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。     

炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性

为研究添加炭黑(CB)对交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料直流介电性能的影响,通过熔融共混制备了CB/XLPE纳米复合材料,在不同的恒定温度下分别测试了各试样的电导率与外施直流电场强度的关系,并利用电声脉冲法测量了各试样内的空间电荷分布状况。研究结果表明,添加少量炭黑即可使XLPE中的空间电荷量明显减少,当炭黑掺量为1 phr(指每100 g XLPE中添加1 g CB)时,复合材料抑制空间电荷的能力较强;XLPE在较低电场强度下就表现出电导非线性特性,且电导率受温度影响较大,最大变化量超过3个数量级;而CB/XLPE纳米复合材料在小于20 kV/mm的电场强度下电导率变化较小,且温度对其直流电导率的影响明显小于XLPE。炭黑能抑制XLPE中空间电荷累积和改善其直流电导特性的原因是增大了材料中的陷阱密度和陷阱深度。     

电压稳定剂接枝改性对500 kV直流XLPE电缆材料电气性能的影响

为了研究4-乙酰氧基苯乙烯（AOS）电压稳定剂接枝改性对500kV高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆材料在不同温度、电场强度和接枝含量下的电气性能的影响，该文通过熔融接枝法制备了不同含量的AOS接枝XLPE(XLPE-g-AOS)试样，通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和差示扫描量热实验分别表征试样的微观形貌、理化结构和结晶特性，对试样进行了直流电导电流、空间电荷、直流击穿、热刺激去极化电流测量，得到试样在不同温度和电场强度下的电气性能参数，结合量子化学计算分析了AOS接枝对XLPE复合材料陷阱特性和电荷输运的影响。结果表明：AOS接枝使试样断面形貌更加粗糙，而较高含量接枝会出现纳米球形分散相；XLPE-g-AOS的熔融温度和结晶度比纯XLPE更高；AOS质量分数为3%的XLPE-g-AOS具有最大的浅陷阱能级和密度，且其在高温高电场下具有最低的直流电导率、最少的空间电荷积聚量、最小的电场畸变率和最高的直流击穿强度。接枝AOS引入了更深且更多的浅陷阱，形成了均匀致密的浅陷阱点阵，阻碍了载流子迁移。     

PS/LDPE纳米复合材料介电性能研究

将一种高聚物纳米颗粒-聚苯乙烯(PS)纳米球加入到低密度聚乙烯(LDPE)中,通过熔融共混法制备了PS质量分数为2%的PS/LDPE纳米复合电介质,利用电声脉冲(PEA)法对40 k V/mm电场强度作用下试样内的空间电荷分布进行测试分析,并进行热刺激电流及电导测试。结果表明:PS/LDPE纳米复合材料内部的空间电荷量明显低于纯LDPE;PS/LDPE纳米复合材料在常温下的直流电导率也较纯LDPE小;热刺激电流(TSC)图谱显示PS纳米球的添加改变了材料的陷阱深度和密度,这有可能是抑制LDPE空间电荷累积和直流电导特性发生改变的原因。     

高压直流塑料电缆绝缘用纳米改性交联聚乙烯中的空间电荷特性

为发展国产高压直流(HVDC)塑料电缆绝缘材料,削弱直流电缆运行中温度梯度效应对电缆绝缘中电场强度的畸变,针对国产纯交联聚乙烯(XLPE)、自行研发的纳米改性XLPE以及从国外进口的高压直流用XLPE等3种材料的试样进行了研究。利用电声脉冲(PEA)法和电阻率测量系统,测量了3种XLPE试样在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下的空间电荷特性和电阻率特性。研究结果表明:在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下,纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量最少、短路后残余电荷量较少;随着温度升高,3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势,但自行研发的纳米改性XLPE试样的体积电阻率在测试的高低温范围内始终最高,且比纯XLPE试样高出约1个数量级。因此认为在所测试的3种XLPE试样中,自行研发的纳米改性XLPE材料在测试温度范围内能最好地抑制空间电荷,拥有最高的体积电阻率。     

抗氧剂对聚乙烯电缆直流介电性能的影响

为研究抗氧剂对聚乙烯(LDPE)绝缘电缆直流介电性能的影响,通过熔融共混制备了4种质量分数为0.3%的抗氧剂聚乙烯复合材料,在恒定的场强下,测试电导率随温度的变化,利用电声脉冲法(PEA),测试各试样中空间电荷的分布,并测量室温直流击穿特性。结果表明,添加抗氧剂300的LDPE试样中空间电荷量较少;在低场强下,添加抗氧剂300的LDPE对温度的依赖性较小,表现出良好的电导特性,在场强较高时,抗氧剂1010聚乙烯复合材料表现出良好的电导特性;抗氧剂聚乙烯复合材料的直流击穿强度比聚乙烯的直流击穿强度高。     

