交流電壓下基于空間電荷效應的XLPE電纜絕緣老化研究現(xiàn)狀

陳廣輝,王東芳,岳彩鵬,王偉,董小兵

（1.華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室北京102206;2.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640；3.西北電網有限公司，陜西西安710048）

交流電壓下基于空間電荷效應的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.華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室北京102206;
2.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640；3.西北電網有限公司，陜西西安710048）

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

隨著我國經濟的快速發(fā)展，電力需求越來越大，對輸配電系統(tǒng)的可靠性運行提出了更高的要求。在城市配電網中，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，安裝簡便、耐高溫、耐腐蝕、電氣強度高、介質損耗小，而且適于高落差和垂直敷設環(huán)境，廣泛應用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)[1]。

影響XLPE電纜壽命的主要是樹枝狀老化，隨著抗水樹電纜料的研發(fā)和應用，水樹枝對XLPE電纜絕緣老化的影響越來越小，研究重點放在電樹枝對絕緣老化的影響上。電樹枝的引發(fā)是一種復雜的綜合性電腐蝕現(xiàn)象，目前沒有統(tǒng)一的理論能合理解釋電樹枝引發(fā)過程中的所有現(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，分子間由結構單位或單體經由共價鍵連接在一起[2]。XLPE絕緣的微觀結構特點決定了其中存在大量的陷阱，當外加電壓時，絕緣介質中的載流子被陷阱捕獲，形成空間電荷，畸變絕緣中的電場分布，進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，從空間電荷效應角度研究交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化機理，進行電纜絕緣狀態(tài)評估和壽命預測，是故障診斷與在線監(jiān)測的一個重要研究方向。

目前大多是關于直流電場下空間電荷對聚合物絕緣影響的研究，由于交流電壓下電場變化，實現(xiàn)空間電荷分布的瞬態(tài)測量存在困難，研究相對較少[3]。本文綜述了國內外關于交流電壓下空間電荷對XLPE絕緣老化影響的研究，并介紹了測量交流電壓下空間電荷分布的改進的電聲脈沖法。

1 空間電荷的產生

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

對應陷阱的形成因素，空間電荷的形成也有內在和外在因素。產生陷阱的內在因素可以成為空間電荷的來源和駐留位置，在電場的作用下，晶區(qū)與非晶區(qū)的界面極化產生極化電荷，存在于界面附近，形成空間電荷；雜質在電場作用下電離并定向移動，形成異極性空間電荷[4]。產生陷阱的外在因素（如輻射）可以向介質內部注入電荷，形成空間電荷；在外施電場作用下，可在電極和介質的界面或介質內通過Schottky或Fowler-Nordheim效應發(fā)射電荷，在介質中形成同極性空間電荷[5]。

2 空間電荷測量方法

空間電荷測量技術是空間電荷研究的基礎，20世紀80年代之前，開發(fā)出了有損測量技術（TSC），20世紀80年代之后，開發(fā)出了多種無損測量技術（PWP、LIMM、PEA），到20世紀90年代后，測量技術趨于成熟。現(xiàn)代空間電荷常用的非破壞性測量方法可分為3大類[6]。

2.1 熱學方法

熱學方法原理是利用熱在介質中擴散速度的不均勻性造成電荷的移動，在相鄰電極檢測位移電流或開路電壓達到測量空間電荷的目的。根據(jù)熱源的不同可以分為熱脈沖技術、激光強度調制法（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生位移，檢測方法與熱學方法相同。根據(jù)激勵源類型可分為激光調制壓力波法（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）由日本國武藏工業(yè)大學的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)響應較好與低聲阻抗，使PEA法能用于測量同軸電纜等形狀復雜試樣中的空間電荷。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[7]。電聲脈沖法的基本原理是對試樣施加高壓脈沖，脈沖在介質中傳播時，介質中的空間電荷在脈沖電場作用下受到庫侖力的作用而發(fā)生位移，產生聲波，傳到壓電傳感器上，聲信號轉化成電信號，通過分析電信號得出空間電荷分布。

