電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-直流電纜中的空間電荷和抑制問題(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　直流電纜中的空間電荷和抑制問題</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)

2、化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　直流電纜中的空間電荷和抑制問題</p>&l

3、t;p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流輸電技術(shù)由于其在穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，成為目前電氣工程領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。高壓直流塑料電纜是直流輸電的關(guān)鍵設(shè)備之一，相對(duì)于油紙絕緣直流電纜，具有體積小、輸送容量高和免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，因此研究和開發(fā)絕緣直流電纜對(duì)直流輸電至關(guān)重要。然而在電纜絕緣中，由于空間電荷分布不均勻會(huì)造成電纜絕緣內(nèi)電場(chǎng)畸變影響其絕緣強(qiáng)度以及加速絕緣的老化，

4、因此研制直流電纜絕緣的關(guān)鍵問題是解決絕緣內(nèi)空間電荷積聚的問題。</p><p>　　我綜述的是采用電聲脈沖法（PEA）研究聚乙烯及其復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布發(fā)現(xiàn)：聚乙烯生產(chǎn)工藝的不同，造成了其內(nèi)部空間電荷分布的差異。復(fù)合介質(zhì)的結(jié)晶行為影響其內(nèi)部空間電荷分布，但其對(duì)空間電荷的影響小于雜質(zhì)離子濃度等因素的影響。XLPE內(nèi)交聯(lián)副產(chǎn)物含量對(duì)其空間電荷分布影響較大；研究還發(fā)現(xiàn)電極材料也是影響XLPE 及其復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分

5、布的重要因素之一。</p><p>　　空間電荷對(duì)絕緣材料的影響主要是對(duì)電介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)分布造成畸變。在高壓直流電場(chǎng)的作用下，會(huì)導(dǎo)致傳輸電纜的絕緣損傷，從而造成一定的絕緣缺陷。在長期高場(chǎng)強(qiáng)的作用下，還有可能導(dǎo)致高壓直流電纜的絕緣失效。</p><p>　　添加適量的納米 MgO 粉末可以有效的改善復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷的分布、擊穿特性、電導(dǎo)率和機(jī)械性能。</p><p>

6、　　關(guān)鍵詞 空間電荷；抑制；直流電纜；電聲脈沖系統(tǒng)； MgO</p><p>　　The space charge of dc cable and the problem of inhibition</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Direct current transmission technol

7、ogy has been a hot topic in the electrical engineering domain, on account of the considerably numerous advantages of it. The high voltage direct current plastic insulated cable is one of the most important equipments in

8、DC transmission technology. Compared with paper insulated DC cables, there are many excellent characteristics of the HVDC plastic insulated cable, such as, relatively small volume, great transmission capability and maint

9、enance-free. So it is cru</p><p>　　The pulsed electro-acoustic method is utilized to investigate the space charge distribution in polyethylene and its composites and some conclusions can be drawn. The crysta

10、llization behavior of composites may also affect the space charge distribution in them. However, this affection is less effective than those of other factors, such as, the concentration of impurities. The cross-linking b

11、y-products impose great effect on space charge distribution in XLPE. The research results also show that the</p><p>　　Space charge has an influence on the insulating material,especially for the distribution

12、of the electricfield and it is distorted as a result.The transmission cables will be damaged by the high voltage direct current field,futhermore,some insulation flaws might emerge.Under the long-term high electric field

13、intensity,it can eliminates the ability of the high voltage direct current cables' insulation.</p><p>　　Loading proper quantity of nano-MgO can effectively improve the space charge distribution, the brea

14、kdown characteristics, conductivity and mechanical performances of composites.</p><p>　　Keywords space charge；inhibition ；dc cable；pulsed electroacoustic system； MgO </p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被

15、打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的背景及意義1</p&

16、gt;<p>　　1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)2</p><p>　　1.3 課題的研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　第2章 直流電纜中空間電荷產(chǎn)生的機(jī)理5</p><p>　　2.1 直流電纜中空間電荷產(chǎn)生的原因5</p><p>　　2.1.1電荷注入6</p><p>　　2.1.2雜質(zhì)

17、的熱電離6</p><p>　　2.1.3極化空間電荷7</p><p>　　2.1.4介電常數(shù)與電導(dǎo)不均性引起的空間電荷9</p><p>　　2.2 本章小結(jié)11</p><p>　　第3章 空間電荷對(duì)直流電纜的危害12</p><p>　　3.1 空間電荷效應(yīng)12</p><p&g

18、t;　　3.2實(shí)驗(yàn)與試樣選擇12</p><p>　　3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析13</p><p>　　3.4結(jié)果與討論22</p><p>　　3.5本章小結(jié)23</p><p>　　第4章 空間電荷的測(cè)量方法24</p><p>　　4.1 電聲脈沖系統(tǒng)（PEA）24</p><p>

19、;　　4.2 空間電荷的測(cè)量裝置24</p><p>　　4.3 空間電荷測(cè)量結(jié)果與討論25</p><p>　　4.4 本章小結(jié)31</p><p>　　第5章 直流電纜中空間電荷的預(yù)防措施32</p><p>　　5.1 實(shí)驗(yàn)研究的目的32</p><p>　　5.2 試樣和實(shí)驗(yàn)過程32</p&g

20、t;<p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析34</p><p>　　5.4 不同種類填料對(duì)復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布的影響39</p><p>　　5.4.1有機(jī)非極性材料/LDPE復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布39</p><p>　　5.4.2有機(jī)極性材料/LDPE 復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布40</p><p>　　5.4.3無機(jī)納米

21、陶瓷材料/LDPE 復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布41</p><p>　　5.4.4無機(jī)納米氧化物材料/LDPE 復(fù)合介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布42</p><p>　　5.5 本章小結(jié)43</p><p><b>　　結(jié)論45</b></p><p><b>　　致謝46</b></p>

22、<p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　附錄49</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論<

23、/b></p><p>　　目前，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益突出。而另一方面，可用于發(fā)電的資源分布和用電負(fù)荷的分布又極不均衡。一方面，全國可開發(fā)的水電資源有近2/3分布在西南地區(qū)，全國煤炭?jī)?chǔ)量的 2/3 分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古三省區(qū)；另一方面，東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，用電負(fù)荷約占全國的2/3，發(fā)電能源資源卻嚴(yán)重不足。今后我國水能和煤炭資源的開發(fā)將逐步西移和北移，而東部沿海和京廣鐵路沿線以

24、東地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，將導(dǎo)致能源產(chǎn)地與能源消費(fèi)地區(qū)之間的距離越來越遠(yuǎn)，使得我國能源配置的距離、特點(diǎn)和方式都發(fā)生了巨大變化，因此必然引起電力的跨區(qū)域大規(guī)模流動(dòng)[1]。</p><p><b>　　課題的背景及意義</b></p><p>　　直流輸電已有百余年的歷史，在輸電技術(shù)發(fā)展初期曾發(fā)揮重要作用，但到了20 世紀(jì)初，由于直流電機(jī)串接運(yùn)行復(fù)雜，而高電壓大容量直流

25、電機(jī)存在換向困難等技術(shù)問題，使直流輸電在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都不能與交流輸電相競(jìng)爭(zhēng)，因此進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)50年代后，電力需求日益增長，遠(yuǎn)距離大容量輸電線路不斷增加，直流輸電重新被人們所重視。1950年蘇聯(lián)建成一條長43km、電壓200kV、輸送功率為30000kW的直流試驗(yàn)線路。1954年，瑞典把高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用于高特蘭島到瑞典本土的海底電纜，總長96km，電壓100kV，送電容量20000kW。1961年，英法兩國采用海底電纜，建成10