现役交流XLPE电缆绝缘切片试样的交、直流耐压性能对比

为升级输电线路的传输能力,可将现役交流XLPE电缆线路改为直流运行,但仍缺乏改造方案设计的统一标准或规范。因而对1根投运7年的YJV22-8.7/10 kV-3×185 mm~2电缆进行绝缘环切,在相同条件下对切片试样进行交流及直流电压下的连续和逐级升压击穿试验。结果表明:升压速率为2、0.5、0.1 kV/s的连续升压击穿试验中,升压速率对试样的交流平均击穿场强影响很小,而对直流击穿场强影响较大;时间步长为2、6、15 min的逐级升压试验中,随着时间步长的增加,交流击穿场强略有降低,而直流击穿场强显著增大。随着电压施加时间的增加,交流击穿场强下降,而直流击穿场强反而增大,这导致直/交流击穿场强比值持续增大,由1.33增大至3.73。以击穿场强的95%置信下限值为基础,推导可获得XLPE绝缘试样的交、直流1 h击穿场强分别为89.50 kV/mm及247.55 kV/mm,而反幂定律中的电老化寿命指数拟和值为17和-11.51。在高压短时击穿试验范围内,试样的直流耐压性能随时间变化不符合传统电老化寿命定律,这可能与空间电荷效应的时间依赖性有关,需要后续研究进一步确认;同时也说明基于薄试样、高电压、短时间的击穿试验数据无法有效反映直流绝缘的长期电老化性能,不能直接用于XLPE直流电缆的绝缘结构设计。     

纳米TiO_2对直流电缆用XLPE介电性能的影响

为探索提升高压直流电缆用交联聚乙烯直流介电性能的方法,采用熔融共混法在直流电缆用交联聚乙烯基体中添加微量(质量分数0.1%、0.5%、1%)纳米TiO_2制备得到XLPE/TiO_2纳米复合介质,并通过纳米粒子表面偶联剂处理对比研究了表面改性对XLPE/TiO_2介电性能的影响。采用SEM观测纳米粒子的分散性,测试了XLPE和XLPE/TiO_2的结晶度、电导率温度特性、空间电荷注入特性和直流击穿场强。结果表明,采用偶联剂进行表面处理能够改善纳米粒子的分散性,在直流电缆用XLPE中直接添加微量纳米TiO_2能够增大结晶度、电导活化能和直流击穿场强,降低电导率,抑制正电荷的注入,而添加经过偶联剂处理的纳米TiO_2可使这些影响更加显著。分析认为,结晶度的增大是由于纳米粒子的成核作用,而偶联剂处理使得粒子与基体结合更加紧密从而进一步增大结晶度。电导特性和空间电荷特性的改善主要由于纳米TiO_2形成交互区以及聚集态结构改变对陷阱特性的影响,在较低场强下测试得到的电导活化能的增大即对应为复合介质的深陷阱能级的增加,因此电荷注入得到了明显的抑制。电荷陷阱的引入也使得电导率随粒子含量的增加而减小。直流击穿场强的提高则是由聚集态结构和陷阱特性两者共同作用导致的。因此,高压直流电缆用交联聚乙烯材料可以采用添加微量纳米TiO_2(0.5%)进一步改善直流介电性能,偶联剂处理过程则使得改善效果更加显著。     

聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

压力波法模型电缆空间电荷测试研究

根据压力波法空间电荷测量的基本原理,研制了一套可用于模型电缆试样的压力波(PWP)法空间电荷测试装置。该装置具有高于PEA法的信噪比,原始信号无需处理即可用于空间电荷性能分析。利用此装置分别对交流和直流XLPE电缆进行了空间电荷测试。结果表明:随着外加电场的升高,空间电荷明显增多。另外,直流电缆绝缘中的空间电荷明显小于交流电缆绝缘中的空间电荷。     

环氧接枝多壁碳纳米管改性环氧树脂复合材料的热学与耐电烧蚀性能研究

通过硅烷偶联剂将环氧链段接枝到多壁碳纳米管表面,再将其加入环氧树脂中制备了环氧接枝多壁碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料,并对环氧树脂及其复合材料的力学、热学和耐电烧蚀性能进行了研究。结果表明:接枝环氧链段的多壁碳纳米管和树脂基体有较好的界面相容性,环氧接枝多壁碳纳米管的加入使复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了52.98%和72.86%。随着环氧接枝多壁碳纳米管质量分数的增加,复合材料的玻璃化转变温度和热导率均有所提高,在质量分数为0.8%时分别提高了11.15℃和37.57%。较低填料含量下,环氧接枝多壁碳纳米管的加入对环氧复合材料的耐电烧蚀时间影响不大,环氧接枝多壁碳纳米管质量分数为0.05%的复合材料平均耐电烧蚀时间比纯环氧树脂增加了5 s。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

