随着对XLPE电缆绝缘中空间电荷研究的深入，研究人员逐渐认同了使用“陷阱”这个概念来描述空间电荷驻留位置。“陷阱”的概念来源于半导体物理学，对于半导体而言，研究对象是无机晶体材料，它们具有明确的能级机构，可以使用掺杂的方法定量控制材料中的陷阱能级分布来调制波函数，控制量子陷的深度和分布，实现所需的功能。而对于像XLPE绝缘这样的高分子聚合物，由于其结构的不规整性，波函数不连续，因此无法应用量子力学的方程定量的求解波函数。
J.E.Kalk等运用LCAO法对聚乙烯的能带结构进行了近似计算，认为对聚乙烯这种半结晶材料，虽然不具备远程有序结构，但可以认为其近程结构是有序的，于是聚合物的能带结构模型得以引入。该模型可以简单明了的解释电荷入陷和脱陷以及载流子的运输等现象。
描述陷阱的参数有：陷阱捕获截面、陷阱能级和陷阱能级密度分布等。在XLPE绝缘中产生陷阱的因素非常复杂，有内在因素也有外在因素。产生陷阱的内在因素有：
1)晶态区和非晶态区的界面；
2)应力或化学反应感应的表面态和界面态；
3)表面和体内偶极子态；
4)体内分子离子态；
5)杂质，包括不同化学基团，如极性基团和离子基团；
6)端基；
7)支链；
8)链折叠和弯曲；
9)化学构型和构象；
10)断链；
11)极化子态；
产生陷阱的外在因素也有许多，使绝缘材料结构产生缺陷的所有物理和化学作用都是产生陷阱的外在因素，如辐射、掺杂、氧化和外施电场作用等。
在研究空间电荷形成及作用机理的基础上，对陷阱的物理和化学本质开始进行研究。特别是X射线诱导热刺激电流(TSC)和热致发光技术的应用为陷阱研究提供了丰富的信息。低温时，X射线辐射产生的自由电子或空穴被陷阱捕获，在偏置电场的作用下有电子或空穴从陷阱中热释放出来形成热刺激电流，一些被释放的电子与空穴发生辐射性复合，产生热致发光。通过X射线诱导TSC研究发现，氧化产物、交联副产物及杂质可以成为载流子陷阱。通过TSL实验研究发现了由双键、自由基和氧气分子形成的陷阱存在。
空间电荷的形成也有内在和外在的因素。产生陷阱的内在因素可以成为空间电荷的来源和驻留位置，在电场作用下，晶态区与非晶态区的界面发生极化，产生极化电荷，它将存在于界面附近，形成空间电荷;还包括杂质在电场作用下发生电离，并进一步在电场作用下发生定向移动，这是异极性空间电荷的重要来源。产生陷阱的外在因素，如辐射，可以向介质内部注入电荷，形成空间电荷，并且已经有试验表明辐射能够产生新的陷阱;在外施电场作用下，在电极和介质的界面或介质的内部，通过Schottky或Fowler-Nordheim效应发射电荷，也将在介质中形成空间电荷，这是形成同极性空间电荷的主要来源。
下面说明XLPE电缆中绝缘电树枝化的过程。在交流电压下，电极在不同极性的半周期内相继发生了电子和空穴的注入，注入载流子进入陷阱后与反极性电荷复合，复合释放的能量转化为断裂聚合物链的能量。在单极性电压下，注入陷阱的电子或空穴所释放出的能量通过共振机理转移给电子，热电子碰断聚合物链，大分子的断裂生成了大量的自由基和小分子产物，而生成的自由基对于聚合物的降解又有催化作用，并且加上氧的参与，从而导致更大范围的降解，形成了低密度区。在低密度区发生碰撞电离，部分释放的能量转化为光，部分能量使更多的聚合物分子断裂，这样就形成了空心的电树枝通道，此后局部放电发生，电树枝生长加速，最终导致聚合物的击穿，如图所示。
XLPE电缆绝缘电树枝化的陷阱模型
关注微信公众号