陈广辉,王东芳,岳彩鹏,王伟,董小兵

（1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206;2.华南理工大学电力学院，广东广州510640；3.西北电网有限公司，陕西西安710048）

交流电压下基于空间电荷效应的XLPE电缆绝缘老化研究现状

陈广辉1,王东芳2,岳彩鹏1,王伟1,董小兵3

（1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206;
2.华南理工大学电力学院，广东广州510640；3.西北电网有限公司，陕西西安710048）

Project Supported by National Basic Research Program of China（973Program）（2009CB724506）。

随着我国经济的快速发展，电力需求越来越大，对输配电系统的可靠性运行提出了更高的要求。在城市配电网中，考虑到环境以及输电线路安全等因素，架空线路逐渐被电缆取代。交联聚乙烯（XLPE）电缆属于塑料绝缘电缆，安装简便、耐高温、耐腐蚀、电气强度高、介质损耗小，而且适于高落差和垂直敷设环境，广泛应用于现代电力系统[1]。

影响XLPE电缆寿命的主要是树枝状老化，随着抗水树电缆料的研发和应用，水树枝对XLPE电缆绝缘老化的影响越来越小，研究重点放在电树枝对绝缘老化的影响上。电树枝的引发是一种复杂的综合性电腐蚀现象，目前没有统一的理论能合理解释电树枝引发过程中的所有现象。

XLPE属于聚合物，聚合物是指具有非常大的分子量的化合物，分子间由结构单位或单体经由共价键连接在一起[2]。XLPE绝缘的微观结构特点决定了其中存在大量的陷阱，当外加电压时，绝缘介质中的载流子被陷阱捕获，形成空间电荷，畸变绝缘中的电场分布，进而影响材料的老化和击穿特性。

基于不同老化阶段的空间电荷分布特性，从空间电荷效应角度研究交联聚乙烯电缆绝缘老化机理，进行电缆绝缘状态评估和寿命预测，是故障诊断与在线监测的一个重要研究方向。

目前大多是关于直流电场下空间电荷对聚合物绝缘影响的研究，由于交流电压下电场变化，实现空间电荷分布的瞬态测量存在困难，研究相对较少[3]。本文综述了国内外关于交流电压下空间电荷对XLPE绝缘老化影响的研究，并介绍了测量交流电压下空间电荷分布的改进的电声脉冲法。

1 空间电荷的产生

空间电荷一般指陷阱电荷，即被陷阱捕获后留在介质内部的电荷，也包括由于电场不均匀极化表现出来的分布电荷，电极注入通常被认为是空间电荷形成的主要原因。

对应陷阱的形成因素，空间电荷的形成也有内在和外在因素。产生陷阱的内在因素可以成为空间电荷的来源和驻留位置，在电场的作用下，晶区与非晶区的界面极化产生极化电荷，存在于界面附近，形成空间电荷；杂质在电场作用下电离并定向移动，形成异极性空间电荷[4]。产生陷阱的外在因素（如辐射）可以向介质内部注入电荷，形成空间电荷；在外施电场作用下，可在电极和介质的界面或介质内通过Schottky或Fowler-Nordheim效应发射电荷，在介质中形成同极性空间电荷[5]。

2 空间电荷测量方法

空间电荷测量技术是空间电荷研究的基础，20世纪80年代之前，开发出了有损测量技术（TSC），20世纪80年代之后，开发出了多种无损测量技术（PWP、LIMM、PEA），到20世纪90年代后，测量技术趋于成熟。现代空间电荷常用的非破坏性测量方法可分为3大类[6]。

2.1 热学方法

热学方法原理是利用热在介质中扩散速度的不均匀性造成电荷的移动，在相邻电极检测位移电流或开路电压达到测量空间电荷的目的。根据热源的不同可以分为热脉冲技术、激光强度调制法（LIMM）和热阶跃法（TSM）。

2.2 压力波法

压力波法以声速传播的弹性波使电荷产生位移，检测方法与热学方法相同。根据激励源类型可分为激光调制压力波法（LIPP）、压电脉冲压力波法（PIPP）和压电阶跃压力波法（PIPS）。

2.3 电声脉冲法

电声脉冲法（PEA）由日本国武藏工业大学的Takada Tatsuo教授于1933年提出，1988年之前，PEA法还只能测量平板式样。1988年之后，用高度单向性的聚偏四氟乙烯PVDF薄膜做成的新型压电传感器投入使用。这种薄膜压电性能好、频带宽、动态响应较好与低声阻抗，使PEA法能用于测量同轴电缆等形状复杂试样中的空间电荷。已成功用于测量电子束辐照样品、同轴电缆、XLPE、LDPE以及多层样品中的空间电荷的分布特性[7]。电声脉冲法的基本原理是对试样施加高压脉冲，脉冲在介质中传播时，介质中的空间电荷在脉冲电场作用下受到库仑力的作用而发生位移，产生声波，传到压电传感器上，声信号转化成电信号，通过分析电信号得出空间电荷分布。

目前电声脉冲法研究主要集中在提高空间分辨率、提高测试重复率、开发三维测试装置、设备小型化和功能多样化等方面。

S.S.Bamji提出了电声脉冲法（PEA）的分相技术测交流电压下聚乙烯绝缘材料空间电荷分布[8]。改进的PEA法可以在交流波形的不同相位施加脉冲，通过软件控制实现所加脉冲与交流高压电源的同步。系统可在交流电压的任意相位施加脉冲。测试装置的结构如图1所示。

