交流電場下XLPE絕緣空間電荷研究綜述

陳廣輝，王安妮，李云強，王偉

（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.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；3.東平供電公司，山東東平 271509）

隨著我國經濟的快速發展，電力需求越來越大，對輸配電系統的可靠運行提出了更高的要求。在城市配電網中，考慮到環境美觀和供電安全，架空輸電線路逐漸被地下電纜取代。電纜主要有聚氯乙烯絕緣電纜、交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜和乙丙橡膠絕緣電纜，其中，XLPE電纜以其優異的性能而應用最廣[1]。XLPE電纜與傳統的油紙絕緣電纜相比，安裝敷設簡單，機械性能優良，耐酸堿腐蝕和耐高溫能力強，運行維護方便，已經取代了油紙絕緣電纜成為主要的輸送點設備[2]。

XLPE屬于聚合物，在電場和熱的應力作用下，會發生微觀結構的變化，產生陷阱，介質中的載流子被陷阱捕獲形成空間電荷，畸變原有電場分布，影響絕緣的介電性能和擊穿過程。陷阱將材料微觀特性及結構與材料的宏觀電氣性能相結合，國內外大量報道從空間電荷分布獲得介質內陷阱的分布信息，研究介質內的場強分布、老化破壞機理和擊穿特性。

電介質的擊穿與老化和空間電荷研究在電氣科學與工程“十一五”發展規劃的工程電介質學科戰略中分別被定位于六大發展方向之一，規劃指出，空間電荷是影響甚至制約核能、航天、航空、國防、超、特高壓輸電等近代科學技術發展的重大科學前沿問題。IEEE-DEIS（國際電介質與電氣絕緣分會）也指出空間電荷、表面電荷、界面電荷效應及其科學利用等基礎問題將是21世紀國際電介質與絕緣技術學科發展的前沿和熱點[3]。

研究交流電場下XLPE電纜絕緣的空間電荷分布特性對于預測XLPE電纜絕緣的早期劣化程度、完善XLPE電纜絕緣狀態評估與故障診斷理論、保障電纜正常運行具有重要的意義，這也是當前XLPE電纜絕緣診斷和狀態評估的重要研究方向。

1 交流電場下基于空間電荷效應的XLPE絕緣老化

1.1 交流電場下場強、頻率、溫度對XLPE絕緣空間電荷積累的影響

國內外開展了大量關于固體絕緣中空間電荷分布的研究，大多數研究是基于直流電場下的，關于50 Hz工頻交流電場下的空間電荷分布特性及其對介質擊穿影響的研究很少。文獻[4-9]指出，聚乙烯材料在40 kV/mm及50 Hz交流高場強下經過7 h，10 d，2個月極化后觀測到了空間電荷，交流電場下空間電荷量比直流電場下的空間電荷量至少低一個數量級[4]，文獻[10]指出交流電場下空間電荷積累的頻率閾值為0.1 Hz數量級。文獻[11]指出交流電場下空間電荷效應可以導致絕緣劣化，包括局部能量存儲直接引發絕緣劣化，交流電場下電機械應力導致機械疲勞和微孔中的熱電子發射和電子崩間接造成絕緣劣化。

空間電荷能導致局部能量的釋放，并降低各類熱化學反應發生的能量勢壘，加速絕緣老化，空間電荷效應是交流電場下聚合物絕緣電老化的主要因素之一[12-13]。文獻[14]研究了1 Hz到50 Hz的電致發光現象和空間電荷分布，表明XLPE絕緣在較低頻率下會貯存更多的空間電荷，因此，比工頻低很多的高壓設備絕緣性能診斷試驗可能危害設備的絕緣。文獻[17]明確指出由于大多數的XLPE高壓電纜運行在交流工況下，所以有必要研究交流電場下絕緣介質中的空間電荷分布及其動態特性。

