0 引言
随着高压直流输电工程的发展和新能源发电并网技术的进步，电力电子技术在电能变换和输送中占据越来越重要的地位。电力电子技术及装备可实现电能的灵活控制和自由变换，极大地缩小了输变电设备体积，提高了系统输电能力和稳定性。然而，电气绝缘性能是制约电力电子器件和装备向高电压、大功率、小型化方向发展的关键问题[1]，亟须开展深入探究。
电力电子半导体开关器件的导通和关断引起电压突变，会在器件本身、电力电子装备及相连接的设备上产生高频、陡上升沿的脉冲电压及电流。同时，脉宽调制技术（Pulse Width Modulation, PWM）的广泛应用，使得现代电力电子装备承受具有快速上升沿和下降沿、较高幅值和重复频率的方波脉冲电压。 PWM 波形及相关参数如图1 所示[2]。可见，长期承受高频脉冲电压的冲击作用是高压电力电子装备绝缘的普遍工况。
图1 PWM 波形及参数
Fig.1 The parameters of PWM voltage waveform
大量研究结果表明，重复脉冲电场的作用将加剧电气绝缘老化，诱发绝缘早期失效。对比相同幅值和频率的方波脉冲和正弦电压可知，方波脉冲下变频电机漆包线绝缘的局部放电量及耐电晕寿命分别为正弦电压下的10 倍及1/3（见图2），且局部放电相位、时频域统计特性均存在明显差异[3]。单纯直流电压作用下电树枝起始电压较高，然而在直流叠加脉冲电压的情况下，电树枝起始电压大幅下降，并且生长速度明显加快[4]。正弦和方波电压下硅凝胶电树枝起始电压如图3 所示[5]。由图3 可知在相同电极条件下，方波脉冲下硅凝胶中电树枝起始电压远低于相同频率的正弦电压。此外，脉冲上升时间缩短时，绝缘表面的闪络电压会急剧下降。由上述研究结果可知，方波脉冲电压下电气绝缘劣化机理不同于传统的交流和直流电压，高频脉冲电压使电气绝缘处于严苛的工作环境，对高压电力电子装备绝缘提出了更高要求。
图2 正弦和方波电压下漆包线绝缘特性对比
Fig.2 Comparison of insulation characteristics of enameled wires under sine and square wave voltages
图3 正弦和方波电压下硅凝胶电树枝起始电压
Fig.3 Electrical tree inception voltage in silicone gel under under sine and square wave voltages
相关学者研究发现，绝缘内部积聚的空间电荷对局部放电、电树枝的产生具有重要激励作用[6-7]。同样，表面电荷积聚会改变绝缘沿面电场的分布进而影响沿面闪络特性[8-9]。随着电荷测试技术的不断进步，电荷对绝缘劣化的影响机理逐渐受到国内外学者的关注，并且被认为是导致绝缘劣化甚至击穿的关键因素[10-12]。目前对于直流和交流条件下电荷特性研究较多[13-15]，其对绝缘影响机理的探究相对成熟，然而脉冲电压下电荷特性研究相对缺乏，对绝缘劣化影响机制尚不明确。为优化绝缘材料设计方案、提升电力电子装备可靠性，探究高频脉冲电压下电荷行为特性及绝缘劣化机理具有重要意义。
1 电力电子装备绝缘材料及运行工况
电力电子装备在电力系统中的应用越来越广泛，但是其运行工况较传统电气设备具有一定差异。本节将以几种常见的高压电力电子装备——变频电机、电力电子变压器、换流变压器和高压电力电子器件为例，总结电力电子装备普遍承受的脉冲工况。
变频电机具有控制灵活、节约能源等优点，在铁路及城市轨道交通、大型工厂等诸多领域得到了广泛应用。我国机车牵引电机技术发展迅速，已经具有200 级绝缘结构牵引电机的研制能力[16]，其中常见的绝缘材料有聚酰亚胺薄膜、绝缘树脂、玻璃丝粉云母带和复合箔等。随着绝缘材料工艺的不断改进，研究人员研发出了耐电晕型聚酰亚胺薄膜、以粉云母为基的耐电晕复合带以及新型耐高温的无溶剂浸渍树脂等新型绝缘材料，极大地提高了变频电机耐电晕及耐高温性能。与其相连电缆常采用塑料绝缘（聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯等）和橡胶绝缘作为绝缘介质。变频电机采用PWM 技术进行控制，电力电子器件在开通、关断时刻可产生上升和下降时间极短的电压和电流。当快速上升的电压经电缆施加至电机时，由于电缆和变频器波阻抗不匹配会产生反射过电压，变频电动机线电压波形如图4 所示[17]。过电压大小与PWM 驱动电流上升时间密切相关，上升时间越短，产生的过电压冲击越大，严重影响电机本身及相连电缆的绝缘性能、缩短电机使用寿命。
图4 变频电动机线电压波形
Fig.4 Voltage waveforms of frequency conversion motor
大功率高压电力电子变压器不仅具有传统变压器电压变换、电气隔离等功能，还可实现电力系统电能质量调节、潮流控制和无功补偿等功能，在智能电网建设、大规模能源网互联和兆瓦级直流电压变换中扮演重要角色。电力电子变压器中常采用电气性能较好的聚酯（Polyethylene Terephthalate,PET）薄膜、Nomex 绝缘纸、聚酰亚胺薄膜、改性DMD（dacron/mylar/dacron）复合绝缘纸等作为绝缘材料[18]。电力电子变压器又称固态变压器，由全控型电力电子器件和高频变压器组成，其中高频变压器作为电力电子变压器的核心部分，承担着能量转换、功率传输等重要功能，但由于其一次侧和二次侧引入电力电子变换及控制技术，使其绝缘承受高频、陡上升时间的脉冲电压作用，电压电流波形如图5 所示[19]，频繁的电压、电流幅值突变和极性反转加剧了绝缘老化速度，使其运行寿命缩短，制约了电力电子变压器电压等级提升。
图5 高频变压器电压电流波形
Fig.5 Voltage and current waveforms of high frequency transformer
