高温阶梯式升压下等离子体处理纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性影响

高含量纳米掺杂易团聚会导致空间电荷积聚、电场畸变,从而降低材料的绝缘性能。为了提升高含量纳米颗粒在基体中的分散性,采用等离子体对纳米氧化铝表面进行处理,制备了纳米氧化铝质量分数为10%的环氧树脂纳米复合材料,利用扫描电子显微镜对颗粒的分散性进行表征,采用高温空间电荷测量装置和电导电流测试系统研究了不同温度阶梯式升压下试样的电荷动力学特性。结果表明,等离子体处理能有效地抑制高含量纳米氧化铝的团聚。高温下纳米氧化铝质量分数为10%的试样空间电荷输运明显,电导率提高了近3个数量级;等离子体处理后的含10%纳米氧化铝试样始终保持最低的电荷量和电导率,且电导率与电场强度呈近似线性关系。等离子处理后的纳米氧化铝能有效地抑制高温下空间电荷的注入、积聚与输运,降低载流子迁移和电导活化能,提升高温下环氧树脂复合材料的电气性能。基于结果与分析提出了高温阶梯式升压下等离子处理前后纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性的作用机理。     

绝缘支撑用环氧树脂复合材料的空间电荷特性研究

为探究特高压电力设备中绝缘支撑用环氧基材料的空间电荷特性差异的内在机理，以环氧树脂和微米氧化铝/环氧复合材料为对象，研究了不同电、热环境下材料的空间电荷动态特性，并讨论其陷阱分布特性。结果表明：环氧树脂及其复合材料的空间电荷分布均表现出明显的温度特性与场强特性，在高温高场下电荷更易于从电极处注入并在试样内迁移，入陷电荷数量增加。高温下氧化铝填料的高导热性使得电荷消散较快，氧化铝/环氧复合材料的电荷积聚现象有所改善。在高场条件下，氧化铝/环氧复合材料比环氧树脂更容易积聚同极性电荷，氧化铝材料的陷阱密度较小，使得同等条件下试样内部产生更大程度的电荷积累与场强畸变。     

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

通过添加微、纳米氧化铝颗粒,制备了氧化铝/环氧树脂复合材料。研究了不同粒径、不同含量氧化铝颗粒对复合材料空间电荷的影响;同时对试样进行高温高湿环境下交流电场老化,再次测量其空间电荷分布,比较分析氧化铝/环氧树脂复合材料在老化前后的电气特性。实验结果表明,微、纳米氧化铝的掺杂使复合材料在直流高压电场下聚集更多空间电荷,且随着氧化铝质量分数的增加而增加,而纳米复合材料积聚空间电荷的现象比微米复合材料更明显。通过比较空间电荷分布发现常温固化型环氧树脂材料在固化过程中,微米氧化铝颗粒在环氧树脂中会发生明显的沉降现象,从而形成含量差异明显的上、下氧化铝/环氧树脂复合材料。将复合材料在80℃、90%RH的环境和AC 20k V/mm电场强度下,连续老化16h,并测量其空间电荷分布,结果表明纳米氧化铝/环氧树脂复合材料相对于纯环氧树脂、微米氧化铝/环氧树脂复合材料具有更好的抗老化能力。     

交直流电场下油纸绝缘中的空间电荷积累特性

换流变压器阀侧绕组需承受交直流复合电场，研究油纸绝缘在复合电场下的电荷输运行为是掌握工况环境下的电场分布进而提高绝缘可靠性的必经之路。对不同老化程度油纸绝缘试样进行直流、正弦及交直流复合电场下的空间电荷检测，通过对比复合场与单一场下的电荷分布，分析不同类型电场分量承担的作用，并考虑非均一介质的局域态特性，研究空间电荷积累机制。结果表明：交流电场下存在电荷迟滞现象，材料本身的性质差异导致电荷注入和电荷迟滞在空间电荷分布中的贡献程度不同。交流电场下电荷积累量随外施电场频率变化，其本质上是电场频率对不同迁移率的载流子的筛选结果。复合电场下直流分量作用于电荷的定向迁移作用与交流分量的电荷迟滞作用在电荷分布中均有体现，交流分量频率上升使得电荷积累量上升。油纸绝缘在复合电场下的电荷积累特性研究为进一步探究实际工况下的绝缘老化机理提供支撑。     

