第1章绪论
本章*先介绍电介质材料与绝缘技术相关的概念及发展方向，然后着重介绍固体电介质材料中的空间电荷问题，*后综述了现有空间电荷测量技术，对空间电荷研究进展进行了归纳。
1.1电介质材料与绝缘技术
1.1.1电介质材料及电气性能
电介质就是具备绝缘体物理特性，一旦施加电场后能发生介质极化的固体、液体和气体的总称。作为材料，电介质与导体、半导体和磁性材料一样，在电工领域占有重要的地位。高介电常数和高绝缘阻抗是电介质的主要特性，这类材料被广泛应用于电气绝缘和储能领域。
电介质材料的电气特性就是对电介质材料施加电场时它所做出的响应，主要包括[1]：①电导特性(载流子来源、性质，电导过程，强场下的电导等)；②击穿特性(击穿机理，老化特性，V-t*线等)；③介电特性(介电常数，介质损耗角正切等)；④二次效应，包括空间电荷、陷阱、界面现象、化学结构、形态结构、缺陷等的影响。因此，对电介质材料电气性能及其影响机理的进一步探索是推动电气绝缘材料研究的重要理论基础，可以对电气绝缘材料的工程应用起指导性作用。
1.1.2绝缘问题与绝缘技术研究发展方向
绝缘技术发展是电工技术发展的需要，是有关绝缘问题的归纳和解决的结果。绝缘问题主要来自三方面：一是世界性的电能需求量迅猛增长，发电设备和输变电设备不断向高电压和大容量方向发展所带来的问题；二是电工设备应用领域不断扩大，环境因素日益复杂和严酷化所导致的问题；三是实践要求电工设备的可靠性和经济性不断提高而需要解决的问题。
1. 电工设备与绝缘技术应用领域问题
随着西电东送的开展及核能及应用、低温超导、变频、电磁弹射、航空航天、微波、等离子体、高功率脉冲和深层石油开采等技术的不断发展，电介质材料与绝缘技术的应用领域越来越广泛。极端与非常规条件下电介质及其行为的研究，既属于学科研究的前沿，又符合国家发展战略需求。
在超特高压绝缘技术方面，由于一些关键绝缘问题的解决，750kV交流电网工程和±500kV及以上直流输电工程已经成熟运行。在我国，现阶段已经建成多个交流1000kV和直流±800kV的长距离大容量特高压输电工程，*条直流±1100kV工程也已经建成投运。发电设备方面，单机容量1000MW以上大型火力、水力和核电设备技术已经得到应用。其他新型设备如超导电力设备、无油化电力设备、气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line，GIL)及电力电缆等也是目前发展的重要方向，这些输变电设备技术的发展和设备水平的提高归根结底取决于绝缘技术的发展。
电介质在信息、生物与能源技术中也有着十分重要的作用和地位。信息技术中的传感器材料、非线性光学材料，微电子技术发展中亟需的新型高介电常数与低介电常数材料，新型能源领域中涉及的高效能源转化材料，大电容高效储能电介质材料等都是电介质材料的重要应用和发展方向。
2. 绝缘技术发展方向
电气工程中的绝缘是指各种电工设备的绝缘结构，绝缘技术则是主要包含绝缘理论、绝缘材料、绝缘结构设计和制造安装以及绝缘的测试分析等四个组成部分的技术整体，四个组成部分之间相互关联，缺一不可。
1)绝缘理论
物质的微观结构和微观粒子运动特性是绝缘理论发展的基础。从电子运动的轨道理论、能级理论、原子结构理论，到热力学统计，构成了电介质绝缘理论的量子力学基础。从这些基础理论出发，对绝缘技术的一些现象及其规律进行理论总结，进而指导绝缘技术。
从应用的角度，绝缘理论包含绝缘介电特性、放电特性、劣化特性及其对应的机理问题。绝缘理论主要指与指导绝缘设计、绝缘问题的分析、探讨物质微观结构与宏观绝缘性能有关的一些理论，它的核心仍然是电介质物理、电介质化学和物质的老化理论。绝缘问题的提出，各种绝缘及其结构的失效、损坏现象的分析与验证，归结到一点，就是寻找物质变化的规律和机理。这种规律又由于应力条件不同可能表现为不同形式。电荷在介质内部的传导和输运的形式是多种多样的。对带电质点的产生与消失，已经有多种相关理论。介质内部的粒子能级跃迁、粒子转移、积聚，甚至在高场强下的场致发射，归纳起来可分为电子和离子的运动与积聚过程。