换流变压器是特高压直流输电工程中的核心枢纽，实现了换流桥与交流母线的连接，其结构复杂、设计制造技术难度高。换流变压器通常采用变压器油和绝缘纸组成绝缘结构，其绝缘特性相较于单一绝缘介质更为复杂，尤其是油纸界面处的绝缘特性受到广大研究学者的重点关注。由于其两端分别连接交流和直流系统，使其承受的电压工况较为复杂。其中阀侧绕组及高压套管与换流阀厅相连接，无滤波器改善电压波形，在换相时刻承受脉冲电压作用。由苏州±800kV 特高压同里换流站测得的换流变压器阀侧套管的实际电压波形如图6 所示。
图6 换流变阀侧套管实测波形
Fig.6 Measured waveform of valve side bushing of convert transformer
电力电子器件作为电力电子装备中最为关键的器件，其绝缘耐压水平决定了电力电子装备运行的稳定性与安全性，也是影响器件设计的关键技术指标之一。高压大功率IGBT 常见封装形式分为焊接式和压接式两种。在焊接式IGBT 中一般填充硅凝胶以增强器件的绝缘耐压水平，而在压接式IGBT中，由于器件内部靠压力进行连接，无法填充硅凝胶，主要靠填充惰性气体进行保护[20]。电力电子器件在导通和关断时刻，其芯片及封装绝缘会承受较短上升、下降时间的脉冲电压和电流（其关断时刻波形如图7 所示[21]），高频脉冲电压的冲击作用成为诱发半导体器件绝缘失效的主要影响因素。
图7 半导体开关器件关断过程
Fig.7 Switching-off transient of semiconductor device
此外，风力发电机、新能源汽车、电动飞机等电力电子装备的应用和普及，促进了清洁能源的开发与利用，也是实现绿色、可持续发展的重要举措。随着以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带半导体材料为基础的新一代电力电子器件的成熟[22-23]，电力电子装备将向高电压、大功率方向发展，承受高频脉冲电压应力是这些电力电子装备绝缘的共性特征，也是影响设备可靠性的关键因素。开关器件的进步将产生更高频率、更陡斜率的脉冲电压，使得电力电子器件及装备绝缘的工作条件更加严酷，对开发适应重复脉冲电压工作环境的绝缘材料提出迫切需求。
除电力电子装备及器件本身工作在脉冲电压下，与其相连的电缆等相关附件由于器件通断、换相失败及接地等因素的影响，均会承受脉冲电压作用。因此，本文将通过对不同电力电子装备及其相关附件的不同绝缘材料在脉冲电压下的电气绝缘特性进行总结与探讨，针对电力电子装备以及与其相连接的电机和电缆等绝缘，获得在脉冲电压下普遍适用的电荷行为特性和劣化失效机理，从而为电力电子装备绝缘材料的优化提供理论指导。
2 脉冲电压下电气绝缘特性研究现状
固体电介质绝缘劣化形式主要分为两大类：绝缘内部损伤导致的击穿和表面放电引起的绝缘性能下降。在长期脉冲电压作用下，聚合物内部击穿通常为电树枝化击穿，而发生在表面的局部放电、沿面放电会导致表面绝缘性能下降或者闪络。前者与空间电荷行为密切相关，后者与表面电荷行为相联系。因此，有必要通过对脉冲电压下电树枝特性、表面放电和闪络特性研究现状的总结，厘清电荷与电气绝缘特性的关联关系。
2.1 脉冲电压下电树枝和击穿特性
西安交通大学刘英研究了脉冲电压下交联聚乙烯中电树枝起始特性[24]，结果表明相同电极条件下，直流叠加脉冲电压作用下电树枝起始电压远低于单纯施加直流电压。分析可知，在脉冲上升沿的激励作用下，被捕获的空间电荷发生脱陷、迁移等行为；入陷的电荷周围存储了大量能量，当脱陷时间小于材料的介电弛豫时间常数时，存储能量随电荷脱陷和迁移迅速释放，破坏绝缘材料的微观结构，从而引发电树枝起始和生长，最终导致绝缘击穿。
天津大学杜伯学对针板电极下硅橡胶中电树枝特性进了相关探究。研究认为，电荷在脉冲电压作用下获得能量并注入材料内部与分子链发生碰撞，其中部分电荷被陷阱捕获，入陷电荷的能量以电磁波的形式传递给其他电荷，而获得这部分能量的电荷会产生局部放电并再次与周围分子链发生碰撞破坏绝缘材料的微观结构，引发电树枝导致绝缘劣化[25]。脉冲电压下电荷频繁的入陷、脱陷行为极大地提高了电树枝生长速度并产生更多放电通道，严重损害电气绝缘性能。
此外，天津大学还探究了针板电极下不同脉冲频率、脉宽、极性等参数对聚丙烯、环氧树脂、交联聚乙烯中电树枝特的影响[26-29]。研究表明，脉冲频率、脉宽的增加使高能电荷注入数量增多，导致电荷与分子链的碰撞更加剧烈，加速损伤累积速度，更容易引发电树枝，绝缘击穿时间降低（如图8、图9 所示）。同时也会引发更强烈的局部放电活动，产生新的陷阱，进而形成新的电树枝起始通道使电树枝分形维数增加。在负极性脉冲作用下，由于负电荷比正电荷更容易被陷阱捕获，在针尖电极附近形成负极性空间电荷层，削弱电极附近电场，从而抑制了电树枝起始及生长；反之，正极性脉冲下电树枝起始电压较低，电树枝生长速度更快。
图8 聚丙烯在不同频率下损伤累积速度
Fig.8 Accumulated damage of polypropylene with different frequency
图9 不同频率下聚丙烯击穿时间
Fig.9 Breakdown time of polypropylene with different frequency
电荷在脉冲电压的激发作用下加速注入材料内部，与分子链发生碰撞，会破坏绝缘材料的微观结构，形成导电通道，甚至导致最终击穿。由于不同脉冲参数下空间电荷特性变化更加复杂，电树枝起始和生长特性也各不相同。例如，随着脉冲频率的增加，虽然高低电平各自持续的总时间保持不变，但是单位时间内脉冲边沿时刻电压幅值突变次数增多，会加剧绝缘损伤，导致击穿电压降低。这表明在电平稳定阶段，空间电荷对绝缘的影响较弱，而在脉冲边沿时刻的电压陡增或陡降可能会对电荷入陷、脱陷、迁移等动态行为产生较大影响，而过程中伴随的能量转换与释放，是引发绝缘劣化和损伤的主要诱因。因此，探究不同脉冲参数下的空间电荷特性对阐明绝缘击穿机理具有重要理论指导作用，尤其应关注脉冲边沿时刻电压幅值突变导致的电荷动态行为对绝缘劣化的影响。