26、0kV、160MW、總長65km的直流輸電線路，把兩國交流電力系統(tǒng)連接了起來，再次推動(dòng)了直流輸電的發(fā)展。到60年代，海底電纜的輸電工程幾乎都采用直流輸電，直流輸電方式在跨越寬闊海峽的特殊自然條件下，優(yōu)點(diǎn)更為突出。80年代，可控硅換流器在大型直流輸電工程中嶄露頭角，巴西的伊泰普直流輸電工程，直流輸電壓達(dá)到±600kV，輸電功率達(dá)到 6300MW，輸送距離 806km。</p><p>　　直流輸電的再次興

27、起并迅速發(fā)展，說明它在輸電技術(shù)領(lǐng)域中確有交流輸電不可替代的優(yōu)勢(shì)。尤其在電網(wǎng)的穩(wěn)定與互聯(lián)方面的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)：直流輸電不受同步運(yùn)行穩(wěn)定性問題的制約，對(duì)保證兩端交流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起了很大作用；利用直流輸電可實(shí)現(xiàn)國內(nèi)區(qū)網(wǎng)或國際間的非同步互聯(lián)，把大系統(tǒng)分割為幾個(gè)既可獲得聯(lián)網(wǎng)效益，又可相對(duì)獨(dú)立的交流系統(tǒng)，避免了總?cè)萘窟^大的交流電力系統(tǒng)所帶來的問題；交流電力系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時(shí)，直流輸電可以作為限制短路電流的措施，這是由于它的控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)快、控

28、制性能好的特點(diǎn)，可以有效地限制短路電流，使其基本保持穩(wěn)定[2]。</p><p>　　從經(jīng)濟(jì)方面考慮，直流輸電與交流輸電的主要區(qū)別為：</p><p>　　(1) 直流架空線路投資省。直流輸電一般采用雙極中性點(diǎn)接地方式，直流線路僅需兩根導(dǎo)線，三相交流線路則需三根導(dǎo)線，但兩者輸送的功率幾乎相等，因此可減輕桿塔的荷重，減少線路走廊的寬度和占地面積。在輸送相同功率和距離的條件下，直流架空線路的投

29、資一般為交流架空線路投資的三分之二。</p><p>　　(2) 直流電纜線路的投資少。相同的電纜絕緣用于直流時(shí)其允許工作電壓比用于交流時(shí)高兩倍，所以在電壓相同時(shí)，直流電纜的造價(jià)遠(yuǎn)低于交流電纜。</p><p>　　(3) 換流站比變電站投資大。換流站的設(shè)備比交流變電站復(fù)雜，它除了必須有換流變壓器外，還要有目前價(jià)格比較昂貴的可控硅換流器，以及換流器的其它附屬設(shè)備，因此換流站的投資高于同等容

30、量和相應(yīng)電壓的交流變電站。</p><p>　　(4) 在相同的可比條件下，當(dāng)輸電線路長度大于等價(jià)距離時(shí)，采用直流輸電所需的建設(shè)費(fèi)用比交流輸電省。</p><p>　　(5) 運(yùn)行費(fèi)用較省。根據(jù)國外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路和站內(nèi)設(shè)備的年折舊維護(hù)費(fèi)用占工程建設(shè)費(fèi)用的百分?jǐn)?shù)，交流與直流大體相近。但直流輸電電能損耗在導(dǎo)線截面相同、輸送有功功率相等的條件下，是交流輸電的三分之二[2,3]。</p&g

31、t;<p>　　我國關(guān)于直流輸電技術(shù)的研究工作，50 年代就開始起步。目前，我國已經(jīng)有多條高壓直流輸電工程投入運(yùn)行，分別是：浙江舟山直流輸電工程，葛洲壩——上海南橋直流輸電工程，天生橋——廣州直流輸電工程，三峽—常州直流輸電工程，三峽—惠州直流輸電工程，貴州—肇慶直流輸電工程。這些直流輸電工程的投運(yùn)標(biāo)志著我國的直流輸電技術(shù)有了顯著的提高和發(fā)展。隨著三峽工程的興建和貫徹中央“西電東送”的發(fā)展戰(zhàn)略，我國將陸續(xù)興建一批超高壓、大

32、容量、遠(yuǎn)距離直流輸電工程和交直流并聯(lián)輸電工程。隨著我國直流輸電技術(shù)的日益完善，輸電設(shè)備價(jià)格的下降和可靠性的提高，以及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，直流輸電得到了更快的發(fā)展和大量的應(yīng)用，這標(biāo)志著我國的直流輸電將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期[3]。</p><p>　　課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　在電力傳輸過程中，采用電纜具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)線間絕緣距離小，占地小，電纜地下敷設(shè)不占地面上空

33、間。(2)不受周圍環(huán)境污染影響，送電可靠性高。(3)地下敷設(shè)電纜對(duì)人身安全可靠，不暴露目標(biāo)，適于戰(zhàn)備。因此，在大城市人口稠密區(qū)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，城市郊區(qū)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，大型工廠、發(fā)電廠、交通擁擠區(qū)、電網(wǎng)交叉區(qū)要求占地小、安全，減少電網(wǎng)對(duì)交通、城市建設(shè)的影響，宜采用電纜；在嚴(yán)重污染區(qū)，為了提高送電的可靠性，宜采用電纜；對(duì)于過江、過河、過海等跨度較大的輸電線路，或?yàn)榱吮苊饧芸站€對(duì)船舶通航或無線電干擾，宜采用電纜[4]。</p>&l

34、t;p>　　直流電纜與交流電纜在輸電能量損失特性方面有本質(zhì)區(qū)別，后者除芯線電阻損耗外，還有絕緣介質(zhì)損耗及鉛包、鎧裝的磁感應(yīng)損耗，而前者基本上只有芯線電阻損耗。目前主要有三種形式的直流電纜：(1) 高粘度油浸紙絕緣直流電纜（MI），最常用的高壓直流電力電纜，使用的歷史已經(jīng)超過40 年，并被證實(shí)具有很高的可靠性，目前其使用的電壓可達(dá)500kV，導(dǎo)體的截面可達(dá)2500mm2；（2）低粘度油浸紙絕緣直流電纜(SCFF)，用于特高壓直流輸電

35、，可達(dá)到600 KV，用于短程連接，目前的使用電壓500kV，導(dǎo)體截面達(dá)到3000mm2；（3）塑料絕緣直流電纜(Extruded)，目前還在發(fā)展中，最高的使用電壓250kV，主要用于與電源轉(zhuǎn)換器的連接。在不改變電纜輸送極性時(shí)，允許功率反向輸送。</p><p>　　盡管從目前的情況來看，油紙絕緣高壓直流電纜還是高壓直流輸電采用的主要設(shè)備[5]，但是油紙絕緣電纜的制造工藝比較復(fù)雜，相對(duì)塑料（XLPE）電纜的成本要

36、高，而塑料絕緣電纜由于材料和結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使其有許多油紙絕緣電纜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1) XLPE絕緣電纜軟化點(diǎn)高，熱畸變小，在高溫下機(jī)械強(qiáng)度大，抗熱老化性能好。它的導(dǎo)體最高允許運(yùn)行溫度可達(dá)90°C，而短路時(shí)的允許溫度則可達(dá)250°C，相應(yīng)的油浸紙絕緣電力電纜的導(dǎo)體正常最大允許溫度僅為60°C～65°C，短路時(shí)的最大允許溫度也只有220°C。因此

37、在相同截面積的條件下，它的載流量要比油紙電纜增大30%～40%。在同一輸電容量下XLPE絕緣電纜所用的導(dǎo)體截面比油浸紙電纜小。</p><p>　　(2) 由于XLPE材料本身較油浸紙輕，加之同等載流量的截面積減小，使XLPE電纜的總體重量減輕，因重量減輕帶來的制造和敷設(shè)方面的輕便也是顯而易見的。</p><p>　　(3) 由于XLPE絕緣電力電纜可以采用現(xiàn)有預(yù)制的熱縮方式的電纜頭和中間

