传导电流可测的PEA空间电荷测试系统

传导电流可以反映电介质中载流子运输过程的许多微观特性。为了研究传导电流与空间电荷分布之间的关系,基于电声脉冲法(PEA)开发研制了一套可以同步测量电介质材料空间电荷与传导电流的系统。该测试系统重点设计了电极系统,通过将下电极分区域进行设计,实现了同步测量传导电流和空间电荷的功能。利用本系统分别对PE材料和ZnO材料进行了空间电荷及传导电流的测试,测量结果与相关文献的测试结果对比表明,该系统可以很好地对电介质材料进行空间电荷的测试,并能够同步测量材料的传导电流。

基于PEA的聚四氟乙烯空间电荷测量及其温度特性

聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与硅油构成的复合绝缘材料在干式高压电器有着广泛的应用。但是聚四氟乙烯作为复合绝缘的关键组成部分,其空间电荷分布特点还不清楚,而已有的研究表明,空间电荷对绝缘放电有着不可忽略的影响。本文采用电声脉冲法对聚四氟乙烯薄膜在不同温度下的空间电荷分布进行了测量。结果表明,在外加直流电场的作用下,PTFE介质中容易积聚负极性空间电荷。其次温度的提高有助于加快聚四氟乙烯介质的空间电荷消散速率,有助于电荷消散。但是,温度的提高同样会导致PTFE的空间电荷注入、积聚速度加快,并促进介质中杂质电离,使得PTFE介质中积聚更多的空间电荷。因此,从尽量消除介质空间电荷的角度,建议PTFE绝缘介质尽量避免在高温下运行工作。

不同交联程度交联聚乙烯的空间电荷特征

为研究交联程度对聚乙烯空间电荷特征的影响,选用过氧化二异丙苯为交联剂并以低密度聚乙烯为基料,制备了交联程度不同的交联聚乙烯试样,分别对各试样进行了电荷注入阈值电场强度试验、加压时空间电荷累积试验和去压时空间电荷消散试验。然后以平均电荷密度为特征参量,分析了加压试验和消散试验中的空间电荷分布图谱,获得了交联程度对低密度聚乙烯空间电荷特征的影响。结果表明:交联向聚乙烯中引入了负电荷陷阱,并且增加了较深电荷陷阱的密度;交联能够显著提高聚乙烯的电荷注入阈值电场强度,其中氧化二异丙苯质量分数为3%样品的阈值电场强度最高;交联使得加压时电荷不易注入,而去压后当电场强度较低时电荷主要分布于电极附近,电场强度较高时电荷分布较深。

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲(PEA)法测量了不同热老化程度下试样在直流电场(20 kV/mm)作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明:随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

电声脉冲法(PEA)是一种目前较为流行的空间电荷分布测量技术,使用该法的一个前提条件是必须产生一个幅值大于400 V、脉宽小于20 ns的高压脉冲。笔者研制了一种纳秒级高压脉冲发生器,利用水银继电器作为开关,贮能电容通过此开关对匹配负载放电,经试验能产生脉冲幅值600 V、脉宽小于10 ns的陡脉冲电压信号。

基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制

研制了基于电声脉冲法(PEA)直接测量聚合物中空间电荷分布的测试装置。首先分析了普通电声脉冲法测量空间电荷的原理和测试系统传递函数,得到了一种基于测试系统传递函数倒数的陡脉冲输入波形,以消除由系统硬件带宽限制而引起的过冲;根据一种线脉冲发生器原理研制的脉冲发生器能产生脉宽8 ns的陡脉冲。通过对压电传感器引出线的特殊设计,减少了因接触气隙而导致的声脉冲色散。最后通过对测试系统的实验和标定,表明该装置能有效去除过冲,并得到样本中的实际电荷密度值,并以此装置实测了聚酰亚胺膜中空间电荷的分布。

