固体绝缘材料空间及表面电荷测量方法

积聚电荷的测量对于研究高压绝缘材料介电及绝缘性能方面起着相当重要的作用。近年来,国内外学者对固体绝缘材料内部及表面电荷测量方法进行了大量的研究,并取得了一些有意义的进展。本文对积聚在固体绝缘介质中的空间电荷和表面电荷的测量方法以及需要解决的问题进行综述。     

碳化硅表面改性对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响研究

为了揭示涂覆碳化硅对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响机制,本研究建立了基于静电探头的固体绝缘表面电荷的测量实验平台,通过对表面涂覆碳化硅的PMMA试样进行测定,获取了不同条件下固体绝缘介质的表面电荷分布特性。结果表明:涂覆碳化硅对绝缘材料表面电荷积聚的影响较小,而当碳化硅含量超过45%时,绝缘材料表面电荷消散速率明显加快,且由于碳化硅体积电导率与外加电场存在非线性关系,阈值电场随着涂覆碳化硅含量增加而降低,在涂覆较高含量碳化硅后,固体绝缘材料因积聚一定量的表面电荷使其表面等效电导率明显提升,表面电荷消散速率加快,对固体绝缘介质表面积聚的电荷起到了调控作用。     

低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明：当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。     

绝缘材料二次电子发射系数的测量及其影响因素研究进展

固体绝缘材料的二次电子发射现象会导致介质表面的电子倍增及电荷积累进而产生放电造成器件的失效,准确测量固体绝缘材料的二次电子发射系数对于指导材料选型、评价材料性能具有重要的意义。文中对比了绝缘与金属材料在二次电子产生、输运和发射过程的差异,总结了现有的绝缘材料二次电子发射系数测量手段,分析了初级电子能量、束流、入射角度、材料表面状态及样品表面电荷积累对二次电子发射特性的影响。初级电子在绝缘材料中的平均自由行程远大于二次电子,所以初级电子激发的内二次电子只有很少一部分能够逃逸为二次电子。绝缘材料的二次电子发射系数测量中,样品表面很容易积聚电荷,积累的电荷从改变初级电子能量和出射二次电子能量两个方面影响样品的二次电子发射,最终会达到一个出射和入射动态平衡的带电状态。绝缘样品表面积聚电荷的中和是二次电子测量的难点,目前大多采用加热法和电子束辐照法,不能定量的消除累积电荷。目前绝缘材料二次电子发射特性测量装置性能不一,可重复性差,如何全面消除样品电荷累积对于提高测量装置的精度和可重复性具有重要意义。     

空气中不同表面粗糙度PMMA表面电荷动态特性研究

绝缘材料的表面物化特性会对其绝缘性能产生重要影响,为研究绝缘材料表面形貌与表面电荷的关系,通过对有机玻璃(PMMA)进行电晕充电,分析电压极性、表面粗糙度、打磨方式对材料表面电荷动态特性的影响。结果表明:打磨处理后PMMA表面电荷动态特性发生改变,在负极性电压下,顺序打磨后材料表面电荷积聚量较未打磨的少,乱序打磨后材料表面电荷积聚量增多。对于电荷消散速率,当材料表面粗糙度较小时,顺序打磨后消散速度较未打磨的快,随着表面粗糙度的增大,消散速度变慢;乱序打磨后电荷消散速度变慢,随着粗糙度的增大,电荷消散速度减慢的现象更为明显。实验中材料表面电荷消散途径主要沿介质表面消散,且负极性表面电荷的消散速率大于正极性表面电荷的消散速率。     

不均匀直流电场下绝缘材料表面电荷积聚与消散特性

近年来,高压直流输电发展迅速,而绝缘材料表面电荷积聚现象所带来的问题日益突出,严重制约了高压电气设备的进一步发展。通过平面指型电极充电的方式研究不均匀直流电场下材料表面电荷的积聚特点,针对环氧树脂、硅橡胶、有机玻璃、聚四氟乙烯四种电介质,考察材料的种类、电压作用时间及幅值变化对表面电荷积聚的影响。此外,对四种材料表面电荷的消散规律展开研究,分析电荷消散速率与积聚能力间的关联。结果表明:对于所用的平面指型电极,表面电荷表现为双极性积聚,阳极侧积聚正电荷、阴极侧积聚负电荷;在电极两侧,绝缘材料表面电荷的积聚能力有所不同。并发现,材料表面电荷消散速率较大时,其在接地侧电极附近的电荷积聚能力也较强。研究结果有助于对电气设备常面临的绝缘问题以及电气设备绝缘优化设计提供科学依据。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对电荷积聚的影响

为研究环氧绝缘材料电荷积聚过程的影响因素,减少材料表面电荷积聚效应,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料不同时间点的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用直流试验装置,借助电容探头法进行直流高压下的表面电荷测量。通过相关理论研究,获得了环氧绝缘材料电阻率随直流电压作用时间的关系,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷积聚的关系,并明确了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,对于减少直流电压下,环氧绝缘材料的表面电荷积聚,提高输变电设备直流绝缘子运行可靠性具有实际意义。     

