脈沖電壓下電力電子裝備絕緣電荷特性研究綜述

何東欣 張 濤 陳曉光 鞏文潔 李清泉

（1. 山東大學電氣工程學院山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室 濟南 250061 2. 山東電力工程咨詢院有限公司 濟南 250013）

0 引言

隨著高壓直流輸電工程的發展和新能源發電并網技術的進步，電力電子技術在電能變換和輸送中占據越來越重要的地位。電力電子技術及裝備可實現電能的靈活控制和自由變換，極大地縮小了輸變電設備體積，提高了系統輸電能力和穩定性。然而，電氣絕緣性能是制約電力電子器件和裝備向高電壓、大功率、小型化方向發展的關鍵問題[1]，亟須開展深入探究。

電力電子半導體開關器件的導通和關斷引起電壓突變，會在器件本身、電力電子裝備及相連接的設備上產生高頻、陡上升沿的脈沖電壓及電流。同時，脈寬調制技術（Pulse Width Modulation, PWM）的廣泛應用，使得現代電力電子裝備承受具有快速上升沿和下降沿、較高幅值和重復頻率的方波脈沖電壓。 PWM 波形及相關參數如圖1 所示[2]。可見，長期承受高頻脈沖電壓的沖擊作用是高壓電力電子裝備絕緣的普遍工況。

圖1 PWM 波形及參數Fig.1 The parameters of PWM voltage waveform

大量研究結果表明，重復脈沖電場的作用將加劇電氣絕緣老化，誘發絕緣早期失效。對比相同幅值和頻率的方波脈沖和正弦電壓可知，方波脈沖下變頻電機漆包線絕緣的局部放電量及耐電暈壽命分別為正弦電壓下的10 倍及1/3（見圖2），且局部放電相位、時頻域統計特性均存在明顯差異[3]。單純直流電壓作用下電樹枝起始電壓較高，然而在直流疊加脈沖電壓的情況下，電樹枝起始電壓大幅下降，并且生長速度明顯加快[4]。正弦和方波電壓下硅凝膠電樹枝起始電壓如圖3 所示[5]。由圖3 可知在相同電極條件下，方波脈沖下硅凝膠中電樹枝起始電壓遠低于相同頻率的正弦電壓。此外，脈沖上升時間縮短時，絕緣表面的閃絡電壓會急劇下降。由上述研究結果可知，方波脈沖電壓下電氣絕緣劣化機理不同于傳統的交流和直流電壓，高頻脈沖電壓使電氣絕緣處于嚴苛的工作環境，對高壓電力電子裝備絕緣提出了更高要求。

圖2 正弦和方波電壓下漆包線絕緣特性對比Fig.2 Comparison of insulation characteristics of enameled wires under sine and square wave voltages

圖3 正弦和方波電壓下硅凝膠電樹枝起始電壓Fig.3 Electrical tree inception voltage in silicone gel under under sine and square wave voltages

相關學者研究發現，絕緣內部積聚的空間電荷對局部放電、電樹枝的產生具有重要激勵作用[6-7]。同樣，表面電荷積聚會改變絕緣沿面電場的分布進而影響沿面閃絡特性[8-9]。隨著電荷測試技術的不斷進步，電荷對絕緣劣化的影響機理逐漸受到國內外學者的關注，并且被認為是導致絕緣劣化甚至擊穿的關鍵因素[10-12]。目前對于直流和交流條件下電荷特性研究較多[13-15]，其對絕緣影響機理的探究相對成熟，然而脈沖電壓下電荷特性研究相對缺乏，對絕緣劣化影響機制尚不明確。為優化絕緣材料設計方案、提升電力電子裝備可靠性，探究高頻脈沖電壓下電荷行為特性及絕緣劣化機理具有重要意義。

1 電力電子裝備絕緣材料及運行工況

電力電子裝備在電力系統中的應用越來越廣泛，但是其運行工況較傳統電氣設備具有一定差異。本節將以幾種常見的高壓電力電子裝備——變頻電機、電力電子變壓器、換流變壓器和高壓電力電子器件為例，總結電力電子裝備普遍承受的脈沖工況。