目前電聲脈沖法研究主要集中在提高空間分辨率、提高測試重復率、開發(fā)三維測試裝置、設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）的分相技術測交流電壓下聚乙烯絕緣材料空間電荷分布[8]。改進的PEA法可以在交流波形的不同相位施加脈沖，通過軟件控制實現(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。測試裝置的結構如圖1所示。

圖1 采用分相技術的PEA法測量模塊Fig.1 Block diagram of the phase resolved PEA setup

計算機內置輸出數(shù)據(jù)采集卡，第一通道產生60Hz的交流波形，經高壓放大器放大后施加到PEA測試單元的試樣。第二通道可以在交流波形的任意相位輸出信號觸發(fā)脈沖生器產生脈沖。采用計算機軟件控制，將脈沖施加與交流電壓的特定相位同步，并由此實現(xiàn)不同相位下的空間電荷分布測量。

3 交流電壓下空間電荷對XLPE電纜絕緣老化影響機理

基于空間電荷分布特性評估聚合物絕緣電老化程度的優(yōu)點：①空間電荷是陷阱電荷在介質中空間上的分布，可從空間電荷的分布獲取陷阱的空間分布信息[9]；②空間電荷測量技術是一種無損檢測技術，試驗具有可重復性；③空間電荷測量技術多種多樣，而且發(fā)展的更加成熟，可根據(jù)不同的測試要求選擇合適的測量技術，來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電樹枝的研究上，目前，基于空間電荷效應的電樹枝引發(fā)機理研究主要分為以下4個理論。

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枝引發(fā)中的作用[9]，理論的核心是在交流電場作用下，受電機械應力的作用,介質產生疲勞，出現(xiàn)裂紋，電荷交替注入和抽出，在電場加速作用下一些電荷成為高能電荷，撞擊聚合物分子，導致分子鏈斷裂并產生低分子和氣體,氣體中引發(fā)局部放電，并形成樹枝狀的放電微孔通道，引發(fā)電樹枝。

3.2 熱電子理論

1982年，Kao把陷阱模型引入聚合物的擊穿過程，他認為載流子的遷移率很低，很難在電場中加速至擁有足夠的動能擊斷聚合物分子鏈，于是提出載流子復合過程中的非輻射能量轉移產生熱電子，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：在交流電場作用下，正負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，產生電樹枝[10]。

3.4 空間電荷效應理論

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致電介質中的局部電場增強，超過介質擊穿的本征介電強度引起擊穿或電子注入撞擊，直接導致聚合物大分子鏈斷裂或載流子復合發(fā)光引起聚合物降解為出發(fā)點，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，本質是外加應力突變了介質內局域電場分布而引起空間電荷脫陷[11-13]。

在19世紀90年代，Ying Li通過在交流電壓的特定相位施加脈沖，提出了測交流電壓下空間電荷分布的方法，并研究了含水樹枝的XLPE電纜中的空間電荷分布，發(fā)現(xiàn)在樹枝和非樹枝的界面電導率不同導致界面極化效應，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估水樹枝長度和發(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內的交流電場分布，也改變電極和XLPE絕緣界面的電場分布，界面產生的陷阱可解釋電樹枝引發(fā)機理[15]。

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

4 結論

1）交流電壓下空間電荷分布特性影響XLPE電纜絕緣老化。

2）通過軟件控制，可以實現(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。

3）工頻電場下，空間電荷分布瞬時變化，實現(xiàn)高精度的動態(tài)測量對數(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重要方向。

[1]速水敏.電力設備的絕緣診斷[M].劉曉萱，譯.北京：科學出版社,2003.

[2]陳廣輝,岳彩鵬,王偉.聚合物固體絕緣材料應用研究[J].電力科學與工程，2011，27(3):8-11.

