摘　要：为了研究高压交流交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系，通过测量高压交流交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）电缆不同位置绝缘的空间电荷特性，分析了老化方式对ＸＬＰＥ电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲（ＰＥＡ）法测量ＸＬＰＥ内空间电荷分布规律，发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷，而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外，未老化电缆及实际运行２２ａ电缆电荷量增高，加速老化１ａ电缆电荷量降低。分析认为，加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧，实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流ＸＬＰＥ电缆绝缘空间电荷行为明显不同，空间电荷测量可以作为评价交流ＸＬＰＥ电缆老化状态的有效手段。飞鹤线缆
关键词：交联聚乙烯；交流电缆；老化；空间电荷分布；电声脉冲（ＰＥＡ）法；绝缘材料
空间电荷是指绝缘体或半导体中局部区域，异质相间和电极－介质界面处存在的净的正电荷或负电荷［１－２］。空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场畸变。基于其对电场的畸变作用，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的电性能都有明显的影响［３－５］。
近３０ａ来，聚合物材料中空间电荷分布的研究引起了全世界广大学者的关注。非破坏性空间电荷测量于２０世纪７０年代中期由Ｃｏｌｌｉｎｓ［６］首先提出。在测量和研究的过程中，各种空间电荷测量方法得到了迅速的发展［７－１２］。根据测试原理的不同，空间电荷的测试方法可分为３大类：１）热扩散法；２）压力波法；３）电声脉冲法。
对于空间电荷的研究，多集中在直流电压下以电缆绝缘为应用背景的聚乙烯材料。在直流电场作用下，聚合物材料体内易于聚集空间电荷而引起材料内部电场的严重畸变。绝缘介质中的空间电荷问题已经成为电力电缆向高电场发展的一个重要的制约因素。研究空间电荷与电介质破坏机理的关系对于高压电力电缆有着十分重要的意义。直流情况下空间电荷建立和衰减过程得到了广泛的研究。但对于交流电缆空间电荷的研究甚少。
这是因为普遍认为交流电场下仅存在少量的空间电荷，在频率较高情况（１～５０Ｈｚ）下空间电荷几乎为０，与直流电压相比，空间电荷危害不大；同时交流电压下空间电荷的测量对设备要求高，需要更快的数据采集系统并且测试系统要与外施电压保持高度同步性，现有的设备很难达到该要求，难以测量交流电压下空间电荷［１３－１８］。
然而众所周知，与直流电场相比，交流电场中系统对绝缘弱点敏感性更高，绝缘经常在没有明显劣化发生之前失效。因此交流电缆内空间电荷效应也不容忽视。同时，了解不同老化状态的交联电缆绝缘空间电荷行为特征，对于利用空间电荷测试方法评估电缆老化状态具有重要作用。本文通过测量不同老化方式下交流ＸＬＰＥ电缆绝缘的空间电荷特性，通过对比绝缘内、中、外层不同位置的空间电荷积累量的变化，查找交流下绝缘老化的破坏起因；探讨了交联电缆不同老化状态下绝缘空间电荷行为的差异和原因。
３　分析与讨论
聚乙烯基料包括晶相和无定形相，还有许多不完善的部分，如自由基、双键、链终端、支链、晶相和无定形相的分界面、扭曲和折叠链等。而这些不完善的部分，在聚合物体内形成大量陷阱，易于捕获电荷。一般来讲，聚合物中低分子链、支链等均为薄弱环节，在制备或材料老化过程中易发生氧化或老化断链，增加电极上同极性电荷注入量及异极性电荷积聚。