2.2 脉冲电压下绝缘表面放电和闪络特性
气体和固体绝缘交界处是绝缘系统中较为薄弱的一个环节，极易诱发固体表面局部放电及沿面放电甚至闪络，从而导致气体和固体组成的绝缘系统失效，而在高频脉冲电场应力作用下，闪络电压大幅降低，会严重危害电力设备运行安全可靠性。因此，探究脉冲电场下放电及闪络产生机理，可为提升绝缘表面耐压性能提供理论支撑。
四川大学王鹏探究了脉冲电压频率及占空比对变频电机耐电晕漆包线表面局部放电特性的影响。研究表明，频率增加导致表面局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）降低。激发电子崩的初始电子产生率正比于放电处的电荷，频率增大时，两次放电的时间间隔缩短，残余电荷衰减较小，这使得表面可脱陷的电子增多，增加了初始电子的发射概率，只需较小的外部电压即可达到起始放电电压，因而局部放电的幅值也随之降低[30]，如图10 所示。电压持续时间小于100μs 时，局部放电发生的概率较低，放电幅值较小，放电不对称；当脉冲持续时间大于100μs 时，放电特性基本对称。随着脉冲持续时间增加，下降沿放电至下一个周期上升沿放电的电荷衰减时间减小，残余电荷逐渐增加，放电越容易发生，致使上升沿附近的放电相位逐渐减小、放电幅值增加[31]。
图10 不同脉冲频率下漆包线局部放电幅值
Fig.10 Partial discharge amplitude of enameled wires under different frequency of pulsed voltage
西南交通大学、波兰克拉夫AGH 科技大学和瑞典查尔姆斯理工大学对不同脉冲上升时间下聚酰亚胺、乙丙橡胶等的绝缘局部放电特性进行了探究[32-35]。研究结果均表明，随着脉冲上升时间缩短，PDIV 会相应下降，空间电荷形成较强的积累效应，电荷驻留效应更为明显。当前一次放电后，气隙电场迅速降至残余电场，如果此时电压上升率很大，能迅速达到起始放电电场，且前一次放电后形成的残余电荷扩散较少，在此段时间内初始电子获得的概率增大，因此会出现连续放电，导致放电次数增多。不同上升时间下聚酰亚胺放电次数如图11 所示[32]。
图11 不同上升时间下聚酰亚胺放电次数
Fig.11 Number of partial discharges of polyimide at different rise times
西安交通大学王增彬探究了脉冲陡度对环氧材料真空沿面闪络特性的影响[36]。研究认为，脉冲陡度增加有利于电荷的产生并加速电荷的运动，从而影响闪络时延，同时也会增大试样表面的洛仑兹力。当脉冲陡度增大时，电荷所受的洛仑兹力增大，一方面将加快电荷向电极运动的速度，另一方面也将提高电子碰撞材料表面的速度，促进电子二次发射，从而对闪络有一定的促进作用，使闪络电压降低。
天津大学杜伯学对不同脉冲频率下聚丙烯闪络电压特性进行了探究。结果表明，随着脉冲频率增加，闪络电压幅值会相应下降，聚丙烯闪络电压与脉冲频率的关系如图12 所示[37]。在闪络放电的过程中，由高电场引起的场发射和绝缘子表面二次电子发射控制的电子雪崩发展对闪络的发生起着至关重要的作用，表面积累的电荷会排斥后续发射电荷的入陷，导致后续发射的电子容易被电场加速，电子雪崩发展速度加快，最终使闪络电压降低。华北电力大学高春嘉研究同样表明，随着积聚的表面电荷增多，闪络电压下降幅值最高可达15.5%[38]。并且随着频率的增加，两次脉冲之间的时间间隔变短，剩余电荷的积累效应增强，促进了电子雪崩的发展。
图12 聚丙烯闪络电压与脉冲频率的关系
Fig.12 Relationship between flashover voltage and pulse frequency of polypropylene
综上所述，不同脉冲参数下局部放电及闪络特性存在较大差异的原因被大部分学者归结于表面电荷的积累和衰减效应。表面电荷的积聚对二次电子发射起到促进作用，有助于电子崩的形成和发展。由于脉冲参数改变，使得表面电荷密度发生较大变化，从而影响了表面电场的大小和放电初始电子产生的概率，使放电及闪络电压发生改变。此外，当脉冲频率增大、上升时间缩短时，电场变化速度加快，将感应出更大的磁场，使电荷所受洛仑兹力增加，增加电荷运动速度和体系能量，加速绝缘表面损伤和老化。因此，需深入研究脉冲电压下表面电荷特性，揭示不同脉冲参数下表面电荷运动规律及作用机理，从而为抑制沿面闪络提供良好的理论基础。
3 脉冲电压下电荷特性研究现状
3.1 空间电荷特性
西南交通大学吴广宁研究了不同频率脉冲电场下聚酰亚胺空间电荷特性。发现老化频率越高，对深陷阱偶极子或离子空间电荷对应的大分子链破坏越快[39]。脉冲重复率增加，注入电荷量增多，不同脉冲频率下聚酰亚胺中电荷特性如图13 所示，电荷入陷的位置向介质内部移动，电极附近积聚异极性电荷有助于富兰克尔效应的电荷发射[40]。然而，意大利博洛尼亚大学D. Fabiani 却得出了与上述研究相反的结论。该学者通过实验发现，随着频率增加，电机漆包线绝缘中积累的电荷量反而减少[41]，不同脉冲频率和极性下漆包线绝缘电荷特性如图14 所示。研究认为电场的频繁改变使电荷更难渗透到材料内部，电荷主要停留在电极与绝缘材料的界面处。
图13 不同脉冲频率下聚酰亚胺中电荷特性
Fig.13 Space charge characteristic of polyimide under different pulsed frequency
图14 不同脉冲频率和极性下漆包线绝缘电荷特性