變頻電機具有控制靈活、節約能源等優點，在鐵路及城市軌道交通、大型工廠等諸多領域得到了廣泛應用。我國機車牽引電機技術發展迅速，已經具有200 級絕緣結構牽引電機的研制能力[16]，其中常見的絕緣材料有聚酰亞胺薄膜、絕緣樹脂、玻璃絲粉云母帶和復合箔等。隨著絕緣材料工藝的不斷改進，研究人員研發出了耐電暈型聚酰亞胺薄膜、以粉云母為基的耐電暈復合帶以及新型耐高溫的無溶劑浸漬樹脂等新型絕緣材料，極大地提高了變頻電機耐電暈及耐高溫性能。與其相連電纜常采用塑料絕緣（聚乙烯、交聯聚乙烯、聚丙烯等）和橡膠絕緣作為絕緣介質。變頻電機采用PWM 技術進行控制，電力電子器件在開通、關斷時刻可產生上升和下降時間極短的電壓和電流。當快速上升的電壓經電纜施加至電機時，由于電纜和變頻器波阻抗不匹配會產生反射過電壓，變頻電動機線電壓波形如圖4 所示[17]。過電壓大小與PWM 驅動電流上升時間密切相關，上升時間越短，產生的過電壓沖擊越大，嚴重影響電機本身及相連電纜的絕緣性能、縮短電機使用壽命。

圖4 變頻電動機線電壓波形Fig.4 Voltage waveforms of frequency conversion motor

大功率高壓電力電子變壓器不僅具有傳統變壓器電壓變換、電氣隔離等功能，還可實現電力系統電能質量調節、潮流控制和無功補償等功能，在智能電網建設、大規模能源網互聯和兆瓦級直流電壓變換中扮演重要角色。電力電子變壓器中常采用電氣性能較好的聚酯（Polyethylene Terephthalate,PET）薄膜、Nomex 絕緣紙、聚酰亞胺薄膜、改性DMD（dacron/mylar/dacron）復合絕緣紙等作為絕緣材料[18]。電力電子變壓器又稱固態變壓器，由全控型電力電子器件和高頻變壓器組成，其中高頻變壓器作為電力電子變壓器的核心部分，承擔著能量轉換、功率傳輸等重要功能，但由于其一次側和二次側引入電力電子變換及控制技術，使其絕緣承受高頻、陡上升時間的脈沖電壓作用，電壓電流波形如圖5 所示[19]，頻繁的電壓、電流幅值突變和極性反轉加劇了絕緣老化速度，使其運行壽命縮短，制約了電力電子變壓器電壓等級提升。

圖5 高頻變壓器電壓電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of high frequency transformer

換流變壓器是特高壓直流輸電工程中的核心樞紐，實現了換流橋與交流母線的連接，其結構復雜、設計制造技術難度高。換流變壓器通常采用變壓器油和絕緣紙組成絕緣結構，其絕緣特性相較于單一絕緣介質更為復雜，尤其是油紙界面處的絕緣特性受到廣大研究學者的重點關注。由于其兩端分別連接交流和直流系統，使其承受的電壓工況較為復雜。其中閥側繞組及高壓套管與換流閥廳相連接，無濾波器改善電壓波形，在換相時刻承受脈沖電壓作用。由蘇州±800kV 特高壓同里換流站測得的換流變壓器閥側套管的實際電壓波形如圖6 所示。

圖6 換流變閥側套管實測波形Fig.6 Measured waveform of valve side bushing of convert transformer

電力電子器件作為電力電子裝備中最為關鍵的器件，其絕緣耐壓水平決定了電力電子裝備運行的穩定性與安全性，也是影響器件設計的關鍵技術指標之一。高壓大功率IGBT 常見封裝形式分為焊接式和壓接式兩種。在焊接式IGBT 中一般填充硅凝膠以增強器件的絕緣耐壓水平，而在壓接式IGBT中，由于器件內部靠壓力進行連接，無法填充硅凝膠，主要靠填充惰性氣體進行保護[20]。電力電子器件在導通和關斷時刻，其芯片及封裝絕緣會承受較短上升、下降時間的脈沖電壓和電流（其關斷時刻波形如圖7 所示[21]），高頻脈沖電壓的沖擊作用成為誘發半導體器件絕緣失效的主要影響因素。

圖7 半導體開關器件關斷過程Fig.7 Switching-off transient of semiconductor device

此外，風力發電機、新能源汽車、電動飛機等電力電子裝備的應用和普及，促進了清潔能源的開發與利用，也是實現綠色、可持續發展的重要舉措。隨著以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等寬禁帶半導體材料為基礎的新一代電力電子器件的成熟[22-23]，電力電子裝備將向高電壓、大功率方向發展，承受高頻脈沖電壓應力是這些電力電子裝備絕緣的共性特征，也是影響設備可靠性的關鍵因素。開關器件的進步將產生更高頻率、更陡斜率的脈沖電壓，使得電力電子器件及裝備絕緣的工作條件更加嚴酷，對開發適應重復脈沖電壓工作環境的絕緣材料提出迫切需求。

