【摘要】：聚合物材料由于具有諸多優(yōu)良特性,因而在電力工程、能源工程和航空航天工程等領域有著廣泛的應用。聚合物絕緣電纜作為超高壓直流輸電的主要組成部分,在運行過程中承受著一定強度的電場。直流電場下聚合物材料容易積累空間電荷,引發(fā)局部電場畸變,使熱電子運動以及能量的儲存與釋放加強,進而加速絕緣老化,嚴重影響電纜壽命。聚合物在輻射環(huán)境下諸如航天器中也得到大量應用,然而高能粒子輻射、等離子體撞擊和紫外線照射等因素極易導致聚合物材料表面和內(nèi)部積累大量電荷,引起靜電放電。造成空間電荷積累的主要原因是材料內(nèi)部存在或深或淺的陷阱,空間電荷的行為與材料內(nèi)部陷阱能態(tài)分布具有很強的關聯(lián)性。對材料內(nèi)的陷阱分布與空間電荷分布進行聯(lián)合測量與研究有助于全面地了解材料中載流子的輸運過程。然而鮮有研究者對同一試樣中的空間電荷分布與陷阱能態(tài)密度進行聯(lián)合測量,相關設備的缺失使得該項研究難以進行。為此,本文針對聚合物絕緣中的空間電荷行為與陷阱分布的關聯(lián)性這一關鍵問題,將聚合物的空間電荷行為與微觀陷阱能態(tài)密度相結(jié)合,研制了能夠?qū)ν辉嚇拥目臻g電荷與陷阱能態(tài)密度進行聯(lián)合測試的儀器。并以交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)和納米MgO/XLPE復合介質(zhì)為研究對象,對兩種材料的空間電荷與電導,空間電荷與熱刺激電流進行聯(lián)合測量。研究了空間電荷與電導的聯(lián)系,以及空間電荷與陷阱能態(tài)密度的關系,比較了兩種材料中的空間電荷行為,并對載流子的輸運特性進行了分析。聚合物空間電荷與陷阱能態(tài)密度測試儀器的研制難點主要在于協(xié)調(diào)空間電荷測量與電流測量這兩種測量方式之間的矛盾。為解決該矛盾,本文首先通過仿真和理論計算分析了空間電荷測量時產(chǎn)生的脈沖電場對電流測量的影響,發(fā)現(xiàn)脈沖電場引起的脈沖電流幅值較大,將極大地干擾對流過試樣的電流的測量,甚至可能損毀電流測量儀器。因此,采用高壓電極、空間電荷測量極、電流測量極和接地保護極構(gòu)成的“四電極”結(jié)構(gòu),將空間電荷測量區(qū)域與電流測量區(qū)域分離開。另外,采用快速切換分時測量的策略,將空間電荷測量與電流測量分時進行。采用液氮與電加熱器件相結(jié)合的控溫方式,實現(xiàn)了對實驗樣品以0.5~10℃/min的速率線性升溫。此外,又研制了基于Blumlein傳輸線的高重復頻率納秒脈沖電壓源,使用高開關速度和重復頻率的MOSFET器件,使得脈沖重復頻率最高可達3 MHz,為空間電荷快速測量提供了激勵源。通過對經(jīng)典的單一陷阱能級的熱刺激電流表達式進行分析后發(fā)現(xiàn),不同類型的電荷來源引起的熱刺激電流表達式相似。在此基礎上,提出了基于非負線性最小二乘迭代算法的熱刺激電流分析方法。該方法無需人為判斷電流峰的位置和個數(shù),自動對整條熱刺激電流曲線進行分析,能夠獲得整個禁帶范圍內(nèi)的陷阱能態(tài)密度譜,具有重復性好、能規(guī)避人為誤差以及自動排除無效數(shù)據(jù)等優(yōu)點,可以用于聚合物陷阱能態(tài)密度的分析。使用聯(lián)合測試設備對XLPE和納米MgO/XLPE復合介質(zhì)在20到60℃下進行空間電荷與高場電導聯(lián)合測量,發(fā)現(xiàn)納米MgO/XLPE復合介質(zhì)的空間電荷積累閾值電場大于XLPE的空間電荷積累閾值電場,表明一定粒徑和濃度的納米MgO的添加抑制了空間電荷的積累。在相同溫度下,納米MgO/XLPE復合介質(zhì)的電流密度-電場關系曲線的轉(zhuǎn)折電場高于XLPE的轉(zhuǎn)折電場。通過對兩種材料的電流密度-電壓標度曲線進行擬合,發(fā)現(xiàn)納米MgO顆粒的添加引入了新的陷阱能級,納米MgO/XLPE復合介質(zhì)內(nèi)的陷阱在空間上分布較XLPE更為均勻。另外,又使用空間電荷和電流聯(lián)合測量的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)載流子關于局部電場的負微分遷移率是空間電荷包形成的主要原因。使用聯(lián)合測試設備對XLPE和納米MgO/XLPE復合介質(zhì)進行了空間電荷與熱刺激電流聯(lián)合測量與分析。在極化階段,XLPE試樣的陽極附近積累了大量的正電荷并逐漸向試樣內(nèi)部遷移,而降溫階段空間電荷的遷移減緩。在熱刺激階段,當溫度大約高于60℃時空間電荷開始劇烈減少。納米MgO/XLPE復合介質(zhì)在極化階段和降溫階段均沒有明顯的空間電荷積累。使用基于非負線性最小二乘迭代算法的熱刺激電流分析方法計算了兩種材料的陷阱能態(tài)密度,發(fā)現(xiàn)XLPE在1.15 eV能級存在數(shù)量較多的深陷阱,而納米MgO/XLPE復合介質(zhì)在不同能級上的陷阱密度較為均勻。由空間電荷與陷阱能態(tài)密度的聯(lián)合分析可知,XLPE積累的空間電荷主要分布在深陷阱內(nèi),而納米MgO/XLPE復合介質(zhì)由于添加了納米MgO顆粒,引入了更多的陷阱能級,抑制了空間電荷的積累。
【圖文】：