表面电荷对典型聚合物绝缘材料直流闪络电压的影响

积聚在聚合物绝缘材料上的表面电荷是导致电场畸变、诱发沿面闪络的重要原因。研究表面电荷对聚合物绝缘材料沿面闪络电压的影响,对于保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。选取聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶为试样,通过针–板电极向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电荷密度,分析表面电荷积聚、衰减特性。测量有、无表面电荷及电荷衰减过程中不同时刻的直流闪络电压,计算表面电荷对闪络电压的静态和动态影响指数Lindex和Sindex,评估表面电荷对闪络电压的影响。结果表明:充电完成时表面电荷对各材料闪络电压的影响程度为:环氧树脂硅橡胶聚四氟乙烯;表面电荷衰减期间其对各材料闪络电压的影响程度为:硅橡胶环氧树脂聚四氟乙烯。     

等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减

随着高压直流输电迅猛发展,绝缘材料在直流电压下表面电荷积聚现象严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。为加快绝缘材料表面电荷的消散,采用大气压等离子体射流,以TEOS为前驱物,在环氧树脂表面沉积SiO_x薄膜。对改性前后材料表面化学组成、表面电导率、表面电荷特性、表面陷阱分布以及耐压特性进行多参数测量,研究等离子体射流改性前后环氧树脂表面特性。实验结果表明:等离子体处理在环氧树脂表面引入大量以Si-O-Si及Si-OH基团为主的无机基团,且表面电导率提高2个数量级。随着改性时间的延长,表面电荷的初始积聚量减少,消散速度加快,陷阱能级深度变浅;沿面闪络电压呈现先增后降的趋势,在改性180s时闪络电压提高到最高值9.0k V。研究结果表明:通过大气压等离子体射流在聚合物表面沉积薄膜能够提高环氧树脂绝缘性能,为其工程应用提供了有效的改性方法。     

高压直流绝缘材料表面电荷积聚研究进展

随着直流输电技术的发展,直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其具有占地面积小、可靠性高、维护少等优点已得到越来越多的关注。相比交流GIS,直流GIS盆式绝缘子存在严重的表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于高压直流下绝缘材料表面电荷积聚特性及抑制措施的研究已成为国际上的热点,本文对此进行系统性的综述,包括:表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,表面电荷的积聚途径及相应来源,表面电荷积聚的仿真模型,表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。     

直流电场下盆式绝缘子体积电导率对其表面电荷积聚特性的影响

综合考虑直流GIL内部的传热及电荷积聚过程,研究建立了直流GIL电-热多物理场耦合模型.基于该模型,仿真计算了直流电应力和热应力耦合作用下,绝缘材料体积电导率对盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响规律.结果表明:将现有交流盆式绝缘子典型绝缘材料的体积电导率减小两个数量级,可以有效抑制绝缘子表面电荷积聚,但若过度减小绝缘材料的体积电导率反而会加剧盆式绝缘子的表面电荷积聚.     

固–气界面电荷消散特性及其动力学过程

直流电场下气体绝缘设备中固体绝缘介质表面电荷的积聚会导致固–气界面的局部电场畸变,从而降低系统的绝缘水平。研究固–气界面电荷的消散特性可为高压直流气体绝缘装置的研发提供重要的理论基础。利用针–板电极向绝缘材料表面注入电荷,在不同条件下进行固–气界面电荷消散实验。采用静电探头法测量试样表面的电位分布,并通过反演计算得到电荷密度分布。结果表明:处在气体氛围中的环氧树脂材料,其表面电荷主要是通过与气体中离子中和消散,消散过程与气体中电场的分布有关。处在开放空间中的试样,表面电荷密度越大的地方电场越集中,因而迁移至此的异号带电粒子更多,表面电荷消散也更快,最后在试样表面会逐渐形成"火山口"形的电荷分布。基于固–气界面电荷消散的三种途径,构建了固–气界面电荷消散的动力学模型,分别考察了通过体电导消散、面电导消散,以及与气体中离子中和消散3种不同消散机理主导下的固–气界面电荷消散特性。研究发现,对于体积电导率小于10?15S/m的材料,表面电荷主要通过与气体中离子中和消散;对于体积电导率大于10?14S/m的材料,表面电荷主要通过体电导消散,各处消散速率基本一致;未经特殊处理的绝缘材料,表面电导率较小,对表面电荷消散的作用有限。     

聚合物绝缘材料表面电荷衰减特性研究进展

聚合物材料表面电荷动态特性的研究对于材料介质的老化、击穿和闪络特性有重要意义。针对目前绝缘聚合物材料表面电荷特性的研究现状,文中首先讨论了表面电荷的产生途径和实验常用的几种测量方法,简要分析了不同测量方法的特点和应用方向。表面电荷动态特性以积聚和衰减为主,并且受电极结构、电压波形、环境气体及压强、表面处理以及加入添加剂等多种因素的影响。文中综述了目前国内外文献中不同因素对动态特性变化的影响结果。为了进一步理解表面电荷的变化本质,文中还分别论述了表面电荷积聚和衰减的机理研究,为改善材料的电绝缘性能提供理论基础。     