G.C.Montanari等人研究了用PEA法分別測試環境溫度20℃時，交流和直流電場下0.15 mm厚的XLPE薄膜中的空間電荷分布，指出交流下空間電荷積累的閾值場強有效值約是20 kV/mm，直流下空間電荷積累的閾值場強約是15 kV/mm[15]。

Tatsuo Takada等人用PEA法測量了0.5 mm厚的XLPE薄膜在-20 kV直流電壓1 min內的空間電荷分布，和20 kV交流峰值電壓80 min內的空間電荷分布，通過短間隔測試空間電荷分布觀測了直流電場下異極性空間電荷的產生及其積累過程，還觀測了0.000 2 Hz和50 Hz交流電場下的空間電荷分布。研究發現：50 Hz下幾乎觀測不到空間電荷分布；0.000 2 Hz下，在相位45°時，異極性空間電荷開始出現；在90°和270°附近，異極性空間電荷量最大；180°電壓極性反轉時，空間電荷重新分布。直流下的空間電荷分布既反映淺陷阱的分布信息，又反映深陷阱的分布信息，而交流下的空間電荷分布主要反映深陷阱的分布情況[16]。

Y.L.Chong，Y.Tanaka等人用PEA法研究了交流電場下0.22 mm厚的經過脫氣處理的和未經過脫氣處理的XLPE薄膜在直流電場和1 Hz，10 Hz，50 Hz交流電場下的空間電荷分布。交流電場極化后的XLPE短路空間電荷分布，主要是地電極附近的正極性空間電荷，在高壓電極附近存在少量負極性空間電荷，在兩電荷分布區域之間存在異極性空間電荷，可能由慢的遷移率引起。對比不同頻率下的空間電荷分布發現：未經脫氣處理的空間電荷測試結果為Q1Hz>Q10Hz>Q50Hz；而經脫氣處理的XLPE中的空間電荷測試結果為Q1Hz>Q50Hz>Q10Hz。其中，Q1Hz是頻率為1 Hz交流電場下的空間電荷量；Q10Hz是頻率為10 Hz交流電場下的空間電荷量；Q50Hz是頻率為50 Hz交流電場下的空間電荷量[17]。

J.Zhao，G.Chen等人采用PEA法研究了交流電場下聚乙烯中的空間電荷行為，試驗中通過高頻高壓脈沖和數學處理方法研究了空間電荷分布的相位特性，觀測了不同交流極化時間下加壓、撤壓以及短路衰減過程中的空間電荷分布[18]。

Massum Fukuma等人基于PEA法研究了針板電極系統下環氧樹脂在交流不均勻電場下空間電荷分布的相位特性，發現低頻下針電極注入的電荷在板電極附近積累，當交流電壓極性反轉時，針板電極附近殘留的載流子形成的異極性空間電荷可能對電樹枝引發產生影響[19]。這為交流電場下XLPE電纜絕緣中空間電荷分布對電樹枝起始場強影響的研究提供了參考。

P.Notingher Ji，L.Martinotto等人用熱脈沖法研究了交流電場在溫度45℃和90℃下XLPE，VLDPE，PP及PE/PP中的空間電荷積累。研究發現，交流和直流電場下，空間電荷分布特性并不是隨著溫度呈現單調變化趨勢，都在60℃時空間電荷量達到最大，而且 Q60℃>Q90℃>Q45℃。其中，Q45℃是 45 ℃時交流電場下的空間電荷量；Q60℃是60℃時交流電場下的空間電荷量；Q90℃是90℃時交流電場下的空間電荷量[10]。

此外，電力設備運行中的溫升現象嚴重影響絕緣的使用壽命，高溫下的空間電荷測量已經引起關注。但是，溫度改變時，聚合物材料的聲阻抗、Young模量、密度、聲波在其中傳播的速度發生變化。而且，溫度升高時，質點間碰撞幾率增大，聲波在介質中傳播時與熱聲子(即晶格振動)、電子、點缺陷、位錯等相互作用增強，使得介質的衰減和色散加劇，引起聲衰減[20]，無法準確測量出介質中的空間電荷特性，所以，進行不同溫度下的空間電荷測量波形的恢復具有重要意義。