38、接頭，比起油浸紙絕緣電力電纜的原有電纜頭連接方式在安裝上大大地方便了。而且，交聯(lián)電纜本體發(fā)生故障后能及時(shí)修理恢復(fù)送電。</p><p>　　(4) XLPE絕緣電力電纜在敷設(shè)過程中，為了不彎傷電纜，它的彎曲半徑需不少于電纜外徑的8 倍（多芯）到l0 倍（單芯）即可。而油浸紙絕緣電力電纜的彎曲半徑卻至少需要15 倍（多芯）到20 倍（單芯）。這顯然使前者在制造、安裝、設(shè)計(jì)和敷設(shè)中要方便得多。</p>

39、<p>　　(5) XLPE絕緣電纜耐酸、堿，抗腐蝕，幾乎沒有環(huán)境龜裂現(xiàn)象，是它的重要優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　(6) 從最重要的安全可靠性指標(biāo)來看，XLPE絕緣電纜的事故發(fā)生率要比油浸紙絕緣電纜小得多[6]。</p><p>　　另外油浸紙絕緣電纜使用中需要對(duì)其進(jìn)行諸如補(bǔ)油等維護(hù)工作，增加了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的成本。同時(shí)由于采用油紙復(fù)合絕緣，在電纜溫升較高的情況下，油的粘度降低，向

40、低地勢(shì)位的遷移，一方面降低了少油部分的絕緣強(qiáng)度，另一方面還會(huì)導(dǎo)致多油部位的壓力增大，導(dǎo)致電纜局部受壓膨脹變形，甚至損壞。而XLPE電纜不存在上述缺點(diǎn)，亦不存在充油電纜由于漏油而導(dǎo)致的對(duì)環(huán)境的長期危害的缺點(diǎn)。另外，塑料電纜的連接相對(duì)更簡(jiǎn)單，不需要特殊的連接技巧[7]。因此從長遠(yuǎn)來看，油紙絕緣直流電纜必然被塑料絕緣所取代。</p><p>　　電壓極性反轉(zhuǎn)是直流輸電中的一個(gè)關(guān)鍵問題，電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)，絕緣的擊穿阻抗將會(huì)

41、降低10%。近年來，由于電力電子的發(fā)展，在高壓直流輸電中，可以采用 IGBT 作為直流輸電的逆變轉(zhuǎn)換器，因此就可以避免電壓極性反轉(zhuǎn)問題，這將在很大程度上促進(jìn)高壓塑料直流電纜的發(fā)展[8]。</p><p>　　盡管日本已生產(chǎn)出用于±500KV 塑料絕緣直流電纜及附件，但是一直沒有商業(yè)應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。由此分析可見，高壓直流電力電纜的發(fā)展(尤其是研制) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于交流電纜，這與直流電纜的特性，尤其是絕緣中空間電荷

42、問題有很大關(guān)系。</p><p><b>　　課題的研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　高壓直流輸電已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)，高壓直流塑料電纜由于自身的眾多優(yōu)勢(shì)，必將取代油紙絕緣電纜。為解決直流塑料電纜中關(guān)鍵問題—空間電荷，本文主要在以下幾個(gè)方面做出研究：</p><p>　　1) 明確本文研究意義，分析相關(guān)研究現(xiàn)狀并確立本文研究?jī)?nèi)容；<

43、/p><p>　　2) 綜述 XLPE 直流電纜中空間電荷的產(chǎn)生機(jī)理；</p><p>　　3) 綜述空間電荷對(duì) XLPE 直流電纜的危害；</p><p>　　4) 綜述利用電聲脈沖法（PEA）檢測(cè)空間電荷；</p><p>　　5) 綜述 MgO 及其它填充材料對(duì) LDPE 絕緣材料中空間電荷分布的影響。</p><p&g

44、t;　　直流電纜中空間電荷產(chǎn)生的機(jī)理</p><p>　　直流電纜中空間電荷產(chǎn)生的原因</p><p>　　空間電荷這個(gè)詞最開始被用于描述電荷在真空二極管陽極與陰極間的空間積累，結(jié)果電子從陰極發(fā)射[9]。電荷使二極管內(nèi)電場(chǎng)畸變，如圖2-1 所示，并且影響著陰極與陽極間的穩(wěn)態(tài)電流。當(dāng)直流電壓施加在固體介質(zhì)上時(shí)，空間電荷也可能在固體介質(zhì)中積累。電場(chǎng)再一次畸變，并且空間電荷密度足夠的高，局部電場(chǎng)

45、強(qiáng)度可能超過電場(chǎng)的擊穿強(qiáng)度，導(dǎo)致絕緣失效。數(shù)量上，泊松方程表明在平面XLPE試樣中空間電荷密度1μC/cm3，將引起電場(chǎng)改變?yōu)?0 kV/mm超過1mm的距離。</p><p>　　圖 2-1 真空二極管中電場(chǎng)分布下空間電荷的影響</p><p>　　現(xiàn)在，我們討論一下在高壓擠出型絕緣電纜（如圖2-2）固體絕緣中空間電荷的產(chǎn)生。</p><p>　　圖 2-2 高壓

46、擠出型絕緣電纜界面?zhèn)纫晥D</p><p><b>　　2.1.1電荷注入</b></p><p>　　電子從陰極注入已經(jīng)在相當(dāng)多的敘述中做了討論[10]。在幾乎每一個(gè)導(dǎo)體絕緣接觸面處有可能發(fā)生，通常電場(chǎng)強(qiáng)度超過10 kV/mm，并且不容易抑制。這產(chǎn)生了同號(hào)電荷，例如，臨近的相同符號(hào)的電荷注入到電極內(nèi)，并且降低了局部電場(chǎng)的強(qiáng)度。在最近對(duì)XLPE 的研究中[11]，發(fā)現(xiàn)空

47、間電荷密度取決于溫度。在較低的溫度下，密度相當(dāng)高，并且其主要原因是來自電極電荷的注入。超過55°C，密度是很小的，并且作者歸于降低了在聚合物基質(zhì)內(nèi)電荷增加的遷移率。</p><p>　　2.1.2雜質(zhì)的熱電離</p><p>　　雜質(zhì)分子的電場(chǎng)輔助熱電離將產(chǎn)生陽離子和電子，它們中大部分在非常短的時(shí)間里進(jìn)行重組。在陽極或者傳輸中被捕獲的電子，不會(huì)進(jìn)行再重組，將會(huì)被提取出來。這些電子

48、的傳輸將會(huì)形成一個(gè)漸減的電流，電流最終會(huì)消失，假設(shè)從電極中沒有電子注入。剩余的電子，預(yù)計(jì)會(huì)有非常低的遷移率，通過電纜形成相當(dāng)均勻的穩(wěn)定空間電荷分布的網(wǎng)絡(luò)。如果這個(gè)場(chǎng)最初施加在相反的極性上，假設(shè)完全相同的電極和同一種試樣，同樣地預(yù)料到正的空間電荷剖面。然而，當(dāng)觀測(cè)到遠(yuǎn)離電極顯著的空間電荷密度，它對(duì)于同號(hào)電荷鏡像行為通常顯示出一個(gè)近似值，當(dāng)顛倒施加電壓的極性，但是它的密度很大程度上是不變的鏡像作用的一個(gè)例子，觀察一段XLPE絕緣的電力電纜，

