基于空間電荷和脫陷電流的油紙絕緣界面電荷與陷阱特性

劉青，劉志國，馬博翔，焦宇陽，陳榮佳，馬運同，呂澤鵬

(1. 國網北京市電力公司電纜分公司，北京100031；2. 西安交通大學電氣工程學院，西安710049)

0 引言

目前，我國電力資源分布不均衡，這種分布特點決定了必須進行大規模的電力能源輸送[1 - 5]。近年來大量高壓電力設備投入運行，但因變壓器等電力設備絕緣性能發生變化而導致的事故時有發生[6 - 9]。在變壓器油紙絕緣的工作環境中由于存在強電場及油紙界面，使得油紙絕緣內部產生空間電荷積聚，造成局部電場畸變，加速絕緣老化，增加絕緣失效風險，嚴重影響變壓器的運行安全。以往研究表明絕緣材料老化會影響絕緣內部及絕緣界面的電荷積聚特性[10 - 11]。因此，利用變壓器油紙絕緣電荷輸運特性評估變壓器油紙老化狀態，對保障電力設備的運行安全具有重要意義[12 - 14]。目前空間電荷測量大多采用無損測量技術，根據測試原理可以將這些方法分為熱學法[15]、壓力波法[16]和電聲脈沖法[17 - 19](pulsed electro-accoustic, PEA)3大類。但空間電荷測量方法僅適用于薄片試樣，無法檢測復雜結構中的電荷積聚，難以在線監測真實設備中空間電荷隨老化和設備運行狀態的特性演變。極化/去極化電流法具有測試電路簡單、測試設備簡單便攜、電流信息豐富等優勢，受到研究人員關注并開始用于變壓器絕緣狀態的評估和診斷中[20 - 23]。以往大部分研究利用極化/去極化電流獲取絕緣材料的陷阱電荷的特性，目前仍然沒有研究建立起極化/去極化電流與空間電荷的關聯。因此本文嘗試利用極化/去極化電流獲取絕緣材料內部的電荷輸運特性，與空間電荷積聚特性建立聯系。利用型號分別為昆侖石油牌克拉瑪依25#變壓器油、Nynas10X變壓器油以及進口絕緣紙制作兩種試樣，根據試樣空間電荷特性提取界面勢壘參數，利用極化/去極化電流計算的脫陷電流獲取油紙絕緣中的陷阱特征參數，并發現了兩者的相關性。

1 實驗設計

1.1 試樣制備

絕緣紙選用厚度為0.25 mm的進口變壓器絕緣紙；變壓器油選用克拉瑪依昆侖25號油(記為K油)以及Nynas變壓器油(記為N油)。將進口絕緣紙(記為I紙)裁剪成半徑為60 mm的圓形紙板試樣后放入真空干燥箱干燥24 h，同時將變壓器油真空干燥24 h，以去除油紙和油中微水的影響。在油和油紙試樣分別烘干后，將絕緣紙與絕緣油按照1:10的質量比例放置在燒杯中靜置24 h。

將干燥后的絕緣紙以及變壓器油進行兩兩組合置于燒杯中，可以得到如表1所示的2種類型試樣。將試樣1記為I紙-K油，將試樣2記為I紙-N油。

表1 實驗樣品類型Tab.1 Experimental samples

1.2 實驗平臺搭建

1.2.1 油紙/油試樣空間電荷的測量

本文采用PEA法進行空間電荷的測量。但PEA法通常應用于單一均勻介質中。電荷測試平臺使用自制的PEA測量系統，該系統在傳統測量系統基礎上進行了改進，測試系統結構如圖1所示。主要改進之處有：1)下極板由平板狀改成一體化凹槽結構，將整塊鋁金屬板中心切割出圓形凹槽，以及容納變壓器油樣，便于測量油紙/油結構中的空間電荷；2)上、下電極處均增加循環油浴系統，實現上、下電極的溫度控制；3)采用型號為HTS 80-12-UF的高頻固態開關新制了電脈沖源，提高了電脈沖源的輸出幅值，并改善了輸出波形，輸出的電脈沖信號為8 ns脈寬的高斯特征分布，幅值0～2 000 V可調，油紙/油試樣放置方式如圖2所示放置在兩電極間，測量中將油紙放置于下電極鋁電極側，油隙放置于上電極半導電層側。

