电极材料对高密度聚乙烯中空间电荷的影响

陈少卿 郑明波 王 霞 彭宗仁

（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）

1 引言

由于聚乙烯具有优良的机械和电性能，被广泛应用到电力电缆绝缘中。随着电压等级的不断提高，对聚乙烯介电性能的研究已经受到广大学者的关注。聚合物绝缘中的空间电荷，特别是直流电场下的空间电荷严重影响绝缘的使用寿命，因为空间电荷的积聚可以提高绝缘材料内部的局部电场，从而导致绝缘材料的局部击穿。但是空间电荷是一个极其复杂的问题，它受到绝缘材料微观结构、杂质、添加剂、热历史、环境温度、外施场强等诸多因素的影响。到目前为止空间电荷领域仍存在许多难以解释的问题，例如电极材料对电荷注入的影响、绝缘材料内部陷阱的发展机理等[1-4]。

国外广大学者已经对各种电力和实验室常用电极材料对低密度聚乙烯（LDPE）中空间电荷的影响进行了深入的研究。研究表明电极材料及电极与绝缘的接触状态严重影响电荷的注入[5-7]。本小组在这方面已经进行了一定的研究。为了讨论不同分子链结构的影响，并与对LDPE 研究的结果进行对比，本文研究了铝电极和半导电橡胶电极对高密度聚乙烯（HDPE）中空间电荷注入的影响。

2 试验方法

本文采用电声脉冲法（Pulsed Electroacoustic Method，PEA）测量薄片试样中空间电荷分布。其原理是陷阱电荷受到外加的前沿很陡的电场脉冲的作用，这是一个真实的冲撞，由于在电荷与介质之间的运动，从而产生一个弹性波，此弹性波在材料中以声速传播，由压电传感器接收和测量压力波脉冲，就可以得到相应的试样中空间电荷的分布情况，测量装置的结构如图1 所示。直流电源0～30kV，脉冲宽度5ns，幅值0～1kV。压电传感器（PVDF）薄膜厚度为9μm。选用电力电缆常用电极材料铝和半导电橡胶，并以半导电橡胶作为测量系统上电极，金属铝板作为下电极，声耦合剂是硅油。此外还测试了蒸镀铝电极试样中的空间电荷，来研究不同电极接触状态对空间电荷分布的影响。空间电荷测量系统的分辨率取决于外加纳秒脉冲电压的半峰宽、压电传感器的厚度及放大器的频率带宽。由计算可得本实验室的空间电荷测量装置的测量分辨率为

10μm[8-10]。

图1 空间电荷测试系统 Fig.1 Setup of pulsed electro-acoustic（PEA）measurement system

实验场强为50kV/mm。测量加压90min 及撤去电压30min 后的空间电荷分布。待测试样厚度约为100μm 的板状HDPE 试样。

3 试验结果及讨论

3.1 电极材料对空间电荷的影响

加压和短路过程中的空间电荷分布通过数据采集卡（GPIB 卡）与配套的Labview 软件进行实时检测，测量间隔为5s。加压过程中空间电荷密度均用黑白图表示，图中用颜色深浅反映空间电荷密度随时间的实时变化情况。电场变化及短路时的空间电荷分布均用曲线表示。图2 和图3 分别为施加负极性电压和正极性电压下的空间电荷及场强分布图。从图中可以看到电极上感应的电荷和试样中的电荷，以及电荷分布图所对应的场强分布图。图 2a和图3a 分别是负压和正压下空间电荷随加压时间的分布图。由试样的加压电荷分布图及短路电荷分布图（见图2a、2c、3a 及3c）可见，在正极性电压和负极性电压下试样中均有电子和空穴注入（即正电荷注入）。但在负压下（半导电橡胶为负极性， 铝为正极性，见图2）电荷的注入明显减小。这可能是由于半导电橡胶的功函数（4.8eV）比铝的功函数（4.28eV）大，而电子注入势垒正比于Φm−x（其中Φm金属功函数，x 为绝缘材料的电子亲和力），故半导电橡胶不易注入电子而容易注入空穴，而铝容易注入电子不易注入空穴。所以当半导电橡胶为阴极时可以抑制阴极上大量负电荷的注入，同理，铝为阳极时可以抑制阳极上大量正电荷的注入。

图2 负压下的空间电荷和电场分布图 Fig.2 Space charge distributions and electric field strength curves with negative polarity

图3 正压下的空间电荷和电场分布图 Fig.3 Space charge distributions and electric field strength curves with positive negative polarity

由图3b 可以看出，当施加+50kV/mm 场强时，正压下的内部场强在阴极附近最高达到65kV/mm，为所施加场强的1.3 倍，这说明大量的电荷注入严重畸变了试样内部的场强，引起局部场强过高。

比较图2c 和图3c 可见，正压时的电荷注入峰值为负压时的5 倍左右。这与加正压时的空间电荷密度大于负压时的空间电荷密度是一致的。这是由半导电橡胶和铝电极的电荷注入势垒导致的，半导电橡胶电极易于注入空穴，而铝电极易于注入电子。有趣的是，在图2c 中铝和半导电橡胶电极附近均出现同极性电荷。而在图3c 中电极附近出现了异极性电荷，并且在阴极附近形成了较大的正电荷峰。由于试样是未加任何添加剂的纯HDPE，所以认为图中的同极性电荷与异极性电荷均是电极注入引起的，而不考虑杂质离子的影响。而正压下的异极性电荷则是由于大量的注入电荷在外加电场作用下在试样内部迁移形成的。图2c 和图3c 中的电荷均随时间衰减，这说明电荷注入大多在浅陷阱中容易脱陷。正压下短路后的场强明显大于负压短路后的场强，并随短路时间衰减（见图2d 和图3d）。

3.2 电极接触状态对空间电荷的影响

图4 铝板电极和镀铝电极加压−50kV/mm,90min 短路瞬间的空间电荷分布图 Fig.4 Space charge distributions for Al plate and evaporated Al electrode under short-circuit after the application of −50kV/mm for 90 min

图4 为铝板电极和镀铝电极分别为下电极，半 导体橡胶为上电极，在施加负压50kV/mm 场强，90min 后短路瞬间的空间电荷分布图。大量的同极性电荷出现在铝板电极附近，但只有少量的同极性电荷出现在镀铝电极附近。

这是因为铝板和HDPE 为机械接触，许多气体分子（如O2和H2O 等）和杂质等可能吸附在他们的界面从而形成表面态。表面态有许多局部能级，这些能级有助于电荷从铝板注入到HDPE 中。另外机械接触必然存在气体间隙，在电场的作用下电荷会被加速从而注入HDPE 或者通过气体间隙的局部放电进入绝缘材料[11]。

4 结论

研究了电极材料及电极接触状态对HDPE 中空间的影响，主要结论如下：

（1）电极材料是影响HDPE 中空间电荷注入的重要因素。半导体橡胶容易注入空穴不易注入电子，而铝电极容易注入电子不易注入空穴。

（2）当半导电橡胶为阴极铝为阳极时能有效抑制HDPE 中的电荷注入。

（3）电极接触状态严重影响空间电荷注入。相比铝板电极镀铝电极能有效抑制电荷注入。

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