近日特高壓輸變電技術(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)在電氣學(xué)科一級學(xué)報《電工技術(shù)學(xué)報》上發(fā)表研究綜述文章“脈沖電壓下電力電子裝備絕緣電荷特性研究綜述”。

通過對高壓電力電子裝備絕緣擊穿與閃絡(luò)影響機(jī)理的論述，揭示了脈沖電場下電荷行為對絕緣失效的重要作用，闡述了脈沖電壓參數(shù)對電荷特性影響的研究進(jìn)展，并對目前研究存在的不足進(jìn)行了總結(jié)與探討。這些研究成果的總結(jié)將為脈沖電壓下電力電子裝備絕緣材料和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和理論指導(dǎo)。

1、研究背景

隨著特高壓直流輸電的發(fā)展和新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，高壓電力電子器件和裝備在電力系統(tǒng)中占據(jù)越來越重要的地位。電力電子裝備長期處于高頻、陡脈沖電壓的運(yùn)行工況下，其絕緣系統(tǒng)易發(fā)生早期失效，威脅電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。其中，空間電荷動態(tài)行為是脈沖電場下電氣絕緣早期失效的重要誘因。因此，為優(yōu)化絕緣材料設(shè)計(jì)方案、提升電力電子裝備可靠性，探究高頻脈沖電壓下電荷行為特性及絕緣劣化機(jī)理具有重要意義。

2、綜述要點(diǎn)

（1）電力電子裝備承受脈沖電壓工況

開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷引起電壓突變，會在器件本身、電力電子裝備以及相連接的設(shè)備上產(chǎn)生高頻、陡上升沿的脈沖電壓及電流。同時，脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation, PWM）的廣泛應(yīng)用，使得現(xiàn)代電力電子裝備承受具有快速上升沿和下降沿、較高幅值和重復(fù)頻率的方波脈沖電壓。如圖1所示，高頻變壓器、換流變壓器閥側(cè)套管、高壓電力電子器件均承受高頻脈沖電壓作用。

圖1 常見電力電子裝備及器件承受電壓波形

（2）脈沖電壓下電氣絕緣特性與電荷行為關(guān)系

研究表明，相較于同等幅值的直流和交流電壓，脈沖電壓下電氣絕緣擊穿壽命嚴(yán)重縮短、電樹枝起始電壓大幅下降（如圖2所示），氣固絕緣界面的表面局部放電更加劇烈、閃絡(luò)電壓降低。通過對脈沖電壓下電樹枝特性、表面放電和閃絡(luò)特性研究現(xiàn)狀的總結(jié)，厘清電荷行為與電氣絕緣特性的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(a) 正弦和方波下耐電暈壽命       (b) 正弦和方波電壓下電樹枝起始電壓

圖2 正弦和脈沖方波電壓下絕緣特性對比

①電樹枝起始、擊穿等特性主要取決于空間電荷行為。脈沖電場力加速電荷獲得動能，撞擊材料分子鏈，引發(fā)電離和產(chǎn)生電樹枝；除此之外，在脈沖電壓的激勵作用下會引發(fā)被捕獲電荷脫陷，如果脫陷時間小于材料的松弛時間，所釋放能量將導(dǎo)致化學(xué)鍵破壞而引發(fā)電樹枝。

②表面電荷的積聚增加了初始電子產(chǎn)生的概率，促進(jìn)了電子崩的形成與發(fā)展，有助于形成沿面放電及閃絡(luò)。此外，快速變化電場產(chǎn)生較大磁場，增大電荷所受洛倫茲力，使電荷獲得更高能量，高能電子的碰撞加劇了對絕緣微觀結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致電樹枝起始和沿面閃絡(luò)發(fā)生。

