聚合物空间电荷与陷阱能态密度联合测试技术的研究与应用

发布时间：2020-06-03 15:37

【摘要】：聚合物材料由于具有诸多优良特性,因而在电力工程、能源工程和航空航天工程等领域有着广泛的应用。聚合物绝缘电缆作为超高压直流输电的主要组成部分,在运行过程中承受着一定强度的电场。直流电场下聚合物材料容易积累空间电荷,引发局部电场畸变,使热电子运动以及能量的储存与释放加强,进而加速绝缘老化,严重影响电缆寿命。聚合物在辐射环境下诸如航天器中也得到大量应用,然而高能粒子辐射、等离子体撞击和紫外线照射等因素极易导致聚合物材料表面和内部积累大量电荷,引起静电放电。造成空间电荷积累的主要原因是材料内部存在或深或浅的陷阱,空间电荷的行为与材料内部陷阱能态分布具有很强的关联性。对材料内的陷阱分布与空间电荷分布进行联合测量与研究有助于全面地了解材料中载流子的输运过程。然而鲜有研究者对同一试样中的空间电荷分布与陷阱能态密度进行联合测量,相关设备的缺失使得该项研究难以进行。为此,本文针对聚合物绝缘中的空间电荷行为与陷阱分布的关联性这一关键问题,将聚合物的空间电荷行为与微观陷阱能态密度相结合,研制了能够对同一试样的空间电荷与陷阱能态密度进行联合测试的仪器。并以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)和纳米MgO/XLPE复合介质为研究对象,对两种材料的空间电荷与电导,空间电荷与热刺激电流进行联合测量。研究了空间电荷与电导的联系,以及空间电荷与陷阱能态密度的关系,比较了两种材料中的空间电荷行为,并对载流子的输运特性进行了分析。聚合物空间电荷与陷阱能态密度测试仪器的研制难点主要在于协调空间电荷测量与电流测量这两种测量方式之间的矛盾。为解决该矛盾,本文首先通过仿真和理论计算分析了空间电荷测量时产生的脉冲电场对电流测量的影响,发现脉冲电场引起的脉冲电流幅值较大,将极大地干扰对流过试样的电流的测量,甚至可能损毁电流测量仪器。因此,采用高压电极、空间电荷测量极、电流测量极和接地保护极构成的“四电极”结构,将空间电荷测量区域与电流测量区域分离开。另外,采用快速切换分时测量的策略,将空间电荷测量与电流测量分时进行。采用液氮与电加热器件相结合的控温方式,实现了对实验样品以0.5~10℃/min的速率线性升温。此外,又研制了基于Blumlein传输线的高重复频率纳秒脉冲电压源,使用高开关速度和重复频率的MOSFET器件,使得脉冲重复频率最高可达3 MHz,为空间电荷快速测量提供了激励源。通过对经典的单一陷阱能级的热刺激电流表达式进行分析后发现,不同类型的电荷来源引起的热刺激电流表达式相似。在此基础上,提出了基于非负线性最小二乘迭代算法的热刺激电流分析方法。该方法无需人为判断电流峰的位置和个数,自动对整条热刺激电流曲线进行分析,能够获得整个禁带范围内的陷阱能态密度谱,具有重复性好、能规避人为误差以及自动排除无效数据等优点,可以用于聚合物陷阱能态密度的分析。使用联合测试设备对XLPE和纳米MgO/XLPE复合介质在20到60℃下进行空间电荷与高场电导联合测量,发现纳米MgO/XLPE复合介质的空间电荷积累阈值电场大于XLPE的空间电荷积累阈值电场,表明一定粒径和浓度的纳米MgO的添加抑制了空间电荷的积累。在相同温度下,纳米MgO/XLPE复合介质的电流密度-电场关系曲线的转折电场高于XLPE的转折电场。通过对两种材料的电流密度-电压标度曲线进行拟合,发现纳米MgO颗粒的添加引入了新的陷阱能级,纳米MgO/XLPE复合介质内的陷阱在空间上分布较XLPE更为均匀。另外,又使用空间电荷和电流联合测量的结果,发现载流子关于局部电场的负微分迁移率是空间电荷包形成的主要原因。使用联合测试设备对XLPE和纳米MgO/XLPE复合介质进行了空间电荷与热刺激电流联合测量与分析。在极化阶段,XLPE试样的阳极附近积累了大量的正电荷并逐渐向试样内部迁移,而降温阶段空间电荷的迁移减缓。在热刺激阶段,当温度大约高于60℃时空间电荷开始剧烈减少。纳米MgO/XLPE复合介质在极化阶段和降温阶段均没有明显的空间电荷积累。使用基于非负线性最小二乘迭代算法的热刺激电流分析方法计算了两种材料的陷阱能态密度,发现XLPE在1.15 eV能级存在数量较多的深陷阱,而纳米MgO/XLPE复合介质在不同能级上的陷阱密度较为均匀。由空间电荷与陷阱能态密度的联合分析可知,XLPE积累的空间电荷主要分布在深陷阱内,而纳米MgO/XLPE复合介质由于添加了纳米MgO颗粒,引入了更多的陷阱能级,抑制了空间电荷的积累。
【图文】：

电缆接头

反比例分布的，而材料内的局部电导率不仅仅受温电缆在运行过程中由于线芯发热导致本体绝缘靠近低，形成温度梯度，靠近线芯处电导率高。当温度的电场比远离线芯位置的电场低，出现了电场反转一般不会出现。电导率的升高导致绝缘材料的热损缘存在热击穿的风险。缆的主绝缘和附件绝缘的配合问题也常常是输电系主绝缘采用 XLPE 材料，接头和终端等附件主要采导率与主绝缘材料不同。在附件与主绝缘同时存在。由于介电常数和电导率的不同，，根据 Maxwell-W热平衡载流子本身就不均匀，界面处存在电荷层。表面或多或少也有表面态的存在，因此从电极注入成局部电场畸变，严重时造成电缆附件击穿。电缆何设计和控制附件材料的介电常数和电导率，并与电缆绝缘材料应用研究的重点和难点[15-18]。

结晶形态,表面静电,人造卫星

第一章概述辐射环境中的应用间电荷除了来源于高场下的电极注入之外，也来源合物介质在航天器和核电站等辐射环境下也具有广于工作在地外空间中，常常处于高真空和多种辐射等离子体的撞击和紫外线照射等恶劣条件极易导致累大量的电荷。当电荷量不断积累后，材料表面电紫外和 X 射线等辐射激励下会发生间歇性的沿面磁波会干扰航天器内的电子系统的正常工作，而更击穿，影响航天器的工作可靠性和寿命。射线辐照环境下会引起聚合物内部的化学链断裂变了材料内的分子结构拓扑，影响结晶形态，产生些缺陷进而形成陷阱，反过来影响材料内的电荷积空间电荷积累与陷阱分布具有密不可分的联系。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM21

【参考文献】