新型绝缘材料的开发及重大绝缘事故原因的分析，特别对多发性事故的考查与研究，需要有科技理论上的指导。未来，随着绝缘材料的应用环境越来越广泛、运行工况越来越复杂，复杂工况下的绝缘材料理论分析需要进一步深入。一方面，随着计算机技术的不断发展，绝缘材料的建模仿真技术可以为绝缘材料电气性能的物理过程提供合理解释；另一方面，一些高性能绝缘材料的研发往往需要进行有特定目的的改性或作定向的开发。因此，掌握绝缘材料微观特性表征技术和相关仿真技术，明晰微观结构对宏观性能的影响机制，是未来高性能绝缘材料设计的重要理论基础。
2)绝缘结构
绝缘结构是电工设备的关键部分，是技术应用的具体表现，也是*容易损坏的部分。电工设备能否安全可靠运行，技术经济指标能否进一步提高，绝缘结构的优劣是一个重要因素。绝缘结构由绝缘材料组合而成，因而材料的优劣直接影响绝缘结构的性能，而绝缘结构的功能要求又指导着绝缘材料的发展方向。因此，整个绝缘技术水平的提高也体现在可形成良好绝缘结构的绝缘材料上，如聚酯、聚酰亚胺薄膜、漆包线、无溶剂漆、聚芳酰胺纤维纸等，它们都是以其综合性能优异而不同于一般高分子材料。
随着电力设备电压等级的不断提高，及电工产品使用领域的扩展，环境因素对绝缘的影响越来越显著，绝缘问题已不是一般材料的简单组合和简单工艺所能解决，而需要有一些特定性能的材料，在遵循物质规律的条件下，针对具体的绝缘要求做成特定形式的结构才能适应运行需要。这促使一批多功能的协和性组合绝缘结构得到开发，如新型纤维和薄膜组合绝缘、热弹性绝缘、SF6气体和固体组合绝缘、合成油和薄膜或膜纸组合绝缘、整体浇注式组合绝缘等，从而使绝缘技术发展到一个新的阶段。不同于以往经验式的绝缘结构设计，随着计算机技术的不断发展，电力设备绝缘结构设计及仿真技术、绝缘介质多物理场耦合技术水平也得到了迅猛提升。未来，配合绝缘材料的基础特性，绝缘结构设计将服务电气设备设计朝向更可靠、更经济的方向发展。
3)绝缘材料
绝缘材料的研发是影响电工技术发展的关键技术之一。绝缘材料按照物质形态分类，可以分为气体、液体、固体绝缘材料及复合绝缘材料等。随着我国电力设备及新能源等技术的不断发展，对新型绝缘材料的需求日益突出。具体而言，结合今后发展，绝缘材料的发展趋势为如下几个方面：①高耐压绝缘材料；②环保型绝缘材料；③高介电、高力学性能的复合绝缘材料；④高耐腐蚀、耐老化的绝缘材料；⑤耐高温绝缘材料；⑥阻燃型绝缘材料；⑦高档电子封装材料；⑧储能材料等。
4)绝缘测试分析
由于从绝缘材料到绝缘结构的整个生产过程涉及的面很广，而结构的性能要求又较复杂。特别在对可靠性要求不断提高的情况下，不但需要合理的结构设计，还必须在工艺质量上层层把关，加强测试。针对运行设备，需要测试绝缘状况能否在各种环境应力下均处于良好的工作状态。因此，分析测试技术的研究就成为不可缺少的组成部分。而对结构的功能性试验和材料的质量控制，对运行过程的精准诊断，对测试的速度与精度，也像一般测试技术那样，成为绝缘技术基础研究内容的一部分。
1.2固体电介质中的空间电荷现象
1.2.1空间电荷的定义
宏观固体物质通常可划分为一些相同的结构单元，一般来讲，每个结构单元应该是电中性的，如果在一个或多个这样的结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多余的电荷称为相应位置上的空间电荷[2]。在外加电场等因素的作用下，气体、液体和固体绝缘电介质中或电介质表面将积聚空间电荷。空间电荷的存在对电介质的电气性能将产生较大的影响。如图1.1所示，当电极前面积聚了与电极同极性的空间电荷时，称这类空间电荷为同极性空间电荷，其产生的作用称为同极性空间电荷效应；反之，则称为异极性空间电荷，其产生的作用称为异极性空间电荷效应。
