前言

 

固体绝缘介质中的空间电荷效应不仅仅是破坏性的。对于一种功能介质——驻极体来说，空间电荷是其特性的基本要素。对于驻极体来说，空间电荷的分布需要稳定和持久。事实上，固体绝缘介质中的空间电荷性质主要由电荷陷阱的深度、电荷陷阱的密度和电荷捕获截面决定。抑制空间电荷的积累并不容易，保持稳定的空间电荷也不容易。与其他学科或领域相比，空间电荷研究中模拟方法的应用相对落后。目前还没有实现空间电荷行为的模拟，基本上还是实验科学，但数值模拟在测量数据的处理和相关信息的提取中起着重要的作用。

 

1、空间电荷效应概念

 

空间电荷效应是指空间中电荷的分布，也称为电势分布。空间电荷效应是由电荷的分布和电势的变化引起的，它与电荷的数量、类型和位置有关。在空间电荷效应中，电荷分布是指空间中电荷的分布，如电荷的密度、分布的形状和大小。电势分布是指空间中电荷的电势，如电势的大小、分布的形状和趋势。空间电荷效应对电学和物理学具有重要意义，因为它决定了电子在空间中的运动轨迹，以及电场的强度、方向和分布[1]。

 

2、空间电荷效应的危害与抑制方法

 

2.1、高压电力电缆

 

高压电力电缆是DC高压输电系统中最重要的组成部分。根据绝缘层材料的性质，固体绝缘电缆可分为油纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡胶绝缘电缆。随着社会的发展，人们对电力电缆性能的要求不断提高，塑料绝缘电缆和橡胶绝缘电缆逐渐取代了油纸绝缘电缆。其中，交联聚乙烯作为电缆的绝缘材料得到了广泛的推广和应用。一般来说，聚合物中积累的空间电荷的主要来源是被陷阱捕获的注射载流子。聚合物中捕获载流子的电荷陷阱主要包括物理陷阱和化学陷阱。物理陷阱主要来自晶区与非晶区界面之间的界面陷阱；化学陷阱主要由聚合物主链上的侧链、制备过程中的化学物和电老化降解产生的小分子产物组成。在外加电场的作用下，电极注入的载流子被这些陷阱捕获，成为积累的空间电荷。阻挡和抑制电荷的注入可以有效解决聚合物中的空间电荷问题[2]。

 

2.2、其他电气设备中的空间电荷及危害

 

复合绝缘子、电容器等设备在电缆直流高压线路中也存在空间电荷问题。在DC高压的作用下，绝缘子的表面和内部都会产生空间电荷的积累。表面积累的静电荷会导致沿线闪络异常，内部空间电荷积累与外加电场的相互作用会加强界面电场，导致界面性能下降，最终导致绝缘子损坏。电容器绝缘内部的空间电荷积累往往伴随着气固界面的局部放电。长期的局部放电逐渐扩大了绝缘的劣化损伤，导致整个绝缘突破或沿线闪络。目前一般认为，在外加电场中，聚合物内部空间电荷的捕获和积累会导致电场畸变，最终导致电介质的突破。但也有研究表明，当外加电场减弱甚至没有外加电场时，电介质也会被击穿。电介质中捕获的空间电荷的脱落过程被认为是电介质在非电场作用下被击穿的原因。实验发现，当用接地针刺激注入空间电荷的样品导致电荷脱落时，会形成树枝破坏通道。树枝扩张最终会导致崩溃性击穿，导致绝缘材料的永久破坏，影响电力系统的稳定运行。

 

3、应用空间电荷效应

 

空间电荷效应在介质中的应用主要是驻极体材料。一般来说，驻极体是一种能够长期保存空间电荷并具有稳定外部电场效应的介质。为了区分驻极体和铁电体的主要特性，铁电体具有稳定的永久极化，没有外部电场效应。因此，理想的驻极体应能够长期稳定地保持静态空间电荷，并具有稳定的外部电场。虽然驻极体和永磁体经常相似，但不像铁磁介质和永磁体那样可以用统一的理论来解释。铁电体和驻极体采用两种完全不同的理论体系进行讨论、研究和分析。造成这种现象的一个可能原因是磁介质中没有磁单极，而驻极体是基于独立的正负电荷和永久极化的[3]。

 

结语

 

多年来，许多学者对固体绝缘介质中的空间电荷效应和应用进行了多方面的研究。但由于问题复杂，影响因素多样，仍存在许多不明确的问题，缺乏系统的基础理论。虽然这方面的研究进展不是很快，但一直在推进。目前的基本情况如下。

 

1)、目前，空间电荷分布测量技术已应用于实验室和工业界（如高压电力电缆）。基本上，基于声学的PWP法和PEA法是主要的。它们各有技术优势。常用的分辨率约为10微米，最高可达微米。热学方法也在研究中。对于微米薄膜的空间电荷检测，该方法更加方便可行，空间分辨率可达0.1um。

 

2)、目前，空间电荷陷阱能量测量仍缺乏可信的检测技术和方法，仅限于相互比较，难以获得准确的本征物理量.

 

3）、对于绝缘介质中空间电荷的危害和抑制方法，工业和实验室研究中有一些可用的方法，基本可以满足实际工业应用的要求.

 

4）、对于驻极体材料，它需要保持长期稳定的空间电荷分布。虽然在各个方面都有改进的空间，特别是在耐高温性能方面，但它已经满足了一些基本的实际应用要求，如驻极体麦克风。

 

5）、对空间电荷的仿真研究也非常困难，其影响因素很多，不确定，仿真结果与实验结果的一致性不理想，还有很长的路要走。