空间电荷与直流电导联合测试技术用于纳米MgO抑制XLPE中空间电荷的研究

粒径70nm的MgO以不同浓度与交联聚乙烯(XLPE)共混制成聚合物纳米复合介质。采用自主研发的四电极系统同时测量复合介质的高场电导特性和空间电荷分布。通过强场电导实验发现,在室温下,XLPE及纳米MgO/XLPE复合介质的电导机理不是单纯的空间电荷限制电流(SCLC)。此外,添加纳米MgO可以明显地提高空间电荷的注入阈值,并且在低于空间电荷注入阈值的电场下,复合介质的电导电流密度随纳米MgO浓度的增加,先减小后增大。最后从空间电荷的实验数据验证了纳米MgO能有效抑制XLPE中空间电荷,并进一步定性地认为纳米Mgo的添加提高了电子注入的电场强度阈值。     

脱气处理对XLPE及MAH/XLPE复合介质直流电场下空间电荷分布的影响

为了研究脱气处理对XLPE及其复合介质中空间电荷的影响,采用螯合荆与线性低密度聚乙烯接枝马来酸酐(MAH)作为填料,与XLPE共混制成掺杂浓度为0.5wt%的MAH/XLPE复合介质,并用电声脉冲法(PEA)测量了XLPE及MAH/XLPE复合介质在不同脱气时间下的空间电荷分布.通过实验发现,增加脱气处理的时间可以减少...     

表面修饰纳米SiO_2/XLPE的电导电流和空间电荷特性

为研究纳米颗粒表面修饰对纳米二氧化硅/交联聚乙烯(SiO2/XLPE)电导电流和空间电荷特性的影响,分别将未经表面修饰和经钛酸酯偶联剂TC9修饰的纳米SiO2颗粒添加到XLPE基体中进行了实验。显微观测和成分分析表明,TC9的非极性有机官能团取代了纳米SiO2颗粒表面的羟基,降低了羟基间的相互成键作用,从而改善了纳米SiO2与XLPE基体之间的相容性,纳米SiO2颗粒在XLPE基体中的粒径范围从几十到100 nm;同时,TC9表面修饰提高了纳米SiO2/XLPE复合介质的介电常数和介质损耗,降低了电导电流,抑制了空间电荷的注入;而未经表面修饰的纳米SiO2/XLPE复合介质的电导电流和空间电荷特性相较于XLPE并未得到改善。分析认为,由于经TC9表面修饰的纳米SiO2分散性的改善,增大了纳米颗粒与XLPE基体之间的界面区域,因而在纳米复合介质内产生了更多的深陷阱;电极与介质界面附近的大量深陷阱捕获注入的电荷,形成固定的空间电荷层,降低了其与电极间的局部电场,从而提高了注入势垒,抑制了空间电荷的进一步注入。     

纳米MgO掺杂聚乙烯中空间电荷行为的研究

介绍了采用电声脉冲法测量纯低密度聚乙烯以及氧化镁／低密度聚乙烯（MgO／LDPE）纳米复合介质中的空间电荷,讨论了不同含量的MgO以及不同型号LDPE作为基础材料对复合介质内空间电荷分布的影响。实验结果表明：随着直流电场的增加,在纯聚乙烯中产生电荷注入现象,且随着加压时间的增加,注入的同极性电荷有向另一电极移动的趋势。少量的MgO可以有效抑制复合介质中的空间电荷注入,随着MgO含量的增加,对复合介质的空间电荷注入抑制效果逐渐减弱。     

表面改性的MgO纳米粒子对LDPE和XLPE力学、热学性能及空间电荷分布的影响

采用两种不同烷基链长的硅烷偶联剂(十六烷基三甲氧基硅烷和丙基三甲氧基硅烷)改性氧化镁(MgO)纳米粒子。红外光谱(FTIR)和固体核磁(13C NMR)证明硅烷偶联剂成功接枝到MgO粒子表面,TEM图显示烷基硅烷表面改性的MgO在有机溶剂中分散更好。采用熔融共混法制备了MgO含量为1%的MgO/LDPE和MgO/XLPE纳米复合材料,研究MgO纳米粒子对纳米复合材料力学性能、热性能以及空间电荷分布的影响。结果表明:MgO可在一定程度上提高LDPE和XLPE的初始热分解温度,并可明显抑制材料中的空间电荷。XLPE、MgO/XLPE、MgO-C3/XLPE和MgO-C16/XLPE的平均体电荷密度分别为7.1 C/m~3、2.4 C/m~3、1.3 C/m~3和2.0 C/m~3。     

