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。     

基于α松弛分析CB/LDPE纳米复合介质空间电荷特性

分别以导电炭黑(C-CB)和绝缘炭黑(I-CB)作为纳米填充相,研究不同性能炭黑(CB)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性的影响。采用多种测试方法对CB微观形貌和表面化学特性进行表征。利用电声脉冲(PEA)法测量LDPE及其纳米复合介质的空间电荷分布,并结合动态机械分析法(DMA)和热刺激电流法(TSC)探索CB改善LDPE空间电荷特性的作用机理。结果表明:C-CB比I-CB具有更长的链状结构和较少的表面基团,可与LDPE产生更强的相互作用;C-CB/LDPE和I-CB/LDPE纳米复合介质均能够有效地抑制空间电荷积聚,其中前者的空间电荷抑制能力更强。分析认为复合介质空间电荷性能改善是由于CB与LDPE相互作用,减少了参与α松弛的分子形成的缺陷数量,降低了LDPE内的陷阱密度。     

纳米填充浓度对LDPE/Silica纳米复合介质中空间电荷行为的影响

为研究纳米颗粒填充浓度对复合介质内部空间电荷特性的影响,以低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)为基料,纳米二氧化硅(Silica)为填充颗粒,制备了浓度在0%～5%范围的纳米LDPE/Silica复合介质,并测试了复合介质的准稳态直流电导和空间电荷分布。当LDPE内填充不同浓度的纳米silica后,复合介质内部的平均体空间电荷密度均得到有效抑制,且其平均衰减速度随填充浓度的升高而下降,但复合介质的准稳态直流电导在填充浓度低于0.5%时比纯LDPE时要大,当填充浓度高于0.5%时,准稳态直流电导随着填充浓度的升高而快速下降。结果表明试样内部的空间电荷分布存在3种趋势:当纳米silica填充浓度为0%～0.1%时,试样内表面侧的异极性空间电荷量随填充浓度升高而下降;当填充浓度为0.5%～2%时,试样内表面侧积累同极性电荷,并随填充浓度升高而增大;当填充浓度高于2%时,同极性空间电荷量下降。最低空间电荷密度和准稳态直流高场电导对应的纳米填充浓度分别为0.5%和5%,表明在应用纳米颗粒对聚合物的绝缘性能改良时,为获得最佳的介电性能,应根据实际需求来选择适当的填充浓度。     

LDPE中掺入浮石粉对其空间电荷分布特性的影响

为研究低密度聚乙烯和掺杂浮石粉的聚乙烯中的空间电荷分布规律,采用热共混法制备了掺杂不同质量分数浮石粉的低密度聚乙烯(LDPE)材料,并利用脉冲电声法,分别测试了在不同电场强度下以及短路状态下的空间电荷分布随时间的变化。得出在电场的作用下,纯聚乙烯中的空间电荷主要积聚在电极附近且大部分为同极性电荷;相对地,浮石粉复合聚乙烯中则有大量的异极性电荷在阴极附近出现,并且电荷量随着浮石粉质量分数的提高而增加,而当浮石粉质量分数为5%时,且电场强度较高时,有大量正电荷从阳极注入并向阴极移动的空间电荷包现象;短路实验的结果表明,纯聚乙烯和浮石粉的质量分数为1%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较快,然而浮石粉质量分数为2%和5%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较慢。测试结果表明,浮石粉复合低密度聚乙烯材料中出现的异极性电荷和正电荷注入将有助于改善空间电荷分布,从而提高高聚物材料的介电性能。     

LDPE纳米复合介质的直流电导特性及其对高压直流电缆中电场分布的影响

聚合物绝缘材料的电导率通常是电场和温度的函数。选取低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE),纳米氧化镁(MgO)/LDPE及氧化硅(SiO2)/LDPE三种材料作为研究对象,对三种材料的电导率–温度和电导率–场强关系进行了实验研究。构建了表征材料电导率与场强及温度关系的数学模型,并依据此模型,针对320 kV、500 MW直流电缆结构,应用COMSOL有限元分析软件,计算了绝缘内电场分布。结果表明:直流场下,电场分布具有电导率依赖关系,温度变化引起的电导率变化,将导致电场分布与温度分布有关;同时,电导率还依赖于场强的变化,这种依赖关系可在一定程度下平抑由于几何结构或温度梯度形成的绝缘层内部场强不均匀性;纳米颗粒的掺入可降低电导率,性能改善机制与纳米粒子界面层电学行为相关。     