Fig.14 Charge characteristic of enameled wires under different pulsed frequency and polarity
西安交通大学王霞对交联聚乙烯在单极性和双极性方波电压下空间电荷积累特性进行了探究，发现单极性电压比双极性电压更容易引发电荷积累。在双极性电压下，少量电荷从电极注入聚乙烯中，经过极性反转，注入的电荷又会被迅速抽出，无法形成电荷的积累；而在单极性方波电压下，电荷从电极注入并经过大量周期的积累，最终在试样中出现了较为明显的空间电荷积聚[42]。
法国图卢兹大学的J. P. Bellomo 研究了聚酰亚胺、PEN 和PET 试样测试5kV/μs 和100V/μs 两种上升沿斜率方波电压下的空间电荷，结果表明斜率越大，积聚的空间电荷越多[43]，而且分子极性越强的材料空间电荷密度越大，镀金层的腐蚀程度也越严重；分析了三种材料特征基团的极化松弛频率，与不同上升斜率的方波电压频谱做比较，推导出电介质试样在高斜率作用下电荷形成机理：如果偶极子的弛豫时间长于脉冲上升沿高频分量对应的周期，则不能产生同步的转向极化，进而形成束缚性电荷，随着时间的增加逐渐累积出宏观高密度的空间电荷。
日本松江工业学校M. Fukuma 对聚萘二甲酸乙二醇酯和低密度聚乙烯在不同上升斜率下电荷特性进行了研究，发现上升斜率对电极附近的电荷特性有显著影响，而对内部电荷分布影响不大，斜率增加，电荷积累增多[44]。提出了几种上升斜率引发电荷特性变化的原因：①随着斜率增加，加剧了积累电荷区域的热电子碰撞电离，从而导致产生更多的电荷并逐渐积累；②如果电荷的注入发生在高直流电压作用下，较短的上升时间使得高电平的有效时间增长，从而导致注入的电荷增加；③上升斜率增加导致电荷注入的速度增大；④缓慢的电压上升为电荷复合提供了时间，实验中测得的是净电荷数量，并不代表实际的正负电荷数量。
综上所述，虽然不同脉冲参数对材料内部空间电荷特性的影响已有相关研究，但是尚未形成统一合理的解释。不同研究学者通过实验得出相反结论，表明不同绝缘材料随脉冲参数变化规律可能存在差异，还需进行大量实验对不同参数、不同材料的空间电荷特性进行探究，才能得到较为普遍适用的总体规律以及个体差异，进而为绝缘材料的改进提供理论指导。
此外，大多数研究仅关注了不同脉冲参数下在方波电压高电平和低电平电压恒定阶段的电荷稳态特性，缺乏脉冲边沿时刻电荷的动态行为探究。相较于脉冲电压下电荷稳态特性，在脉冲上升沿和下降沿时刻，电荷运动更为活跃。随着脉冲斜率的增加，激发大量高能电子，电荷的动态行为加剧，会产生更多电荷并逐渐积累，同时释放出更多的能量，对绝缘材料的微观结构造成破坏。因此，脉冲边沿处电荷的动态行为对绝缘的损伤更为严重。然而，专门针对上升和下降沿处空间电荷动态特性的研究较为缺乏，亟须探究相关特性并阐释其内在机理。
3.2 表面电荷特性
西安交通大学丁曼探究了真空纳秒脉冲下环氧复合材料表面电荷特性。表面电荷特性受电荷注入、二次电子发射、碰撞电离等多种因素的影响，当未发生闪络时，由于脉冲电压作用时间极短，此时碰撞电离效应强于电子吸附注入以及电荷中和效应，试样表面呈现出正电位。碰撞电离引发强烈电子崩导致闪络发生，闪络电流使电子崩遗留的正电荷得到中和，并且由于吸附注入作用使闪络后试样表面积聚负电荷[45]。
天津大学杜伯学探究了不同脉冲频率、上升时间、占空比对聚酰亚胺及环氧材料表面电荷特性的影响。脉冲频率的增加会导致表面电荷密度增加，衰减速度变慢[46]。分析认为随着频率增加，两个脉冲之间的时间间隔变小，后续脉冲施加之前剩余的离子密度会更高。因此，较高频率下，表面积累的电荷将更多。不同脉冲上升时间和极性下环氧树脂表面电荷积累特性如图15 所示，由图15 可见，脉冲电压上升时间缩短，积累电荷密度增加，且不同极性下电荷积累量和消散速度也具有一定差异。上升时间缩短导致电荷入陷深度增加，不容易脱陷，从而使表面电荷的积累量增加，消散速度减慢，更易发生放电现象；正电荷的增量比负电荷的增量更显著，而负电荷消散的速度比正电荷消散的速度快[47]。不同脉冲持续时间导致试样表面充电时间不同，脉冲持续时间越长，充电时间越长，从而积累的电荷密度越高[48]。
图15 不同脉冲上升时间和极性下环氧树脂表面电荷积累特性
Fig.15 Surface charge characteristic of epoxy under different pulsed rise time and polarity
中国科学院电工研究所孔飞同样对脉冲电压上升时间、占空比对环氧树脂表面电荷特性的影响进行了探究。研究认为，上升时间缩短使位移电流增大，并且电子获得的能量增加，使电子困在较深的陷阱中不易脱陷，从而导致积累的表面电荷密度增加，不同上升时间下环氧树脂表面电动势如图16 所示。脉冲宽度增加意味着高电场作用的时间较长，电子和气体分子之间的碰撞过程增强，因此放电电流的增加导致更多电荷积聚在试样表面，降低了表面电位衰减的速率[49]。
图16 不同上升时间下环氧树脂表面电势
Fig.16 Surface potential of epoxy under different rise time
目前对不同脉冲参数下表面电荷积累和衰减特性均有相关研究。脉冲频率增加、上升时间缩短、占空比增加都将使电荷积累量增加。另外，由于脉冲电压作用导致绝缘发生闪络时，在闪络发生前后积聚的表面电荷极性也会发生改变。表面电荷极性发生改变的过程中必然伴随着大量电荷的迁移、中和等现象，使电荷对绝缘表面电场的畸变作用更加严重，同时伴随着能量的转换，加速绝缘表面老化。但是，与空间电荷测量普遍采用的电声脉冲法不同，表面电荷较为成熟的测量方法多为离线方式，不能在加压过程中实时监测表面电荷的变化，从而导致无法获知表面电荷在脉冲边沿时刻的动态行为，并且所得实验结果可能存在一定误差。因此，应改进测量技术或探索新的测量方法，对不同脉冲参数下表面电荷实时动态变化特性进行更深入的探究。