1.2 交流電場下空間電荷分布與XLPE絕緣老化關系研究

隨著電場作用時間的增加，空間電荷表現出動態特性，存在電荷峰的分離和疊加。尹毅、肖登明等人研究了空間電荷分布等與交流老化程度之間的關系,發現在電老化過程中空間電荷的分布發生變化,出現正負電荷峰的分離和疊加，而且試樣在加壓過程中和短路過程中的空間電荷總量都近似地隨老化時間呈線性增長[21]。

K.Murata，Y.Tanaka和 T.Takada用 PEA 法研究了20 kV直流和峰值20 kV低頻交流電壓下厚0.5 mm的XLPE絕緣中的空間電荷分布，研究發現，交流電場極化1 min內幾乎測不到空間電荷，交流電場極化時間不到1 min時，可以忽略XLPE絕緣中的空間電荷效應[22]。

K.Suzuki，Y.Tanaka，T.Takada等人開展了老化的XLPE電纜本體中空間電荷分布與水樹枝定位關系的研究，發現空間電荷測試和水樹枝引發的位置基本一致，由此可以通過測試空間電荷分布診斷并定位老化電纜中的水樹枝[23]。

A.Tzimas，L.A.Dissado等人對交流耐壓試驗前后經過老化和未經老化的XLPE電纜本體進行空間電荷特性的切片測試，以便探索交流耐壓試驗前后電纜絕緣特性是否變化。研究發現，在高壓電極附近出現同極性雙電荷峰可作為絕緣發生老化的標志[24]。

聚合物老化現象的本質是材料結構的變化，空間電荷對聚合物的老化和擊穿的研究主要集中在空間電荷對電樹枝的影響上,歸納起來有4種主要理論：電荷的注入和抽出理論[25]、熱電子理論[26]、光降解理論[27]和空間電荷效應理論[28]。空間電荷對聚合物老化和擊穿的影響，以往的解釋模型大都是以電荷的注入導致電介質中的局部電場增強引起擊穿和電子注入直接使聚合物大分子鏈的斷裂為出發點。隨著空間電荷研究的深入，最近相關研究指出：極化能量的一個重要組成是和場致機械應力相關的，頻繁的脫陷可能會釋放能量，傳播和擾動的機械脈沖可能導致缺陷的發展，陷阱電荷周圍復雜的機械應力導致缺陷的形成并產生老化[28-33]。

1.3 交流電場下測量固體介質中空間電荷的PEA法

電聲脈沖法（PEA）由日本國武藏工業大學的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。目前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[34]。

S.S.Bamji提出了測交流電壓下PE類絕緣材料空間電荷分布的電聲脈沖法（PEA法）。該方法的核心是通過軟件控制在交流高壓電源特定相位施加高壓脈沖，由此實現交流電壓不同相位下的空間電荷分布特性研究[35-36]。

2 結論

1）研究交流電場和直流電場下的空間電荷分布特性，并定量分析2種電場下深陷阱和淺陷阱的分布情況，從微觀角度對比交流電場和直流電場對XLPE絕緣造成的影響，可以作為從空間電荷效應角度研究XLPE電纜絕緣老化微觀現象的一個方向。

2）確定交流電場下空間電荷分布的頻率和溫度特性，是目前國內外空間電荷分布特性研究的熱點。

3）研究交流耐壓試驗前后XLPE電纜絕緣中的空間電荷分布特性，可以用于評估耐壓試驗對絕緣的損害程度。

[1] 龔方紅，俞強，李錦春，等.LDPE交聯物結構的研究[J].高分子材料科學與工程，2000，16（2）：140-144.GONG Fang-hong，YU Qiang，LI Jin-chun，et al.Study on structure of crosslinked ldpe[J].Polymeric Materials Science&Engineering，2000，16（2）:140-144（inChinese）.