纳米颗粒填充对LDPE/silica纳米复合介质阈值电场的影响

为研究纳米颗粒填充对复合介质阈值电场特性的影响,以低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)为基料、纳米二氧化硅(silica)为填充颗粒,制备了填充粒径分别为7和16 nm、填充浓度在0~5.0%范围的LDPE/silica纳米复合介质,并测试了复合介质的准稳态直流电导。研究表明：低电场下纳米颗粒对复合介质直流电导的影响不大;在高电场下,低填充密度(1.0%附近)时复合介质的电导比纯LDPE的值大,阈值电场均低于纯LDPE的值;仅当填充浓度较高时,复合介质的电导才下降,并且阈值电场高于纯 LDPE的值。纳米颗粒填充粒径7和16 nm时,纳米复合介质的阈值电场特性基本一致,但在高电场下,填充粒径7 nm时的复合介质电导小于填充粒径为16 nm的值,且填充粒径7 nm时复合介质的阈值电场都高于填充粒径为16 nm时的值,表明填充粒径越小的纳米颗粒越能提升复合介质的阈值电场。另外,基于空间电荷限制电流理论(space charge limited current,SCLC)分析可知：纳米颗粒填充浓度较低时,纳米复合介质中总陷阱浓度H相对于纯LDPE都明显下降,仅当填充浓度进一步升高时,总陷阱浓度 H 才高于纯 LDPE中的值。填充浓度在0.1%~5.0%时,纳米复合介质内部总陷阱浓度 H 随填充浓度的升高而升高,这主要与纳米颗粒引入颗粒/基料界面结构的增多有关。     

MgO/LDPE纳米复合材料抑制空间电荷及电树枝化特性

应用经硅烷偶联处理后的纳米氧化镁(MgO)粉末与低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)共混,制得MgO/LDPE复合介质。高成分衬度扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)中图像表明,粒径为100 nm左右的MgO纳米粒子均匀的分散于介质中。通过电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)测试发现,当纳米MgO填料的质量分数为4%时,可以有效抑制空间电荷的注入,伏安特性的实验结果表明,复合介质拥有更高的空间电荷注入阈值场强。通过电树枝实验,发现复合介质可以抑制电树枝的引发和生长。最后,对实验结果进行了分析,探讨了纳米复合介质抑制空间电荷和树枝化生长的机制。纳米颗粒与基体材料界面电荷行为可能是复合介质电学性能改善的原因。     

正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷特性

直流电缆附件绝缘和电缆绝缘的界面同时承受着沿着电缆径向的体电场和沿电缆轴向的界面电场,这两个电场在方向上相互正交,在界面上的分布和集中使得复合绝缘界面的空间电荷特性变得复杂。采用交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）和硅橡胶（silicone rubber,SIR）制成双层试样模拟附件结构中的复合绝缘,通过界面贴覆铝箔针-板电极（针电极为正/负）、板-板电极三种电极形式为绝缘界面提供正交电场,运用电声脉冲法（pulse electro acoustic,PEA）分别测量了体电场、正交电场作用下XLPE/SIR界面空间电荷的分布情况。结果表明,在体电场和界面电场的正交电场作用下,XLPE/SIR界面的空间电荷峰值出现明显变化：试样加压20 min后,界面贴覆针电极为负的针-板电极时,界面电荷峰值随施加电场强度的增加先增大后减小,使XLPE侧电极在较低场强下即发生注入;界面贴覆针电极为正的针-板电极时,界面电荷峰值在电场作用下减小,加剧了SIR侧的正电荷注入;在界面板-板电极作用下,界面电荷峰值变化不大,但仍有所下降。     

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...     

