空間電荷與直流電導聯合測試技術用于納米MgO抑制XLPE中空間電荷的研究

鄭 煜 吳建東 王俏華 王雅群 尹 毅,2

（1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240

2.上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室 上海 200240）

1 引言

交聯聚乙烯（XLPE）由于其優良的機械、熱和介電等性能，在電氣絕緣領域的應用日益廣泛。然而交聯聚乙烯絕緣在直流高壓作用下將產生空間電荷，引起絕緣內部電場嚴重畸變，尤其在極性反轉時，這種現象更為明顯[1]。文獻[2，3]的結果表明，納米 MgO能夠在強場下抑制空間電荷的形成，而文獻[4]則表明即使在較低電場下，納米 MgO也能夠有效改善空間電荷的分布。然而目前對于納米MgO改善聚乙烯的空間電荷分布的機理尚無確定的解釋。T. Takada計算了由納米MgO/XLPE復合介質中納米MgO形成的陷阱能級較深，納米MgO俘獲的電荷無法自由移動，從而抑制了空間電荷的形成。按照T. Takada的觀點，隨著電場的升高，從電極向復合介質中注入的空間電荷必將被 MgO形成的深陷阱所俘獲，從而在電極附近形成大量的同極性空間電荷。然而文獻[2]的實驗結果表明，即使電場達到 200kV/mm，也沒有在試樣中觀察到明顯的同極性空間電荷，因此單純從納米 MgO形成深陷阱無法合理地解釋其改善復合介質空間電荷分布的實驗現象。

為了研究納米氧化鎂/聚乙烯復合介質中的空間電荷的形成機理，有必要探討納米氧化鎂與聚乙烯復合介質在不同電場下的空間電荷分布，分析空間電荷注入閾值電場?？臻g電荷注入閾值電場可以通過多種方法獲得。如采用電聲脈沖法測量材料在不同電場下的空間電荷分布，根據空間電荷的性質分析其注入的閾值電場。然而材料中的空間電荷的來源復雜，既可能是通過電極注入的電荷，也可能是雜質通過場助熱解離形成異極性空間電荷。限于目前空間電荷測量技術的空間分辨率，只能獲得材料某一物理位置處空間電荷的凈含量，也即對加壓過程中注入的空間電荷和雜質離子遷移的空間電荷無法從量上準確區分。因此需要采用空間電荷與直流電導聯合測量的技術，通過測量介質材料在不同電場下的電導電流和空間電荷分布行為確定空間電荷閾值電場。

本文采用直流電導和空間電荷同時測量，在室溫下，測量了XLPE與納米MgO/XLPE復合介質在不同電場強度下的電導電流和空間電荷分布，研究MgO納米粉末對復合介質在強電場下的電導和空間電荷注入閾值的影響，并討論了納米 MgO抑制XLPE中空間電荷的機理。

2 實驗方法

2.1 試樣制備

XLPE材料制備過程中采用交聯劑過氧化二異丙苯（DCP，2.3wt%）和抗氧劑300（0.1wt%），在175℃溫度下，DCP分解并使LDPE交聯生成XLPE。其中，基礎材料采用上海石油化工股份有限公司生產的低密度聚乙烯（LDPE），型號為 DJ200。納米MgO粉末由南京海泰納米材料有限公司提供，其平均粒徑為 70nm。采用開式混煉機制備納米MgO/XLPE復合材料，將納米MgO混入聚乙烯后，再利用平板硫化機將試樣壓成厚度約為 130μm 的薄膜。測試前，為了去除XLPE及復合介質在交聯過程中交聯副產物對空間電荷和電導的影響，所有樣品都經過1h脫氣短路處理。具體方法為將試樣用金屬電極將兩表面短路后，分別在真空烘箱（真空度 10-1Pa）中 80℃下脫氣 1h，然后以 0.1K/min速率勻速降到室溫。為保證試樣與電極之間的良好接觸,采用北京中科科儀技術發展有限責任公司生產的SBC212型離子濺射儀，分別在試樣的兩個表面鍍金處理。

2.2 分散效果研究

將共混得到的復合介質在液氮中進行脆斷并在斷面上濺射上金電極，采用掃描電子顯微鏡（SEM，由JEOL公司生產的型號為JEM-4701，加速電壓為5kV）對斷面進行觀察發現，納米氧化鎂顆粒能均勻地分散在交聯聚乙烯中。圖 1所示為摻雜濃度2wt%的納米MgO/XLPE 復合介質的分散效果圖。