基于超低频场空间电荷响应的电缆状态评估

为评估超低频电场检测下电缆的绝缘状态,通过检测不同老化状态交联聚乙烯在50、0.1和0.01Hz正弦场下的空间电荷响应,分析超低频检测中空间电荷积累的电场阈值,并结合其理化和工频击穿等性能,探讨基于超低频场空间电荷响应的绝缘状态评估方法。结果表明：试样在50Hz电场下,未出现空间电荷积累的阈值电场,但0.1和0.01Hz电场下出现了阈值电场,其值约为10～15kV/mm。超低频电场下超过阈值电场后的180°相位处的平均体电荷密度和平均相位体电荷密度均明显增大,这主要与超低频场下有效作用电场的持续时间相关。在0.01Hz电场下老化试样的平均相位体电荷密度明显下降,试样表面侧的空间电荷由未老化时的异极性转为同极性,且其连续分布区域远大于未老化试样。这可能与老化后深陷阱量减少和浅陷阱量增多相关,两者均增大了电荷迁移率,抑制了空间电荷积累。随着老化程度的加深,试样在0.01Hz电场下的平均相位体电荷密度和击穿场强明显下降,这表明试样老化状态可由超低频场下的空间电荷表征。在采用超低频场空间电荷特性进行绝缘状态评估时,应综合空间电荷的积累量、极化和分布范围,结果可为超低频电场下电缆绝缘状态评估提供...     

纳米MgO/环氧复合电介质的空间电荷特性研究

环氧复合材料在高温高场等复杂的工况下易积聚空间电荷，造成局部场强畸变，严重时将引发局部放电乃至绝缘击穿。通过纳米MgO颗粒与环氧树脂（EP）混合制备不同掺杂率的纳米MgO/EP复合电介质，采用差示扫描量热分析（DSC）测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度；采用热刺激去极化电流法（TSDC）拟合计算环氧复合电介质的陷阱特性；采用电声脉冲法（PEA）测试环氧复合电介质的空间电荷特性。结果表明：纳米MgO颗粒的添加可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度，抑制环氧树脂内空间电荷积聚。随着纳米MgO掺杂率的增加，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化转变温度先上升后下降，深陷阱能级和密度均先增大后减小；空间电荷密度先下降后上升，电场畸变的变化趋势与空间电荷的变化趋势相似。当纳米MgO掺杂率为3%时，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化温度达到最大值，抑制空间电荷积聚和场强畸变的能力最好。     

温度对交联聚乙烯中的空间电荷积累以及迁移的影响

高温高场的运行环境会影响高压直流电缆绝缘层中杂质的解离、电荷的注入和迁移过程,为了研究温度和外施电场对交联聚乙烯空间电荷行为的影响,测量了最高温度为80℃,最高场强为90k V/mm的交联聚乙烯片状试样的空间电荷分布特性。研究表明:外施电场越强,电荷注入越多;温度越高,电荷的迁移率也越高,80℃时的迁移率比20℃的迁移率大一个数量级;20℃时出现了明显的空间电荷包现象,绝缘层中空间电荷积累较多,随着温度的升高空间电荷包现象消失,绝缘层中空间电荷积累减少。这说明温度对空间电荷迁移的促进作用比空间电荷注入和杂质解离的促进作用更强,使得高温下空间电荷包难以形成,且难以在绝缘层中积累过多的空间电荷。     