除電力電子裝備及器件本身工作在脈沖電壓下，與其相連的電纜等相關附件由于器件通斷、換相失敗及接地等因素的影響，均會承受脈沖電壓作用。因此，本文將通過對不同電力電子裝備及其相關附件的不同絕緣材料在脈沖電壓下的電氣絕緣特性進行總結與探討，針對電力電子裝備以及與其相連接的電機和電纜等絕緣，獲得在脈沖電壓下普遍適用的電荷行為特性和劣化失效機理，從而為電力電子裝備絕緣材料的優化提供理論指導。

2 脈沖電壓下電氣絕緣特性研究現狀

固體電介質絕緣劣化形式主要分為兩大類：絕緣內部損傷導致的擊穿和表面放電引起的絕緣性能下降。在長期脈沖電壓作用下，聚合物內部擊穿通常為電樹枝化擊穿，而發生在表面的局部放電、沿面放電會導致表面絕緣性能下降或者閃絡。前者與空間電荷行為密切相關，后者與表面電荷行為相聯系。因此，有必要通過對脈沖電壓下電樹枝特性、表面放電和閃絡特性研究現狀的總結，厘清電荷與電氣絕緣特性的關聯關系。

2.1 脈沖電壓下電樹枝和擊穿特性

西安交通大學劉英研究了脈沖電壓下交聯聚乙烯中電樹枝起始特性[24]，結果表明相同電極條件下，直流疊加脈沖電壓作用下電樹枝起始電壓遠低于單純施加直流電壓。分析可知，在脈沖上升沿的激勵作用下，被捕獲的空間電荷發生脫陷、遷移等行為；入陷的電荷周圍存儲了大量能量，當脫陷時間小于材料的介電弛豫時間常數時，存儲能量隨電荷脫陷和遷移迅速釋放，破壞絕緣材料的微觀結構，從而引發電樹枝起始和生長，最終導致絕緣擊穿。

天津大學杜伯學對針板電極下硅橡膠中電樹枝特性進了相關探究。研究認為，電荷在脈沖電壓作用下獲得能量并注入材料內部與分子鏈發生碰撞，其中部分電荷被陷阱捕獲，入陷電荷的能量以電磁波的形式傳遞給其他電荷，而獲得這部分能量的電荷會產生局部放電并再次與周圍分子鏈發生碰撞破壞絕緣材料的微觀結構，引發電樹枝導致絕緣劣化[25]。脈沖電壓下電荷頻繁的入陷、脫陷行為極大地提高了電樹枝生長速度并產生更多放電通道，嚴重損害電氣絕緣性能。

此外，天津大學還探究了針板電極下不同脈沖頻率、脈寬、極性等參數對聚丙烯、環氧樹脂、交聯聚乙烯中電樹枝特的影響[26-29]。研究表明，脈沖頻率、脈寬的增加使高能電荷注入數量增多，導致電荷與分子鏈的碰撞更加劇烈，加速損傷累積速度，更容易引發電樹枝，絕緣擊穿時間降低（如圖8、圖9 所示）。同時也會引發更強烈的局部放電活動，產生新的陷阱，進而形成新的電樹枝起始通道使電樹枝分形維數增加。在負極性脈沖作用下，由于負電荷比正電荷更容易被陷阱捕獲，在針尖電極附近形成負極性空間電荷層，削弱電極附近電場，從而抑制了電樹枝起始及生長；反之，正極性脈沖下電樹枝起始電壓較低，電樹枝生長速度更快。

圖8 聚丙烯在不同頻率下損傷累積速度Fig.8 Accumulated damage of polypropylene with different frequency

圖9 不同頻率下聚丙烯擊穿時間Fig.9 Breakdown time of polypropylene with different frequency

電荷在脈沖電壓的激發作用下加速注入材料內部，與分子鏈發生碰撞，會破壞絕緣材料的微觀結構，形成導電通道，甚至導致最終擊穿。由于不同脈沖參數下空間電荷特性變化更加復雜，電樹枝起始和生長特性也各不相同。例如，隨著脈沖頻率的增加，雖然高低電平各自持續的總時間保持不變，但是單位時間內脈沖邊沿時刻電壓幅值突變次數增多，會加劇絕緣損傷，導致擊穿電壓降低。這表明在電平穩定階段，空間電荷對絕緣的影響較弱，而在脈沖邊沿時刻的電壓陡增或陡降可能會對電荷入陷、脫陷、遷移等動態行為產生較大影響，而過程中伴隨的能量轉換與釋放，是引發絕緣劣化和損傷的主要誘因。因此，探究不同脈沖參數下的空間電荷特性對闡明絕緣擊穿機理具有重要理論指導作用，尤其應關注脈沖邊沿時刻電壓幅值突變導致的電荷動態行為對絕緣劣化的影響。