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律研究北大核心CSCD

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律的不同会引起绝缘材料表面闪络电压的不同,从而对输电线路的安全运行造成影响。为了研究材料表面污秽颗粒积聚规律,文中利用人工气雾室,通过改变电极两端电压及环境相对湿度,对硅橡胶和钢化玻璃两种绝缘片进行人工积污试验,分析了材料类型、环境湿度、施加电压对污秽颗粒积聚速率、颗粒粒径、积污量等的影响。结果表明材料、电场以及环境湿度对表面污秽颗粒积聚均有影响:环境湿度对于绝缘材料表面污秽颗粒积聚效应的影响主要在污秽粒径大小及积污总量上;而电场强度不仅对绝缘材料表面污秽颗粒的粒径大小及积污总量上有影响,而且在污秽颗粒积聚速率上也有影响。同时通过理论分析,发现湿度对材料表面积污的影响主要是由污秽颗粒表面水膜附着程度以及材料亲水性能决定,而电场材料对表面积污的影响主要由材料电荷存储能力、污秽颗粒极化作用和电凝并效应共同决定。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对表面电荷消散过程的影响

为了研究电荷消散过程的影响因素,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用电容探头法用直流试验装置测量直流高压撤去后的表面电荷消散情况。通过相关理论研究,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷消散的关系,并提出了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,即适当增大环氧绝缘材料的体积电阻率和减小表面电阻率,可以减少电荷的积聚量,加快直流电压下环氧绝缘材料表面电荷的消散。     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

直流GIL绝缘子表面电荷抑制方法的研究进展

绝缘子表面电荷的积聚是造成大型输电设备如直流气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines,GIL)绝缘性能下降的重要因素,研究如何有效抑制绝缘子表面电荷积聚具有重要的工程意义。而通过材料改性调控和抑制表面电荷积聚是目前较为普遍和有效的思路。该文从绝缘子表面改性、掺杂改性和其他改性3个主要的改性策略入手,综述了近年来通过材料改性调控表面电荷的最新研究进展,并对每种方法的优势和不足进行分析。最后,该文对未来通过材料改性来调控表面电荷积聚的研究方向进行展望。     

±200 kV直流盆式绝缘子的研制

盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)设备研制的核心元件,直流电压下绝缘子长期承受单极性直流电场作用,其表面会积聚大量电荷,导致固-气界面处局部电场畸变,极易引发绝缘子沿面闪络,降低设备的绝缘水平.本研究借鉴直流绝缘子的相关研究成果,通过合理控制绝缘子表面场强及提高绝缘材料的电阻率实现对表面电荷积聚的抑制,借助仿真手段指导结构优化设计,完成了绝缘子浇注并通过交直流应力下的介电试验及力学性能试验,验证了设计的正确性.     

电晕条件下绝缘伞裙电荷不均匀积聚现象的研究

为研究绝缘伞裙表面电荷分布不均匀的影响因素,对绝缘伞裙试品开展电晕电荷积聚实验,测量试品材料表面电位分布,计算绝缘伞裙表面电荷密度。结果表明:复合硅橡胶绝缘伞裙表面电荷饱和时的电荷密度峰值为-12μC/m~2;空气流动会对电荷积聚产生一定的影响,电荷密度分布不变但电荷密度峰值减小了14%;球电极偏置对电荷密度分布影响很大,电荷密度峰值出现在电极偏置的区域;绝缘伞裙表面的突起毛刺对电荷的积聚几乎没有影响;球电极表面毛刺和凹坑通过影响电极的电晕状况,对绝缘伞裙表面电荷的分布有较大影响。     

绝缘特性对正极性脉冲下表面静电放电的影响

绝缘材料表面的静电放电现象会对电力设备以及通讯系统运行造成严重的影响，研究介质表面的静电放电特性及其影响因素有助于理解绝缘材料与表面静电放电的关系，对于绝缘材料的优化设计也具有重要的参考价值。为此使用静电放电枪在绝缘材料表面触发静电放电，利用粉尘图法复现了绝缘材料表面的电荷分布，通过二值化处理方法定量表征流注的发展程度，研究了绝缘材料的相对介电常数、表面电阻率和厚度等因素对表面静电放电的影响。结果表明：正极性静电放电下，绝缘材料表面的放电斑图形貌呈现梅花状；材料类型会对流注的发展产生不同的影响；绝缘材料表面电阻率减小会加快表面电荷的消散；绝缘材料越厚，沿面流注通道越长。因此，绝缘材料性能的变化导致介电常数、电荷注入方式、电荷附着效应等的变化，从而影响表面电荷的积聚形式和放电方式，最终使绝缘材料表面静电放电过程发生变化。