發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 15:37

【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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(yùn)行過(guò)程中承受著一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。直流電場(chǎng)下聚合物材料容易積累空間電荷,引發(fā)局部電場(chǎng)畸變,使熱電子運(yùn)動(dòng)以及能量的儲(chǔ)存與釋放加強(qiáng),進(jìn)而加速絕緣老化,嚴(yán)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(yīng)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(dǎo)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(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。對(duì)材料內(nèi)的陷阱分布與空間電荷分布進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量與研究有助于全面地了解材料中載流子的輸運(yùn)過(guò)程。然而鮮有研究者對(duì)同一試樣中的空間電荷分布與陷阱能態(tài)密度進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量,相關(guān)設(shè)備的缺失使得該項(xiàng)研究難以進(jìn)行。為此,本文針對(duì)聚合物絕緣中的空間電荷行為與陷阱分布的關(guān)聯(lián)性這一關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)行聯(lián)合測(cè)試的儀器。并以交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)和納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)為研究對(duì)象,對(duì)兩種材料的空間電荷與電導(dǎo),空間電荷與熱刺激電流進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量。研究了空間電荷與電導(dǎo)的聯(lián)系,以及空間電荷與陷阱能態(tài)密度的關(guān)系,比較了兩種材料中的空間電荷行為,并對(duì)載流子的輸運(yùn)特性進(jìn)行了分析。聚合物空間電荷與陷阱能態(tài)密度測(cè)試儀器的研制難點(diǎn)主要在于協(xié)調(diào)空間電荷測(cè)量與電流測(cè)量這兩種測(cè)量方式之間的矛盾。為解決該矛盾,本文首先通過(guò)仿真和理論計(jì)算分析了空間電荷測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的脈沖電場(chǎng)對(duì)電流測(cè)量的影響,發(fā)現(xiàn)脈沖電場(chǎng)引起的脈沖電流幅值較大,將極大地干擾對(duì)流過(guò)試樣的電流的測(cè)量,甚至可能損毀電流測(cè)量?jī)x器。因此,采用高壓電極、空間電荷測(cè)量極、電流測(cè)量極和接地保護(hù)極構(gòu)成的“四電極”結(jié)構(gòu),將空間電荷測(cè)量區(qū)域與電流測(cè)量區(qū)域分離開(kāi)。另外,采用快速切換分時(shí)測(cè)量的策略,將空間電荷測(cè)量與電流測(cè)量分時(shí)進(jìn)行。采用液氮與電加熱器件相結(jié)合的控溫方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)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(fù)頻率納秒脈沖電壓源,使用高開(kāi)關(guān)速度和重復(fù)頻率的MOSFET器件,使得脈沖重復(fù)頻率最高可達(dá)3 MHz,為空間電荷快速測(cè)量提供了激勵(lì)源。通過(guò)對(duì)經(jīng)典的單一陷阱能級(jí)的熱刺激電流表達(dá)式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),不同類型的電荷來(lái)源引起的熱刺激電流表達(dá)式相似。在此基礎(chǔ)上,提出了基于非負(fù)線性最小二乘迭代算法的熱刺激電流分析方法。該方法無(wú)需人為判斷電流峰的位置和個(gè)數(shù),自動(dòng)對(duì)整條熱刺激電流曲線進(jìn)行分析,能夠獲得整個(gè)禁帶范圍內(nèi)的陷阱能態(tài)密度譜,具有重復(fù)性好、能規(guī)避人為誤差以及自動(dòng)排除無(wú)效數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn),可以用于聚合物陷阱能態(tài)密度的分析。使用聯(lián)合測(cè)試設(shè)備對(duì)XLPE和納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)在20到60℃下進(jìn)行空間電荷與高場(chǎng)電導(dǎo)聯(lián)合測(cè)量,發(fā)現(xiàn)納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)的空間電荷積累閾值電場(chǎng)大于XLPE的空間電荷積累閾值電場(chǎng),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(fù)合介質(zhì)的電流密度-電場(chǎng)關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折電場(chǎng)高于XLPE的轉(zhuǎn)折電場(chǎng)。通過(guò)對(duì)兩種材料的電流密度-電壓標(biāo)度曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)納米MgO顆粒的添加引入了新的陷阱能級(jí),納米MgO/XLPE復(fù)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(cè)量的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)載流子關(guān)于局部電場(chǎng)的負(fù)微分遷移率是空間電荷包形成的主要原因。使用聯(lián)合測(cè)試設(shè)備對(duì)XLPE和納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)進(jìn)行了空間電荷與熱刺激電流聯(lián)合測(cè)量與分析。在極化階段,XLPE試樣的陽(yáng)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(dāng)溫度大約高于60℃時(shí)空間電荷開(kāi)始劇烈減少。納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)在極化階段和降溫階段均沒(méi)有明顯的空間電荷積累。使用基于非負(fù)線性最小二乘迭代算法的熱刺激電流分析方法計(jì)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(jí)存在數(shù)量較多的深陷阱,而納米MgO/XLPE復(fù)合介質(zhì)在不同能級(jí)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(fù)合介質(zhì)由于添加了納米MgO顆粒,引入了更多的陷阱能級(jí),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(dǎo)率不僅僅受溫電纜在運(yùn)行過(guò)程中由于線芯發(fā)熱導(dǎo)致本體絕緣靠近低，形成溫度梯度，靠近線芯處電導(dǎo)率高。當(dāng)溫度的電場(chǎng)比遠(yuǎn)離線芯位置的電場(chǎng)低，出現(xiàn)了電場(chǎng)反轉(zhuǎn)一般不會(huì)出現(xiàn)。電導(dǎo)率的升高導(dǎo)致絕緣材料的熱損緣存在熱擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。纜的主絕緣和附件絕緣的配合問(wèn)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(dǎo)率與主絕緣材料不同。在附件與主絕緣同時(shí)存在。由于介電常數(shù)和電導(dǎo)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(chǎng)畸變，嚴(yán)重時(shí)造成電纜附件擊穿。電纜何設(shè)計(jì)和控制附件材料的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，并與電纜絕緣材料應(yīng)用研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[15-18]。

第一章 概述輻射環(huán)境中的應(yīng)用間電荷除了來(lái)源于高場(chǎng)下的電極注入之外，也來(lái)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(dǎo)致累大量的電荷。當(dāng)電荷量不斷積累后，材料表面電紫外和 X 射線等輻射激勵(lì)下會(huì)發(fā)生間歇性的沿面磁波會(huì)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(huì)引起聚合物內(nèi)部的化學(xué)鏈斷裂變了材料內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)拓?fù)�，影響結(jié)晶形態(tài)，產(chǎn)生些缺陷進(jìn)而形成陷阱，反過(guò)來(lái)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(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM21

【參考文獻(xiàn)】

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2 王霞;王陳誠(chéng);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(shù);2015年04期

3 吳建東;蘭莉;尹毅;李U

本文編號(hào)：2695034