2.2 脈沖電壓下絕緣表面放電和閃絡特性

氣體和固體絕緣交界處是絕緣系統中較為薄弱的一個環節，極易誘發固體表面局部放電及沿面放電甚至閃絡，從而導致氣體和固體組成的絕緣系統失效，而在高頻脈沖電場應力作用下，閃絡電壓大幅降低，會嚴重危害電力設備運行安全可靠性。因此，探究脈沖電場下放電及閃絡產生機理，可為提升絕緣表面耐壓性能提供理論支撐。

四川大學王鵬探究了脈沖電壓頻率及占空比對變頻電機耐電暈漆包線表面局部放電特性的影響。研究表明，頻率增加導致表面局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）降低。激發電子崩的初始電子產生率正比于放電處的電荷，頻率增大時，兩次放電的時間間隔縮短，殘余電荷衰減較小，這使得表面可脫陷的電子增多，增加了初始電子的發射概率，只需較小的外部電壓即可達到起始放電電壓，因而局部放電的幅值也隨之降低[30]，如圖10 所示。電壓持續時間小于100μs 時，局部放電發生的概率較低，放電幅值較小，放電不對稱；當脈沖持續時間大于100μs 時，放電特性基本對稱。隨著脈沖持續時間增加，下降沿放電至下一個周期上升沿放電的電荷衰減時間減小，殘余電荷逐漸增加，放電越容易發生，致使上升沿附近的放電相位逐漸減小、放電幅值增加[31]。

圖10 不同脈沖頻率下漆包線局部放電幅值Fig.10 Partial discharge amplitude of enameled wires under different frequency of pulsed voltage

西南交通大學、波蘭克拉夫AGH 科技大學和瑞典查爾姆斯理工大學對不同脈沖上升時間下聚酰亞胺、乙丙橡膠等的絕緣局部放電特性進行了探究[32-35]。研究結果均表明，隨著脈沖上升時間縮短，PDIV 會相應下降，空間電荷形成較強的積累效應，電荷駐留效應更為明顯。當前一次放電后，氣隙電場迅速降至殘余電場，如果此時電壓上升率很大，能迅速達到起始放電電場，且前一次放電后形成的殘余電荷擴散較少，在此段時間內初始電子獲得的概率增大，因此會出現連續放電，導致放電次數增多。不同上升時間下聚酰亞胺放電次數如圖11 所示[32]。

圖11 不同上升時間下聚酰亞胺放電次數Fig.11 Number of partial discharges of polyimide at different rise times

西安交通大學王增彬探究了脈沖陡度對環氧材料真空沿面閃絡特性的影響[36]。研究認為，脈沖陡度增加有利于電荷的產生并加速電荷的運動，從而影響閃絡時延，同時也會增大試樣表面的洛侖茲力。當脈沖陡度增大時，電荷所受的洛侖茲力增大，一方面將加快電荷向電極運動的速度，另一方面也將提高電子碰撞材料表面的速度，促進電子二次發射，從而對閃絡有一定的促進作用，使閃絡電壓降低。

天津大學杜伯學對不同脈沖頻率下聚丙烯閃絡電壓特性進行了探究。結果表明，隨著脈沖頻率增加，閃絡電壓幅值會相應下降，聚丙烯閃絡電壓與脈沖頻率的關系如圖12 所示[37]。在閃絡放電的過程中，由高電場引起的場發射和絕緣子表面二次電子發射控制的電子雪崩發展對閃絡的發生起著至關重要的作用，表面積累的電荷會排斥后續發射電荷的入陷，導致后續發射的電子容易被電場加速，電子雪崩發展速度加快，最終使閃絡電壓降低。華北電力大學高春嘉研究同樣表明，隨著積聚的表面電荷增多，閃絡電壓下降幅值最高可達15.5%[38]。并且隨著頻率的增加，兩次脈沖之間的時間間隔變短，剩余電荷的積累效應增強，促進了電子雪崩的發展。

圖12 聚丙烯閃絡電壓與脈沖頻率的關系Fig.12 Relationship between flashover voltage and pulse frequency of polypropylene