4 脉冲边沿时刻电荷动态特性
脉冲电压具有较高的电压变化速率，突变的电压可能激发电荷产生独特的运动行为，对绝缘造成破坏。总结前述研究成果，脉冲电压下电气绝缘易于失效的原因可归纳为以下几种：①脉冲电场力加速电荷获得动能，撞击材料分子链，引发电离和产生电树枝[29]；②脉冲电压引发被捕获电荷脱陷，如果脱陷时间小于材料的松弛时间，所释放能量将导致化学键破坏而引发电树枝[24]；③快速变化的电场产生较大磁场，增大电荷所受洛仑兹力，使电荷获得更高能量，高能电子的碰撞加剧了对绝缘微观结构的破坏，导致电树枝起始和沿面闪络发生[36]。目前对于电荷动态行为的分析主要是基于电树枝、局部放电和击穿等宏观现象的推断，尚缺乏脉冲时刻电荷动态行为的实测数据。为揭示脉冲电压下绝缘早期失效机理，脉冲时刻电荷的动态行为研究是关键。
然而，受电荷测试技术重复频率的限制，难以实现微秒级甚至纳秒级的电荷快速重复测试，尚无法直接获得在脉冲边沿时刻的电荷动态行为，制约了脉冲电压下绝缘特性研究的发展。为揭示脉冲边沿时刻电气绝缘空间电荷动态行为特性，作者所在课题组提出通过脉冲边沿前后电荷分布对比的思路，间接推导脉冲时刻的电荷行为。研制脉冲触发控制电路，使电荷测试时间与上升沿和下降沿精确匹配，测试得到上升、下降沿之前和之后电荷分布数据，通过对比获知电荷运动行为机制。
触发时间控制电路的原理如图17 所示，其工作原理为，将功率放大器或纳秒脉冲电源输出的脉冲高压经衰减器转换成低压脉冲信号，经过滤波、过零比较电路，并采取延时处理，得到与脉冲电压同步的方波信号；然后通过变换器输出固定个数的短方波信号，触发高压脉冲电源动作，保证既在一个方波脉冲电压周期内测试多个时间点的空间电荷分布，又使电荷测试时间与方波上升、下降沿相匹配。
图17 触发时间控制电路原理
Fig.17 Trigger control circuit principle diagram
实验施加波形及测试脉冲匹配关系如图18 所示。脉冲频率为50Hz，上升、下降沿时间均为50μs。每个方波脉冲周期输出59 个测试脉冲，平均分布在高低电平的各个阶段，相邻两测试脉冲之间最小间隔为334μs。
图18 方波边沿处测试脉冲匹配示意图
Fig.18 Schematic of test pulse matching with squarewave voltage edges
由于方波上升、下降时间远小于相邻两测试脉冲之间最小时间间隔，因而不能实现在上升、下降沿过程中多次测量电荷分布。考虑到上升、下降沿之后电荷可能处于瞬态变化的阶段，而在电压稳定阶段电荷状态变化相对缓慢，本实验在测试过程中将主要脉冲测试时间间隔设置在上升、下降沿之前，而在紧邻上升、下降沿之后立即测试尚未到达稳态的电荷分布。通过对比上升、下降沿之前与之后的电荷波形，推断出上升、下降沿过程中电荷的动态行为。同时在方波电压高低电平阶段对电荷进行多次测量，获得空间电荷在电压稳定阶段的特性。
下降沿前后电荷变化如图19 所示，在脉冲上升、下降沿前后，电荷特性发生了较为反常的变化。电极界面处的电荷密度与电压幅值成正比：界面电荷密度随电压幅值的增大而增大，随电压幅值的减小而减小。然而，在材料内部电荷密度却与电压幅值成反比：当电压幅值增大时，内部空间电荷密度反而减小；电压幅值减小时，内部空间电荷密度反而增大。在脉冲上升沿处同样有此现象。
图19 下降沿前后电荷变化
Fig.19 Change of space charge before and after falling edge
肖特基注入以及跳跃电导理论通常被用于解释空间电荷迁移现象。然而，以肖特基注入和跳跃电导过程计算的电荷迁移率较低，在微秒级别的上升、下降沿时间中无法完成迁移过程。因此，肖特基注入和跳跃电导理论不适用解释脉冲边沿时刻电荷运动行为。
本文基于脉冲电压下电荷受力分析理论对该现象进行了解释。固体电介质中的电荷受力较为复杂，为简化分析可将电荷受力分为两类：电场力和材料应力。电场力即电荷在所施加极化电压作用下受到的力，将其余力（如电荷与电荷之间的库仑力、材料本身对电荷的束缚力等）的合力统称为材料应力，电荷受力示意图如图20 所示。在脉冲上升、下降沿处，电场突变导致电场力发生突变，而电荷的相对位置由于惯性不能在瞬间发生改变，因此材料应力基本保持不变。这导致电荷的受力平衡状态被打破，引起电荷所受合外力急剧增大，由此引发电荷的入陷、脱陷和迁移等行为。
图20 绝缘材料内部电荷受力示意图
Fig.20 Schematic of forces acting on the charge inside the insulation materials
目前对于脉冲电压下固体绝缘材料中空间电荷的受力分析理论仅处于初步探索阶段，上升、下降沿时刻电场力对电荷迁移率的影响机理以及定量关系尚不明确，有待进一步探究完善。未来有必要通过对不同脉冲电压参数下电荷特性的实验研究及定量计算，阐明上升沿斜率、脉冲频率等波形参数对电荷行为的影响，以及电荷特性与电场工况之间关联关系，从而提出削弱电荷积累、抑制电荷动态行为、加速电荷消散的控制策略，构建有利于在脉冲电压下长期运行的绝缘材料设计方法。基于电荷特性研究提出对脉冲应用设计的指导方案是长远的研究目标，将有力地提升高压电力电子装备可靠性。
5 结论
脉冲电压下电力电子装备绝缘易于发生早期失效，其中电荷特性及动态行为是重要诱因。本文综合国内外研究文献，论述了脉冲电压下电气绝缘特性与电荷之间关联关系，对不同脉冲参数下空间电荷及表面电荷的研究现状进行了总结，同时对脉冲边沿处电荷的动态特性进行了分析。主要结论如下：