49、圖2-3[12]。</p><p>　　因此，雖然在大部分聚合物絕緣體積中的雜質(zhì)離子化是預(yù)料的，但不可能是唯一的或者顯性的空間電荷形成機(jī)理。在此背景下，應(yīng)該指出的是水蒸汽，即使?jié)舛鹊椭?50ppm，也會(huì)促進(jìn)雜質(zhì)的離子化和聚乙烯中交聯(lián)副產(chǎn)品的離子化。因此，水蒸汽的排除在電纜制造業(yè)中是非常重要的。二十年前，蒸汽壓力被用于 XLPE，但是今天輻射加熱器和惰性氣體已經(jīng)取代了蒸汽，甚至用在中等電壓電纜的制造業(yè)中。</

50、p><p>　　使用 LIPP 方法接地電極測(cè)量。絕緣厚度3.5mm。在大氣壓下，試樣在82°C時(shí)預(yù)先被保持2h（a）施加+54 kV電壓24h后（b）施加 -54kV電壓80h后?？v坐標(biāo)0.14C/cm3。</p><p>　　圖 2-3 一段圓柱形XLPE電纜絕緣中的徑向空間電荷剖面圖</p><p>　　2.1.3極化空間電荷</p>&l

51、t;p>　　這將會(huì)引起束縛的體積空間電荷用密度-▽·P表示，并且受約束的表面電荷P·an，P 是局部極化且an是表面定向的單位矢量。這樣的極化可能產(chǎn)生于試樣中分布不均勻的永久不變的偶極子。永久不變的偶極子含有大的偶極矩，例如，苯乙酮和二甲基芐醇（分別近似為2.9和1.7德拜）在 XLPE 中交聯(lián)反應(yīng)生成，并且朝著試樣的表面?zhèn)鞑13]。體積中的束縛電荷由表面電荷補(bǔ)償；然而，它產(chǎn)生了一個(gè)變化的電場(chǎng)，這相當(dāng)于除電場(chǎng)

52、發(fā)散是零之外的空間電荷。這個(gè)原理顯然與鏡像作用相一致，由于施加電場(chǎng)反向時(shí)極化矢量將反向，然而仍維持同樣的量級(jí)。</p><p>　　圖2-4所示，2厚平面裝有半導(dǎo)體電極的XLPE試樣中一些空間電荷剖面圖[13]。使用電聲脈沖技術(shù)并且使用接地電極測(cè)量。圖2-4（a）所示，當(dāng)施加電壓增加時(shí)，使陰極附近正的峰值振幅增加并且最終飽和。暗示這個(gè)峰值取決于施加電場(chǎng)中不變的偶極子分子的局部的對(duì)準(zhǔn)，而且這些分子集中在電極附近并且

53、從中心到試樣表面向外傳播。臨近陽極存在一個(gè)</p><p>　　圖 2-4 2mm厚帶有半導(dǎo)體電極的XLPE試樣中空間電荷剖面圖。（a）頂部剖面圖顯示經(jīng)施加電場(chǎng)在陰極(C)和陽極(A)之間感應(yīng)的電荷。（b）用接地電極獲得全部剖面圖。</p><p>　　相應(yīng)的負(fù)峰值，但是它是衰減的并且擴(kuò)大了相對(duì)應(yīng)的陰極峰值，因?yàn)閴毫γ}沖在傳輸中加寬了。注意陰極峰值的上升面的拐點(diǎn)，它成為在高電場(chǎng)下的一個(gè)最小

54、值。這個(gè)特點(diǎn)歸因于來自陰極和在非高施加電場(chǎng)下電子的注入?？杉俣?，電子化空間電荷與陰極附近較低電場(chǎng)下注入有關(guān)系，因此引起極化飽和。</p><p>　　圖2-4（b）所示，當(dāng)電極接地時(shí)空間電荷剖面圖逐漸的塌陷。這與在自場(chǎng)下陰極附近回到陰極注入的電子陷阱和熱極化的隨機(jī)化相一致。圖2-4（b）也顯示出鏡像作用非常有說服力。極化關(guān)注點(diǎn)默示振幅和關(guān)聯(lián)的空間電荷峰值的寬度顯示出與預(yù)期的添加物和 XLPE 中雜質(zhì)量一致。<

55、;/p><p>　　2.1.4介電常數(shù)與電導(dǎo)不均性引起的空間電荷</p><p>　　根據(jù)電磁理論，一個(gè)絕緣體試樣，穩(wěn)定的直流電流密度j是流動(dòng)的，并且介電常數(shù)/電導(dǎo)率的比隨位置變化的，獲得空間電荷密度ρ由，</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　ε0是真空介電常數(shù)，εr是相對(duì)介電常數(shù)，σ是電導(dǎo)率[1

56、4]?？臻g電荷組成不是由其它空間電荷產(chǎn)生機(jī)理的運(yùn)算決定的。溫度場(chǎng)和電場(chǎng)內(nèi)的σ在聚合物絕緣中明顯的場(chǎng)關(guān)系[14]；εr相應(yīng)的變化更小[15]。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值 250 kV 500MW XLPE絕緣電纜中空間電荷的密度大約為10nC/cm3，使用先進(jìn)的設(shè)備可測(cè)量空間電荷的密度；Coelho 等以及其他人,達(dá)到數(shù)字10-15倍大，基于電纜參數(shù)的一些輕微的不同的選擇。然而，在電場(chǎng)方面改變與空間電荷的關(guān)系，不是空間電荷本身，而是電纜制造商的興趣。&l

57、t;/p><p>　　高壓交流電纜的絕緣內(nèi)電場(chǎng)剖面 E(r) 完全由絕緣的內(nèi)半徑和外半徑（分別為ri和r0）以及施加電壓 Vapp 決定，假設(shè)絕緣中相對(duì)介電常數(shù)是不變的。具體地說，</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　電場(chǎng)最大值在 ri 處并且最小值在r0 處。圖2-5所示 r0=40mm 和 ri=20mm 的250k

58、V 高壓交流電纜E(r) 曲線A。通過導(dǎo)體的電流，給它加熱和通過絕緣產(chǎn)生溫度梯度。這個(gè)溫度梯度將會(huì)引起 E(r) 小的變化，盡管絕緣中的電導(dǎo)率σ(T,E)強(qiáng)烈的依靠溫度和電場(chǎng)，在正常運(yùn)行 50Hz 到 60Hz的泄漏電流總是比電容性充電電流小很多。</p><p>　　然而，在一根高壓直流電纜中，即使等溫絕緣，它的電導(dǎo)率的場(chǎng)場(chǎng)將會(huì)改變E(r) 剖面。我們假設(shè)[15]</p><p><

59、;b>　　(3) </b></p><p>　　σ0是一個(gè)固定值，Ea是熱活化能調(diào)解電導(dǎo)率的溫度場(chǎng)，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，和電導(dǎo)率的場(chǎng)場(chǎng)是由sinh(bE)/E給定的，式中b是一個(gè)常數(shù)。圖2-5所示一等溫線250 kV 高壓直流電纜E(r)的曲線B，尺寸與曲線 A 相同，并且b=2×10-7V。圖2-5所示一 250kV 高壓直流電纜E(r)曲線C，電纜中導(dǎo)體溫度是80

60、76;C，絕緣外徑的溫度是 40°C，Ea=0.8 eV以及 b=2×10-7m/V。如此看來，從內(nèi)徑到外徑電場(chǎng)是單調(diào)增加的，這種情況通常被說成是應(yīng)力反演。有可能的是，在一些絕緣材料中，電導(dǎo)的溫度和場(chǎng)場(chǎng)的相對(duì)作用將導(dǎo)致絕緣內(nèi)一個(gè)幾乎穩(wěn)定的場(chǎng)。圖2-5的曲線 D所示一 250kV 高壓直流電纜，Ea=0.1eV，b=3×10-7 m/V，并且與曲線C有相同的溫度。一般而言，較小的Ea和較大的b，較小的E(r)