綜上所述，不同脈沖參數下局部放電及閃絡特性存在較大差異的原因被大部分學者歸結于表面電荷的積累和衰減效應。表面電荷的積聚對二次電子發射起到促進作用，有助于電子崩的形成和發展。由于脈沖參數改變，使得表面電荷密度發生較大變化，從而影響了表面電場的大小和放電初始電子產生的概率，使放電及閃絡電壓發生改變。此外，當脈沖頻率增大、上升時間縮短時，電場變化速度加快，將感應出更大的磁場，使電荷所受洛侖茲力增加，增加電荷運動速度和體系能量，加速絕緣表面損傷和老化。因此，需深入研究脈沖電壓下表面電荷特性，揭示不同脈沖參數下表面電荷運動規律及作用機理，從而為抑制沿面閃絡提供良好的理論基礎。

3 脈沖電壓下電荷特性研究現狀

3.1 空間電荷特性

西南交通大學吳廣寧研究了不同頻率脈沖電場下聚酰亞胺空間電荷特性。發現老化頻率越高，對深陷阱偶極子或離子空間電荷對應的大分子鏈破壞越快[39]。脈沖重復率增加，注入電荷量增多，不同脈沖頻率下聚酰亞胺中電荷特性如圖13 所示，電荷入陷的位置向介質內部移動，電極附近積聚異極性電荷有助于富蘭克爾效應的電荷發射[40]。然而，意大利博洛尼亞大學D. Fabiani 卻得出了與上述研究相反的結論。該學者通過實驗發現，隨著頻率增加，電機漆包線絕緣中積累的電荷量反而減少[41]，不同脈沖頻率和極性下漆包線絕緣電荷特性如圖14 所示。研究認為電場的頻繁改變使電荷更難滲透到材料內部，電荷主要停留在電極與絕緣材料的界面處。

圖13 不同脈沖頻率下聚酰亞胺中電荷特性Fig.13 Space charge characteristic of polyimide under different pulsed frequency

圖14 不同脈沖頻率和極性下漆包線絕緣電荷特性Fig.14 Charge characteristic of enameled wires under different pulsed frequency and polarity

西安交通大學王霞對交聯聚乙烯在單極性和雙極性方波電壓下空間電荷積累特性進行了探究，發現單極性電壓比雙極性電壓更容易引發電荷積累。在雙極性電壓下，少量電荷從電極注入聚乙烯中，經過極性反轉，注入的電荷又會被迅速抽出，無法形成電荷的積累；而在單極性方波電壓下，電荷從電極注入并經過大量周期的積累，最終在試樣中出現了較為明顯的空間電荷積聚[42]。

法國圖盧茲大學的J. P. Bellomo 研究了聚酰亞胺、PEN 和PET 試樣測試5kV/μs 和100V/μs 兩種上升沿斜率方波電壓下的空間電荷，結果表明斜率越大，積聚的空間電荷越多[43]，而且分子極性越強的材料空間電荷密度越大，鍍金層的腐蝕程度也越嚴重；分析了三種材料特征基團的極化松弛頻率，與不同上升斜率的方波電壓頻譜做比較，推導出電介質試樣在高斜率作用下電荷形成機理：如果偶極子的弛豫時間長于脈沖上升沿高頻分量對應的周期，則不能產生同步的轉向極化，進而形成束縛性電荷，隨著時間的增加逐漸累積出宏觀高密度的空間電荷。

日本松江工業學校M. Fukuma 對聚萘二甲酸乙二醇酯和低密度聚乙烯在不同上升斜率下電荷特性進行了研究，發現上升斜率對電極附近的電荷特性有顯著影響，而對內部電荷分布影響不大，斜率增加，電荷積累增多[44]。提出了幾種上升斜率引發電荷特性變化的原因：①隨著斜率增加，加劇了積累電荷區域的熱電子碰撞電離，從而導致產生更多的電荷并逐漸積累；②如果電荷的注入發生在高直流電壓作用下，較短的上升時間使得高電平的有效時間增長，從而導致注入的電荷增加；③上升斜率增加導致電荷注入的速度增大；④緩慢的電壓上升為電荷復合提供了時間，實驗中測得的是凈電荷數量，并不代表實際的正負電荷數量。

綜上所述，雖然不同脈沖參數對材料內部空間電荷特性的影響已有相關研究，但是尚未形成統一合理的解釋。不同研究學者通過實驗得出相反結論，表明不同絕緣材料隨脈沖參數變化規律可能存在差異，還需進行大量實驗對不同參數、不同材料的空間電荷特性進行探究，才能得到較為普遍適用的總體規律以及個體差異，進而為絕緣材料的改進提供理論指導。