电缆在制备过程中，绝缘内外温度差异较大，且冷却速度不同，导致绝缘从内到外结晶形态不均一。一般来讲，快速冷却下聚乙烯体内易于积聚同极性电荷而慢速冷却易于积聚异极性电荷。电极中电子克服势垒通过Ｓｃｈｏｔｔｋｙ势垒注入聚乙烯中。一般电缆绝缘两侧接触半导体电极材料，半导体电极势垒低，易于注入同极性电荷。
ＸＬＰＥ电缆中空间电荷特性取决于电缆制备过程及电极材料因素。在交流电场作用下，电压极性的交替变换过程中，电子和空穴频繁发生复合、入陷和脱陷作用。空穴和电子在复合过程中产生热和发出短波长的辉光，及入陷和脱陷过程中能量的释放，导致聚合物大分子链断裂，发生热降解，形成低分子产物。老化过程中低分子产物的生成又增加了体内的电荷积聚，而电荷的积聚又进一步加剧了聚合物的降解。因此可以说，空间电荷作用和聚合物老化是互为因果的关系。
电缆挤塑过程中绝缘内外结晶形态不均一：内侧形成大球晶，结晶形态相对完善；外侧生成小球晶，结晶形态不完善。同时快速冷却下聚乙烯体内易于积聚同极性电荷。因此由图２可见，未老化电缆Ａｌ电极附近外侧积聚同极性电荷量较多而内侧较少。在电缆初期老化过程中，不仅发生着聚合物分子链的断裂，含氧基团浓度的上升，也会促进聚合物的进一步交联。
对于加速老化１ａ电缆，导体温度达９０～１００°Ｃ，且绝缘内侧场强较高，外侧较低，因此绝缘劣化将起始于绝缘内侧。另外，热降解和交联的竞争作用决定了电荷的积聚特性。在室温下，加速老化１ａ电缆的绝缘外侧老化程度浅，老化过程的交联作用起主导，并促进绝缘外侧结晶形态的进一步完善，因此积聚电荷量大大下降；由绝缘外侧到内侧，电荷积聚量逐渐增加，表明了加速老化过程中热降解的发生。而内侧电荷量的略降可能归因于交联作用占优势所致。
对实际运行２２ａ电缆，其电荷积聚特性主要决定于热降解过程。实际电缆运行过程中绝缘内外温差较大，内侧温度高，外侧为环境温度，绝缘体内电荷的入陷和复合主要发生在温度较低的外侧绝缘。同时电缆外侧长期处于潮湿、酸碱等各种复杂环境中，易于引发水树、电树等。因此，对于实际运行的电缆，劣化将起始于电缆外侧，从而导致电缆外侧积聚电荷量较多，内侧较少
当一个高电场施加到半结晶聚合物上，聚合物中可移动的电子在无定形区和晶区的迁移规律遵循不同的导电机理。一般来讲，晶区中分子链结构排列紧密，电子不易于在晶区中传输；而无定形区中分子链排列松弛，有利于电子传输。另外，无定形区存在的诸如杂质、自由基残余物、过氧化物、离子、双键分子等会降低电子传输的势垒能量。由前文可知，未老化电缆绝缘内侧形成大球晶，结晶度高，外侧形成小球晶，结晶度低。因此电子更易于在结晶度低的小球晶边界的无定形区穿越。未老化电缆外侧电荷积聚速率较高，而内侧较低对加速老化１ａ电缆绝缘，老化过程的交联作用有助于增加材料致密性，降低电荷积聚速率。介质热降解过程和交联过程的竞争作用导致绝缘中间电荷积聚速率较高而内侧略低。同时老化后分子链上形成许多极性基团，如羰基、酮基等。在绝缘体内形成深陷阱。在电场作用下，小分子被电离在绝缘体内反电场方向迁移。小分子在迁移过程中或被深陷阱捕获，或通过跳跃电导传输。因此老化后，极性基团作用导致深陷阱的形成一方面增加了介质的电导，一方面有利于捕获载流子。
对于实际运行２２ａ电缆绝缘，老化过程主要表现为材料的热降解过程。由于绝缘外侧热降解严重，因此表现出更多的电荷积聚和较快的电荷积聚速率。
４　结论
针对交流ＸＬＰＥ电缆的空间电荷特性，本文测量了２２０ｋＶ未老化、２２０ｋＶ加速老化１ａ及１１０ｋＶ实际运行２２ａ电缆绝缘不同位置处的空间电荷分布，主要得出以下结论：
１）未老化电缆绝缘由内到外侧电荷积聚量增大，这可能是电缆绝缘内外结晶形态不均一所致。
２）加速老化１ａ电缆绝缘由内侧向外侧电荷积聚量降低，表明其老化可能起始于电缆绝缘内侧。
３）实际运行２２ａ电缆绝缘由内侧向外侧电荷量积聚增加，表明其老化可能起始于电缆绝缘外侧。
４）不同老化状态下交流ＸＬＰＥ电缆绝缘空间电荷行为明显不同，空间电荷测量可以作为评价交流ＸＬＰＥ电缆老化状态的手段