CHEN Guang-hui,YUE Cai-peng,WANG Wei.Research on Polymer Solid Insulation[J].Electric Power Science and Engineering.2011，27(3):8-11(in Chinese).

[3]尹毅，肖登明，屠德民.空間電荷在評估絕緣聚合物電老化程度中的應用研究[J].中國電機工程學報，2002，22(1)：43-48.

YIN Yi,XIAO Deng-ming,TU De-min.An Application of Space Charge in Valuing the Electric Aging Degree of Insulation Polymer[J].Proceedings of the CSEE,2002，22(1):43-48(in Chinese).

[4]MAMMERIC M,LAURENT C,SALON J.Influence of Space OIharge Build up on the Transition to Electrical Treeing in PE under AC Voltage[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1995,2(1)：27-35.

[5]葉開顏.交聯(lián)聚乙烯電力電纜電樹枝化的影響因素及機理研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[6]HOLE S,DITCHI T,LEWINER A.Nondestructive Methods for Space Oharge Distribution Measurements:What are the Ddifferences[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2003,10(4):670-677.

[7]高田達雄.電聲脈沖法測量空間電荷的原理與方法[M].東京：日本國武藏工業(yè)大學，1994.

[8]Bamji S S，Dakka M A，Blinskin A.Phase Resolved PEA Technique to Measure Space Charge Distribution in Polymeric Insulation.Electrical Insulation[C]//Conference Record of the 2006IEEE International Symposium on Electrical Insulation,Ottawa,Canada,June，2006.

[9]TANAKA T,GREENWORD A.Effects of Charge Injection and Extraction on Tree Initiation in Polyethylene[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1978,97(5):1749-1757.

[10]BAMJI S S,BLULINSKE A T,DENSLEY R J.Degration of Polymeric Insulation Due to Photoemission Caused by HighElectricFields[J].IEEETransactionson Dielectrics and Electrical Insulation,1989,24(1):91-98.

[11]李吉曉,張冶文.空間電荷在聚合物老化和擊穿過程中的作用[J].科學通報,2000,45(23)：2469-2475.

LI Ji-xiao,Zhang Ye-wen.The Effect of Space Charge in Aging and Breakdown of Insulation Polymer[J].Chinese Science Bulletin.2000,45(23):2469～2475(in Chinese).

[12]LEGRESSUSC,BLAISEG.BreakdownPhenomenaRelated to Trapping/Detrapping Processes in Wide Band Gap Insulators[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1992,27(3):472-481.

[13]鄭飛虎,張冶文,肖春.聚合物電介質的擊穿與空間電荷的關系[J].材料科學與工程學報,2006,24(2):316-320.

ZHENG Fei-hu,ZHANG Ye-wen,XIAO Chun.Relationship Between Breakdown in Polymer Dielectrics and Space Charge[J].Journal of Materials Science and Engineering,2006,24(2):316-320(in Chinese).

[14]YING LI,JIRO KAWAI.Space Charge Behavior under Ac-Voltage in Water-treed PE Observed by the PEA Method[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.1997,4(1):52-57.

[15]HO Y F F，CHEN G，DAVIES A E，et al.Measurement ofSpace Charge in XLPE Insulation Under 50Hz AC Electric Stresses Using the LIPP Method[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2002,9(3):362-370.

[16]尹毅.聚乙烯電老化中空間電荷和陷阱參數(shù)的變化規(guī)律[D].西安：西安交通大學，2000.

[17]FU M，CHEN G，LIU X.Space Charge Behavior in LDPE After AC Electrical Ageing.Proceedings of the 2004IEEE International Conference on Solid Dielectrics[C]//Toulouse,France,July,2004.

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)良的機械和電氣性能廣泛應用于現(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，導致電場畸變，加速絕緣老化。國內外很少關于交流電壓下空間電荷對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XLPE電纜絕緣老化的影響及其作用機理，并介紹了交流電壓下測量空間電荷分布的改進的電聲脈沖法。結果表明，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

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（973項目）（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）