在高压直流输电领域，聚合物绝缘材料的性能直接关系到电力设备的安全稳定运行。空间电荷的积聚被认为是导致绝缘材料过早失效的关键因素之一。因此，对材料内部电荷分布进行有效、可靠的测量，已成为绝缘材料研发与质量评估中重要的一环。

空间电荷测量的重要意义

空间电荷观测技术广泛应用于直流绝缘材料，特别是高压电缆所用聚合物材料的测试与评估。研究表明，空间电荷的存在是引起高压直流聚合物电缆性能下降和早期失效的重要原因。通过对绝缘材料内部电荷分布及其动态行为的有效测量，可以有效诊断材料在电场作用下的劣化趋势，为材料改进与工程应用提供关键数据支持。

PEA空间电荷测试系统

传统技术的局限与突破

目前，绝大多数空间电荷测量系统采用脉冲电声法（PEA），并使用PVDF聚合物压电传感器。然而，该类传感器在温度超过70°C后压电性能显著下降，限制了其在高温环境下的应用。尽管有研究尝试使用LiNbO₃晶体传感器以实现高温测量，但其加工难度大、成本高、压电常数较低，并未得到广泛应用。

针对这一技术瓶颈，北京华测试验仪器有限公司通过创新研发，成功推出新一代耐高温PEA空间电荷测量系统。该系统采用新型共聚物压电传感器，结合优化设计的电极结构，实现了在≤110°C温度范围内的稳定、有效测量。

系统工作原理与技术创新

该测量系统通过在试样上施加高压直流与快速上升的窄脉冲电压，激发材料内部电荷产生声压波，经由压电传感器捕获并转换为电信号，最终通过信号处理还原出空间电荷的分布情况。

华测技术团队深入分析了温度对传感器性能、声波传播及信号传输的影响，并对系统进行了全面的温度校正，显著提升了高温环境下数据的可靠性与重复性。实验表明，该系统能够清晰观测环氧树脂等材料在不同温度下的电荷生成、积累与消散过程。

原理图

主要技术指标

• 空间分辨率（纵向）：＜10μm
• 测量灵敏度：0.2μC/cm²
• 直流源输出电压：0~±20kV
• 脉冲电源输出电压：0~1kV，脉宽5ns~200ns可调
• 放大器带宽：高达1GHz
• 适用温度范围：可达110℃

典型应用与数据展示

系统已成功应用于纯环氧试样在不同温度下的空间电荷行为研究。实验数据显示，系统能够清晰捕捉电荷密度随温度和时间的变化趋势，为绝缘材料的热-电性能研究提供了强有力的工具支持。