固体介质中空间电荷畸变电场分布的有限元分析

介绍了电声脉冲法测量空间电荷分布的测量原理及装置 ,并以此装置测得试样中空间电荷的分布。用有限元法分析、计算试样中空间电荷引起的电场畸变方便、迅速 ,表现直观。     

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。     

复合绝缘子内部缺陷对电场分布特性的影响

对复合绝缘子的缺陷类型、缺陷尺寸和缺陷位置进行仿真计算,获得伞裙沿面的轴向、径向电场分布曲线,计算出伞裙沿面轴向、径向电场的畸变率和最大场强值。结果表明:径向电场对于缺陷的反应更灵敏,通过分析伞裙沿面高压端和低压端径向电场分布规律,能够得到复合绝缘子缺陷的位置与类型等相关信息。     

空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节,直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此,基于直流电缆运行中的温度梯度效应,通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)/交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性,建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型,根据SR及XLPE的电阻率-温度特性及空间电荷测量结果,探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现:随着温度梯度(温差)的增加,电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度;存在空间电荷效应时,温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小,同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。     

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。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响

交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大,这是导致其电场分布复杂、研发难度大的关键因素之一。为此,利用多物理场耦合软件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布,分析了绝缘材料的电导特性对电场分布的影响与机理。研究结果表明:以高压交流电缆终端中常用的硅橡胶作为直流电缆终端的增强绝缘时,应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变,最大电场强度(简称场强)值约达到电缆本体平均场强的6.7倍;以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时,直流电缆终端内电场分布均匀,且最大场强点位于电缆XLPE绝缘内。说明应用电导非线性硅橡胶是解决XLPE绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。     

半导电材料对纳米MgO/XLPE复合介质空间电荷影响的研究

聚合物纳米复合介质中空间电荷的注入与半导电电极材料密切相关,文中采用电声脉冲(PEA)法测量了预压-60 kV/mm电场1 h后,对比研究了六种不同半导电电极材料下交联聚乙烯(XLPE)和MgO/XLPE复合介质中的空间电荷分布;并对不同半导电电极材料下MgO/XLPE复合介质中的平均电荷密度进行了计算。对比实验表明:配方不同的半导电电极材料确实对试样中空间电荷的分布以及空间电荷量影响很大;以乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)为基础材料、添加30wt%炭黑的第二种半导电材料对MgO/XLPE复合介质中空间电荷的抑制效果最好。     

冷却介质对低密度聚乙烯空间电荷输运特性的影响

低密度聚乙烯是高压电力电缆的主要绝缘材料,空间电荷被认为是影响电力电缆绝缘安全可靠性的关键因素之一。为此,选用冰水、空气和硅油3种不同冷却方式对聚乙烯试品进行淬火处理,采用电声脉冲法测量系统对聚乙烯试品中空间电荷的消散特性进行了测试,并结合阶梯式升压试验测定空间电荷阈值场强,根据空间电荷限制电流理论推导出总电荷量与电荷迁移率,采用差示扫描量热法分析了试样的结晶度和晶粒尺寸均匀性。试验与分析结果表明:硅油冷却聚乙烯电荷视在迁移率大于冰水、空气冷却试样;3种试样中,硅油冷却聚乙烯结晶度较高,晶粒尺寸分布较均匀,阈值场强较高,而冰水冷却聚乙烯结晶度、晶粒分布均匀性与阈值场强较低。     

杂质对交联聚乙烯电缆内部电场和空间电荷分布影响

杂质会影响交联聚乙烯(XLPE)电缆内部电场及空间电荷分布,在电缆绝缘老化与击穿中起着重要作用,因此研究杂质对电缆中电场及空间电荷分布的影响具有重要的意义。本文采用二阶四面体单元剖分的有限元方法计算各节点的电位分布,然后求各节点电位的负梯度得到各节点上的电场强度,对电位移矢量求散度可得各节点的电荷密度。以一个带有杂质颗粒的交联聚乙烯电缆模型为例进行计算,结果表明:在电场作用下,杂质颗粒会离解造成其周围电荷密度集中;杂质颗粒表面积聚的电荷量随颗粒半径的增大而增大,电荷密度随半径的增大而减小;杂质颗粒越靠近高压侧其表面积聚的电荷量越大;杂质颗粒周围的电荷密度值与相对介电常数关系不大,但与电阻率关系密切。     

熔体真空脱气对LDPE空间电荷的影响研究

研究了熔体真空脱气处理对低密度聚乙烯空间电荷分布的影响。结果表明:抗氧剂的添加会增加试样的同极性空间电荷注入量。熔体真空脱气处理能有效降低材料的杂质含量,使材料中的空间电荷量降低。