1）脉冲电压下电树枝、击穿特性与空间电荷行为密切相关。电荷在脉冲电压作用下加速注入材料内部与分子链发生碰撞，同时入陷的电荷在脉冲激励下迅速脱陷释放大量能量，损伤绝缘材料微观结构，引发电树枝和局部放电，最终造成绝缘击穿。随着脉冲频率增加、上升时间缩短和占空比增加，材料内部积聚的空间电荷增多，电荷从电场中获得的能量增加，高能电子的碰撞、入陷、脱陷等行为释放更多的能量，加剧了对绝缘材料分子结构的破坏程度，促进电树枝起始及生长。
2）脉冲电压的作用对绝缘沿面闪络和表面电荷特性造成影响。随着脉冲频率增加、上升时间缩短、占空比增加，积累的表面电荷密度增大，加大了放电初始电子产生的概率，从而使局部放电起始电压和闪络电压大幅降低。急剧变化的电场感应出较强的磁场，增大电荷所受洛仑兹力，增强电荷之间的碰撞过程，使绝缘表面更易发生闪络。目前表面电荷实时在线测量方法并不成熟，难以通过实验得到不同脉冲参数下表面电荷的变化特性。因此，需研发脉冲电场下表面电荷的实时测量方法，以深入探究脉冲时刻表面电荷行为特性及诱发闪络机理。
3）脉冲边沿激发电荷状态突变，通过脱陷释放能量、高能电子撞击和洛仑兹力等作用，加剧破坏绝缘结构，因此脉冲时刻电荷的动态行为研究尤为重要。但由于测试技术的限制，脉冲时刻电荷行为研究鲜有报道。作者提出对比脉冲边沿前后电荷分布的方法，通过研发触发时间控制电路，初步获得了脉冲时刻电荷迅速迁移的实验结果；通过受力不平衡理论，阐释电荷运动行为机制。脉冲电压下空间电荷动态行为特性研究尚处于起步阶段，需要不断提高测试技术水平，从实验现象、物理规律和数值模拟等各方面深入探索，从根本上揭示脉冲电压下绝缘早期失效机理。
4）随着以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带半导体材料的发展，电力电子器件及装备将向高电压、大功率方向发展，开关器件的进步将产生更高频率、更陡斜率的脉冲电压，对电力电子绝缘系统设计提出严峻挑战。未来有必要在揭示电荷行为特性及绝缘劣化机理的基础上，通过分子调控和材料改性，提出抑制破坏绝缘电荷行为的优化策略，提高绝缘结构设计水平，以显著提升高压电力电子装备运行可靠性。
[1] 王鹏, 赵政嘉, 刘雪山, 等. 电力电子设备中的电气绝缘问题[J]. 高电压技术, 2018, 44(7): 2309-2322.Wang Peng, Zhao Zhengjia, Liu Xueshan, et al.Electrical insulation problems in power electronics devices[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44 (7):2309-2322.
[2] 张崇兴, 吴文杰, 谢佳成, 等. 中压变换器关键部件绝缘设计与评估方法研究[J]. 高电压技术, 2020,46(10): 3407-3417.Zhang Chongxing, Wu Wenjie, Xie Jiacheng, et al.Insulation design and assessment of critical components in MV power converter[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(10): 3407-3417.
[3] 王鹏, 周婉亚, 王科镜, 等. 正弦和重复方波电压下变频电机绝缘局部放电特性对比[J]. 高电压技术, 2016, 42(12): 3895-3900.Wang Peng, Zhou Wanya, Wang Kejing, et al.Comparison of PD characteristics for inverter-fed motor insulation under sinusoidal and repetitive square wave voltage conditions[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3895-3900.
[4] Liu Ying, Cao Xiaolong. Electrical tree growth characteristics in XLPE cable insulation under DC voltage conditions[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(6):3676-3684.
[5] Mancinelli P, Cavallini A, Chalashkanov N, et al.Electrical treeing in silicone gel under square voltage:frequency, rise time and crosslinking influence[C]//IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Toronto, 2016: 979-982.
[6] 李光道, 王雅妮, 吴建东, 等. 空间电荷对直流接地电树枝影响的实验及仿真研究[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(22): 6749-6756, 6788.Li Guangdao, Wang Yani, Wu Jiandong, et al. Effect of space charge on grounded DC electric tree:experiment and simulation[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(22): 6749-6756, 6788.
