附件2报告表面电位衰减模型及三维电场

主要研究内 绝缘介质表面电位衰减模 表面电荷动态变化物理过 电晕充电过 基于单极性电荷输运的表面电位衰减理 电晕充电理 空间电荷输运理 环氧绝缘材料表面电位衰减仿真分 不同充电时间下，表面电位的衰减过 不同栅极电压下，表面电位的衰减过 讨 环氧绝缘试样三维电场仿真模 ANSYS有限元软 平板形电极下的电场仿 球形电极下的电场仿 讨 参考文 主要研究内环氧树脂在电气绝缘中的应用越来越广泛。在我国，电力工业氧树脂S6气体绝缘开关件、电气绝缘支承套管等。空间电荷是电力系统中，特别是直流电力系统中引起绝缘破坏的重要因素。响绝缘性能和绝缘；过高的空间电荷密度还会导致电荷的快速放电等，甚至究尚不十分充分。用的重要因素；尤其是环氧树脂绝缘子表面电荷的积聚，已成为制约高压直流（HVDC）GIS设计与制造的重要问题和因此，分析直流电场作用下环氧绝缘材料的空间、表面电荷特性及其机理，对于研究直流场下环氧绝缘材料空间、表面电荷积聚抑制方法具有重要的意义。此外，分析直流电场作用下环氧绝缘材料的电场分布，对于认识环氧试样ANYS分析和研究。绝缘介质表面电位衰减模针对直流电晕充电的环氧绝缘材料表面安电位衰减现象，在分析表面电荷动态变化微观物理过程的基础上，建立了基于单极性电荷输运的表面电位衰减理论，研究了聚合物绝缘介质表面电荷的积聚、消散机理及其空间电荷输运的动态过程。针对环氧绝缘材料，计算并讨论了栅极电压、温度、充电时间等不同因素表面电荷动态变化物理过程为观察绝缘介质表面电位衰减现象，必须从外界向绝缘介质中注入电荷。这从外界注入到绝缘介质的电荷可通过非性的单能辐照、电晕充电电晕充电过程于电晕场对气隙离子激发十分有限的束能（2～3keV能，电荷仅能沉积于介质材料的表面与近表面。电晕充电装置多采用针然而，研究表明[]，单针充电的介质材料表面电荷分布不均匀，其电场沿横向呈钟形分布。为此，本项研究内容采用栅控恒压电晕充电方法，即在针电极与介质材料气隙间附加一个靠近样品而远离针极、且平行于样品表面的平面金属栅网，并在栅网上施加一负极性的栅压2.1所示。图 由于栅极的箝位作用，栅-介质空间电场接近均匀。当载流子在电晕场趋动下进入该空间时，在近似匀强电场的作用下导致电荷趋于横向均匀的注入。随着ss略高于栅压G；这是由于在针-栅空间内被加速的载流子到达栅-介质空间时仍具有一定的向下速Vs=VG即栅表面电位衰减过程当介质材料表面集聚一定量的电荷后，其表面会建立起电势；同时，表面电荷热激发脱陷并在自建电场的作用下向介质材料体内迁移。注入到介内的电荷，一部分被介内的陷阱捕获，一部分在导带上向异性电极传输。部分获的电荷也会在热激发下再次出陷，然后开始向异性电极跳跃。与此同时，空穴由chotky热发射从地电极注入介内，并向介质材料充面。这些过程已由脉冲电声法（PEA）测得的空间电荷结果证实[2]，如图2.2图2.2中，x=0处为接地电极，x=L处为介质材料充面也即表面电荷沉层。电荷迁移过程中，电子注入到上半部分能带中并在其中输运；空穴注入到半部分能带中并在其中输运；与此同时，材料表面电位随着时间而衰表面电位衰减的本质。电晕充电理负电晕充电形式下，针-栅空间的电晕放电致使大量带电负离子在电晕电场子的进一步产生，维持放电的稳定性；另一方面在栅-介质间引起空间电荷限制电流，即栅对于栅-介质间的空气介质，不考虑陷阱的捕获作用、忽略其电导电流。在此基础上，研究带电负离子在栅-介质间形成的空间电荷，并计算由空间电荷引写jneEFeD( e式中，n为空间电荷的体积浓度；e为电子电量；μ为电晕放电产生的带电负离子在空气中的迁移率；EF为电场强度；De为带电负离子在空气中的扩散系数考虑一维泊松方代入式（2.1）

dEFne djsr0EFdx 忽略扩散电流项，并设js为一常数与x无关，对上式作积分可求得介质中的电场r0EFdEFEFr0 jsxCjs(xx0)

EF[2js(xx r式中，x0为积分常数。设x=0EF=EF0，n=N0可EF0[2jsx rjNeEFNe[2js r得

xr00 2N0

设栅-介质间所加电压为V，dV EFdx

d[2js(xx)]1/2

rV23

r

)1/2[(dx0)3/2x3/2 0考虑x0<<d，忽略x0，式（2.11）可改写02jd V 得到栅-介质间空间电荷限制

9V

js r d1）表面电荷脱陷理陷阱电荷的脱陷概率半径越小，吸引中心作用于电子的势垒就越大，所形成的陷阱就越深，获的电子就越不容易脱陷。一般可以将陷阱电荷的脱陷概率Pde和获电荷在陷阱中滞留时间τtrap表Pde(Et)vATEexp(Et/kBT (E)P(E)1 1exp(E/kT 其vATEkBT/ 式中，kB为常数，h为常数；T为介质温度；Et为陷阱势垒高度 为陷阱电荷的试图逃逸频普尔-凯尔效EF需克服的势垒下降，使得注入到介内的电流增加，称之为“普尔-凯图2.3[4]给出了施主能级上的电子热激发到导带上时的势垒关系，图中以没有电场时的导带能级为基准并取低于基准能级的施主能级的值为ΦD’。图2.3普尔-凯尔效应势垒从施主能级热激发到导带上的电子，受到施主正离子的库仑引力，其F(x)