环氧/纸复合材料击穿特性及空间电荷的研究

研究对比了纯环氧树脂和环氧/纸复合材料的击穿及空间电荷特性,深入探讨加入绝缘纸对环氧树脂空间电荷的影响及其破坏机理。研究发现,在交流电场下,环氧/纸复合材料的击穿电压比纯环氧树脂低;而在直流电场下,环氧/纸复合材料的击穿电压比纯环氧树脂高。这是因为在环氧树脂中加入纸会在环氧树脂和纸的界面处产生异极性的空间电荷,在低电场下,环氧/纸复合材料的电场畸变较高,但在高电场下,它可以使电场畸变降低。     

纳米掺杂交联聚乙烯复合材料的空间电荷特性研究

空间电荷累积容易引起交联聚乙烯绝缘内部电场畸变，从而导致绝缘老化甚至失效，而纳米掺杂或改性可以抑制空间电荷的累积，因此得到了广泛的关注。本文测量了二氧化硅和氧化镁纳米填料掺杂交联聚乙烯复合材料的空间电荷特性和电导特性，并结合带隙理论模型分析纳米填料的作用机制。结果表明：相比于二氧化硅掺杂的交联聚乙烯复合材料，氧化镁掺杂的交联聚乙烯复合材料具有较高的介电常数、较低的空间电荷积聚程度和较小的电导率。     

交直流叠加电场下油浸绝缘纸的空间电荷特性研究

为了研究换流变压器中的油浸绝缘纸在交流电场及交直流叠加电场下的空间电荷特性,该文利用基于自动均分相移检测原理的快速空间电荷测量系统,分别测试了油浸绝缘纸试样在交流电场(有效值为15k V/mm)及交直流叠加电场(交流分量有效值与直流分量均为15k V/mm)下的空间电荷分布。研究表明:在交流电场下,油浸绝缘纸的空间电荷分布呈对称状,且内部空间电荷积累并不明显,仅在靠近下电极处积累了部分同极性电荷;而在交直流叠加电场下,油浸绝缘纸中的空间电荷积累相当明显,负极性电荷在整个交流周期中均占主导地位。因此,不同于交流电场,在交直流叠加电场的过零相位处下电极附近积累的空间电荷对油浸绝缘纸的内部电场有严重的扭曲作用,且由于电荷在电极界面处的注入、抽出对应的电场与时间不平衡导致空间电荷分布发生极大的改变。     

皮秒脉冲激光诱导压力波法测量金属化薄膜空间电荷EI北大核心CSCD

金属化薄膜是重要的电容器卷绕材料,研究空间电荷效应对其绝缘性能提升至关重要。该文搭建皮秒脉冲激光诱导压力波(laser induced pressure pulse,LIPP)法空间电荷测量系统,以12和6μm厚金属化双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜为例,获得其在直流电场下的空间电荷分布。结果可知:同极性电荷量随施加电场增加,在强电场下存在非线性空间电荷效应;金属镀层一侧接负极条件非线性效应更强,但仍弱于薄膜与电极物理接触侧(非金属化一侧),后者向介质内部注入电荷明显,说明金属蒸镀较物理接触可以减弱界面电荷效应;随薄膜厚度减小,获得空间电荷峰宽度减少而峰前沿增加。所得结果证实了皮秒脉冲LIPP法测量10μm及以下金属化薄膜空间电荷分布的可行性,并为研究其空间电荷效应、绝缘性能优化提供一定参考。     

热老化前后LDPE/SiO2纳米复合材料空间电荷积聚分析

在实际运行中,直流场强和热环境都会对聚乙烯电缆内空间电荷积聚行为产生影响,过量的空间电荷会威胁其绝缘性能,虽然纳米复合材料具备抑制空间电荷的能力,但对于热老化后其空间电荷的积聚特性仍有待进一步研究。采用电声脉冲法对热老化前后不同浓度的低密度聚乙烯(LDPE)/二氧化硅(SiO_2)纳米复合材料内空间电荷的积聚行为进行分析。结果表明,热老化会降低电极注入势垒并产生随机分布的深陷阱和杂质,增加空间电荷积累。纳米SiO_2引入的大量界面区域会产生均匀分布的深陷阱,并形成界面反电场,从而抑制载流子的运输和注入,且纳米粒子可以提高材料稳定性,提升电极注入势垒并延缓热老化进程。相比于纯LDPE,LDPE/SiO_2材料在热老化前后都具有明显的抑制空间电荷的能力。     