反比例分布的，而材料內(nèi)的局部電導率不僅僅受溫電纜在運行過程中由于線芯發(fā)熱導致本體絕緣靠近低，形成溫度梯度，靠近線芯處電導率高。當溫度的電場比遠離線芯位置的電場低，出現(xiàn)了電場反轉(zhuǎn)一般不會出現(xiàn)。電導率的升高導致絕緣材料的熱損緣存在熱擊穿的風險。纜的主絕緣和附件絕緣的配合問題也常常是輸電系主絕緣采用 XLPE 材料，接頭和終端等附件主要采導率與主絕緣材料不同。在附件與主絕緣同時存在。由于介電常數(shù)和電導率的不同，，根據(jù) Maxwell-W熱平衡載流子本身就不均勻，界面處存在電荷層。表面或多或少也有表面態(tài)的存在，因此從電極注入成局部電場畸變，嚴重時造成電纜附件擊穿。電纜何設計和控制附件材料的介電常數(shù)和電導率，并與電纜絕緣材料應用研究的重點和難點[15-18]。

第一章 概述輻射環(huán)境中的應用間電荷除了來源于高場下的電極注入之外，也來源合物介質(zhì)在航天器和核電站等輻射環(huán)境下也具有廣于工作在地外空間中，常常處于高真空和多種輻射等離子體的撞擊和紫外線照射等惡劣條件極易導致累大量的電荷。當電荷量不斷積累后，材料表面電紫外和 X 射線等輻射激勵下會發(fā)生間歇性的沿面磁波會干擾航天器內(nèi)的電子系統(tǒng)的正常工作，而更擊穿，影響航天器的工作可靠性和壽命。射線輻照環(huán)境下會引起聚合物內(nèi)部的化學鏈斷裂變了材料內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)拓撲，影響結(jié)晶形態(tài)，產(chǎn)生些缺陷進而形成陷阱，反過來影響材料內(nèi)的電荷積空間電荷積累與陷阱分布具有密不可分的聯(lián)系。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM21

【參考文獻】

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1 劉通;傅明利;侯帥;呂澤鵬;吳鍇;王霞;;溫度梯度影響高壓直流電纜用交聯(lián)聚乙烯中空間電荷分布的作用機理[J];高電壓技術;2015年08期

2 王霞;王陳誠;朱有玉;吳鍇;屠德民;;高壓直流塑料電纜絕緣用納米改性交聯(lián)聚乙烯中的空間電荷特性[J];高電壓技術;2015年04期

3 吳建東;蘭莉;尹毅;李U

本文編號：2695034