不同表面处理剂对纳米MgO/LDPE空间电荷行为的影响

为研究不同表面处理剂对纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合介质空间电荷行为的影响,将经过不同表面处理的纳米MgO颗粒以不同质量分数填充到低密度聚乙烯中,制得纳米复合介质,并对不同纳米复合介质的微观特性结构和空间电荷分布进行了实验研究。微观特性研究表明,经过表面处理,无机纳米颗粒与聚合物的结合作用得到增强,复合介质结晶度增加;空间电荷实验表明,添加经过不同表面处理的纳米MgO后复合介质在短路时阴极和阳极均积累了同极性电荷。此外,在不同无机纳米颗粒填充质量分数下,经过不同表面处理剂修饰后的纳米复合介质内部积累的空间电荷得到不同程度的抑制。总体而言,铝酸酯偶联剂对纳米MgO颗粒的表面处理效果相对较好。     

超导电炭黑复合半导电屏蔽材料对直流电缆绝缘材料空间电荷注入的影响

将超导电炭黑和普通炭黑分别填充到乙烯-丙烯酸乙酯中(EEA)中,制备了电阻率相同的半导电屏蔽材料,测试其力学性能、体积电阻率以及空间电荷性能,分析超导电炭黑复合半导电屏蔽材料对直流电缆绝缘材料空间电荷注入的影响,并与国外±500 k V直流电缆半导电屏蔽材料的性能进行对比。结果表明:高结构的超导电炭黑聚集体直径较小、表观密度小,在添加量较少时,其在EEA中分布较常规导电炭黑密集,粒子间距小,所得半导电屏蔽材料作为电极时,直流绝缘材料中空间电荷注入量较小。     

商用直流电缆料采用不同质量分数纳米MgO改性选型

为提高商用直流电缆料高温下的绝缘性能,向商用直流电缆料添加不同质量分数的纳米MgO粒子,制备了MgO/XLPE纳米复合介质,并测试了试样在不同温度下的正、负极性直流击穿场强、空间电荷分布以及电导率。结果表明:添加纳米MgO粒子能显著提升直流电缆料正、负极性直流击穿场强,添加质量分数为0.1%和0.5%的纳米MgO粒子能减小温度对电导率和空间电荷特性的影响,提高其高温下的电导率和空间电荷性能,减少直流电缆中的电场畸变。经综合比较可选用添加质量分数0.1%纳米MgO粒子来改性现有商用直流电缆料。     

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。     

温度梯度下XLPE同轴和平板结构试样空间电荷行为对比性研究

直流电场下,电缆绝缘中的温度梯度效应导致绝缘材料空间电荷行为复杂,影响电缆系统长期运行的可靠性.目前,温度梯度下电缆绝缘空间电荷特性的研究多集中于平板结构的切片试样,但平板结构切片试样的空间电荷测量能否反映真实电缆绝缘中的空间电荷特性尚缺乏有力证明.该研究测量并分析了温度梯度场下2种不同结构(同轴结构、平板结构)10 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)试样的空间电荷演变特性以及电场分布行为,基于去压状态下的空间电荷行为,计算了XLPE同轴电缆和切片试样的载流子迁移率以及陷阱深度分布,并对2种结构XLPE试样的空间电荷行为和电荷特性参数进行了对比性研究.该研究结果表明同轴结构和温度梯度效应均会加剧XLPE电缆外半导电层附近的空间电荷积聚,除了结构因素的影响,温度梯度场下XLPE同轴电缆和平板切片试样的空间电荷演变规律以及电荷特性参数均呈现出等效规律.     

添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响

对交联聚乙烯(cross linked polyethylene, XLPE)材料与质量分数为05%的 MgO/XLPE纳米复合材料分别进行了直流接地电树枝实验与基于电声脉冲法的空间电荷测量。电树枝实验表明,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更高的50%电树枝引发电压;空间电荷测量结果表明XLPE中有更多同极性电荷注入,说明纳米颗粒的添加阻碍了针尖处同极性电荷的注入与抽出,进而阻碍了电树枝引发。正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更小的平均电树枝长度与宽度,这是由于高场强区产生的载流子与纳米颗粒发生碰撞,导致电树枝生长较慢。此外,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料中平均电树枝长宽比随电压升高下降更快,这是由于电树枝无法穿透纳米颗粒,只能从其表面绕过,导致了电树枝通道方向的改变与细小分枝的产生。     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

拉伸对电缆接头双层介质中空间电荷的影响

为了研制冷收缩预制式电缆接头并改善其介电性能,研究了拉伸对乙丙橡胶和交联聚乙烯所组成的双层介质中空间电荷的影响。将不同拉伸状态下的乙丙橡胶试样分别和交联聚乙烯试样组成双层介质试样,测量了不同双层介质在加压和短路后的空间电荷分布。实验结果表明,从空间电荷的角度看,一定的拉伸有利于减少聚合物中空间电荷量;分析了实验现象和机理以及在电缆中的应用价值。     