CB/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制特性

采用熔融共混法制备了纯低密度聚乙烯(LDPE)试样和纳米炭黑(CB)颗粒质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%的CB/LDPE复合试样。采用扫描电子显微镜观察纳米CB颗粒在LDPE基体中的分散性,并利用电声脉冲法(PEA)测试各试样在常温和-40 kV/mm条件下的空间电荷积聚特性和陷阱特性,讨论纳米CB颗粒提升LDPE基体空间电荷抑制特性的机制。结果表明:相较于纯LDPE试样,CB/LDPE复合试样的空间电荷积聚特性得到了显著改善,其中CB质量分数为0.03%的CB/LDPE复合试样具有最佳的空间电荷抑制效果。纳米CB颗粒提高了复合试样内部的深陷阱密度,这是提高复合试样空间电荷抑制能力的关键。     

乙烯咔唑接枝低密度聚乙烯的电性能研究

采用流变仪混炼器通过熔融法制备了乙烯咔唑(VK)接枝低密度聚乙烯,研究了VK含量对咔唑接枝低密度聚乙烯(VK-g-LDPE)复合材料的击穿场强、空间电荷、体积电阻率等电性能的影响。结果表明:随着VK含量的增加,VK-g-LDPE对内部空间电荷的抑制作用先增强后减弱,复合材料的击穿场强和体积电阻率呈先升高后降低的趋势。当VK含量为13.0%时,复合材料的击穿场强比纯LDPE提高了67.73%,空间电荷量比纯LDPE降低了95.9%,体积电阻率为纯LDPE的2.59倍。     

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。     

功能化碳纳米管/环氧树脂复合材料性能研究

采用羧基功能化碳纳米管(C–MWNTs)和环氧基功能化碳纳米管(E–MWNTs)改性环氧树脂。利用扫描电子显微镜观察碳纳米管功能化前后的形貌变化,分析碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的冲击断面形貌,测试了复合材料的力学性能和介电性能。结果表明:环氧基功能化碳纳米管与环氧树脂基体作用力更强,当E–MWNTs和C–MWNTs在复合材料中的掺杂量分别达到1.0wt%和0.7wt%时,E–MWNTs/EP复合材料和C–MWNTs/EP复合材料的冲击强度较未掺杂环氧树脂分别提高了52.2%和39.9%,当碳纳米管掺杂量为0.7wt%时,两体系的弯曲强度与未掺杂环氧相比分别提高了35%和26%。探讨了碳纳米管增韧环氧树脂的机理。不同方法处理的碳纳米管对环氧树脂复合材料的介电常数和介电损耗影响程度不同。     

基于国产基料的交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料电性能研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)高压直流电缆是直流电网的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘料国产化具有重要意义。基于欧洲主流超净低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)与国内知名企业生产的2种超净聚乙烯,分别制备XLPE试样,并完成脱气处理。测量与评估3种XLPE试样的直流击穿电场强度、直流电导率、空间电荷特性等电气性能指标,综合评估交联材料电气性能。其中,一种国产交联聚乙烯材料的击穿场强与电导率性能指标接近于参考绝缘材料性能指标,其空间电荷性能指标优于参考绝缘材料性能指标,确定了XLPE高压直流电缆绝缘料国产化的可行性。     

高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料交联特性及机理

高压直流电缆绝缘材料的交联特性直接影响电缆的运行温度和空间电荷特性,因而主要通过凝胶质量分数、流变行为和热延伸测试分别分析了北欧化工(试样1)和陶氏化学(试样2)生产的2种新型高压直流电缆用XLPE材料交联特性的差异,并研究了交联效应对材料空间电荷性能和热力学性能的影响。结果表明:试样2在低交联剂添加量的情况下保证了较高的交联度,耐热性较好。对比2种材料的空间电荷特性,发现试样1两电极附近的同极性注入较明显,而试样2内部的电荷注入较深。在低场强下,试样2内部积累的电荷量较少;而随着场强的增加,试样2内部积累的正电荷量变大,且电荷衰减速率较慢。此外,从XLPE的分子结构和结晶形态对2种材料的交联机理进行了探讨,研究结果为未来如何通过降低交联剂含量开发国产化高压直流电缆XLPE材料提供了新思路。     

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。     

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅱ)

在电缆聚乙烯材料中添加一种新型纳米粒子可以有效改善材料中的空间电荷积聚,提高其直流击穿强度和体积电阻率。为深入了解此纳米粒子作用机理,基于电声脉冲法(PEA)和充电-放电电流法,分别测量了在不同温度下、不同纳米含量时聚乙烯纳米复合材料的极化/去极化特性。用PEA方法得到不同温度下材料的平均电荷体密度、视在迁移率和陷阱深度,结果表明,20～40°C下,纯聚乙烯及聚乙烯纳米复合材料试样内的陷阱以浅陷阱分布为主;80°C下,当聚乙烯中纳米粒子质量分数>3%时,会增加复合材料陷阱深度。用充电-放电电流法计算得到材料的迁移率,可知在20～60°C内,不同试样迁移率的变化主要由纳米粒子和温度共同作用产生,而在60～80°C内,迁移率的变化则是温度起主要作用。分析认为,电荷输运受到陷阱与温度的影响是导致电阻率变化的主要原因,而在温度梯度场下,聚乙烯纳米复合材料电阻率的正温度系数趋势是抑制材料内空间电荷积聚的主要原因。