此外，大多數研究僅關注了不同脈沖參數下在方波電壓高電平和低電平電壓恒定階段的電荷穩態特性，缺乏脈沖邊沿時刻電荷的動態行為探究。相較于脈沖電壓下電荷穩態特性，在脈沖上升沿和下降沿時刻，電荷運動更為活躍。隨著脈沖斜率的增加，激發大量高能電子，電荷的動態行為加劇，會產生更多電荷并逐漸積累，同時釋放出更多的能量，對絕緣材料的微觀結構造成破壞。因此，脈沖邊沿處電荷的動態行為對絕緣的損傷更為嚴重。然而，專門針對上升和下降沿處空間電荷動態特性的研究較為缺乏，亟須探究相關特性并闡釋其內在機理。

3.2 表面電荷特性

西安交通大學丁曼探究了真空納秒脈沖下環氧復合材料表面電荷特性。表面電荷特性受電荷注入、二次電子發射、碰撞電離等多種因素的影響，當未發生閃絡時，由于脈沖電壓作用時間極短，此時碰撞電離效應強于電子吸附注入以及電荷中和效應，試樣表面呈現出正電位。碰撞電離引發強烈電子崩導致閃絡發生，閃絡電流使電子崩遺留的正電荷得到中和，并且由于吸附注入作用使閃絡后試樣表面積聚負電荷[45]。

天津大學杜伯學探究了不同脈沖頻率、上升時間、占空比對聚酰亞胺及環氧材料表面電荷特性的影響。脈沖頻率的增加會導致表面電荷密度增加，衰減速度變慢[46]。分析認為隨著頻率增加，兩個脈沖之間的時間間隔變小，后續脈沖施加之前剩余的離子密度會更高。因此，較高頻率下，表面積累的電荷將更多。不同脈沖上升時間和極性下環氧樹脂表面電荷積累特性如圖15 所示，由圖15 可見，脈沖電壓上升時間縮短，積累電荷密度增加，且不同極性下電荷積累量和消散速度也具有一定差異。上升時間縮短導致電荷入陷深度增加，不容易脫陷，從而使表面電荷的積累量增加，消散速度減慢，更易發生放電現象；正電荷的增量比負電荷的增量更顯著，而負電荷消散的速度比正電荷消散的速度快[47]。不同脈沖持續時間導致試樣表面充電時間不同，脈沖持續時間越長，充電時間越長，從而積累的電荷密度越高[48]。

圖15 不同脈沖上升時間和極性下環氧樹脂表面電荷積累特性Fig.15 Surface charge characteristic of epoxy under different pulsed rise time and polarity

中國科學院電工研究所孔飛同樣對脈沖電壓上升時間、占空比對環氧樹脂表面電荷特性的影響進行了探究。研究認為，上升時間縮短使位移電流增大，并且電子獲得的能量增加，使電子困在較深的陷阱中不易脫陷，從而導致積累的表面電荷密度增加，不同上升時間下環氧樹脂表面電動勢如圖16 所示。脈沖寬度增加意味著高電場作用的時間較長，電子和氣體分子之間的碰撞過程增強，因此放電電流的增加導致更多電荷積聚在試樣表面，降低了表面電位衰減的速率[49]。

圖16 不同上升時間下環氧樹脂表面電勢Fig.16 Surface potential of epoxy under different rise time

目前對不同脈沖參數下表面電荷積累和衰減特性均有相關研究。脈沖頻率增加、上升時間縮短、占空比增加都將使電荷積累量增加。另外，由于脈沖電壓作用導致絕緣發生閃絡時，在閃絡發生前后積聚的表面電荷極性也會發生改變。表面電荷極性發生改變的過程中必然伴隨著大量電荷的遷移、中和等現象，使電荷對絕緣表面電場的畸變作用更加嚴重，同時伴隨著能量的轉換，加速絕緣表面老化。但是，與空間電荷測量普遍采用的電聲脈沖法不同，表面電荷較為成熟的測量方法多為離線方式，不能在加壓過程中實時監測表面電荷的變化，從而導致無法獲知表面電荷在脈沖邊沿時刻的動態行為，并且所得實驗結果可能存在一定誤差。因此，應改進測量技術或探索新的測量方法，對不同脈沖參數下表面電荷實時動態變化特性進行更深入的探究。

