【精彩论文】脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

观点凝练

摘要：电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况，绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理，对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比，探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性，阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现，ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异，在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为；电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量，从而影响电荷振动波形的形状；电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性；5×10⁶~1×10⁷ Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用；ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。
结论：本文研究了ns脉冲边沿前后的空间电荷分布情况及电荷振动波形的影响因素，并对不同脉冲上升时间下的电荷振动波形、电压波形频谱以及电荷积聚特性进行了分析。得出了如下主要结论。

（1）通过对ns级别的脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性进行探究，发现在高电平和低电平稳定阶段电荷分布特性没有变化，而在脉冲上升沿与下降沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为。上升沿处空间电荷向阴极移动，而下降沿处空间电荷向阳极移动，并由该现象推测在脉冲边沿时刻可能存在较为活跃的空间电荷脱陷、迁移等行为。

（2）电荷振动波形的形状和极性受电场强度和硅油的影响。电场强度的大小会影响异极性空间电荷的积累速度及积累量，从而影响电荷振动波形的形状。电极与试样之间是否涂敷二甲基硅油会影响电荷振动波形的极性。

（3）通过对脉冲电压上升沿波形和电荷振动波形的频谱图进行分析，大致确定聚酰亚胺试样的固有频率为5×10⁶~1×10⁷ Hz。ns脉冲电压下电荷振动幅值以及电荷积累量比ms脉冲电压下大，使ns脉冲电压下空间电荷造成的电场畸变程度更加严重，导致ns脉冲电压作用下绝缘材料内更容易引发电树枝，导致绝缘击穿。

引文信息

侯健健, 王婵娟, 郭昊鑫, 等. 脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究[J]. 中国电力, 2022, 55(12): 112-123.HOU Jianjian, WANG Chanjuan, GUO Haoxin, et al. Space charge behavior and mechanism of polyimide under pulse voltage[J]. Electric Power, 2022, 55(12): 112-123.

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编辑：于静茹

校对：王文诗

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