圖1 空間電荷測量系統Fig.1 Space charge measurement system

圖2 油紙-油試樣放置方式Fig.2 Oil paper-oil sample placement method

1.2.2 油紙/油試樣極化/去極化電流的測量

極化/去極化電流測試平臺的高壓源選用上海惠東電氣的HDG高壓試驗電源，測試儀器選用Keitheley公司的6517靜電計，本實驗采用三電極系統，電極設計參數如下：高壓電極半徑20 mm，測量電極外層的外徑為16 mm，內徑為13 mm，內層的半徑為10 mm。實驗所用絕緣油紙直徑60 mm，厚0.25 mm；聚酯膜外徑60 mm，內徑30 mm，厚0.15 mm；實驗時將絕緣紙、聚酯膜放置于高壓電極與測量電極之間，使絕緣紙放置于下電極一側、聚酯膜放置在絕緣紙上，在聚酯膜環內加入絕緣油形成油隙。實驗電路如圖3所示，測量極化電流時將高壓繼電器開關置于左半邊回路，測量去極化電流時置于右半邊回路。

圖3 極化/去極化電流測量系統Fig.3 Polarization/depolarization current measurement system

2 空間電荷結果與分析

利用空間電荷測試平臺對1.1節中制備的試樣在25 ℃下進行測試，得到+5.5 kV電壓下加壓、去壓階段各試樣體內空間電荷的動態分布以及不同電壓下各試樣體內空間電荷的穩態分布，分別如圖4—6所示。

圖4 +5.5 kV加壓階段兩種試樣中的空間電荷動態分布Fig.4 Dynamic distributions of space charge in two samples at the + 5.5 kV pressurization stage

由圖4可以看出，加壓階段下，兩種油紙組合的空間電荷分布規律基本相同，但不同試樣中油紙體電荷量和油紙/油界面電荷量均存在著明顯差異。隨著加壓時間的增長，油紙/油界面處積聚與油側電壓極性一致的電荷，油紙內部積聚紙側電極極性一致的電荷。加壓20 min后，各試樣中界面電荷密度基本達到平衡穩定狀態。兩種試樣體內的空間電荷在10 min后基本消散。

由圖5可以看出，去壓階段下，兩種油紙組合的界面電荷總體消散速率不存在顯著差異，界面電荷信號在10 min即完全衰減至背景噪聲級別。

圖5 +5.5 kV下去壓階段兩種試樣中的空間電荷動態分布Fig.5 Dynamic distribution of space charge in two samples at the +5.5 kV depressurization stage

由圖6可以看出，各試樣中空間電荷穩態分布規律基本一致。隨著外施電壓的增加，不同試樣中界面電荷和油紙體電荷極性不變而電荷量逐漸增加。界面電荷分布也呈現由界面處向油紙內部拓展的趨勢，這和界面電荷密度的增加以及更多的負電荷通過界面進入油紙內部有關。

圖6 不同電壓下兩種試樣中的空間電荷穩態分布Fig.6 Steady-state distribution of space charge in two samples under different voltages

圖7為+5.5 kV電壓下去壓階段不同油紙/油試樣中界面電荷處電荷量隨時間的變化曲線，前10 s內兩種組合的油紙/油試樣界面電荷消散速率具有明顯差異。在10 s前界面電荷消散較快，10 s后界面電荷消散速率隨著時間緩慢下降。I紙K油組合界面電荷量略少于I紙N油組合。

圖7 +5.5 kV去壓階段兩種試樣的界面電荷量Fig.7 Interface charge of two samples in +5.5 kV depressurization stage

文獻[24]提出了一種界面勢壘的計算方法，如式(1)—(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；Q(0)為起始時刻的電荷量；Q(t)為t時刻的電荷量；a為與時間無關的因數；tmin和tmax分別為電荷脫陷的起始和終止時刻；ν為電荷熱振動頻率；kB為玻爾茲曼常數；T為溫度；Δmin和Δmax分別為試樣界面勢壘最小、最大值。

對不同組合的試樣中油紙/油的界面勢壘進行了計算，結果見表2。從表中界面勢壘參數值可見，不同油紙/油試樣中界面勢壘最小、最大值存在差異，但差異不大。這是因為此種方法通過全時段的界面電荷量計算獲得界面勢壘的宏觀視在值，其能一定程度上反映I紙-N油具有更快的電荷消散速率，但不能反映兩者在前10 s內電荷消散速率的巨大差異。