61、隨r變化。</p><p>　　圖 2-5電力電纜絕緣內(nèi)部電場(chǎng)剖面圖</p><p>　　準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電流的場(chǎng)，基于標(biāo)準(zhǔn)在外電路中根據(jù)試樣溫度和平均場(chǎng)（=施加電壓/試樣厚度）暗示,很多聚合物中Ea=0.6-1.2eV 和b=1-3×10-7 m/V[15]。然而，注意這些值未必適用于絕緣本身，例如，外部測(cè)量活化能Ea可能由需要來自導(dǎo)體或者半導(dǎo)體注入電子到絕緣中的能量來控制，通過絕緣電子

62、的跳躍傳輸需要更少的能量。在 LDPE 中情況就是這樣。</p><p>　　Bambery，F(xiàn)leming和 Holboll[16]在高純度 LDPE 的1.5厚度小塊中測(cè)量穩(wěn)態(tài)空間電荷和電流密度，施加電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1.5×107V/m，通過這個(gè)厚度溫差達(dá)到 20°C。唯一由溫度梯度決定的空間電荷的密度大約是10nC/cm3。然而，設(shè)定值Ea =1.1eV 與他們的穩(wěn)態(tài)電流密度測(cè)量值一致，他們

63、通過（1）計(jì)算出值為200nC/cm3，是他們實(shí)驗(yàn)值的20倍。他們認(rèn)為，出現(xiàn)這種不符的情況因?yàn)榛罨蹺a，活化能Ea來自外電路中電流的溫度依靠，活化能Ea比與試樣中電子跳躍傳輸?shù)幕罨蹺hop大很多。更具體地說，Ea由Ehop 和產(chǎn)生于陰極電子的注入/提取的成分。公式（3）變?yōu)?lt;/p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　σ(x)是內(nèi)導(dǎo)體及Tav是

64、包含溫度梯度試樣的平均溫度，他們推論Ehop≈ 0.06eV[16]。這個(gè)計(jì)算與 Meunier 和 Quirke[17] 的目前的工作相當(dāng)?shù)囊恢?，他們?jì)算了聚乙烯非晶態(tài)體積內(nèi)的一個(gè)電子陷阱的能量分布，這是基于全反式十三烷的電子親合性和相關(guān)聯(lián)的陰離子。他們發(fā)現(xiàn)陷阱的深度范圍是 0-0.3eV，最大值濃度大約是 0.15eV。他們發(fā)表評(píng)論，如果考慮到它們和附近的分子相互作用，陷阱深度將會(huì)降低大約 40%，也就是最有可能的電子陷阱深度大約是

65、 0.09eV。</p><p>　　因此，在XLPE中將會(huì)出現(xiàn)電子的跳躍傳輸需要的熱能比從穩(wěn)態(tài)電流測(cè)量所需要的活化能更少。在XLPE電纜絕緣中的空間電荷積累的密度取決于導(dǎo)體焦耳熱熱能的產(chǎn)生，導(dǎo)體的焦耳熱比迄今預(yù)期的更少。這會(huì)使高壓直流電纜的設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單，例如，高電阻溫度中無法達(dá)到熱平衡這一事實(shí)所產(chǎn)生的不確定性便會(huì)降低。</p><p>　　應(yīng)該指出的是，雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷的電子陷阱能量大約

66、是 1eV。室溫下，陷阱中的電子仍然保持1012s。這暗示了在這樣的條件下聚合物絕緣體中長壽命的空間電荷被捕獲?，F(xiàn)在，看來空間電荷與溫度梯度的固有陷阱之間的變化有關(guān)系。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　聚合物微觀結(jié)構(gòu)中各種缺陷形成不同深度的陷阱，在直流電場(chǎng)作用下雜質(zhì)電離和極性基團(tuán)的極化形成異極性空間電荷，高電場(chǎng)作用下電極發(fā)射，在介質(zhì)中

67、注入電荷形成同極性空間電荷。聚合物的電導(dǎo)率是溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，當(dāng)電纜絕緣中具有溫度場(chǎng)時(shí)，由于電導(dǎo)率的不均勻性，絕緣中也可出現(xiàn)空間電荷，畸變直流電場(chǎng)分布，電場(chǎng)畸變的程度決定于電導(dǎo)的活化能。當(dāng)直流電流通過微觀不均勻的聚合物時(shí)，與電導(dǎo)率不均勻性相似，也能在微觀尺度上產(chǎn)生空間電荷。</p><p>　　空間電荷對(duì)直流電纜的危害</p><p><b>　　空間電荷效應(yīng)</b&g

68、t;</p><p>　　空間電荷效應(yīng)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為在絕緣中電老化過程的主要原因之一，例如 XLPE，不僅在直流條件下，空間電荷的影響是最普通的，而且在交流條件下也一樣[18]。空間電荷能夠?qū)е戮植磕芰亢纳?，并且?dǎo)致變化的熱化學(xué)過程能量勢(shì)壘的降低，因此是材料老化?？臻g電荷導(dǎo)致局部電場(chǎng)的產(chǎn)生，局部超過絕緣材料的擊穿強(qiáng)度引發(fā)電樹。直流電場(chǎng)超過40kV/mm導(dǎo)致聚合物畸變以及微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[19]。在聚合物老化方面，空間

69、電荷作用的了解，就目前一些測(cè)量空間電荷的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)程度上改進(jìn)了。在空間電荷的發(fā)展之前，直流電壓超過 150kV/mm 時(shí)聚乙烯中不同的電場(chǎng)引起空間電荷注入[20]。目前，實(shí)驗(yàn)證明直流電壓下均勻場(chǎng)強(qiáng)下，在大約 15kV/mm 時(shí)電荷開始注入。環(huán)氧樹脂中，電荷注入的電場(chǎng)大約在100-600 kV/mm；但是目前這個(gè)值被認(rèn)為大約20kV/mm。</p><p>　　人們普遍認(rèn)為，很好地了解空間電荷形成的力學(xué)是重

70、要的，尤其對(duì)于新型擠出型直流絕緣電纜的發(fā)展。因此，對(duì)于直流電壓的作用很大程度上依靠空間電荷測(cè)量決定了添加物、填充物、交聯(lián)副產(chǎn)品等，影響著材料的空間電荷積累和保留特性[21]，并且這些特性隨應(yīng)力作用的時(shí)間變化，因此，新型材料的發(fā)展是很重要的。事實(shí)上，隨老化時(shí)間增長這些特性的連續(xù)變化能夠提供關(guān)于運(yùn)行材料條件的重要信息?；谶@個(gè)前提，經(jīng)過努力獲取了能夠起絕緣老化標(biāo)記的空間電荷的一些參數(shù)[22]。</p><p>　　3

71、.2實(shí)驗(yàn)與試樣選擇</p><p>　　分析以下測(cè)定的特性，檢查來源于 TS 測(cè)量值：熱級(jí)電流的最大振幅，時(shí)間間隔的峰值電流，在熱級(jí)電流波形下的面積，總電荷，電極附近的最高局部電場(chǎng)。通過他們分析的優(yōu)點(diǎn)來檢查空間電荷和電場(chǎng)分布特征。</p><p>　　由加拿大國家研究委員會(huì)加拿大研究所Mahmoud Abou-Dakka, Alexa-nder Bulinski 和 Soli Bamji描

72、述了空間電荷測(cè)量與直流老化關(guān)系，在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中會(huì)涉及到兩種沒有電樹抑制劑添加物的XLPE材料，把XLPE-A和XLPE-B 和含有電樹抑制劑添加物的XLPE材料作為 TR-A和TR-B。在120°C條件下 5min后材料壓縮成型，然后在180°C，8.4MP 條件下15 min后進(jìn)行交聯(lián)。試樣的幾何圖形見圖3-1A[23]。</p><p>　　一個(gè)半導(dǎo)體電極(聯(lián)合碳化物公司HFDA - 06