图1.1空间电荷示意图
空间电荷积聚后，将畸变电介质空间的电场分布，会使其所在位置一侧的电场增大，另外一侧的电场减小。空间电荷将削弱同极性电极与电介质界面的场强，而增强异极性电极与电介质界面的场强。电介质中带电粒子被陷阱捕获后形成的空间电荷可存在较长时间。假设在电极表面有凸起的毛刺等，由此引起的局部场强较高。随着同极性空间电荷的注入，该凸起与电介质之间界面的场强会因此被削弱，一旦电极上施加的电压极性反转后，残留在凸起前面的同极性空间电荷翻转成异极性空间电荷，该凸起表面的场强将被增强。电气设备在进行破坏性或非破坏性直流试验后均会在设备内部残留空间电荷，空间电荷的这些行为会影响电介质或电气设备的绝缘性能。目前普遍认为，由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等特性都有明显的影响。空间电荷研究是电介质理论研究的重要前沿方向。
1.2.2高压电力设备绝缘的空间电荷问题
直流输电技术是未来新能源并网、电力互联以及城市输电的主要解决方案。由于在直流电压作用下空间电荷的注入，高压电力设备面临着严峻的绝缘问题。下面以直流塑料电缆和换流变压器为例进行简单介绍。
传统直流电缆指充油式直流电缆和油浸式直流电缆。前者需要大量的充油设备，难以用于远距离输电，后者正常运行温度较低，难以实现大容量输电。如果交流交联聚乙烯(crosslinked polyethylene， XLPE)电缆能够应用于高压直流输电，将大幅提高系统的可靠性，降低建造和维护的成本。20世纪70年代，日本曾尝试将交流XLPE电缆应用于±250kV直流输电系统，但试运行期间频繁发生击穿，*终不得不放弃这一尝试，改用更可靠的传统油浸电缆，事故分析认为空间电荷效应是导致直流XLPE电缆频繁击穿的主因[3-5]。而后随着越来越多的学者关注固体绝缘材料中的空间电荷特性，业界一致认为高压直流电缆绝缘用绝缘材料应满足空间电荷注入和积聚量少、电阻率受温度和场强影响小、介电强度高、导热性好等特点。随着直流电压等级的进一步提高，运行工况将更加严酷，如何改善直流场下绝缘材料的性能特别是空间电荷特性，将成为影响新一代电力系统电缆工业发展的重要研究课题。
换流变压器是直流输电系统的核心装备之一。运行中，换流变压器的阀侧绕组不仅要承受交直流叠加电压，还要承受控制和故障出现的各种暂态电压以及直流电压极性的快速反转。种种数据和迹象表明，绝缘问题是换流变压器运行故障的重要因素，一旦换流变压器发生故障，需要长时间停运，直接威胁到电力系统的安全稳定运行。除此之外，由于交流电压极性的周期性变化，在电介质中不易积聚电荷，而直流电压极性长时间不变，载流子的定向移动容易在固体电介质中积聚电荷，导致直流电压下绝缘材料空间电荷积聚。实测结果表明，长期运行之后，换流变压器中等位线的形状发生扭转和回环，甚至出现局部闭合的情况，这说明出现了孤立的空间电荷[6]。
除此之外，当电力设备绝缘面临复杂运行工况，例如脉冲冲击、叠加脉冲、多层结构或者温度梯度等作用时，绝缘材料中均会存在空间电荷效应。空间电荷的存在、转移和消失会导致绝缘材料内部的电场发生畸变，或削弱或增强局部电场，影响电介质的击穿、电导和老化特性。此外，空间电荷会受到电场力的作用，从而使电介质材料发生微小的形变，对材料的击穿和老化构成威胁。在极性反转和放电等暂态过程中，瞬时变化的空间电荷还会影响绝缘介质放电的发展过程。
1.2.3预电压极性效应
直流预电压后，另一个极性的击穿电压发生变化的现象称为预电压极性效应或预电压现象(prestressing phenomenon)。Bradwell等[7]研究了聚乙烯的直流预电压场强与脉冲击穿强度的关系，发现了明显的极性效应：与预电压电场极性相
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