[7] 鲁杨飞, 李庆民, 刘涛, 等. 高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3059-3070.Lu Feiyang, Li Qingmin, Liu Tao, et al. Effect of surface charge on the surface discharge evolution for polyimide under high frequency voltage[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2018,33(13): 3059-3070.
[8] 汪沨, 梁芳蔚, 钟理鹏, 等. 基于X 射线短时照射的高压直流GIS/GIL 绝缘子表面电荷主动消散方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(14): 3147-3151.Wang Feng, Liang Fangwei, Zhong Lipeng, et al.Active charge dissipation method for surface charge on the surface of DC GIS/GIL insulator based on short-time X-ray irradiation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(14): 3147-3151.
[9] 王伟, 何东欣, 宋鹏先, 等. 电热联合老化对电缆附件应力锥处空间电荷积聚特性的影响[J]. 高电压技术, 2019, 45(6): 1737-1744.Wang Wei, He Dongxin, Song Pengxian, et al. Study on space charge accumulation characteristics at the position of the stress cone under electrical-thermal aging[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(6):1737-1744.
[10] 郝建, 伏进, 侯兴哲, 等. 基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性[J].电工技术学报, 2016, 31(10): 34-41.Hao Jian, Fu Jin, Hou Xingzhe, et al. Space charge migration characteristics of transformer oil-paper insulation based on the improved pulsed electroacoustic measurement system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10): 34-41.
[11] He Dongxin, Meng Fansong, Liu Hongshun, et al. The influence mechanism of semiconductive material on space charge accumulation in HVDC cable accessory[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(5): 1479-1486.
[12] 谢庆, 张采芹, 闫纪源, 等. 不均匀直流电场下绝缘材料表面电荷积聚与消散特性[J]. 电工技术学报, 2019, 34(4): 817-830.Xie Qing, Zhang Caiqin, Yan Jiyuan, et al. Study on accumulation and dissipation of surface charges of insulating materials under uneven DC field[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2019,34(4): 817-830.
[13] 龚瑾, 李喆, 刘新月. 氧化铝/环氧树脂复合材料空间电荷特性与高温高湿环境下交流电场老化[J].电工技术学报, 2016, 31(18): 191-198.Gong Jin, Li Zhe, Liu Xinyue. Space charge and AC field aging in high hygrothermal environment of alumina/epoxy resin composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(18): 191-198.
[14] 李彦青, 郝建, 刘丛, 等. 绝缘纸板表面微纳Al2O3/PTFE 复合功能层制备及其对空间电荷注入的影响[J]. 电工技术学报, 2020, 35(18): 3960-3971.Li Yanqing, Hao Jian, Liu Cong, et al. Fabrication of the micro/nano-structure Al2O3/PTFE composite functional film on the surface of insulation pressboard and its effect on space charge injection[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2020,35(18): 3960-3971.
[15] 罗毅, 唐炬, 潘成, 等. 直流GIS/GIL 盆式绝缘子表面电荷主导积聚方式的转变机理[J]. 电工技术学报, 2019, 34(23): 5039-5048.Luo Yi, Tang Ju, Pan Cheng, et al. The Transition mechanism of surface charge accumulation dominating way in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 5039-5048.
[16] 周凯. 脉冲电压对变频牵引电机绝缘老化的影响机理研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.
[17] 马洪飞, 徐殿国, 陈希有, 等. PWM 逆变器驱动异步电动机采用长线电缆时电压反射现象的研究[J].中国电机工程学报, 2001, 21(11): 110-114.Ma Hongfei, Xu Dianguo, Chen Xiyou, et al. Research of voltage reflection of PWM inverter-fed induction motor with long motor leads[J]. Proceedings of the CSEE, 2001, 21(11): 110-114.
[18] 赵义焜, 张国强, 韩冬, 等. 基于材料绝缘寿命的高频变压器绕组绝缘试验电压确定方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(13): 2932-2939.Zhao Yikun, Zhang Guoqiang, Han Dong, et al. An insulation test method based on the dielectric insulation life for windings in high-frequency transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2932-2939.
[19] 文武松, 赵争鸣, 聂金铜, 等. 基于系统功率平衡的电力电子变压器中双有源桥二次侧母线电压波动抑制策略[J]. 电网技术, 2020, 44(8): 2971-2978.Wen Wusong, Zhao Zhengming, Nie Jintong, et al.Control of dual active bridge in the power electronic transformer based on system power balance[J]. Power System Technology, 2020, 44(8): 2971-2978.
[20] 窦泽春, 刘国友, 陈俊, 等. 大功率压接式IGBT 器件设计与关键技术[J]. 大功率变流技术, 2016(2):21-25, 34.Dou Zechun, Liu Guoyou, Chen Jun, et al. Design and key technologies of high-power press-pack IGBT device[J]. Control and Information Technology,2016(2): 21-25, 34.
[21] 赵争鸣, 施博辰, 朱义诚. 高压大容量电力电子混杂系统控制技术综述[J]. 高电压技术, 2019, 45(7):2017-2027.Zhao Zhengming, Shi Bochen, Zhu Yicheng. Control technologies for power electronic hybrid systems in high-voltage high-power applications: a review[J].High Voltage Engineering, 2019, 45(7): 2017-2027.
[22] 盛况, 任娜, 徐弘毅. 碳化硅功率器件技术综述与展望[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(6): 1741-1753.Sheng Kuang, Ren Na, Xu Hongyi. A recent review on silicon carbide power devices technologies[J].Proceedings of the CSEE, 2020, 40(6): 1741-1753.
[23] 王玮, 王宏兴. GaN 功率开关器件研究现状[J]. 半导体技术, 2020, 45(2): 99-109.Wang Wei, Wang Hongxing. Research status of GaN power switching devices[J]. Semiconductor Technology, 2020, 45(2): 99-109.
