固体电介质空间电荷研究进展

2008年9月电工技术学报Vol.23 No. 9 第23卷第9期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2008 固体电介质空间电荷研究进展

周远翔王宁华王云杉孙清华梁曦东关志成

（清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京 100084）

摘要随着空间电荷测量技术在近30年的巨大进步，固体电介质空间电荷研究成为国际研究热点。本文论述了固体电介质空间电荷检测技术从有损发展到无损的过程，分析对比了目前应用较普遍的压力波法和电声脉冲法的原理及特点，介绍了国内空间电荷测量技术研究的发展特点。

在此基础上，从预电压效应、形态效应、空间电荷包现象、空间电荷的动态测量等方面论述了空间电荷效应对电介质电气性能的综合影响，对利用空间电荷进行固体电介质陷阱深度等性能参数的研究进行了探讨，强调了空间电荷在电介质材料的开发和评估中的重要作用以及不同应用领域对空间电荷特性的不同要求。指出空间电荷测量技术的进步为固体电介质的研究提供了新的有力手段，但仍需更多的深入研究，以完善电介质理论和促进空间电荷的工程应用。

关键词：空间电荷固体电介质预电压形态陷阱深度

中图分类号：TM215

Review of Research on Space Charge in Solid Dielectrics Zhou Yuanxiang Wang Ninghua Wang Yunshan Sun Qinghua Liang Xidong Guan Zhicheng

（The State Key Laboratory of Power System Tsinghua University Beijing 100084 China）

Abstract With great progress of space charge measurement technologies in the last three decades, lots of researches are focused on space charge in solid dielectrics. The space charge measurement technology for solid dielectrics has developed from destructive ways to non-destructive ways. Pressure wave propagation method and pulsed electro-acoustic method are two kinds of most popular methods nowadays. Theories and features of these two methods are compared and analyzed.

Development of space charge measurement technologies in China is introduced. Based on above reviews, the influences of space charge effects on electrical properties are reviewed by prestressing effects, morphology effects, space charge phenomena and space charge dynamics, etc. Studies of some features of solid dielectrics by using space charge, such as trap depth, are discussed. The important role of space charge in developments and evaluations is emphasized. It’s also emphasized that different space charge characteristics are needed for applications in different areas. Progresss of space charge measurement technology provide new powerful ways for researches on solid dielectrics. However, more detail work should be carried out to improve dielectric theories and industrial applications of space charges.

Keywords：Space charge, solid dielectrics, prestressing, morphology, trap depth

1引言

宏观固体物质通常可划分为一些相同的结构单元，一般来讲，每个结构单元应该是电中性的，如果在一个或多个这样的结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多余的电荷称为相应位置上的空间电荷[1]。

空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起

教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0095），国家自然科学基金（NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010）资助项目。收稿日期 2007-05-16 改稿日期 2007-11-29

第23卷第9期周远翔等固体电介质空间电荷研究进展 17

到削弱或加强的作用。目前国际上已经普遍认可，由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的电特性都有明显的影响[2]。

2空间电荷测量技术的发展与研究现状

空间电荷测量技术是空间电荷研究的基础。空间电荷测量技术的发展与电介质材料电特性研究的发展是互相促进的。通过各国学者卓有成效的研究工作，空间电荷的测量技术在最近30年获得了巨大进步。20世纪80年代之前出现有损测量技术，80年代出现多种无损测量技术，而90年代测量技术趋于成熟，开始实质性应用到实际研究中，推动了空间电荷研究和电缆等设备工业的发展。

国际大电网会议（CIGRE）1996年成立15.03工作组研究空间电荷测量技术的评估、标准化以及各种测量技术的比较[3]。与CIGRE的工作相结合，1997年，日本电气学会诱电·绝缘材料技术委员会成立了诱电·绝缘材料内部的空间电荷分布测试法调查专门委员会，研究空间电荷测量技术的标准化问题[3]。该委员会在2001年出版了《诱电·绝缘材料的空间电荷分布测试法的标准化》技术报告[4]，对流行的空间电荷测量方法进行了对比分析和标准化工作。同时，Li[5]、Morshuis[6]、Ahmed[7]和Takada[8]在不同时期先后对空间电荷测量技术的发展给出了很好的综述。

2.1空间电荷测量技术的发展

在20世纪70年代，热刺激法被用来研究材料内部的空间电荷，如热刺激电流（T h e r m a l l y Stimulated Current，TSC）法，热刺激表面电位（Thermally Stimulated Surface Potential，TSSP）法，热致发光（Thermoluminescence，TL）法等等。这些测量方法是有损测量，通过对试品进行缓慢的升温，检测升温过程中的电荷释放引发的电、光等信号，获得电荷的陷阱深度等信息。

20世纪70年代以后，先后出现了多种空间电荷分布的无损测量方法，代表性的测量方法包括压电诱导压力波扩展（Piezo-electric Induced Pressure Wave Propagation，PIPWP）法、激光诱导压力波扩展（Laser Induced Pressure Propagation，LIPP）法、电声脉冲（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）法等。其中PIPWP法与LIPP法统称PWP法。

PWP法基本原理如图1[5]所示，压力波脉冲在介质中传播，引起介质中电荷发生微小位移，导致介质电极上感应电荷量变化，从而在外电路上观测

到电流及电压信号的变化，获得介质中空间电荷的

分布信息。压力波脉冲由电脉冲和压电材料诱发时

称PIPWP法，由激光信号诱发时称LIPP法。

（a）PIPWP法（b）LIPP法

图1 PWP法空间电荷测量基本原理[5]

Fig.1 Basic principle of PWP space charge

measurement method

PEA法基本原理如图2[5]所示，高压电脉冲导

致介质中空间电荷发生微小位移，这一微小位移以

声波形式传播到电极上被压电传感器收集，从而获

得空间电荷分布信息。

图2 PEA法空间电荷测量基本原理[5]

Fig.2 Basic principle of PEA space charge measurement

method

表给出了PEA法和PWP法的一个简要比较[8]。PWP法与PEA法都是目前国际上常用的空间电荷

分布测量方法。它们的最高测量分辨率相似，都在

数µm左右。PEA法和PIPWP法在实际应用时，在

低电场、信号较小时常需用数据平均的办法来提高

信噪比，而LIPP法的信噪比较高，不需进行数据

平均，且LIPP法的分辨率较高。但LIPP法和PIPWP法的高压电路和信号电路仅通过耦合电容表PEA法和PWP法空间点和测量技术的比较[8]

Tab. Comparison between PEA and PWP

PWP法

PEA法

PIPWP法 LIPP法试品厚度/mm 0.1～20 0.1～1 0.05～20

相对分辨率（%）2～5 2～5 2～5

最小分辨率/µm 5 5 2 噪声和电子屏蔽

高压和信号

电路分离，在

有电晕放电时

仍然可用

LIPP法的信噪比很高。

但PWP法高压和信号电

路仅通过耦合电容分离，

在有电晕放电时噪声过大高速测量可以可以暂未见报道