73、92),直徑30mm，厚度0.2mm，在試樣的一側(cè)被塑型以及另一側(cè)是半導(dǎo)體電極（直徑90mm）。試樣的厚度是70±4μm。在試樣上端半導(dǎo)體電極比四周絕緣環(huán)厚度小 （0.2mm），用于防止局部放電和增加距離地面的閃絡(luò)。上部半導(dǎo)體電極的厚度（0.2mm）要比絕緣環(huán)周圍的小，用于最小化空間電荷密度測(cè)量期間絕緣環(huán)內(nèi)現(xiàn)有空間電荷的影響。</p><p>　　在老化期間把一個(gè)半導(dǎo)體圓盤插入到試樣上部電極和高壓黃銅電

74、極之間，如圖3-1B所示。黃銅電極和上部絕緣環(huán)之間的間隙被硅脂填滿，為避免局部放電。在空氣中測(cè)試試樣，以避免油浸的不良影響。TS測(cè)量期間，TS單元的上側(cè)電極沒有與保護(hù)絕緣環(huán)接觸（圖3-1C）。為了減少交聯(lián)副產(chǎn)品的數(shù)量到一個(gè)很低的水平并且使它們的影響最小化，在電壓施加之前，所有的試樣都要在60°C的嚴(yán)格的真空環(huán)境中進(jìn)行6天的預(yù)處理。</p><p>　　圖3-1 試樣結(jié)構(gòu). </p><

75、;p>　　3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析</p><p>　　圖3-2顯示了在測(cè)試期間，實(shí)驗(yàn)失敗的三種材料的擊穿時(shí)間(tbd)分布。XLPE-B沒有被擊穿，不包括在內(nèi)。90% 的TR-B試樣在1220h內(nèi)擊穿了，他們的擊穿次數(shù)分布應(yīng)用威布爾概率繪圖表明他們完全一致的失效機(jī)理。TR-A試樣的擊穿原理不是一致的，10種試樣中的4種是在第一個(gè)2700h內(nèi)被擊穿，但是其余的6 種試樣在18300h的老化之內(nèi)可以使用。XLPE

76、-A材料的試樣中只有2 種分別在11600h和12120h之后才被擊穿。其余的8種試樣幾乎是在19000h內(nèi)可以使用。這些結(jié)果清晰的表明TR-B材料的劣質(zhì)性能，以及沒有電樹抑制劑添加物的兩種XLPE材料擁有相對(duì)較好的性能。問題在于從TS測(cè)試中獲得的任意參數(shù)是否與材料的擊穿性能有關(guān)系[23]。</p><p>　　圖3-2 在威布爾曲線圖中標(biāo)繪的擊穿時(shí)間</p><p>　　圖3-3顯示了伴

77、隨XLPE-B和TR-B的老化時(shí)間，熱級(jí)電流的振幅變化情況。在TR-B材料老化的較早階段熱級(jí)電流顯著增強(qiáng)，但是區(qū)別是隨時(shí)間增長而變小。這在圖3-4中進(jìn)一步說明，針對(duì)兩種材料繪制的電流峰值振幅。XLPE-A和TR-A的電流類似于XLPE-B的振幅。</p><p>　　圖3-4結(jié)果清晰的指出TR-B材料在熱級(jí)電流振幅和擊穿絕緣時(shí)間之間沒有關(guān)系。因此TR-A試樣tbd2672h（圖3-5）得出了同樣的結(jié)論，該試樣幾乎

78、具有完全相同的熱級(jí)電流振幅，在18000h老化之內(nèi)可以使用。</p><p>　　圖 3-3 XLPE絕緣中的兩種形態(tài)熱級(jí)電流</p><p>　　圖 3-4 標(biāo)繪TR-B和XLPE-B絕緣與老化時(shí)間相對(duì)熱級(jí)電流的峰值振幅</p><p>　　由于熱級(jí)電流易于測(cè)量，它具有優(yōu)越性，如果描繪它的波形的任何參數(shù)與絕緣擊穿的次數(shù)有關(guān)。峰值振幅，如圖3-3所示，不是參數(shù)。通過

79、觀察，對(duì)于TR-B與其它三種材料不同的 TS電流波形，為了TS電流波形的定量，計(jì)算電流波形下的面積。如圖3-6、3-7所示，熱級(jí)電流波形下的面積實(shí)質(zhì)上TR-B比TR-A試樣更大。然而，它們的值，已知材料試樣的類似試樣與擊穿時(shí)間沒有關(guān)系[23]。</p><p>　　圖 3-5 TR-A絕緣的熱級(jí)電流的峰值振幅.</p><p>　　圖 3-6 在熱級(jí)電流波形下標(biāo)繪的與老化時(shí)間相對(duì)的TR-A

80、絕緣面積</p><p>　　圖 3-7 在熱級(jí)電流波形下的TR-B絕緣面積</p><p>　　圖3-8顯示XLPE-A和TR-B兩種材料的空間電荷分布的典型變化與時(shí)間的關(guān)系。 在XLPE-B和TR-A中空間電荷的分布與XLPE-A試樣中的相似。如圖3-8所示，直流電場(chǎng)（50kV/mm）作用下，不到2h之內(nèi)引起了同號(hào)電荷的注入。其它的材料也會(huì)得到類似的結(jié)果。在這四種材料中電荷的數(shù)量隨著老

81、化時(shí)間增長而增長，但是在XLPE-A、XLPE-B和TR-A三種材料中，在大約1500h之后會(huì)達(dá)到平衡。在TR-B中，空間電荷會(huì)連續(xù)增長直到擊穿為止。注入的電荷形成的內(nèi)部電場(chǎng)集中在電極附近。這些場(chǎng)強(qiáng)取決于材料的類型，并且在TR-B中要比其它幾種材料中要高，TR-B與其它幾種材料中的電場(chǎng)相似。XLPE-A和TR-B內(nèi)部電場(chǎng)分布的例子分別如圖3-9和圖3-10所示。</p><p>　　圖 3-8 不同老化時(shí)間后XL

82、PE-A和TR-B中空間電荷分布的密度</p><p>　　圖 3-9 在不同老化時(shí)間后XLPE-A絕緣中內(nèi)部電場(chǎng)分布。12120h 后此試樣擊穿</p><p>　　在應(yīng)力分布計(jì)算中，電場(chǎng)的積分常量可以被忽略。如圖3-10所示，TR-B試樣的最大應(yīng)力值幾乎是XLPE-A的四倍大。因?yàn)門S測(cè)量在無外電壓的條件下執(zhí)行，撤除外電場(chǎng)后大約10min，內(nèi)電場(chǎng)才有時(shí)間衰減到一個(gè)較低的水平，此時(shí)它的計(jì)

83、算值可能反映深部陷阱中電荷的存在。電場(chǎng)隨著老化時(shí)間增長而增加，現(xiàn)象表明捕獲的電荷的數(shù)量越來越多。</p><p>　　圖 3-10 在不同老化時(shí)間后TR-B絕緣中內(nèi)部電場(chǎng)分布。9192h 后此試樣擊穿</p><p>　　因?yàn)門S技術(shù)不適合用于在撤除外電場(chǎng)后建立準(zhǔn)確的電荷衰減特征，PEA技術(shù)用來解決這一問題，比較結(jié)果可以在TS測(cè)量的10min后獲得。圖3-11所示結(jié)果給出了在撤除施加一周的

84、40kV/mm外電場(chǎng)之后XLPE-A試樣中陽極和陰極的最大場(chǎng)強(qiáng)。內(nèi)電場(chǎng)隨時(shí)間迅速下降，在10min后與TS測(cè)量的估計(jì)值相似（圖3-9）。</p><p>　　圖 3-11 撤除外電場(chǎng)后XLPE-A中電極處與時(shí)間相對(duì)的內(nèi)部電場(chǎng)的變化。室溫下，試樣受到直流電場(chǎng) 40kV/mm作用時(shí)間達(dá)一周</p><p>　　圖3-12顯示在TS測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)TR-B和XLPE-B材料的老化時(shí)間可以計(jì)算

