山东大学李清泉教授团队发表脉冲电压下电力电子装备绝缘电荷特性的研究综述

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通过对高压电力电子装备绝缘击穿与闪络影响机理的论述，揭示了脉冲电场下电荷行为对绝缘失效的重要作用，阐述了脉冲电压参数对电荷特性影响的研究进展，并对目前研究存在的不足进行了总结与探讨。这些研究成果的总结将为脉冲电压下电力电子装备绝缘材料和系统的优化设计提供参考和理论指导。

作者介绍

何东欣

1990年生，山东大学副教授、硕士生导师，入选山东大学青年学者“未来计划”，担任全球能源互联网大学联盟学校联络人。主要从事电气绝缘电荷特性与失效机理研究。主持国家自然科学基金青年项目和山东省重大创新工程课题等项目，参与国家自然科学基金智能电网联合基金、国家电网公司总部项目等多项，发表SCI、EI检索高质量期刊论文20余篇。荣获中国电工技术学会青工委突出贡献委员、优秀组织奖和山东电机工程学会“五四”青年科技工作者等荣誉。

李清泉

高电压与绝缘技术研究所教授、博士生导师，山东省特高压输变电技术与装备重点实验室主任，山东大学电气工程学院副院长。主要研究方向为高电压绝缘诊断技术、电力设备状态在线监测、高压测试技术和常压等离子体及应用。承担国家自然科学基金智能电网联合基金项目、面上项目、山东省重点基金、重点研发计划、国家电网、南方电网科技项目等50余项，发表高水平学术论文80余篇。参与学术著作《高压组合电器》和《电力系统中的电磁兼容》的编写和翻译。获山东省科技进步一等奖1项、二等奖2项，中国电力科技进步二等奖1项。

团队介绍

本文作者来自山东大学电气工程学院特高压输变电技术与装备学术团队，团队依托山东省特高压输变电技术与装备重点实验室、山东大学电气工程学院高电压与绝缘技术研究所，主要的研究领域包括高电压绝缘诊断技术、电力设备状态在线监测、高压测试技术、高压复合绝缘放电特性、劣化机理及绝缘评估等。近年来，该团队承担了多项国家级、省部级以及电网企业的研究项目。

研究背景

随着特高压直流输电的发展和新能源发电并网规模的扩大，高压电力电子器件和装备在电力系统中占据越来越重要的地位。电力电子装备长期处于高频、陡脉冲电压的运行工况下，其绝缘系统易发生早期失效，威胁电力系统运行的安全性和可靠性。其中，空间电荷动态行为是脉冲电场下电气绝缘早期失效的重要诱因。因此，为优化绝缘材料设计方案、提升电力电子装备可靠性，探究高频脉冲电压下电荷行为特性及绝缘劣化机理具有重要意义。

综述要点

（1）电力电子装备承受脉冲电压工况

开关器件的导通和关断引起电压突变，会在器件本身、电力电子装备以及相连接的设备上产生高频、陡上升沿的脉冲电压及电流。同时，脉宽调制技术（Pulse Width Modulation, PWM）的广泛应用，使得现代电力电子装备承受具有快速上升沿和下降沿、较高幅值和重复频率的方波脉冲电压。如图1所示，高频变压器、换流变压器阀侧套管、高压电力电子器件均承受高频脉冲电压作用。

图1 常见电力电子装备及器件承受电压波形

（2）脉冲电压下电气绝缘特性与电荷行为关系

研究表明，相较于同等幅值的直流和交流电压，脉冲电压下电气绝缘击穿寿命严重缩短、电树枝起始电压大幅下降（如图2所示），气固绝缘界面的表面局部放电更加剧烈、闪络电压降低。通过对脉冲电压下电树枝特性、表面放电和闪络特性研究现状的总结，厘清电荷行为与电气绝缘特性的关联关系。