0r4x0r

电子与施主正离子之间库仑引力形成的势垒0(x)

F(x)dxx

40r

当外施电EF沿着x轴方向时，导带的能级发生了如图所示的倾斜（-eEFx发射电子的势能Φ(x)按下式降低，使电子易于发射。(x)0(x)eEFx

40r

由(x0可求Φ(x)e3EF (0式（2.20）中，|Φm|即为普尔-凯尔效应导致的势垒降低的高度表面电荷脱陷及其注入势垒高度Ets降低，获的表面电荷更容易热助脱陷；这将减少电荷在表面陷阱中的滞留时间，进而增加单位时间内注入到介内的电荷量。s普尔-凯尔效应下，表面陷阱中获电荷的脱陷概率及其在陷阱中的sPdevATEexp[(Ets )/kBT s trap1/Pdev1exp[(E )s s（2.21s )/kBT 空间电荷输运理2.1.2极ky热射入介中的穴均介内作输运和迁移。然而，相对于电晕充电注入的电子而言，接地电极热发射空穴的数量很小，因此，仅考虑负电晕充电的注入电荷在介内的迁移，通过电流传导方电流传导方程je(x,t)EF(x, 式中，je(x,t)是介质内部电流密度；EF(x,t)是介质内部的电场强度；γ是介质材料的体电导率，这里采用普尔-凯尔电导进行描述。普尔-凯尔电导主要受温度和电场的影响，其表达式=0[2+cosh( EF 其

式中，γ0是初始电电流传导方程，描述了在介质表面脱陷并向接地电极迁移的表面电荷形泄漏电流及其计算方法泊松方一维泊松方程形

EF(x,t)q(x,

式中，q(x,t)是介质内部的电荷密度泊松方程确定了空间电荷密度q(x,t)和介质内的电场EF(x,t)的关系。需电荷连续性方程q(x,t)je(x,t) 空间电荷输运过程栅极电压等不同因素影响下环氧绝缘材料表面电位随时间衰减的过程。表2.1给表 12材料密度3材料表面势垒高度4材料内电子陷阱能级5空气中离子迁移率(m2V-1s-缘材料表面电位随时间的衰减关系如图2.4所示。衰减与空间电荷脱陷密切相关[5：在热激发的作用下，被陷阱俘获的电荷脱离束渐脱陷，电位衰度减慢。图2.4中，初始表面电位（充电结束时的表面电位）是因为随着表面电位的增大，栅-介质间的电势差不断减小，使电荷注入过程受到抑制的缘故。然而，充电时间的变化对表面电位衰减的趋势影响不大。缘材料表面电位随时间的衰减关系如图2.5所示。图2.5位时间内注入到介内并向接地电极消散的电荷量增多；因此，随着温度的高，环氧绝缘材料表面电位衰幅提高。介质温350K、充电时间10s时，不同栅极电压（600-1000V）下环氧绝缘材料表面电位随时间的衰减关系如图2.6所示。图2.6在高栅极电压下，栅-介质间电场强度较大，从而加速了电荷注入到介质材料表面的过程。然而，栅极电压的变化对表面电位衰减的趋势影响不大。讨减趋势影响很大。温度的提高，其衰率大大增加。环氧绝缘试样三维电场仿真模ANYS算了平板形电极、球形电极下环氧绝缘试样的三维电场分布，并对仿真结果进行了分析和研究。ANSYS有限元软件有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟法。其基本思想6]是将问题的求解域转化成一个结构近似的有限元系统，该系统ANYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，功能强大、计算可靠。在电磁场领域中，它可以计算空间计算时，取平板电极直径50mm1mm，极间电10kV。平板电极度5mm；电极系统周围的环境介质为空气，取其相对介电常数为1。面图、电场数值分布剖面图，如图3.13.3所示。间区域内，远离电极区域的试样内部几乎没有电场。在两电极间中心区3.45kV/mm。计算时，取球形电极直径50mm，极间电压10kV。球形电极之间的介质极系统周围的环境介质为空气，取其相对介电常数为1。图、电场数值分布剖面图，如图3.43.6所示。点附近，远离接触点的区域几乎没有电场。在两电极与介质接触点的中间区域三结合点处，电场达到了8kV/m。讨对比平板形电极和球形电极下环氧绝缘材料的计算结果，可以看到，相保证其绝缘安全；而在中，则地使用球形电极作击穿试验。夏钟福.驻极体[M].：科学,G.M.Sessler,M.T.Figueiredo,G.F.L.Ferreira.ModelsofChargeTransportinElectron-BeamIrradiatedInsulators[J].IEEETrans.Dielectr.