表2 兩種試樣界面勢壘的計算值Tab.2 Calculation value of interface barrier of two samples

3 電流結果與分析

3.1 極化/去極化電流

對表1中制備的試樣施加5 kV的直流電壓進行極化/去極化電流(polarization/depolarization current, PDC)測試，并得到油紙/油試樣的極化/去極化電流曲線。將去極化電流取絕對值，并采用半對數坐標系繪圖。各試樣的極化/去極化電流曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，僅I紙-N油試樣的極化電流在10-9數量級，剩余極化和去極化電流均在10-10數量級。I紙-N油試樣的極化電流變化受油紙/油試樣體電荷輸運和界面電荷阻擋積聚兩個過程的共同作用。從圖4空間電荷分布的結果可以知，I紙-N油組合的試樣中，油紙側電極附近注入的同極性電荷量相較于I紙-K油組合的試樣中多，且注入速率更大；界面電荷也呈現同樣的規律，即I紙-N油組合中電荷量更大且積聚速率更快，呈現更加集中于界面的趨勢。因此，試樣內更多的體電荷和界面電荷的分布和較快的變化速率決定了I紙-N油組合的試樣中極化電流幅值高出一個數量級，同時電流下降速率更快。

兩種油紙組合試樣的去極化電流起始階段幅值均在10-10數量級，I紙-K油組合的去極化電流下降速度更快，這可能與電極附近體電荷的快速消散有關，也不同程度地受到界面電荷消散過程的影響。同時觀察到，前10 s內I紙-N油組合的去極化電流小于I紙-K油組合的去極化電流，但根據圖7中的結果，前10 s內I紙-N油組合界面電荷量下降更快，應產生更大的去極化電流，與圖8中的結果不相符，由此可見，僅利用去極化電流無法準確地反映界面電荷輸運規律。

圖8 各試樣的極化/去極化電流Fig.8 Polarization and depolarization current of each sample

3.2 脫陷電流

由于存在Poole-Frenkel 效應，在PDC測試的極化階段試樣施加的直流高壓會加大陷阱中電荷的脫陷概率[25]，因此極化電流中會含有陷阱電荷的脫陷電流成分。通過測量PDC，并提取出脫陷電流分量，可以進一步分析電介質中陷阱電荷密度及相應的陷阱深度信息。

由文獻[24]可知，脫陷電流的計算如式(4)—(5)所示。

Ide-trap=Ip(t)-Idp(t)-Ic

(4)

Ic=Ip(tfinal)-Idp(tfinal)

(5)

式中：Ide-trap為脫陷電流；Ip(t)為極化電流；Idp(t)為去極化電流；Ic為傳導電流；Ip(tfinal)為極化電流終值；Idp(tfinal)為去極化電流終值。

極化/去極化電流中均含有容性電流分量，但在脫陷電流的計算中，兩者的容性分量相互抵消。脫陷電流主要由阻性電流組成，可以更好地反映界面電荷輸運規律。

根據上式計算并繪制各試樣的脫陷電流曲線如圖9所示。

圖9 各試樣的脫陷電流Fig.9 The de-trapping current of each sample

一方面，試樣體內深陷阱越多，載流子被深陷阱捕獲的概率越大，在去極化過程中，載流子脫陷形成脫陷電流的速率就越小；另一方面，油紙/油界面介質不連續處存在勢壘，界面勢壘越高，電荷跨越界面并傳導至電極形成電流的速率就越小。深陷阱以及界面處勢壘的共同作用，當試樣體內深陷陷阱越多、界面勢壘越高時，脫陷電流就越小。

從圖9中可以看出，兩試樣脫陷電流的曲線數量級均在10-10～10-9；兩試樣的脫陷電流曲線均呈下降趨勢，曲線在100 s前下降速度快，100 s后下降速率放緩。脫陷電流是由被陷阱捕獲的電荷脫陷組成，而陷阱根據能級分布分為深陷阱與淺陷阱。曲線在100 s內下降速度快是因為去壓時淺陷阱中的電荷快速脫陷；曲線在100 s后下降速度放緩是因為大部分淺陷阱中的電荷已完成脫陷，此時脫陷電流主要由被深陷阱捕獲的電荷脫陷組成，深陷阱中的電荷脫陷速率隨陷阱深度的增加而下降。隨著去極化時間的增加，淺陷阱捕獲的電荷越來越少，未脫陷電荷大部分處于深陷阱，從而使脫陷電流曲線下降速率減緩。

從圖中可以看出I紙-K油組合脫陷電流的下降速率比I紙-N油組合更快，所以I紙-K油組合相較于I紙-N油組合存在更多的深陷阱。I紙-K油組合在其極化過程中進入深陷阱的電荷更多，脫陷電流更小。

4 陷阱特性分析

4.1 脫陷電流分階段線性擬合

由文獻[26]可知，絕緣介質中某能級的陷阱電荷脫陷行為導致的電流可以表示為：

(6)

式中：q為電子電荷量；d為試樣厚度；N0(Em)為陷阱能級為Em的陷阱的初始密度；τm為載流子在能級為Em的陷阱中的停留時間。故絕緣介質的總脫陷電流為：

(7)