图2 正弦和脉冲方波电压下绝缘特性对比

①电树枝起始、击穿等特性主要取决于空间电荷行为。脉冲电场力加速电荷获得动能，撞击材料分子链，引发电离和产生电树枝；除此之外，在脉冲电压的激励作用下会引发被捕获电荷脱陷，如果脱陷时间小于材料的松弛时间，所释放能量将导致化学键破坏而引发电树枝。

②表面电荷的积聚增加了初始电子产生的概率，促进了电子崩的形成与发展，有助于形成沿面放电及闪络。此外，快速变化电场产生较大磁场，增大电荷所受洛伦兹力，使电荷获得更高能量，高能电子的碰撞加剧了对绝缘微观结构的破坏，导致电树枝起始和沿面闪络发生。

（3）脉冲电压下电荷特性研究现状

不同脉冲参数对材料内部空间电荷特性的影响尚未形成统一合理的理论解释，还需通过研究得到较为普遍适用的总体规律以及理清不同绝缘材料间的差异，进而为绝缘材料的改进提供理论指导。

大多数研究仅关注了方波电压高电平和低电平电压恒定阶段的电荷稳态特性，缺乏脉冲边沿时刻电荷的动态行为探究。相较于脉冲电压下电荷稳态特性，脉冲边沿处电荷的动态行为对绝缘的损伤更为严重。然而，专门针对上升和下降沿处空间电荷动态特性的研究较为缺乏，亟需探究相关特性并阐释其内在机理。

随着脉冲频率增加、上升时间缩短、占空比增加，表面电荷积累增大。脉冲电压作用导致闪络后表面电荷极性发生改变，对表面电场的畸变作用更加严重，加速绝缘表面老化。但是，表面电荷较为成熟的测量方法多为离线方式，可探索能够实时监测表面电荷的变化的新测试方法。

（4）脉冲边沿时刻电荷动态特性

由于电荷测试技术重复频率的限制，难以实现微秒级别甚至纳秒级别的电荷快速重复测试，尚无法直接获得在脉冲边沿时刻的电荷动态行为，制约了脉冲电压下绝缘特性研究的发展。

作者所在课题组提出通过脉冲边沿前后电荷分布对比的思路，间接推导脉冲时刻的电荷行为，研制脉冲触发控制电路，使电荷测试时间与上升沿和下降沿精确匹配，通过上升、下降沿前后电荷分布数据对比获知电荷运动行为机制。

初步发现脉冲边沿时刻空间电荷变化现象，基于电荷受力分析理论对该现象进行了解释。将将固体介质内空间电荷受力简化分为电场力和“材料应力”两类，从电荷受力平衡被打破的角度，对脉冲边沿时刻的电荷运动行为进行了分析与讨论。

主要研究结论与展望

①脉冲电压下电力电子装备绝缘易于发生早期失效，其中电荷特性及动态行为是重要诱因。脉冲电压参数的变化改变了空间电荷及表面电荷的运动和积聚特性，进而对绝缘电气性能及寿命产生影响。

②脉冲边沿激发电荷状态突变，通过脱陷释放能量、高能电子撞击和洛伦兹力等作用，加剧破坏绝缘结构，因此脉冲时刻电荷的动态变化行为研究尤为重要。脉冲电压上升、下降沿处电场力突变所导致的电荷所受合力发生变化是引发电荷发生入陷、脱陷、迁移等行为的重要原因。

③随着以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料的发展，开关器件的进步将产生更高频率、更陡斜率的脉冲电压，未来应探索适应高频、陡脉冲电压下电荷测试技术，从实验现象、物理规律和数值模拟等各方面深入探索，从根本上揭示脉冲电压下绝缘早期失效机理。

引用本文

何东欣,张涛,陈晓光,巩文洁,李清泉.脉冲电压下电力电子装备绝缘电荷特性研究综述[J].电工技术学报, 2021, 36(22): 4795-4808. He Dongxin, Zhang tao, Chen Xiaoguang, Gong Wenjie, Li Qingquan. Research Overview on Charge Characteristics of Power Electronic Equipment Insulation Under the Pulse Voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(22): 4795-4808.

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210266

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