85、陰極附近的最大內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)。一個(gè)重要的特征是在試樣擊穿之前這些場(chǎng)強(qiáng)的增加。然而，最大場(chǎng)強(qiáng)的值或者斜率的改變似乎與擊穿時(shí)間沒有特別的關(guān)系。在擊穿之前TR-A中觀察到內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)的類似的增長。相比之下，XLPE-B的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)沒有單一擊穿，在老化時(shí)間在100h和16000h之間保持相對(duì)不變的狀態(tài)。</p><p>　　圖 3-12 標(biāo)繪TR-B和XLPE-B材料與老化時(shí)間相對(duì)的陰極附近最大內(nèi)部電場(chǎng)</p><

86、;p>　　另一個(gè)隨著老化時(shí)間而變化的量是在空間電荷密度分布曲線下的面積，在這里叫做總電荷。在最大場(chǎng)強(qiáng)下，所有材料在被擊穿之前總電荷顯著增加。在有無擊穿狀態(tài)下試樣中總電荷隨時(shí)間變化的例子如圖3-13所示。在總電荷斜率中的電荷可能導(dǎo)致失敗的可能性很小。</p><p>　　圖 3-13 標(biāo)繪與時(shí)間相對(duì)的總電荷</p><p>　　一個(gè)近期的關(guān)于空間電荷分布隨外加電壓時(shí)間變化的分析顯示，一

87、些能夠產(chǎn)生內(nèi)部電荷密度峰值的試樣隨著老化時(shí)間的變化互相之間離得更近（圖3-14）。離的比較近的相反電極的空間電荷的試樣總是比較早的出現(xiàn)失敗。如圖3-15所示。應(yīng)該注意的是，圖3-15A、3-15B、3-15C中所示的空間電荷的測(cè)量是在不同的老化時(shí)間下進(jìn)行的。例如，3-15A 中的結(jié)果顯示，在TR-B材料的不同試樣中，內(nèi)部正負(fù)電荷相對(duì)位置的不同在老化200h后較為明顯。需要更多的測(cè)試來證實(shí)這個(gè)觀察，開發(fā)一個(gè)空間電荷分布和老化時(shí)間之間的模型

88、以實(shí)現(xiàn)絕緣失效。</p><p>　　圖 3-14 在TR-B材料中空間電荷密度峰值的發(fā)展下時(shí)間的影響</p><p>　　圖 3-15 空間電荷密度濃度對(duì)擊穿時(shí)間的影響，在A，196h；B，1000h；C，10 000h后進(jìn)行TS測(cè)量</p><p><b>　　3.4結(jié)果與討論</b></p><p>　　結(jié)果清晰的

89、顯示了TR-B試樣在空間電荷累積方面與其它三種材料的顯著不同。TR-B積累了較多的空間電荷，產(chǎn)生了比其它幾種材料（圖3-9、3-10和3-12）更高的內(nèi)部電場(chǎng)。TR-B裝備一個(gè)帶有水樹抑制劑包。50kV/mm的直流電場(chǎng)可能引起添加物的老化從而導(dǎo)致材料的老化。</p><p>　　存在同號(hào)電荷（圖3-8），可以在首次TS測(cè)量老化時(shí)間2h后所有材料中觀察到，證明來自電極的電荷注入，這已經(jīng)由其他作者報(bào)道[24]。<

90、;/p><p>　　從TS測(cè)試中得到不止一個(gè)空間電荷參數(shù)能夠被用作即將發(fā)生的絕緣失效的指示劑。對(duì)于與熱級(jí)電流振幅相關(guān)的熱電流的積分或者峰值電流擊穿的次數(shù)的努力并沒有成功。局部?jī)?nèi)應(yīng)力的大小和儲(chǔ)存在材料中的總電荷都是更信息化，此外，并不能直接找出與擊穿時(shí)間的關(guān)系。</p><p>　　然而，有關(guān)大量材料中空間電荷密度發(fā)展的一個(gè)近期分析提供了與絕緣失效令人關(guān)注的聯(lián)系。幾乎在每個(gè)實(shí)例中可以觀察到，絕緣

91、失效的前提是空間電荷積聚快速和持續(xù)增長，與局部?jī)?nèi)電場(chǎng)有關(guān)系（圖3-12和圖 3-13）。必須要求伴隨著頻繁的TS測(cè)量的更多實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個(gè)觀察。而且，對(duì)于每個(gè)材料，試樣中擊穿時(shí)間和內(nèi)部空間電荷密度峰值的位置之間總保持一致的關(guān)系。如圖3-14所示，具有這些密度峰值距離更遠(yuǎn)的試樣使用壽命比空間電荷密度峰值一起被放置更近的試樣使用壽命更長?？臻g電荷密度峰值被放置的比較近將會(huì)產(chǎn)生在材料中產(chǎn)生更高的局部電場(chǎng)，可能大于擊穿強(qiáng)度甚至導(dǎo)致?lián)舸?。需要?/p>

92、多的測(cè)試來證實(shí)這些觀察，施加直流電壓時(shí)這被用來篩選新材料。</p><p><b>　　3.5本章小結(jié) </b></p><p>　　在四種聚乙烯交聯(lián)過氧化二異丙苯的基本材料上進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度50kV/mm的直流老化的測(cè)試。進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了延長一段時(shí)間（至19000h），使用熱級(jí)技術(shù)進(jìn)行空間電荷密度分布的周期測(cè)量。這項(xiàng)工作旨在找出材料中空間電荷參數(shù)與絕緣擊穿時(shí)間的關(guān)系。

93、</p><p>　　空間電荷對(duì)絕緣材料的影響主要是對(duì)電介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)分布造成畸變。定量地來說，泊松方程計(jì)算結(jié)果表明，在低密度聚乙烯平板樣品中，空間電荷密度每增加1C/m3會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)增加50kV/mm。在高壓直流電場(chǎng)的作用下，會(huì)導(dǎo)致傳輸電纜的絕緣老化，從而造成一定的絕緣缺陷。在長期高場(chǎng)強(qiáng)的作用下，還會(huì)導(dǎo)致高壓直流電纜的絕緣失效。</p><p><b>　　空間電荷的測(cè)量方法<

94、;/b></p><p>　　電聲脈沖系統(tǒng)（PEA）</p><p>　　通過使用帶有附加電流變壓器的改良型PEA系統(tǒng)對(duì)空間電荷分布進(jìn)行了測(cè)量。在這個(gè)改良的PEA系統(tǒng)中，使用一個(gè)平板接地電極代替常見電纜PEA系統(tǒng)中的彎曲型接地電極。圖4-1是改良型PEA系統(tǒng)的電路圖。使用改良型PEA系統(tǒng)的有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易準(zhǔn)備試樣。相比飾板試樣，從電聲脈沖法中獲得空間電荷分布更為復(fù)雜。</p&g

95、t;<p>　　正如圖4-1中所示，電纜試樣被放置在改良的電聲脈沖系統(tǒng)中，并且在導(dǎo)體電纜上施加脈沖電壓產(chǎn)生聲頻信號(hào)波。產(chǎn)生的聲波來自于絕緣試樣中電荷層的傳播,并用一個(gè)壓力-聲傳感器連續(xù)不斷的測(cè)量。在當(dāng)前的系統(tǒng)中，40μm厚的聚偏二氟乙烯（PVDF）膜被用作壓力-聲傳感器。更全面提供詳細(xì)的電聲脈沖法在其它文獻(xiàn)[25]。</p><p>　　圖 4-1 帶有電流互感器改良的PEA系統(tǒng)的原理圖</p