（3）脈沖電壓下電荷特性研究現(xiàn)狀

不同脈沖參數(shù)對材料內(nèi)部空間電荷特性的影響尚未形成統(tǒng)一合理的理論解釋，還需通過研究得到較為普遍適用的總體規(guī)律以及理清不同絕緣材料間的差異，進(jìn)而為絕緣材料的改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。大多數(shù)研究僅關(guān)注了方波電壓高電平和低電平電壓恒定階段的電荷穩(wěn)態(tài)特性，缺乏脈沖邊沿時刻電荷的動態(tài)行為探究。相較于脈沖電壓下電荷穩(wěn)態(tài)特性，脈沖邊沿處電荷的動態(tài)行為對絕緣的損傷更為嚴(yán)重。然而，專門針對上升和下降沿處空間電荷動態(tài)特性的研究較為缺乏，亟需探究相關(guān)特性并闡釋其內(nèi)在機(jī)理。

隨著脈沖頻率增加、上升時間縮短、占空比增加，表面電荷積累增大。脈沖電壓作用導(dǎo)致閃絡(luò)后表面電荷極性發(fā)生改變，對表面電場的畸變作用更加嚴(yán)重，加速絕緣表面老化。但是，表面電荷較為成熟的測量方法多為離線方式，可探索能夠?qū)崟r監(jiān)測表面電荷的變化的新測試方法。

（4）脈沖邊沿時刻電荷動態(tài)特性

由于電荷測試技術(shù)重復(fù)頻率的限制，難以實(shí)現(xiàn)微秒級別甚至納秒級別的電荷快速重復(fù)測試，尚無法直接獲得在脈沖邊沿時刻的電荷動態(tài)行為，制約了脈沖電壓下絕緣特性研究的發(fā)展。作者所在課題組提出通過脈沖邊沿前后電荷分布對比的思路，間接推導(dǎo)脈沖時刻的電荷行為，研制脈沖觸發(fā)控制電路，使電荷測試時間與上升沿和下降沿精確匹配，通過上升、下降沿前后電荷分布數(shù)據(jù)對比獲知電荷運(yùn)動行為機(jī)制。初步發(fā)現(xiàn)脈沖邊沿時刻空間電荷變化現(xiàn)象，基于電荷受力分析理論對該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。將將固體介質(zhì)內(nèi)空間電荷受力簡化分為電場力和“材料應(yīng)力”兩類，從電荷受力平衡被打破的角度，對脈沖邊沿時刻的電荷運(yùn)動行為進(jìn)行了分析與討論。

3、主要研究結(jié)論與展望

①脈沖電壓下電力電子裝備絕緣易于發(fā)生早期失效，其中電荷特性及動態(tài)行為是重要誘因。脈沖電壓參數(shù)的變化改變了空間電荷及表面電荷的運(yùn)動和積聚特性，進(jìn)而對絕緣電氣性能及壽命產(chǎn)生影響。

②脈沖邊沿激發(fā)電荷狀態(tài)突變，通過脫陷釋放能量、高能電子撞擊和洛倫茲力等作用，加劇破壞絕緣結(jié)構(gòu)，因此脈沖時刻電荷的動態(tài)變化行為研究尤為重要。脈沖電壓上升、下降沿處電場力突變所導(dǎo)致的電荷所受合力發(fā)生變化是引發(fā)電荷發(fā)生入陷、脫陷、遷移等行為的重要原因。

③隨著以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展，開關(guān)器件的進(jìn)步將產(chǎn)生更高頻率、更陡斜率的脈沖電壓，未來應(yīng)探索適應(yīng)高頻、陡脈沖電壓下電荷測試技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、物理規(guī)律和數(shù)值模擬等各方面深入探索，從根本上揭示脈沖電壓下絕緣早期失效機(jī)理。

何東欣副教授為本文第一作者，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李清泉教授為通訊作者，團(tuán)隊(duì)研究生張濤為第二作者，該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的資助。

引用本文：

何東欣,張濤,陳曉光,鞏文潔,李清泉.脈沖電壓下電力電子裝備絕緣電荷特性研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報, 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