4 脈沖邊沿時刻電荷動態特性

脈沖電壓具有較高的電壓變化速率，突變的電壓可能激發電荷產生獨特的運動行為，對絕緣造成破壞。總結前述研究成果，脈沖電壓下電氣絕緣易于失效的原因可歸納為以下幾種：①脈沖電場力加速電荷獲得動能，撞擊材料分子鏈，引發電離和產生電樹枝[29]；②脈沖電壓引發被捕獲電荷脫陷，如果脫陷時間小于材料的松弛時間，所釋放能量將導致化學鍵破壞而引發電樹枝[24]；③快速變化的電場產生較大磁場，增大電荷所受洛侖茲力，使電荷獲得更高能量，高能電子的碰撞加劇了對絕緣微觀結構的破壞，導致電樹枝起始和沿面閃絡發生[36]。目前對于電荷動態行為的分析主要是基于電樹枝、局部放電和擊穿等宏觀現象的推斷，尚缺乏脈沖時刻電荷動態行為的實測數據。為揭示脈沖電壓下絕緣早期失效機理，脈沖時刻電荷的動態行為研究是關鍵。

然而，受電荷測試技術重復頻率的限制，難以實現微秒級甚至納秒級的電荷快速重復測試，尚無法直接獲得在脈沖邊沿時刻的電荷動態行為，制約了脈沖電壓下絕緣特性研究的發展。為揭示脈沖邊沿時刻電氣絕緣空間電荷動態行為特性，作者所在課題組提出通過脈沖邊沿前后電荷分布對比的思路，間接推導脈沖時刻的電荷行為。研制脈沖觸發控制電路，使電荷測試時間與上升沿和下降沿精確匹配，測試得到上升、下降沿之前和之后電荷分布數據，通過對比獲知電荷運動行為機制。

觸發時間控制電路的原理如圖17 所示，其工作原理為，將功率放大器或納秒脈沖電源輸出的脈沖高壓經衰減器轉換成低壓脈沖信號，經過濾波、過零比較電路，并采取延時處理，得到與脈沖電壓同步的方波信號；然后通過變換器輸出固定個數的短方波信號，觸發高壓脈沖電源動作，保證既在一個方波脈沖電壓周期內測試多個時間點的空間電荷分布，又使電荷測試時間與方波上升、下降沿相匹配。

圖17 觸發時間控制電路原理Fig.17 Trigger control circuit principle diagram

實驗施加波形及測試脈沖匹配關系如圖18 所示。脈沖頻率為50Hz，上升、下降沿時間均為50μs。每個方波脈沖周期輸出59 個測試脈沖，平均分布在高低電平的各個階段，相鄰兩測試脈沖之間最小間隔為334μs。

圖18 方波邊沿處測試脈沖匹配示意圖Fig.18 Schematic of test pulse matching with squarewave voltage edges

由于方波上升、下降時間遠小于相鄰兩測試脈沖之間最小時間間隔，因而不能實現在上升、下降沿過程中多次測量電荷分布。考慮到上升、下降沿之后電荷可能處于瞬態變化的階段，而在電壓穩定階段電荷狀態變化相對緩慢，本實驗在測試過程中將主要脈沖測試時間間隔設置在上升、下降沿之前，而在緊鄰上升、下降沿之后立即測試尚未到達穩態的電荷分布。通過對比上升、下降沿之前與之后的電荷波形，推斷出上升、下降沿過程中電荷的動態行為。同時在方波電壓高低電平階段對電荷進行多次測量，獲得空間電荷在電壓穩定階段的特性。

下降沿前后電荷變化如圖19 所示，在脈沖上升、下降沿前后，電荷特性發生了較為反常的變化。電極界面處的電荷密度與電壓幅值成正比：界面電荷密度隨電壓幅值的增大而增大，隨電壓幅值的減小而減小。然而，在材料內部電荷密度卻與電壓幅值成反比：當電壓幅值增大時，內部空間電荷密度反而減??；電壓幅值減小時，內部空間電荷密度反而增大。在脈沖上升沿處同樣有此現象。

圖19 下降沿前后電荷變化Fig.19 Change of space charge before and after falling edge

肖特基注入以及跳躍電導理論通常被用于解釋空間電荷遷移現象。然而，以肖特基注入和跳躍電導過程計算的電荷遷移率較低，在微秒級別的上升、下降沿時間中無法完成遷移過程。因此，肖特基注入和跳躍電導理論不適用解釋脈沖邊沿時刻電荷運動行為。