三明治结构氧化铝/低密度聚乙烯纳米复合材料的电性能研究

采用熔融共混和多层热压的方法制备了4种三明治结构的氧化铝/低密度聚乙烯(Al2O3/LDPE)纳米复合材料。利用电声脉冲法测试了复合材料短路时的空间电荷消散曲线,通过电流测试平台研究了复合材料在常温不同直流电场下的电导率变化。结果表明:三明治结构Al2O3/LDPE复合材料的电荷消散速度明显高于纯LDPE,且在高电场下其电导率小于纯LDPE。这是由于通过三明治结构较大程度地将深陷阱引入到LDPE复合材料表面,有效抑制了电荷的注入。     

氮化硼/环氧树脂复合材料空间电荷与击穿特性实验研究

采用偶联剂对纳米BN颗粒进行表面处理,制备了经过表面处理的纳米BN/环氧树脂复合材料。对纳米/BN环氧树脂复合材料进行了微观形貌分析、击穿强度和空间电荷测试。结果表明:随着微米BN添加量的增加,微米BN/环氧树脂复合材料的击穿强度随之降低;随着纳米BN添加量的增加,纳米BN/环氧树脂复合材料的击穿强度先升高后降低。微、纳米BN的添加会降低直流高压电场下复合材料内的平均空间电荷密度。同时,偶联剂处理会降低纳米BN/环氧树脂复合材料在加压时的平均空间电荷密度,增加纳米BN/环氧树脂复合材料在短路时空间电荷的消散速率。     

拉伸状态下掺杂SiO2对LDPE材料空间电荷的抑制作用研究

将不同质量分数的SiO_2纳米粒子与低密度聚乙烯(LDPE)复合制备了聚乙烯纳米复合材料,并以纯LDPE作为对照样品,控制拉伸率为10%,利用电声脉冲法(PEA)测量样品内部空间电荷的分布,研究拉伸状态下复合材料内部的空间电荷积聚特性。结果表明:纯LDPE样品在拉伸后空间电荷积聚明显减少,说明拉伸具有抑制LDPE材料内部空间电荷积聚的作用;LDPE/SiO_2复合材料样品在掺杂SiO_2纳米粒子及拉伸后,材料内部空间电荷积聚均有减少,说明掺杂SiO_2纳米粒子和拉伸均有抑制材料内部空间电荷积聚的作用,其中SiO_2纳米粒子对空间电荷的抑制效果随着掺杂量的增加呈现先增大后减小的趋势。掺杂SiO_2纳米粒子引入界面区域是抑制空间电荷积聚的主要原因,而拉伸导致的内部结构变化是影响空间电荷和陷阱分布特性的主要原因。     

不同温度下环氧树脂空间电荷特性仿真研究

研究直流电压下环氧树脂复合材料的电荷输运特性对推进直流气体绝缘金属封闭输电线路的发展至为重要。文中基于双极性载流子输运模型,通过对0、30、60、105℃下环氧树脂内部的空间电荷分布规律进行数值计算研究,获得了温度对环氧树脂材料内部空间电荷输运特性的影响规律,以及不同温度下环氧树脂复合材料内电场强度分布规律。结果表明:在0℃和30℃下,环氧树脂复合材料内为电子电荷主导,迁移作用使得靠近阳极附近的电场强度升高。随着温度的升高,电荷分布到达稳态所需要的时间随之减少,而电场强度最大值也随之降低。60℃和105℃下环氧树脂内电荷分布与0℃和30℃下的电荷分布呈现完全不同的趋势。高温下电荷的迁移作用和陷阱的捕获作用加强,使得电荷更为容易积聚与电极附近,从而同时削弱阳极和阴极与材料界面处的电场强度。研究成果可以为直流输电管道绝缘子的材料改性和空间电荷特性的精密调控提供理论依据。     