對脫陷電流進行分段指數擬合[24]，假設絕緣介質中存在的陷阱能級數為n+1，則m=1,2,…。n+1即分段擬合的數目。根據式(3)，參數Am可表示為：

(8)

式中：N0(Em)為最深陷阱的初始密度；τm為載流子在最深陷阱中的停留時間。

對脫陷電流j取對數后，可以將其表示為：

(9)

式中Am和τm的乘積Amτm可以表征對應陷阱能級的陷阱電荷密度。

對脫陷電流曲線j(t)取對數后，得到的脫陷電流對數曲線在末尾段為一條直線。根據這一特性對脫陷電流進行分段指數曲線擬合，各試樣分段擬合結果分別如圖10所示。由圖10可以看出，兩曲線均可以用兩階段擬合，擬合的第一階段較為陡峭，第二階段較為平穩。

圖10 兩種試樣的分階段線性擬合直線Fig.10 Phased linear fitting line of two samples

4.2 陷阱特征參數的提取

根據式(9)提取兩試樣的脫陷電流曲線特征參數，得到試樣的特征參數A0τ0、A1τ1以及τ0、τ1，如表3所示。

表3 兩種試樣的陷阱特征參數Tab.3 The trap characteristic parameters of the two samples

由式(9)可知，Amτm表示相應陷阱能級的陷阱電荷密度；τm表示載流子在相應陷阱能級的停留時間，即在相同實驗條件下，τm可以作為表征陷阱能級相對深度的參數，載流子在陷阱中停留的時間越長，載流子脫陷概率越小，即陷阱越深。

因此，A0τ0和τ0分別表征較淺陷阱中的陷阱電荷密度與較淺陷阱能級的相對深度；A1τ1和τ1分別表征較深陷阱中的陷阱電荷密度與較深陷阱能級的相對深度。根據表3中的數據，可以得出以下結論。

淺陷阱方面，I紙-K油組合的τ0值小于I紙-N油組合，這說明I紙-K油組合的淺陷阱的相對深度更淺；I紙-K油組合的A0τ0值大于I紙-N油組合，這說明I紙-K油組合淺陷阱中的電荷密度大于I紙-N油組合。深陷阱方面，I紙-K油組合的τ1值遠大于I紙-N油組合，這說明I紙-K油組合的深陷阱的相對深度更深；I紙-K油組合的A1τ1值略大于I紙-N油組合，這說明I紙-K油組合深陷阱中的電荷密度略大于I紙-N油組合。

I紙-K油組合深陷阱的相對深度遠大于I紙-N油組合，且I紙-K油組合的深陷阱電荷密度大于I紙-N油組合，這與之前I紙-K油組合脫陷電流更小的結果相對應。

綜合油紙試樣的脫陷電流和空間電荷分布結果可以看出，從脫陷電流中提取的陷阱特征參數與空間電荷分布中提取的界面勢壘參數具有相關性，電荷在油紙試樣體內的輸運過程受到陷阱的影響，并在外電流中體現。因此可以利用測量試樣極化/去極化電流的方法提取脫陷電流，進而表征絕緣材料內部的陷阱密度與能級深度，同時對于存在多相界面的材料，也可以反映界面處電荷的陷阱狀態。該方法利用極化/去極化電流獲取脫陷電流，利用脫陷電流代替極化/去極化電流能夠有效減少容性電流帶來的誤差，更準確地建立與空間電荷和界面電荷的關聯。該方法在運行電氣設備(電纜、變壓器等)中絕緣電介質的老化狀態評估具有廣泛的應用潛力。

5 結論

本文制備兩種試樣并對其進行了PEA以及PDC測試，得到了各試樣不同狀態下的空間電荷分布以及脫陷電流曲線，并對各脫陷電流曲線進行了分階段線性擬合，獲得了兩種試樣的陷阱特征參數，可以得到以下結論。

1)相同條件下，I紙-K油組合相較于I紙-N油組合，界面勢壘值更高，界面電荷量更少，脫陷電流更小且下降速率更快。

2)相同條件下，I紙-K油組合相較I紙-N油組合，介質內陷阱深度更深，深陷阱密度更大，脫陷電流更小。

綜上所述，本文中制備的I紙-K油組合相較于I紙-N油組合的深陷阱具有更深的相對深度，其中存在更多凈電荷；同時，I紙-K油組合具有更高的界面勢壘值，根據界面勢壘與陷阱電荷密度間相關性可以推斷，具有更高界面勢壘值以及更高深陷阱電荷密度的油紙試樣組合脫陷電流更小。