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。

NOMEX合成纤维绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为提升变压器内绝缘水平,延长变压器使用寿命,合成纤维绝缘纸因其优良的介电、机械、热稳定、抗潮等性能而被广泛应用在绝缘介质工程领域。采用电声脉冲(PEA)法测量分析以NOMEX纸为代表的油浸合成纤维绝缘纸在直流电场中的空间电荷注入、积聚、消散时的密度分布特性,并与传统油浸植物纤维素绝缘纸进行对比,结合材料频域介电谱特性研究合成纤维绝缘纸的空间电荷输运特性。结果表明:在直流电场中,合成纤维绝缘纸具有较低的空间电荷注入起始阈值场强,材料内易于注入和积聚空间电荷,去压短路后试样体内积聚电荷消散速率较慢。合成纤维绝缘纸的空间电荷注入、积聚和消散特性与材料微观形貌的本征特性而形成的能级陷阱分布以及介电特性有紧密联系,这些特性在一定意义上有利于抑制空间电荷在介质体内进行输运。

纳米碳化硅/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷分布特性

空间电荷的积聚会引起局部电场的畸变,从而引起局部放电(PD)和电树枝的产生与发展,成为导致聚合物绝缘性能降低的重要因素。针对此问题,采用电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法研究了利用不同偶联剂(包括KH-560偶联剂和A-171偶联剂)进行表面改性后的纳米SiC添加到低密度聚乙烯(LDPE)中所制备得到的SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布。实验结果表明,纳米SiC粒子与LDPE本体之间的界面是陷阱的主要来源,添加纳米粒子对同极性电荷的注入具有一定的抑制作用;而偶联剂对陷阱的性质和能级有重要的影响,不同复合材料的空间电荷分布是不同的,KH-560SiC/LDPE复合材料中存在大量正极性亲和性的深陷阱,而A-171SiC/LDPE复合材料中则分布大量正极性亲和性的浅陷阱,从而影响载流子迁移,改变原有LDPE的介电性能。分析认为此现象源于不同偶联剂的分子结构差异,含有不对称侧链和端基的KH-560偶联剂更容易产生深陷阱,而含有烯烃结构的A-171偶联剂则容易产生浅陷阱。

电缆本体空间电荷电声脉冲法测量装置的研制

聚合物电缆绝缘层中空间电荷的存在和积累对电缆的电导特性、老化、击穿等有强烈的影响。因此,研究聚合物电缆中空间电荷的分布和积累有着重要意义。鉴于此,介绍了电声脉冲(PEA)法测量空间电荷的基本原理,研制了一套新型的可用于电缆试样的PEA空间电荷测量装置。采用平板型电极,此装置可以测量不同绝缘厚度和曲率半径的电缆。利用此装置分别对新出厂的电缆和已运行过20a电缆试样进行了测试。研究发现:在试验条件相同的情况下,已运行过多年的XLPE电缆中的空间电荷积聚要明显多于新电缆。

伽马射线对低密度聚乙烯的空间电荷陷阱特征影响

为研究伽马射线辐照后的低密度聚乙烯材料在直流电场作用前后的空间电荷形成和衰减的陷阱特征,在60Co伽马射线的辐照源下得到最大辐照剂量为50 kGy的聚乙烯样品,利用电声脉冲法测量其空间电荷分布,进而提出了一种离散陷阱分布模型来解释射线辐照的空间电荷衰减特征。结果表明:在阴极附近出现异号的正电荷积累并随着辐照剂量增加而增加;分析认为射线辐照后样品出现的异号正电荷是由于材料发生了化学变化(氧化)而导致更深能级陷阱的产生;同时,利用所提出的模型计算了陷阱的能级深度和陷阱密度参数,并分析了它们与辐照氧化的微观机制。由陷阱能级和陷阱密度围成的曲线族变化可作为材料辐照老化的特征参量。

脉动直流电压下油中电晕老化过程中油纸绝缘的空间电荷特性

为探讨脉动直流电压下油中电晕老化过程中空间电荷对油纸绝缘的影响,设计了油中电晕放电模型,在脉动直流电场下进行油纸绝缘电晕老化试验,采用电声脉冲(PEA)法测试不同电晕老化程度下绝缘纸的空间电荷特性,并分析了空间电荷特性随着电晕老化程度加深的变化规律。试验和分析结果表明:在脉动直流下的油中电晕老化初期,以负电荷注入油纸试品为主导;随着电晕老化程度的加深,油纸试品中的电荷复合加剧,并逐渐以正电荷注入为主导;此外,电晕老化后试品的空间电荷消散速率比未老化试品大幅增加,该现象对其直流条件下反极性效应的研究有重要的理论和工程意义。

绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响

探索绝缘油老化或绝缘纸老化对油纸绝缘介质在老化过程中空间电荷形成及迁移特性的影响,能为有效抑制油纸介质空间电荷的形成提供科学依据。首先在130℃下将绝缘油进行22 d加速热老化,并对其老化状态进行表征;然后通过电声脉冲法测量由不同老化程度绝缘油浸渍的油纸试品,分析在加压、瞬时去压和去压情况下绝缘油老化对油纸试品直流空间电荷动态行为的影响;最后通过计算分析绝缘油老化对油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级分布和电场畸变率的影响。结果表明:在负极性电源电压下,贴近阳极(铝板)侧绝缘纸层内注入的正电荷密度以及在靠近阳极侧绝缘纸–绝缘纸界面处积聚的负电荷密度均随绝缘油老化程度加深而增大;绝缘油老化越严重,相应绝缘油浸渍油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率也越大。

绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。

电缆振荡波试验中直流充电速率对XLPE中空间电荷积聚的影响

振荡波（DAC）测试广泛应用于35 k V及以下电压等级电缆的局部放电检测中,但这种方法目前在更高电压等级（110 k V及以上）电缆中的应用较少,其中一个原因是人们担心直流充电过程可能造成空间电荷的累积,从而危及电缆绝缘。为此,基于电声脉冲（PEA）法测量了不同直流充电速率下XLPE材料中的空间电荷量,并进行了比较分析。制备了厚度为0.35 mm、大小为40 mm×40 mm的XLPE试样,分别线性升压至12、20、30 k V/mm场强,并维持40 min,以空间电荷密度为特征量,分析了线性升压阶段、维持电压阶段以及去压过程中空间电荷分布的变化。结果表明：在线性升压过程中,即充电速率很慢时,XLPE中空间电荷不易积聚;当所加电压的场强〈12 k V/mm时,即达不到电荷注入场强阈值时,空间电荷也不易积聚;电压恒定并维持一段时间后,XLPE中的空间电荷才开始不断积聚。

不同直流场强下乙丙橡胶的空间电荷特性

乙丙橡胶在电缆绝缘中的应用日益广泛,空间电荷积聚成为影响其绝缘性能的关键因素之一。为了明确乙丙橡胶中空间电荷的行为特性及形成机制,文中基于PEA法对乙丙橡胶在直流场强下的空间电荷分布进行了研究,分析并讨论了不同场强下乙丙橡胶内空间电荷的分布规律以及其消散特性。实验结果表明:乙丙橡胶的电荷注入的阈值场强为2.5～5 kV/mm。根据不同场强下乙丙橡胶内空间电荷的行为特性,可将其分为4个阶段,分别为无电极注入阶段、双电极注入阶段、注入电荷迁移复合阶段、阳极注入主导阶段。此外,不同场强下陷阱密度及深度的差异会影响乙丙橡胶内部空间电荷的消散特性。在较高场强下,正极性空间电荷包的形成引起乙丙橡胶内部电场畸变,这可能会影响其介电强度,并使绝缘老化。

适用于脉冲电声法的ns级超窄高压脉冲发生器的研制

对于电声脉冲法空间电荷测试系统中的高压脉冲电源,论文提出了采用脉冲形成线及振荡电路原理来实现超窄高压脉冲。论文在对脉冲发生原理及形成线的参数对波形影响进行了详细论述与分析的基础上,对超窄高压脉冲电源进行了制作和测试。从测试的结果可以看出,基于脉冲形成线原理的高压脉冲发生器能够形成稳定的超窄高压脉冲(ns级),其脉冲宽度随脉冲形成线的长度增加而线性增加,可适用于不同空间分辨率的电声脉冲法空间电荷测量系统。