Some factors for the space charge formation in polyethylene

Information on space-charge behavior in thick insulated samples aids in understanding the dc characteristics of polymer-insulated dc cables. The pulsed electroacoustic method is used to investigate several space charge formation factors in 2 mm-thick polyethylene (PE). The following results were obtained. For measurement factors: (1) A polymeric semiconducting electrode provides a more accurate measurement than does a metal electrode as a result of better matching of acoustic impedance with PE. (2) Within a dc electrical stress range of several tens kV/mm, the space charge distributions under and after dc voltage application are almost the same; this is due to a comparatively long time of space-charge decay. (3) The space-charge distribution of a plate sample agrees with that of a cable sample having the same insulation thickness. For insulating material factors: (1) The amount of space charge in crosslinked polyethylene (XLPE) is much larger than that in low-density PE (base of XLPE). The space charge of XLPE continues to increase even after dc voltage application (24 h); that of LDPE reaches equilibrium with a few hours. (2) The aforementioned space charge difference between XLPE and LDPE is assumed to be caused by ionic impurities in XLPE, not by the additives themselves (acetophenon and cumylalcohol as byproducts of cross linking and antioxidant).     

电极材料对高密度聚乙烯中空间电荷的影响

用电声脉冲法(PEA)测量了不同电极材料对高密度聚乙烯(HDPE)中空间电荷的影响.试样厚度为100μm,实验场强为50kV/mm,电极材料为铝(Al)和半导电橡胶(SC).实验发现对于Al-SC电极系统负压下电子和空穴注入较正压下少,并且镀铝电极可以有效抑制电荷的注入.     

DC conduction and electrical breakdown of MgO/LDPE nanocomposite

To understand basic electric properties of nano-sized magnesium oxide (MgO) / low-density polyethylene (LDPE) nanocomposite under DC voltage application, the volume resistivity, the space charge distribution and the breakdown strength were investigated. By the addition of nano-sized MgO filler, both the DC breakdown strength and the volume resistivity of LDPE increased. At the average DC electric field of about 85 kV/mm and more, a positive packet space charge was observed in LDPE without MgO nano-filler, whereas a little homogeneous space charge was observed in MgO/LDPE nanocomposite material at the front of electrode. From these results, it is confirmed that the addition of MgO nano-filler leads to the improvement of DC electrical insulating properties of LDPE.     

MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性

为了降低低密度聚乙烯中的空间电荷积累,在自制纳米MgO粉体的基础上,采用熔融共混法,制备了氧化镁/低密度聚乙烯(MgO/LDPE)纳米复合材料,并通过扫描电镜(SEM)观察了MgO/LDPE纳米复合材料中的MgO粒径大小和分散情况,采用差热扫描量热法(DSC)确定了不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度,采用电声脉冲法(PEA)测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的空间电荷分布,测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的拉伸性能。试验结果表明,MgO/LDPE纳米复合材料体系中,MgO粒径约为50nm,且分散均匀;不同MgO质量分数纳米复合材料的弹性模量和抗张强度均高于纯LDPE的,且MgO质量分数为2%时达到最大值;不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度均高于纯LDPE的;纳米MgO能抑制空间电荷的注入和其在材料体内的迁移,质量分数为3%时,MgO/LDPE纳米复合材料中的空间电荷得到了良好的抑制。     

Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite

Space charge accumulation in low-density polyethylene film containing a small amount of MgO nanoparticles (LDPE/MgO nanocomposite film) subjected to an electric field greater than 100 kV/mm has been studied using an improved pulsed electroacoustic (PEA) system. No marked space charge accumulation was observed in LDPE/MgO nanocomposite films. To determine the mechanism of no space charge accumulation in the LDPE/MgO nanocomposite film, we compared electric potential wells produced by a permanent dipole moment such as that of carbonyl groups (C=0) and an induced dipole consisting of MgO nanoparticles (spherical dielectrics) under a high electric field to create a trapping site for electric charge carriers. The trapping depth created by the permanent dipole moment such as that of the carbonyl groups (C=0) of chemical defects is approximately 0.45 eV. However, the potential well induced by high-permittivity dielectric nanoparticles (MgO) is about 1.5 to 5.0 eV, which is much deeper than that induced by chemical defects. The suppression of space charge formation is explained using the potential well model consisting of a dipole induced by a high-permittivity dielectric nanoparticle. We explained the suppression mechanism of charge accumulation in the LDPE/MgO film that contains deep traps.     

传导电流可测的PEA空间电荷测试系统

传导电流可以反映电介质中载流子运输过程的许多微观特性。为了研究传导电流与空间电荷分布之间的关系,基于电声脉冲法(PEA)开发研制了一套可以同步测量电介质材料空间电荷与传导电流的系统。该测试系统重点设计了电极系统,通过将下电极分区域进行设计,实现了同步测量传导电流和空间电荷的功能。利用本系统分别对PE材料和ZnO材料进行了空间电荷及传导电流的测试,测量结果与相关文献的测试结果对比表明,该系统可以很好地对电介质材料进行空间电荷的测试,并能够同步测量材料的传导电流。