低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的界面空间电荷特性EI北大核心CSCD

多层介质复合绝缘结构的物理界面往往比介质本体更容易积累空间电荷,进而发生绝缘劣化,因此被认为是绝缘当中的薄弱点。通过对低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的高场电导特性和空间电荷分布测试,分析了界面空间电荷的形成机制和影响因素。结果表明:低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层介质的界面空间电荷由Maxwell-Wagner(M-W)极化引起的极化电荷和阴极注入的电子电荷共同组成。由于低密度聚乙烯和乙丙橡胶的电导率的电场依赖性不同,导致界面极化电荷的极性和电荷量均随外施电场的升高而变化;阴极注入的电子在外施电场的作用下向阳极迁移,通过界面进入乙丙橡胶中后被其表面的深陷阱捕获,形成负极性界面电荷的积累,导致实际的界面空间电荷特性偏离M-W极化模型的计算值。     

纳米TiO_2对油纸绝缘介质直流空间电荷特性的影响

为了改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,在绝缘纸的制备过程中掺杂了纳米TiO2,利用电声脉冲法(PEA)对浸油后绝缘纸中空间电荷的积聚与消散特性、以及其内部电场分布进行了测试和分析。结果表明,在电场强度为10 MV/m和30 MV/m的电场作用下,添加了纳米TiO2的样品阳极附近均没有出现负空间电荷的积聚,这可能是因为纳米TiO2的加入提高了阴极向油纸注入电荷的起始电压,引入了陷阱,进而减慢了电子的运动速率。因此在绝缘纸中加入纳米TiO2能够有效改善油纸绝缘中空间电荷的积聚和消散特性,显著降低绝缘纸内部的电场强度畸变率。     

氟化协同高分子助剂调控环氧复合材料绝缘性能机制

偶联剂作为常用小分子界面改性助剂,在等离子体作用下,其界面相容性易受影响。为进一步调控填料与环氧树脂基界面特性,采用端羧基超支化聚酯(carboxyl-terminated hyperbranched polyester, CHBP)对纳米SiO₂进行大分子链包覆,再协同等低温离子体对填料进行氟化接枝。对比分析不同改性方式下环氧复合材料化学组分、微观形貌、电荷特性及沿面闪络特性。实验结果表明：相比偶联剂预处理,经超支化表面接枝改性的纳米SiO₂与环氧基体间界面相容性更好,氟化协同改性后,其在基体内团聚尺寸较KH550/氟化改性显著减少。掺杂质量分数3%的CHBP/氟化改性填料,可有效减少高压电场下环氧复合材料的平均电荷密度,抑制空间电荷积聚及跨界面输运,其沿面闪络发展得到有效抑制,闪络电压分散性有所降低。其击穿场强最大值达到40.88 kV/mm,相较于同质量分数的CHBP改性,KH550/氟化改性试样分别提高了12.34%、20.13%。氟化协同高分子助剂接枝改性作为可行有效方法,为填料改性提供了新研究思路。     

不同涂层对XLPE和EPDM双层绝缘介质空间电荷特性的影响

为研究不同绝缘涂层对直流电缆附件界面空间电荷分布特性的影响,对直接接触、涂抹普通硅脂涂层和涂抹极性硅脂涂层3种不同界面状态的交联聚乙烯(XLPE)和乙丙橡胶(EPDM)双层绝缘介质,在不同外施电场下的空间电荷分布进行试验,分析了加压和短路过程中界面电荷的动态变化过程,研究涂层材料对直流电缆附件界面电荷的影响规律。结果表明:不同界面状态对XLPE/EPDM双层绝缘介质界面空间电荷分布的影响不同,且在不同外施电场下,其变化趋势也不同。在相同温度和电场下,极性硅脂涂层界面积累的空间电荷量最大。