96、><p>　　需要獲得標(biāo)定定量空間電荷分布信息。這通常是通過電纜試樣短時(shí)間內(nèi)一個(gè)低靜電力的應(yīng)用。據(jù)悉，從電極或在大部分的電離電荷注入不會(huì)發(fā)生在外加電場(chǎng)。作為一個(gè)高的領(lǐng)域是可取的，刻度清楚可見并且具有良好的噪聲/信號(hào)的比值是必要的。不難發(fā)現(xiàn)，迅速進(jìn)行試樣中電荷的形成是場(chǎng)于時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。在本研究中，40kV校準(zhǔn)應(yīng)用。</p><p><b>　　空間電荷的測(cè)量裝置</b>&

97、lt;/p><p>　　由南安普頓電子與計(jì)算機(jī)科技大學(xué)的 W.Choo, G.Chen 和S.G. Swingler[26]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中所使用的是商業(yè)11kV交流XLPE絕緣電力電纜（內(nèi)徑為5.8mm，外半徑為9.2mm ；XLPE絕緣厚度為3.4mm； 單根鋁導(dǎo)體截面為 95mm2）。電纜試樣沒有經(jīng)過脫氣過程處理，因此，含有交聯(lián)產(chǎn)物。</p><p>　　在操作時(shí)，由電流互感器感應(yīng)加熱來實(shí)現(xiàn)

98、絕緣材料內(nèi)的溫度梯度，如圖4-1所示?；ジ衅魇闺娎|溫度升高，并產(chǎn)生一個(gè)橫跨絕緣材料的徑向溫度梯度。通過整個(gè)XLPE絕緣的溫度分布能夠用一個(gè)半徑為r的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并可以表示為</p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　其中Tinner和Touter分別表示電纜內(nèi)部和外部的溫度[27]。</p><p>　　獲得一個(gè) 10&

99、#176;C 穩(wěn)定的溫度梯度，其內(nèi)層的半導(dǎo)體溫度 ?55°C和外層的半導(dǎo)體溫度 ?45°C。同樣，獲得一個(gè) 20°C溫度梯度內(nèi)層絕緣溫度 ?89°C和外層絕緣溫度 ?69°C。通過絕緣使用 250A 和 350A 的交流電流分別流過導(dǎo)線獲得 10°C和20°C的溫度梯度，而外部的有線半導(dǎo)體是通過自然對(duì)流冷卻。</p><p>　　本研究分別設(shè)立

100、三個(gè)測(cè)試條件：</p><p>　?。ㄒ唬┦覝叵陆^緣中無溫度梯度。（二）10°C絕緣溫度梯度。（三）20°C絕緣溫度梯度。</p><p>　　在測(cè)試條件（二）及（三）下，通過電流互感器為電纜加熱 2h，以獲取所需的穩(wěn)定的溫度梯度。實(shí)驗(yàn)過程保持相同的電流。一個(gè) +80kV 直流電壓作用在 11kV XLPE 絕緣電纜上和著重強(qiáng)調(diào)在特定的 9h 期間內(nèi)通過電壓的閉合對(duì)

101、空間電荷的測(cè)量進(jìn)行分析。隨后，除去電極和那一時(shí)刻測(cè)量電荷衰減的短路應(yīng)用電壓。 </p><p>　　空間電荷測(cè)量結(jié)果與討論</p><p>　　如前所述，電纜未經(jīng)過脫氣過程，因此,如甲烷交聯(lián)副產(chǎn)品，二甲基芐醇，苯乙酮等，仍呈現(xiàn)在 XLPE 絕緣中。這些副產(chǎn)物可存在于材料中很長一段時(shí)間并影響著材料中空間電荷的分布。結(jié)果，這些副產(chǎn)品一部分提高電子（或空穴）從電極注入，觀測(cè)同號(hào)電荷的形成。異號(hào)電

102、荷形成，由于雜質(zhì)提供的離子載體。Li等人觀察到的同號(hào)電荷脫氣 XLPE和公認(rèn)的異號(hào)電荷形成。SUH等人也觀察到了類似的結(jié)果，XLPE 副產(chǎn)品濃度增加，這些雜質(zhì)可能在靜電力作用下遷移到相對(duì)的電極。因此，這些交聯(lián)聚合物呈現(xiàn)的交聯(lián)反應(yīng)將會(huì)經(jīng)過一個(gè)高電場(chǎng)下的離子化過程并且這些電離出來的異號(hào)電荷將朝著相反的電極移動(dòng)。然而，在高的耦合電場(chǎng)處施加較高的溫度，由于高注入率電荷的數(shù)量卻在增加并且更高的遷移率導(dǎo)致電荷傳輸量的增加。因此，注意到異號(hào)電荷的形成

103、可能是這兩種合成的作用[27]。</p><p>　　在第一次試驗(yàn)條件下，在整個(gè)絕緣中，通過沒有溫度梯度改良的電聲脈沖系統(tǒng)獲得了空間電荷的分布規(guī)律（如圖4-2）。圖4-2a 在空間電荷剖面圖中表明，電壓的作用顯示同號(hào)電荷的形成，是在陰極附近負(fù)空間電荷開始形成的地方，并且在極化后的第一時(shí)間毗鄰陽極（內(nèi)電極）附近形成大量的異號(hào)電荷。電壓空間電荷效果 圖4-2a 中顯示，同號(hào)電荷形成是在負(fù)空間電荷開始形成相鄰的陰極和極

104、化后的第一個(gè)小時(shí)大量異號(hào)電荷形成相鄰陽極（內(nèi)電極）。此外，注意到經(jīng)過 3h 的極化后正電荷會(huì)在試樣的陰極(外部電極)中間部分積累。式樣內(nèi)負(fù)電荷的積累速率比正電荷的積累速率快，可能的原因是負(fù)電荷更容易被捕獲。這是顯而易見的，在正電荷開始抵消它們之前，每一根電纜試樣有相對(duì)較高的增加的速率。負(fù)電荷增長的另一種解釋是相比較正電荷更多的負(fù)電荷被注入到試樣中。正電荷的形成是在試樣中部向外電極，這歸功于正電荷捕獲的困難及這些正電荷不會(huì)在陽極附近被捕獲

105、但唄吸引到和負(fù)電荷被抵消或重組的陰極附近，大多數(shù)電荷充滿的空穴極化 3h后獲得了大量試樣內(nèi)積累的穩(wěn)定空間電荷。此外，陰極臨近積累的電荷產(chǎn)生的屏障高度會(huì)增加，導(dǎo)致注入量下降。同樣，陽極產(chǎn)生的屏障高度也</p><p>　　當(dāng)外電壓暫時(shí)關(guān)斷時(shí)，測(cè)量電壓關(guān)斷（圖4-2b 所示），發(fā)現(xiàn)陰極部分緩慢移動(dòng)的電荷被附近的陽極和陰極捕獲。也發(fā)現(xiàn)緩慢移動(dòng)的活躍電荷在試樣的中心區(qū)域積累。因此很顯然，副產(chǎn)品的離子化有助于電荷產(chǎn)生及電極

106、端緩慢移動(dòng)電荷的注入使通過絕緣材料的電荷永久的被捕獲。</p><p>　　此外，電纜進(jìn)行 9h 內(nèi)電極與外電極短路后進(jìn)行空間電荷衰減測(cè)試。24h 衰減測(cè)試間在一定的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，圖4-2c。絕緣材料中累積的空間電荷 18h 且至少保持18h 后僅觀察到顯著的衰減。在 24th 衰減測(cè)量記錄期間顯示少量的密度為~0.1C/m3正電荷留在絕緣的中心和密度為 ~0.2C/m3的負(fù)電荷分別留在了臨近的陽極和陰