温度对聚合物绝缘中空间电荷行为的影响

聚合物绝缘电缆由于结构轻便,运行温度高及环境友好等被广泛应用于交流系统的电力传输,然而其在直流系统中的应用却比较落后。最主要的原因之一就是聚合物绝缘在直流高压下的空间电荷积聚。空间电荷引起的局部电场畸变,热电子发射和电机械能存贮与释放等问题会加速绝缘劣化,严重影响电缆的使用寿命。另外,有研究表明电缆主绝缘和附件增强绝缘之间的界面比材料本体更容易积累空间电荷,从而使得电缆附件成为整个系统的薄弱环节。近年来,很多学者对聚合物中空间电荷的产生和输运特性进行了研究,但是其中大部分工作在室温下进行。考虑到电缆运行过程中导体承受负载电流导致绝缘层温度升高,需要在更高温度下对聚合物绝缘的空间电荷特性开展进一步研究。本文在30～90℃温度范围内分别测试了交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)、三元乙丙橡胶(ethylene-propylene-diene monomer,EPDM)单层平板试样的高场电导特性和空间电荷分布,以及XLPE/EPDM双层介质的空间电荷分布,分析了聚合物介质中空间电荷的形成机理和温度对电荷输运特性的影响。并在实验的基础上,对XLPE和EPDM单层介质,以及XLPE/EPDM双层介质在不同温度下的空间电荷分布进行了数值模拟研究。由XLPE和EPDM单层介质的高场电导特性和空间电荷分布可知,XLPE和EPDM在直流高压下均出现了双极性电荷注入和杂质分子解离。空间电荷积聚的阈值电场随温度升高而降低,表明高温加快了电荷注入和杂质解离的速率。载流子的视在迁移率随温度升高而增大,表明高温加速了受陷电荷的脱陷和自由电荷的迁移。EPDM的电荷注入势垒低于XLPE,其内部杂质分子的解离势垒则比XLPE中所含杂质分子的解离势垒高。由XLPE/EPDM双层介质的空间电荷分布可知,随着外施电场的升高和加压时间的推移,不同温度下的界面电荷均呈现出由正极性到负极性的变化,且发生转变的阈值电场在70℃以下随着温度的升高逐渐降低。较低温度较低电场下(30℃和50℃,10kV/mm),正极性界面电荷的形成与Maxwell-Wagner极化有关;温度或电场升高后(30℃到70℃,20kV/mm),阴极注入的电子在界面处积聚导致正极性界面电荷幅值减小并逐渐变为负极性;较高温度较高电场下(90℃,30kV/mm),阳极注入的空穴在界面处积聚导致负极性界面电荷幅值减小。在双极性电荷和杂质离子输运模型中,引入温度对注入电流密度、杂质解离系数、载流子视在迁移率和脱陷系数等因素的影响,使得模型可以应用于高温下的电荷模拟;考虑A型杂质(解离为电子-正离子对)和B型杂质(解离为空穴-负离子对),使得模型可以应用于不同杂质类型的模拟。由模拟和实验结果的对比发现,XLPE中存在容易解离为空穴-负离子对的杂质分子,其内部的空间电荷由电子、空穴和负离子引起。EPDM中可能同时存在容易解离为电子-正离子对和空穴-负离子对的杂质分子,其内部的空间电荷由电子、空穴、正离子和负离子引起。将双极性电荷输运模型应用到双层介质的空间电荷模拟中,设置理想界面,界面势垒和界面深陷阱来模拟界面性质对电荷输运的影响。分别基于Maxwell-Wagner理论和双极性电荷输运模型对XLPE/EPDM双层介质的空间电荷分布进行模拟。模拟和实验结果的对比表明,Maxwell-Wagner模型只能对较低温度较低电场下(30℃和50℃,10kV/mm)界面电荷的极性进行模拟。双极性电荷输运模型能够对注入电荷在绝缘界面附近产生积聚的动态特性进行模拟,XLPE/EPDM中造成注入电荷在界面附近产生积聚的主要原因是界面两侧电场强度和载流子迁移率的差异,与界面的势垒阻挡作用或陷阱俘获作用关系不大。