本文基于脈沖電壓下電荷受力分析理論對該現象進行了解釋。固體電介質中的電荷受力較為復雜，為簡化分析可將電荷受力分為兩類：電場力和材料應力。電場力即電荷在所施加極化電壓作用下受到的力，將其余力（如電荷與電荷之間的庫侖力、材料本身對電荷的束縛力等）的合力統稱為材料應力，電荷受力示意圖如圖20 所示。在脈沖上升、下降沿處，電場突變導致電場力發生突變，而電荷的相對位置由于慣性不能在瞬間發生改變，因此材料應力基本保持不變。這導致電荷的受力平衡狀態被打破，引起電荷所受合外力急劇增大，由此引發電荷的入陷、脫陷和遷移等行為。

圖20 絕緣材料內部電荷受力示意圖Fig.20 Schematic of forces acting on the charge inside the insulation materials

目前對于脈沖電壓下固體絕緣材料中空間電荷的受力分析理論僅處于初步探索階段，上升、下降沿時刻電場力對電荷遷移率的影響機理以及定量關系尚不明確，有待進一步探究完善。未來有必要通過對不同脈沖電壓參數下電荷特性的實驗研究及定量計算，闡明上升沿斜率、脈沖頻率等波形參數對電荷行為的影響，以及電荷特性與電場工況之間關聯關系，從而提出削弱電荷積累、抑制電荷動態行為、加速電荷消散的控制策略，構建有利于在脈沖電壓下長期運行的絕緣材料設計方法?；陔姾商匦匝芯刻岢鰧γ}沖應用設計的指導方案是長遠的研究目標，將有力地提升高壓電力電子裝備可靠性。

5 結論

脈沖電壓下電力電子裝備絕緣易于發生早期失效，其中電荷特性及動態行為是重要誘因。本文綜合國內外研究文獻，論述了脈沖電壓下電氣絕緣特性與電荷之間關聯關系，對不同脈沖參數下空間電荷及表面電荷的研究現狀進行了總結，同時對脈沖邊沿處電荷的動態特性進行了分析。主要結論如下：

1）脈沖電壓下電樹枝、擊穿特性與空間電荷行為密切相關。電荷在脈沖電壓作用下加速注入材料內部與分子鏈發生碰撞，同時入陷的電荷在脈沖激勵下迅速脫陷釋放大量能量，損傷絕緣材料微觀結構，引發電樹枝和局部放電，最終造成絕緣擊穿。隨著脈沖頻率增加、上升時間縮短和占空比增加，材料內部積聚的空間電荷增多，電荷從電場中獲得的能量增加，高能電子的碰撞、入陷、脫陷等行為釋放更多的能量，加劇了對絕緣材料分子結構的破壞程度，促進電樹枝起始及生長。

2）脈沖電壓的作用對絕緣沿面閃絡和表面電荷特性造成影響。隨著脈沖頻率增加、上升時間縮短、占空比增加，積累的表面電荷密度增大，加大了放電初始電子產生的概率，從而使局部放電起始電壓和閃絡電壓大幅降低。急劇變化的電場感應出較強的磁場，增大電荷所受洛侖茲力，增強電荷之間的碰撞過程，使絕緣表面更易發生閃絡。目前表面電荷實時在線測量方法并不成熟，難以通過實驗得到不同脈沖參數下表面電荷的變化特性。因此，需研發脈沖電場下表面電荷的實時測量方法，以深入探究脈沖時刻表面電荷行為特性及誘發閃絡機理。

3）脈沖邊沿激發電荷狀態突變，通過脫陷釋放能量、高能電子撞擊和洛侖茲力等作用，加劇破壞絕緣結構，因此脈沖時刻電荷的動態行為研究尤為重要。但由于測試技術的限制，脈沖時刻電荷行為研究鮮有報道。作者提出對比脈沖邊沿前后電荷分布的方法，通過研發觸發時間控制電路，初步獲得了脈沖時刻電荷迅速遷移的實驗結果；通過受力不平衡理論，闡釋電荷運動行為機制。脈沖電壓下空間電荷動態行為特性研究尚處于起步階段，需要不斷提高測試技術水平，從實驗現象、物理規律和數值模擬等各方面深入探索，從根本上揭示脈沖電壓下絕緣早期失效機理。

4）隨著以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等寬禁帶半導體材料的發展，電力電子器件及裝備將向高電壓、大功率方向發展，開關器件的進步將產生更高頻率、更陡斜率的脈沖電壓，對電力電子絕緣系統設計提出嚴峻挑戰。未來有必要在揭示電荷行為特性及絕緣劣化機理的基礎上，通過分子調控和材料改性，提出抑制破壞絕緣電荷行為的優化策略，提高絕緣結構設計水平，以顯著提升高壓電力電子裝備運行可靠性。