］Chen G，Tanaka Y，Takada T，et al.Effect of polyethylene interface on space charge formation［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11(1):113-121.

［4］Hanley T L，Burford R P，Fleming R J，et al.A general review of polymeric insulation for use in HVDC cables［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2003，19(1):13-24.

［5］尹毅，韓社教，屠德民.固體絕緣中空間電荷測量裝置的研制和應用［J］. 中國電機工程學報，2000，20(8):1-5.

［6］Boufayed F，Leroy S，Teyssedre G，et al.Models of bipolar charge transport in Polyethylene［J］.Journal of Applied Phys，2006，100(10):104105-104115.

［7］Montanari G C.Extration of information from space charge measurements and correlation with insulation ageing［C］.Proc.IEEE CSC，Tours，France，2001:178-184.