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

[3] 周遠翔，聶瓊，王云杉.從“十一五”電氣學科發展戰略規劃看絕緣材料與技術的發展[C]//2007年全國絕緣材料與絕緣技術專題研討會，南京，2007.

[4]MONTANARI G C，MAZZANTI G，BONI E，et al.investigating AC space charge accumulation in polymers by pea measurements:2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena[C].Victoria，BC：2000 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2000.

[5]NOTINGHER J R，TOUREILLE A，SANTANA J，et al.Space charge in AC-poled xlpe for hv cables:Proceedings Jicable’99.5th International Conference on Insulated Power Cables，June 20-24，1999[C].Versailles:1999 IEEE Jicable’99.5th International Conference on Insulated Power Cables，1999.

[6]ABOU DAKKA M,BULINSKI A T，BAMJI S S.Space charge distribution measurements in XLPE and EPR subjectedtoauniformDCfield：Proceedings10thInternational Symposium on Electrets[J].Athens:1999 IEEE International Symposium on Electrets，1999.

[7]NOTINGHER J R，TOUREILLE A，SANTANA J L，et al.Study of space charge accumulation in polyolefins submitted to ac stress[J].IEEE Transactions on Dielectrcs and Electrical Insulation.2001，8（6）:972-984.

[8]MAZZANTI G，MONTANARI G C，DISSADO L.A spacecharge life model for ac electrical aging of polymers[J].IEEE Transactions on Dielectrcs and Electrical Insulation.1999，6（6）:864-875.

[9]GRESSUS C LE，BLAISE G.Breakdown phenomena related to trapping/detrapping processes in wide band gap insulators[J].IEEE Transactions on Dielectrcs and Electrical Insulation.1992，27（3）:472-481.

[10]DISSADO L，MAZZANTI G，MONTANARI G C.The role of trapped space charges in the electrical aging of insulating materials[J].IEEE Transactions on Dielectrcs and Electrical Insulation，1997，4（5）：496-506.

[11]FUJITA A，BAMJI S S，ABOU-DAKKA M，et al.Electroluminescenceand spacechargedistribution in XLPE subjected to ac fields at various frequencies：2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.October 14-17，2007[C].Vancouver,BC:2007 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,2007.

[12]LE GRESSUS C，BLAISE G.Breakdown phenomena related to trapping/detrapping processes in wide band gap insulators[J].IEEE Trans.Electr.Insul.，1992，27（3）：472-481.

[13]DISSADO L，MAZZANTI G，MONTANARI G C.The role of trapped space charges in the electrical aging of insulating materials[J].IEEE Trans.Diel.&Electr.Insul.,1997（4）：496-506.

[14]CHONG Y L，MIYAKE H，TANAKA Y，et al.Space charge in polyethylene under ac electric stress using the pulsed electroacoustic method:2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.October 17-20，2004[C].Colorado：2004 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2004.

[15]ZHAO J，XU Z，CHEN G，et al.Space charge behavior in polyethylene under ac electric fields:2011 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,October 16-19，2011[C].Cancun:2011 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2011.

[16]MASUMI FUKUMA，TORU TAKAO.Phase characteristics of space charge signal under ac non-uniform electric field in peamethod:2011 AnnualReportConferenceon Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.October 16-19，2011[C].Cancun:2011 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2011.

[17]陳曦，王霞，吳鍇，等，溫度梯度場對電聲脈沖法空間電荷測量波形的影響[J].物理學報，2010，59（10）：7327-7332.CHEN Xi，WANG Xia，WU Kai，et al.Effect of temperature gradient on space charge waveform in pulsed electroacoustic method[J].Acta Physica Sinica.2010，59（10）:7327-7332（in Chinese）.

[18]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 insulating polymer[J].Proceedings of the CSEE.2002，22（1）:43-48（in Chinese）.