图1 采用分相技术的PEA法测量模块Fig.1 Block diagram of the phase resolved PEA setup

计算机内置输出数据采集卡，第一通道产生60Hz的交流波形，经高压放大器放大后施加到PEA测试单元的试样。第二通道可以在交流波形的任意相位输出信号触发脉冲生器产生脉冲。采用计算机软件控制，将脉冲施加与交流电压的特定相位同步，并由此实现不同相位下的空间电荷分布测量。

3 交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化影响机理

基于空间电荷分布特性评估聚合物绝缘电老化程度的优点：①空间电荷是陷阱电荷在介质中空间上的分布，可从空间电荷的分布获取陷阱的空间分布信息[9]；②空间电荷测量技术是一种无损检测技术，试验具有可重复性；③空间电荷测量技术多种多样，而且发展的更加成熟，可根据不同的测试要求选择合适的测量技术，来定性和定量分析聚合物的电老化程度。

空间电荷影响聚合物绝缘老化和击穿的研究主要集中在对电树枝的研究上，目前，基于空间电荷效应的电树枝引发机理研究主要分为以下4个理论。

3.1 电荷的注入和抽出理论

1978年，Tanaka提出了电荷的注入和抽出理论，并且研究了电荷的注入和抽出在聚乙烯绝缘电树枝引发中的作用[9]，理论的核心是在交流电场作用下，受电机械应力的作用,介质产生疲劳，出现裂纹，电荷交替注入和抽出，在电场加速作用下一些电荷成为高能电荷，撞击聚合物分子，导致分子链断裂并产生低分子和气体,气体中引发局部放电，并形成树枝状的放电微孔通道，引发电树枝。

3.2 热电子理论

1982年，Kao把陷阱模型引入聚合物的击穿过程，他认为载流子的迁移率很低，很难在电场中加速至拥有足够的动能击断聚合物分子链，于是提出载流子复合过程中的非辐射能量转移产生热电子，热电子造成聚合物分子链断裂，并将大分子分解成小分子低密度区。该理论的关键思想是：①电子和空穴的注入；②热电子的形成；③低分子密度区的形成。

3.3 电致发光的光降解理论

该理论由Bamji提出，理论的核心是：在交流电场作用下，正负极性的载流子交替注入和抽出，一部分受陷的载流子与相反极性的载流子复合发光，其中的紫外线能量很高，再加上氧的作用，聚合物发生降解，绝缘劣化，产生电树枝[10]。

3.4 空间电荷效应理论

以往的解释空间电荷影响聚合物老化和击穿的模型，大都以电荷的注入导致电介质中的局部电场增强，超过介质击穿的本征介电强度引起击穿或电子注入撞击，直接导致聚合物大分子链断裂或载流子复合发光引起聚合物降解为出发点，最新研究指出，聚合物的老化和击穿发生在空间电荷脱陷时，本质是外加应力突变了介质内局域电场分布而引起空间电荷脱陷[11-13]。

在19世纪90年代，Ying Li通过在交流电压的特定相位施加脉冲，提出了测交流电压下空间电荷分布的方法，并研究了含水树枝的XLPE电缆中的空间电荷分布，发现在树枝和非树枝的界面电导率不同导致界面极化效应，出现空间电荷的积聚；空间电荷量与外加电压成正比，电声脉冲法可作为评估水树枝长度和发展的非破坏性方法[14]。

Y.F.F.Ho等人研究了交流电压50Hz下老化24h的XLPE块中的空间电荷分布和电场分布，指出交流电压下XLPE中空间电荷快速注入比空间电荷缓慢，注入现象明显，空间电荷分布改变介质内的交流电场分布，也改变电极和XLPE绝缘界面的电场分布，界面产生的陷阱可解释电树枝引发机理[15]。

大量研究表明，交流老化后的聚乙烯类绝缘材料内部出现空间电荷积累，而且空间电荷量随老化时间呈线性关系，由空间电荷量可以评估材料的老化程度[16-17]。

4 结论

1）交流电压下空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。

2）通过软件控制，可以实现在交流电压的特定相位施加高压脉冲，为研究空间电荷分布的相位特性提供了基础。

3）工频电场下，空间电荷分布瞬时变化，实现高精度的动态测量对数据采集和处理系统提出很高的要求，也是目前空间电荷研究的一个重要方向。

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Research on Aging of XLPE Cable Insulation Based on Space Charge Effect under AC Voltage

CHEN Guang-hui1，WANG Dong-fang2，YUE Cai-peng1，WANG Wei1，DONG Xiao-bing3
（1.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC，North China Electric Power University，Beijing 102206,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China；3.Nothwest China Grid Company Limited，Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

XLPE cable is widely used in the modern power system for its excellent mechanical and electrical properties.Studies show that under DC voltage space charge is apt to form in insulation and cause electric distortion,which accelerates the insulation degradation.Few studies have been conducted on the space charge effect on XLPE insulation under AC voltage both at home and abroad.This paper summarized the influence of space charge on XLPE cable and itsmechanism,and introduced the modified PEA method used under AC voltage.The result show that space charge distribution characteristics affect the aging process of XLPE cable insulation.

XLPE;cable aging；space charge；PEA

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优良的机械和电气性能广泛应用于现代电力系统。研究表明，在直流电压作用下绝缘中容易形成空间电荷，导致电场畸变，加速绝缘老化。国内外很少关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的研究。本文综述了交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化的影响及其作用机理，并介绍了交流电压下测量空间电荷分布的改进的电声脉冲法。结果表明，交流电压下，空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。

XLPE；电缆老化；空间电荷；电声脉冲法

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（973项目）（2009CB724506）。

1674-3814（2011）11-0005-04

TM247

A

2011-05-05。

陈广辉（1988—），男，硕士，从事不同电压和温度下XLPE电缆中空间电荷分布特性研究。

（编辑 董小兵）