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掌握空间电荷的“脾气”

有了空间电荷测量系统，我们得以一窥空间电荷的真面目。100多年前,麦克斯韦提出并经瓦格纳发展的理论认为，两种导电能力和容纳电荷能力不同的材料，在外部电场作用下界面处会积聚电荷，该电荷也通常被称为麦克斯韦—瓦格纳极化电荷。这些电荷在外电场撤去后一般不会马上消失，而是“冻结”在介质表面，与介质内部的空间电荷共同作用畸变电场，影响介质的绝缘性能。相较介质内部的空间电荷，介质界面处的空间电荷可谓影响绝缘的“一号嫌犯”，为了解它是如何破坏绝缘的，需要对其验明正身。

为掌握空间电荷“作案罪证”，需要了解它的“脾气”。为此，利用课题组研制的先进测量系统，我国率先实现油纸—油中的空间电荷测量。通过比较实际测量到的界面处空间电荷和麦克斯韦—瓦格纳极化电荷，发现真实油纸—油界面的电荷并不同于麦克斯韦—瓦格纳极化电荷：首先，比较聚集和逃窜速度，麦克斯韦—瓦格纳极化电荷建立和消散速度约为2～3秒，而实际测量发现界面电荷加压聚集至稳定状态和去压消散殆尽均需约10分钟;其次，比较不同状态样貌，正负极性的界面电荷量相差巨大，而麦克斯韦—瓦格纳极化电荷量与极性无关;最后，比较“身形特征”，也就是电荷量，实际测量界面电荷量远大于麦克斯韦—瓦格纳极化电荷量。

这是由于界面处材料结构的变化，可导致界面态及界面陷阱的产生。所谓界面陷阱，犹如猎人捕猎时在猎物行走途径中设下的一个个坑，能够捕获从界面两端运动过来的正负电荷，阻碍电荷的运动。而这些陷阱捕获猎物能力的强弱，可用陷阱深度表征。课题组首次测得这种陷阱的深度为0.88～0.95电子伏特。以往，按照传统的麦克斯韦—瓦格纳模型，直流下多层油纸—油结构中电场依电导率(即导电能力)分布，油纸和油的电导率相差1～2个数量级，认为油中电场极低。而课题组通过实验测量发现，界面电荷的存在大大影响了油中电场分布。

以上这些发现对换流变压器的绝缘结构设计具有重要的参考价值。对于换流变压器绝缘设计中多层油纸材料电场计算问题，可采用实际的界面处的空间电荷的方法来计算电场分布，使计算值更贴近实际运行中多层油纸中电场分布。

空间电荷研究展望

掌握界面处空间电荷的“脾气”，可推动直流绝缘设计从半经验走向科学计算。例如在今后直流绝缘设计中，可通过测量界面处的空间电荷考虑薄弱点出现在何处，而不仅仅采用经验公式。在选择用于直流设备的绝缘材料时，同样应考虑界面处的空间电荷，尽可能选择界面处空间电荷少的材料。

当前在国际上，直流绝缘的设计方法也并未成熟，诸如大尺度下电场计算、长期运行中绝缘性能预测等遗留问题，有待科研工作者进一步的研究。相信经过我国科研工作者的不懈努力，将能最终掌握直流绝缘设计关键参数及整套方法，从而提升我国特高压直流输电设备的自主研发能力。

原标题：影响特高压直流设备绝缘性能的空间电荷

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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