[19]MURATA K，TANAKA Y,TAKADA T.space charge formation in xlpe with low frequency AC voltage:1995 international symposium on electrical insulating materials,september 17-20，1995[C].Tokyo:1995 IEEE International Symposium on Electrical Insulating Materials.

[20]SUZUKI K，TANAKA Y，TAKADA T.Correlation between space charge distribution and water-tree location in aged XLPE cable[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.2001，8（1）:78-81.

[21]TZIMAS A，FU M，DISSADOL L A，et al.Space charge characterization of xlpe peelings with a cable prehistory:2007 International Conference on Solid Dielectrics，July 8-13 2007[C].Winchester:2007 IEEE International Conference on Solid Dielectrics，2007.

[22]TANAKA T，GREENWORD A.Effects of charge injection and extraction on tree initiation in polyethylene[J].IEEE IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1978，P975（5）:1749-1757.

[23]SUZUKI K.， TANAKA Y.， TAKADA T..Correlation Between Space ChargeDistribution and Water-tree Location in Aged XLPE Cable[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，18（1）：30-37.[24]BAMJI S S，BLULINSKE A T，DENSLEY R J.Degration of polymeric insulation due to photoemission caused by high electric fields[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.1989，24（1）:91-98.

[25]TANAKA T，GREENWORD A.Effects of charge injection and extraction on tree initiation in polyethylene[J].IEEE Trans Pow Appr Sys，1978，PAS-97（5）：1749-1757.

[26]屠德民，闞林.高氏聚合物擊穿理論的驗證及其在電纜上的應用[J].西安交通大學學報，1989，23（2）：17-24.TU De-min，KAN Lin.Verification and application of kao s theory of polymer dielectric breakdown[J].Journal of Xi an Jiaotong University，1989，23（2）：17-24（in Chinese）.

[27]LI Zi-yu，LIU Rong-sheng，WANG Hui-ming，et al.Space charge and initiation of electrical trees[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation 1989，24（1）：83-89.

[28]DAMAMME G，LE GRESSUS C，DE REGGIA S.Space charge characterization for the 21th century[J].IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulation，1997，4（5）:558-583.

[29]DISSADO L A，MAZZANTI G，MONTANARI G C.The role of trapped space charge in the electrical aging of insulating materials[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4（5）:496-506.

[30]LIU Z Y，LIU R S，WANG H M.Space charge and initiation of electrical trees：Conf Rec 1985 Inter Conf Pro Appl Diel Mater[C].Xi’an：Jiaotong University Press，1985.

[31]DAMAMME G，LE GRESSUS C，DE REGGIA S.Space charge characterization for the 21thcentury[J].IEEE Trans Elect Insul，1997，4（5）：558-583.

[32]BLAISE G，LE GRESSUS C.Mise on evidence d’un claquage des isolants associes a Destabilization d’une charge d’espace localise[J].C R Acad Sci，1992，（314）:1017-1024.

[33]DISSADO L A，MAZZANTI G，MONTANARI G C.The role of trapped space charge in the electrical aging of insulating materials[J].IEEE Trans Elect Insul，1997，4（5）：496-506.

[34]高田達雄.電聲脈沖法測量空間電荷的原理與方法[M].東京：日本國武藏工業大學出版社，1994.

[35]陳廣輝.交流電壓下基于空間電荷效應的XLPE電纜絕緣老化研究現狀[J].電網與清潔能源，2011，27（11）：5-8.CHEN Guang-hui.Research on aging of XLPE cable insulation based on space charge effectunderAC voltage[J].Power System and Clean Energy，2011，27（11）：5-8（in Chinese）.

[36]BAMJI S S，DAKKA M A，BLINSKIN A.Phase resolved PEA technique to measure space charge distribution in Polymeric Insulation.Electrical Insulation：Conference Record of the 2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation[C].Ottawa:2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation Materials，2006.