作者介紹

何東欣,1990年生，山東大學副教授、碩士生導師，入選山東大學青年學者“未來計劃”，擔任全球能源互聯網大學聯盟學校聯絡人。主要從事電氣絕緣電荷特性與失效機理研究。主持國家自然科學基金青年項目和山東省重大創新工程課題等項目，參與國家自然科學基金智能電網聯合基金、國家電網公司總部項目等多項，發表SCI、EI檢索高質量期刊論文20余篇。榮獲中國電工技術學會青工委突出貢獻委員、優秀組織獎和山東電機工程學會“五四”青年科技工作者等榮譽。

李清泉,高電壓與絕緣技術研究所教授、博士生導師，山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室主任，山東大學電氣工程學院副院長。主要研究方向為高電壓絕緣診斷技術、電力設備狀態在線監測、高壓測試技術和常壓等離子體及應用。承擔國家自然科學基金智能電網聯合基金項目、面上項目、山東省重點基金、重點研發計劃、國家電網、南方電網科技項目等50余項，發表高水平學術論文80余篇。參與學術著作《高壓組合電器》和《電力系統中的電磁兼容》的編寫和翻譯。獲山東省科技進步一等獎1項、二等獎2項，中國電力科技進步二等獎1項。

團隊介紹

本文作者來自山東大學電氣工程學院特高壓輸變電技術與裝備學術團隊，團隊依托山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室、山東大學電氣工程學院高電壓與絕緣技術研究所，主要的研究領域包括高電壓絕緣診斷技術、電力設備狀態在線監測、高壓測試技術、高壓復合絕緣放電特性、劣化機理及絕緣評估等。近年來，該團隊承擔了多項國家級、省部級以及電網企業的研究項目。

研究背景

隨著特高壓直流輸電的發展和新能源發電并網規模的擴大，高壓電力電子器件和裝備在電力系統中占據越來越重要的地位。電力電子裝備長期處于高頻、陡脈沖電壓的運行工況下，其絕緣系統易發生早期失效，威脅電力系統運行的安全性和可靠性。其中，空間電荷動態行為是脈沖電場下電氣絕緣早期失效的重要誘因。因此，為優化絕緣材料設計方案、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理具有重要意義。

綜述要點

（1）電力電子裝備承受脈沖電壓工況

開關器件的導通和關斷引起電壓突變，會在器件本身、電力電子裝備以及相連接的設備上產生高頻、陡上升沿的脈沖電壓及電流。同時，脈寬調制技術（Pulse Width Modulation, PWM）的廣泛應用，使得現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、閃絡電壓降低。通過對脈沖電壓下電樹枝特性、表面放電和閃絡特性研究現狀的總結，厘清電荷行為與電氣絕緣特性的關聯關系。

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，引發電離和產生電樹枝；除此之外，在脈沖電壓的激勵作用下會引發被捕獲的電荷脫陷，如果脫陷時間小于材料的松弛時間，所釋放能量將導致化學鍵破壞而引發電樹枝。

②表面電荷的積聚增加了初始電子產生的概率，促進了電子崩的形成與發展，有助于形成沿面放電及閃絡。此外，快速變化電場產生較大磁場，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構的破壞，導致電樹枝起始和沿面閃絡發生。

（3）脈沖電壓下電荷特性研究現狀

不同脈沖參數對材料內部空間電荷特性的影響尚未形成統一合理的理論解釋，還需通過研究得到較為普遍適用的總體規律以及理清不同絕緣材料間的差異，進而為絕緣材料的改進提供理論指導。

大多數研究僅關注了方波電壓高電平和低電平電壓恒定階段的電荷穩態特性，缺乏脈沖邊沿時刻電荷的動態行為探究。相較于脈沖電壓下電荷穩態特性，脈沖邊沿處電荷的動態行為對絕緣的損傷更為嚴重。然而，專門針對上升和下降沿處空間電荷動態特性的研究較為缺乏，亟需探究相關特性并闡釋其內在機理。

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。脈沖電壓作用導致閃絡后表面電荷極性發生改變，對表面電場的畸變作用更加嚴重，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，可探索能夠實時監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特性

由于電荷測試技術重復頻率的限制，難以實現微秒級別甚至納秒級別的電荷快速重復測試，尚無法直接獲得在脈沖邊沿時刻的電荷動態行為，制約了脈沖電壓下絕緣特性研究的發展。

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，間接推導脈沖時刻的電荷行為，研制脈沖觸發控制電路，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據對比獲知電荷運動行為機制。

初步發現脈沖邊沿時刻空間電荷變化現象，基于電荷受力分析理論對該現象進行了解釋。將將固體介質內空間電荷受力簡化分為電場力和“材料應力”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動行為進行了分析與討論。

主要研究結論與展望

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

②脈沖邊沿激發電荷狀態突變，通過脫陷釋放能量、高能電子撞擊和洛倫茲力等作用，加劇破壞絕緣結構，因此脈沖時刻電荷的動態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致的電荷所受合力發生變化是引發電荷發生入陷、脫陷、遷移等行為的重要原因。

③隨著以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶半導體材料的發展，開關器件的進步將產生更高頻率、更陡斜率的脈沖電壓，未來應探索適應高頻、陡脈沖電壓下電荷測試技術，從實驗現象、物理規律和數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理。

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].電工技術學報, 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.