JPhysD编辑优选：一种适用于空间电荷消散特性研究的仿真方法

文章介绍

Hongliang Zhang（张宏亮）, Shiyu Jin（金世雨）, Hai Jin（金海）, Ziyu Zhang（张梓瑜）, Chuang Wang（王闯） and Peng Liu（刘鹏）

通讯作者：

• 张宏亮，兰州理工大学

研究背景：

环氧树脂具有良好的绝缘性能、较高的机械强度，易于加工和配方设计多样等特点，使其成为特高压直流干式套管绝缘材料的重要选择。但是环氧树脂材料在高温和高场强条件下的空间电荷注入和积累会引起材料内部的电场畸变，加剧绝缘性能劣化，是干式套管安全稳定运行的潜在威胁。许多学者通过实验研究了电压撤去后聚合物材料内部空间电荷的消散特性，以探究不同实验条件下材料内部的电荷输运过程。但材料微观结构的复杂性和实验设备时空分辨率的有限性，阻碍了对复合绝缘材料空间电荷消散机制的深入理解。而空间电荷数值模拟可以在广泛的温度范围、灵活的时间尺度和复杂的绝缘结构中定量模拟电荷的积累和消散特性，是探究空间电荷输运机理的有效手段。

研究内容：

本文基于Dissado的空间电荷消散模型，综合考虑跳跃电导和肖特基发射，改进了空间电荷双极性载流子输运模型，使之适用于仿真分析环氧树脂等聚合物材料的空间电荷消散过程，方法如图1和图2所示。采用电声脉冲测量法 pulsed electro-acoustic method，PEA）测量了在100℃、20kV/mm-100kV/mm场强下加压48小时后环氧树脂试样空间电荷的消散特性，并与仿真结果进行了对比。

图1  双极性载流子输运模型

图2  空间电荷消散模型仿真计算流程图

如图3所示，从实验结果可以看出场强超过40kV/mm后，试样上、下电极附近区域残留的都是正电荷，中部残留的是负电荷。如图4所示，试样内残留的同极性负电荷和同极性正电荷总体上分布包含2段“S”形曲线。负电荷陷阱深度分别分布在[1.06 eV，1.19 eV]和[1.22 eV，1.40 eV]两段区间内；阳极附近的正电荷陷阱深度分别分布在[1.08 eV，1.16 eV]和[1.22 eV，1.38 eV]两段区间内。而阴极附近的负电荷分布只显示出1段“S”形曲线，陷阱深度分布在[1.29 eV，1.33 eV]。试样内空间电荷陷阱分布区间受温度和场强长时联合作用后会发生变化，试样内空穴和电子陷阱最大深度会随极化场强升高而增大。

图3  环氧树脂去压后的空间电荷分布

图4  不同场强长时间作用后环氧材料内空间电荷的实验消散特性

将实验测试参数代入空间电荷消散数值仿真模型中，可以看到去压后的电荷消散仿真结果与实验结果一致性很好，如图5所示。这验证了采用Dissado空间电荷衰减模型改进双极性电荷输运模型用于分析空间电荷消散特性的有效性。

图5  不同场强长时间作用后环氧材料内空间电荷的仿真消散特性

作者介绍

• 2023年影响因子：3.1  Citescore：6.8
• Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。