圖1 2wt%納米MgO/XLPE復合介質分散效果圖Fig.1 The SEM image of 2wt% nano-MgO/XLPE composites

2.3 強場電導和空間電荷聯合測量

圖2所示為直流電導/空間電荷聯合測試用四電極系統的示意圖。J.Alison在文獻[5]中描述了一種直流電導與空間電荷同時測量的裝置，與此裝置不同的是，本文中使用的裝置，用于空間電荷測量的電脈沖仍然通過上電極耦合到試樣上，這樣做的優點在于電流測量極與電脈沖耦合電極是獨立的，減少了電脈沖對電導測量的干擾。圖中各部件的說明如下：①低壓電極，材質為鋁；②環形電流測量極，材質為鋁；③電流測量用保護極，材質為鋁；④壓電傳感器；⑤加熱和液氮導流板，材質為鋁；⑥聲波耦合材料，有機玻璃等；⑦信號衰減層，材質軟質橡膠等材質；⑧絕緣套筒；⑨金屬套筒，材質為鋁；⑩下蓋板，材質為鋁等；被測樣品；上電極，用于高壓和脈沖耦合；絕緣隔件，用于隔離空間電荷測試電極、電流測量電極與保護極?？臻g電荷測試采用電聲脈沖法，原理參見文獻[6-8]。為了減少空間電荷測量中聲波信號的反射，采用半導電材料作為上電極，置于高壓電極（如圖2中部件12）與試樣之間，直徑與高壓電極相同，這樣可以保證空間電荷與直流電導測試具有相同的電極接觸性質。半導電電極材料的制備采用開式混煉機，以EVA（乙烯與醋酸乙烯的共聚物）作為基礎材料，與炭黑摻雜制成半導電材料，炭黑含量為30.0wt%。直流電導的測量采用了 Keithley 6517A型高阻計（最小理論測量精度0.75×10-15A）。在室溫下，測量各試樣在1、3、5、10、20、30、60kV/mm電場下加壓1min時的電流值以及空間電荷分布。

圖2 直流電導/空間電荷聯合測試用四電極系統示意圖Fig.2 Diagram of four-electrode system for dc conduction and space charge joint testing

3 實驗結果與討論

XLPE與納米MgO/XLPE在不同電場下的電流密度如圖3所示。在低于10kV/mm的電場下，XLPE與納米 MgO/XLPE的電流密度與外加的電場強度近似成正比，即XLPE與納米MgO/XLPE的電導特性遵循歐姆定律。當電場高于10kV/mm時，電流密度不再與電場強度成正比關系，此時電導曲線的斜率大于1。當電場高于20kV/mm時，電流密度與電場強度的非線性關系變得更加明顯。

圖3 試樣在不同電場下的電流密度Fig.3 Diagram of current density in the samples under different electric fields

為研究XLPE與納米MgO/XLPE復合介質在高電場下的電導機理，將XLPE與MgO/XLPE復合介質的電流密度與外加電場的關系用lgJ～lgE曲線表示，如圖4所示。在雙對數坐標下，求取高場區域的曲線的斜率，各摻雜濃度下的斜率見表1。

圖4 試樣的電導特性（箭頭表示各自空間電荷注入閾值）Fig.4 DC conduction properties of the samples (the space charge injection threshold are marked with arrows,respectively)

表1 各試樣在雙對數坐標系電導特性的斜率Tab.1 The slopes of high field conduction in the samples in lg-lg coordinate system

空間電荷限制電流（SCLC）由固體電介質中的空間電荷引起[9-11]，當所有的陷阱參與電導過程時，電導電流的計算公式如下：

式中，js為電流密度；εr為相對介電常數；ε0為真空介電常數；μ為載流子遷移率；U為外施電壓；d為試樣厚度。對上式的兩邊取對數，可得

從式（2）可以看出，對于空間電荷限制電流模型來講，電流密度和外施電壓在雙對數坐標下呈線性關系，斜率為2.0。

由表 1可知，在高電場區域，XLPE與納米MgO/XLPE復合介質的斜率均明顯大于 2.0，這說明本文研究的納米復合材料在高場下的電導機理不是單純的空間電荷限制電流（SCLC），而可能由SCLC、Schottky效應、Poole-Frenkel效應以及離子跳躍電導共同作用決定的[12,13]。由于在制備和處理樣品時，殘留了一定濃度的雜質離子，并且由于納米MgO粒子的添加，在MgO粒子與XLPE之間的界面形成了大量的陷阱，增加了復合材料中陷阱的濃度，從而使XLPE與納米MgO/XLPE復合介質在高電場下的電導機理發生了變化，偏離空間電荷限制電流。