[24] Liu Ying, Cao Xiaolong. Electrical tree initiation in XLPE cable insulation by application of DC and impulse voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(5): 1691-1698.
[25] Du Boxue, Han Tao, Su Jingang. Electrical tree characteristics in silicone rubber under repetitive pulse voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(2): 720-727.
[26] Zhu Lewei, Du Boxue, Su Jingang, et al. Electrical treeing initiation and breakdown phenomenon in polypropylene under DC and pulse combined voltages[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(1): 202-210.
[27] Du Boxue, Zhang Miaomiao, Han Tao, et al. Effect of pulse frequency on tree characteristics in epoxy resin under low temperature[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016, 23(1):104-112.
[28] Du Boxue, Zhu Lewei. Electrical tree characteristics of XLPE under repetitive pulse voltage in low temperature[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(4): 1801-1808.
[29] Du Boxue, Xue Jushao, Zhang Miaomiao. Effect of pulse duration on electrical tree and breakdown process of epoxy resin in LN2[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(1):359-366.
[30] 杨能, 王鹏, 赵政嘉, 等. 重复短脉冲及方波电压频率对变频电机绝缘局部放电统计特性影响[J].绝缘材料, 2018, 51(11): 62-69.Yang Neng, Wang Peng, Zhao Zhengjia, et al. Effect of repetitive short impulse and square wave voltage frequency on partial discharge statistical properties of inverter-fed motor insulation[J]. Insulating Materials,2018, 51(11): 62-69.
[31] 徐洪英, 赵莉华, 王鹏, 等. 重复脉冲占空比对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(7): 2159-2167.Xu Hongying, Zhao Lihua, Wang Peng, et al.Influence of repetitive impulse wave voltage duty cycle on partial discharge statistics in inverter-fed motor insulation[J], Proceedings of the CSEE, 2017,37(7): 2156-2167.
[32] 曹开江, 吴广宁, 罗杨, 等. 高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性[J]. 高电压技术, 2012, 38(6):1376-1382.Cao Kaijiang, Wu Guangning, Luo Yang, et al. Partial discharge characteristic of insulation used in inverterfed traction motor under high frequency impulse[J].High Voltage Engineering, 2012, 38(6): 1376-1382.
[33] Florkowska B, Florkowski M, Roehrich J, et al. The influence of PWM stresses on degradation processes in electrical insulation systems[C]//Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, West Lafayette, 2010.
[34] Florkowska B, Roehrich J, Zydroi P, et al.Measurement and analysis of surface partial discharges at semi-square voltage waveforms[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011, 18(4): 990-996.
[35] Hammarstrom T, Bengtsson T, Blennow J, et al.Evidence for changing PD properties at short voltage rise times[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(5): 1686-1692.
[36] 王增彬, 成永红, 陈玉, 等. 脉冲陡度对快脉冲下真空沿面闪络特性的影响[J]. 高电压技术, 2009,34(1): 151-156.Wang Zengbin, Cheng YongHong, Chen Yu, et al.Influence of pulse steepness on vacuum surface flashover characteristic under steep pulse[J]. High Voltage Engineering, 2009, 34(1): 151-156.
[37] Du Boxue, Huang Penghao, Xing Yunqi. Surface charge and flashover characteristics of fluorinated PP under pulse voltage[J]. IET Science Measurement &Technology, 2017, 11(1): 18-24.
[38] Gao Chunjia, Qi Bo, Sun Zelai, et al. Effect of surface charge on flashover voltage for cross-linked polystyrene (XPS) insulator under nanosecond pulse voltage in vacuum[C]//IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Ann Arbor MI, 2015: 852-855.
[39] Wu Guangning, Wu Jiandong, Zhou Liren, et al.Microscopic view of aging mechanism of polyimide film under pulse voltage in presence of partial discharge[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, 17(1): 125-132.
[40] 曹开江. 高频脉冲电压下牵引电机绝缘电破坏及老化机理的研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013.
[41] Fabiani D, Montanari G C, Cavallini A, et al. Relation between space charge accumulation and partial discharge activity in enameled wires under PWM-like voltage waveforms[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2004, 11(3):393-405.
[42] 王霞, 舒子航, 段胜杰, 等. 方波电压下交联聚乙烯中的空间电荷特性[J]. 高电压技术, 2020, 46(2):634-639.Wang Xia, Shu Zihang, Duan Shengjie, et al. Space charge accumulation property in XLPE under applied voltage of square wave[J]. High Voltage Engineering,2020, 46(2): 634-639.
[43] Bellomo J P, Castelan P, Lebey T. The effect of pulsed voltages on dielectric material properties[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1999, 6(1): 20-26.
[44] Fukuma M, Teyssedre G, Laurent C, et al. Millisecond time-range analysis of space-charge distribution and electroluminescence in insulating polymers under transient electric stress[J]. Journal of Applied Physics,2005, 98(9): 093528.1-093528.11.
[45] 丁曼, 成永红, 阴玮, 等. 真空ns 脉冲下环氧复合材料表面电荷特性[J]. 高电压技术, 2009, 34(1):157-162.Ding Man, Cheng Yonghong, Yin Wei, et al. Surface charge properties of epoxy composite under nanosecond pulsed voltages[J]. High Voltage Engineering, 2009, 34(1): 157-162.
[46] Du Boxue, Liu Zhixiang, Guo Yaguang. Effect of direct fluorination on surface charge of polyimide films using repetitive pulsed power[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2015, 22(4): 1777-1784.
[47] Du Boxue, Zhang Jiwei, Gao Yiying. Effect of nanosecond rise time of pulse voltage on the surface charge of epoxy/TiO2 nanocomposites[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2013, 20(1): 321-328.
[48] Du Boxue, Liu Zhixiang, Xiao Meng. Effect of pulse duration on surface charge of direct-fluorinated polyimide films[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(6): 3481-3487.
[49] Kong Fei, Zhang Shuai, Lin Haofan, et al. Effects of nanosecond pulse voltage parameters on characteristics of surface charge for epoxy resin[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(6): 2058-2066.