电极材料表面改性对交联聚乙烯内空间电荷注入的影响

0引言

自从1999年世界上第一条采用高压直流电缆

的输电工程开始，高压直流电缆已在美国、澳大利亚、丹麦、挪威等国家的多个直流输电工程中得到成功应用。迄今为止，我国直流输电线路总长度达7085km ，输送容量达1856万千瓦，交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优异的性能被广泛应用于直流高压电力输电网中。

空间电荷在直流电流内部不同位置的积聚将引发对电场的畸变作用，这种畸变作用能使电场强度提高8~10倍[1]。有学者研究指出[2-4]：当电缆绝缘材料内电场畸变率达到50%时，绝缘的寿命将会降低60倍。研究证实XLPE 中空间电荷的积聚是导致电缆绝缘早期失效的主要原因。

抑制空间电荷的途径主要有两种[7-8]：一种是从注入电极材料入手，抑制同极性空间电荷；另一种是从改变材料本身的性质入手，即抑制异极性空间电荷。利用表面改性的方法改变电极的表面化学组分[9]，电极的表面功函数将发生变化，由电极注入到绝缘层的空间电荷也将发生变化。本研究通过磁控溅射在铜电极上溅射Mo 颗粒，研究不同溅射

—————————————收稿日期：2014-04-23

修回日期：2014-05-26

基金项目：国家自然科学基金项目(51077075)

作者简介：赵文博（1991-），男(汉族)，内蒙古巴彦淖尔人，硕士生，主要从事高分子材料电性能的研究；通讯作者：郝春成（1968-），男（汉族），山东人，教授，主要从事高分子材料电性能的研究。

电极材料表面改性对交联聚乙烯内

空间电荷注入的影响

赵文博，郝春成，于庆先，雷清泉

（青岛科技大学材料科学与工程学院，山东

青岛266042）

摘要：使用溅射镀膜法在纯铜片上溅射金属Mo ，将表面改性后的铜片作为电极，利用电声脉冲法(PEA)测试不同溅射电压制备的铜片作电极时交联聚乙烯(XLPE)内的空间电荷分布情况。结果表明：随着制备铜片电极时溅射电压的增加，注入XLPE 内的空间电荷量减少，溅射电压为440V 时，XLPE 内部几乎没有空间电荷积聚。将PEA 测试后的XLPE 试样进行热刺激电流(TSC)分析，发现镀Mo 后，随着溅射电压的升高，被陷阱捕获的空间电荷量逐渐减小。

关键词：电极材料；交联聚乙烯；空间电荷；电声脉冲法中图分类号：TM215；TQ325.1+2

文献标志码：A

文章编号：1009-9239（2015）02-0049-04

Effect of Electrode Surface Modification on

Space Charge Injection in XLPE

Zhao Wenbo,Hao Chuncheng,Yu Qingxian,Lei Qingquan

(College of Materials Science and Engineering,

Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China )

Abstract :A pure copper sheet was sputtered molybdenum by magnetron sputtering method,and the modi-fied copper sheet was used as electrode,then the space charge distribution in XLPE was tested by pulsed electro-acoustic (PEA)method when the copper electrode was prepared under different sputtering voltages.The results show that with the increase of sputtering voltage,the injected space charge amount in XLPE decrease.When the sputtering voltage is 440V ,little space charge accumulates in the XLPE.The XLPE samples were conducted thermally stimulated current(TSC)test after PEA test,and we found that with the increase of sputtering voltage,the space charge amount captured by trap decreased gradually.Key words :electrode materials;cross-linked polyethylene (XLPE);space charge;pulsed electro-acoustic

电压下交联聚乙烯内的空间电荷分布情况。1试验1.1

试样制备

将直径25mm 、厚度1mm 的纯铜片用表面抛光机双面抛光，采用磁控溅射法在铜片上镀Mo 。

将聚乙烯颗粒（北欧化工Supercure LS4201S 绝缘料，内含稳定剂、DCP 交联剂）用50T 型平板硫化机（上海群翼橡塑机械有限公司）在150℃热压5min ，然后用25T 型平板硫化机冷压5min ，取出试样。试样直径约为10cm ，厚度约为400μm 。1.2

测试方法

空间电荷测试：采用电声脉冲法测试空间电荷的分布[11]，将XLPE 试样夹在不锈钢上下电极之间进行短路处理，再将试样及电极整体置于80℃的真空烘箱中烘24h ，使得XLPE 内基本没有残余电荷。将处理后的试样上下面涂少量硅油，紧贴下电极平放，排出试样与电极之间的空气，安装好上电极后固定整个试样台。上电极采用镀Mo 铜电极，下电极为铝电极，声耦合剂为硅油。在室温下，分别施加10kV/mm 、30kV/mm 以及50kV/mm 的场强60min ，测量空间电荷注入情况。

热刺激电流测试[10]：采用Novocontrol 宽频介电和阻抗谱仪测试，升温速率2℃/min ，升温区间为20~90℃，由于XLPE 试样已经过PEA 空间电荷测试，XLPE 已经极化，所以测试过程不需要加极化电压。

表面功函数测试：采用表面功函数测试仪（上海大学）进行测试。2结果与讨论2.1

PEA 结果

图1为改性铜片作电极，分别施加10kV/mm 、30kV/mm 及50kV/mm 的场强时XLPE 试样的空间电荷分布。从图1可以看出，场强为10kV/mm 时，XLPE 内几乎没有空间电荷注入，随着场强的增加，XLPE 内沿厚度方向有大量同极性空间电荷注入。

试验中的镀Mo 电压即为靶材的溅射电压，随着溅射电压的增加，溅射腔体内电子的能量升高，电子的速度增大，靶材粒子更易电离溅射到铜基底上，从而提高靶材的溅射效率。图2为镀Mo 电压分别为340V 、370V 、440V 时，XLPE 绝缘层单层试样

在施加不同电场情况下的空间电荷分布。

图1不同场强下XLPE 试样中的空间电荷分布Fig.1Space charge distribution of XLPE under

different electric field

strength

(a)镀Mo 电压340

V

(b)镀Mo 电压370

V (c)镀Mo 电压440V

图2不同镀Mo 电压下XLPE 试样中的空间电荷分布Fig.2Space charge distribution of XLPE under

different voltages