在雙對數坐標下，將XLPE與納米MgO/XLPE復合介質在低電場與高電場下的電流密度與電場關系進行線性擬合，則兩條直線的交點對應于空間電荷的注入閾值[14,15]，兩線的交點在圖4中用箭頭表明，并給出交點的值（lgE）。經過計算得到的電場強度閾值列于表2。從表 2中可以看出，添加納米MgO粉末可以提高復合介質的空間電荷注入閾值，摻雜濃度為2.0wt%的納米MgO/XLPE比XLPE的閾值提高了30.69%。

表2 XLPE與納米MgO/XLPE復合介質的空間電荷注入的電場強度閾值Tab.2 The thresholds for space charge injection in the samples

由于空間電荷注入閾值與電老化閾值非常接近[14]，因此，在XLPE中添加納米MgO粉末能顯著提高這個閾值的現象對于設計更為安全可靠、壽命更長的絕緣系統來說是十分有意義的。它能作為一個非常合理有用的設計參考標準。此外，經研究發現，電極與試樣間接觸表面的粗糙程度對閾值的影響不大[15]。相反，交聯副產物、雜質離子、試樣處理方法等會對閾值產生較大的影響[16,17]。

在低于空間電荷注入閾值的電場下，XLPE及其與納米 MgO的復合介質的電導電流密度與摻雜濃度的關系如圖5所示。納米復合介質的電導電流密度隨著摻雜濃度的增加，先減小后增大。納米MgO/XLPE復合介質中出現這種現象的原因，可能是由于添加少量的納米 MgO粒子與 XLPE的分子鏈產生相互作用，在 MgO與 XLPE分子鏈的界面上形成了能級較深的陷阱，從而使復合介質的電導電流密度降低[2]。隨著MgO摻雜濃度的提高，引入的雜質離子的濃度也增大，從而使復合介質內的載流子濃度增加，導致復合介質的電導電流密度又隨摻雜濃度的增加而增加。

圖5 在低于空間電荷注入電場強度閾值的電場下，各試樣電導電流密度隨摻雜濃度變化的曲線Fig.5 Diagram of conduction current density in the samples below the injection thresholds

圖6所示分別是XLPE和納米MgO/XLPE復合介質經過脫氣1h后在不同直流電場下預壓1min時的空間電荷分布圖。從圖中可以發現，XLPE和納米 MgO/XLPE復合介質試樣電極兩端的電荷峰值隨著電場的增加而增高，同時隨著濃度的增加，在陽極附近試樣中異極性空間電荷在逐漸減少。作為添加物，納米 MgO的加入將導致復合介質中的雜質離子增加，因此隨著濃度的增加，異極性空間電荷的量應該增加。但是實驗的結果與假設的相反，說明納米 MgO的加入，不僅提高了同極性空間電荷的注入閾值，同時納米 MgO的加入，提高了束縛雜質離子的缺陷的能級，限制了雜質離子在介質中的遷移。另外從圖中還可以發現，含不同濃度納米 MgO的復合介質中空間電荷分布的區域范圍不同，純聚乙烯中空間電荷主要分布在電極附近，而納米 MgO復合介質中的空間電荷則在試樣的整個區域內，從電場畸變程度來看，這種在整個區域內的均勻分布引起電場畸變的程度小于純聚乙烯的。

圖6 各試樣復合介質在不同電場強度下的空間電荷分布Fig.6 Space charge in the samples under different electric fields

圖7所示為各種樣品在60kV/mm直流電場預壓1h后短路過程中的空間電荷隨時間的衰減曲線。從圖中可以發現，納米 MgO的添加減少了復合介質中的空間電荷。隨著衰減時間的增加，空間電荷也在逐漸衰減，然而從圖中可以發現，純XLPE的空間電荷衰減速率是高于復合介質的，也即納米MgO的加入，增加了束縛空間電荷的能力。另外，從試樣陰極附近的空間電荷可以發現，電荷的極性為負，意味著此種電荷是注入電荷。而從注入電荷的量來看，純XLPE試樣中的最大，并且隨著納米MgO的增加，注入空間電荷量在逐漸減小。說明納米 MgO的添加，提高了空間電荷注入閾值，與前面高場電導分析的結果一致。從試驗數據來看，可以進一步定性地認為納米MgO的添加提高了電子注入的閾值。

圖7 各試樣在不同短路時間下的空間電荷分布Fig.7 Space charge in the samples at different short-circuiting time

4 結論

（1）向XLPE中添加納米MgO粉末能顯著地提高電子注入的電場強度閾值。

（2）在室溫下，XLPE及納米 MgO/XLPE復合材料在高場下的電導機理不是單純的空間電荷限制電流（SCLC）。

（3）在低于空間電荷注入閾值的電場強度下，納米 MgO/XLPE復合介質的電導電流隨濃度表現先減小后增大的現象。

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