高压脉冲电压下聚酰亚胺的电老化机理

在高压脉冲电压下对聚酰亚胺膜的绝缘寿命、不同条件老化后试样的表面形貌及热刺激电流(thermally stimulated current,TSC)进行了测试。TSC曲线在20~200℃温区内由I峰和II峰两个单峰叠加而成。通过图谱分析发现聚酰亚胺膜早期电老化时陷阱的发展可用陷阱理论解释,但老化后期陷阱理论中陷阱密度变化规律的描述不再适用。电老化主要破坏聚酰亚胺内II峰对应的大分子链,I峰对应的分子链中小运动单元破坏并不严重。聚酰亚胺膜的寿命与频率成反比,频率越高对大分子链的破坏速度越快,表明通过II峰对应的活化能和电荷变化量来判断聚酰亚胺的绝缘老化程度是可行的。     

电场下聚酰亚胺破坏的反应分子动力学模拟

为深入研究聚酰亚胺(polyimide,PI)固体绝缘材料在电场作用下的破坏机理,采用ReaxFF(reactive force field)反应分子动力学方法,计算模拟Kapton型聚酰亚胺模型在电场作用下的破坏过程,从原子层面分析了其化学键的断裂/生成过程、特征产物的生成机理,并从原子内电荷结构的角度揭示了电场作用对化学键断裂的影响。对聚酰亚胺模拟体系外加强度分别为4、4.5、5、5.5、6×10~(-3)V/nm电场,结果表明:电场强度影响分子裂解的速度和反应的平衡状态,在电场的作用下部分化学键最终断裂,游离出大量元素单体;酰亚胺环中的C-N键是聚酰亚胺分子裂解的初始反应,电场作用下苯环断裂与裂解主要特征产物C2H2的生成有关;构成酰亚胺环中的C-N极性键的二原子在电场作用下电荷结构发生变化,产生强转矩,导致极性键断裂。电场环境下绝缘材料聚酰亚胺分子链的裂解是电气设备固体绝缘失效的主要原因。     

电荷陷阱对XLPE绝缘电老化特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于良好的电气性能而常被用作高压直流电缆的绝缘材料,但其内部缺陷形成的电荷陷阱会导致空间电荷积聚,从而加速绝缘材料的电老化。文中基于电荷陷阱对XLPE电缆绝缘电老化的影响,研究了电荷陷阱在XLPE电缆绝缘电老化过程的作用机理,并运用自由能增量理论定量地分析了电荷陷阱对电老化的影响。将电缆样品进行热老化预处理,得到具有不同电荷陷阱参数的XLPE样品,对其进行空间电荷测试和步进应力实验,验证了空间电荷陷阱和电老化进程之间的关系。结果表明,在XLPE电老化过程中,浅陷阱密度与材料的电老化速率正相关,而深陷阱对电老化过程起抑制作用。     

变频电机用聚酰亚胺薄膜电老化特性研究

为研究变频电机用耐电晕型聚酰亚胺材料耐局部放电老化机理,采用电导电流法分别测量了普通聚酰亚胺薄膜(100HN)和耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)电晕老化前、经10kV/mm、20kV/mm电晕强度8h老化后的电老化阈值。结果表明,2种薄膜的电老化阈值随电老化强度的增加而减小,且耐电晕型薄膜的电老化阈值始终高于普通膜的阈值;在2种薄膜的空间电荷限制电流区内,耐电晕型薄膜的电流增长率较大,说明其中含有更多的浅陷阱,测试结果与其170°C下退极化电流测试结果一致。这些浅陷阱有效调节了聚酰亚胺薄膜中电场的分布,改善其耐电晕性能。     

电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响

通过研究不同电老化过程中直流电场对油纸绝缘的空间电荷特性的影响,可为换流变压器在长期高场强运行下油纸绝缘的空间电荷特性提供试验依据。利用电声脉冲法研究了油纸绝缘在20 k V/mm的直流电场下老化1 000 h不同阶段下的空间电荷特性,结果表明:在电老化的不同阶段,油纸绝缘在极化过程中的空间电荷特性主要表现为都出现了同极性电荷注入和积聚;随着老化程度的加深,油纸绝缘内部积聚电荷量越大,去极化电荷消散速率越慢,老化过程中陷阱密度和深度都在增大,促进空间电荷被陷阱捕获而积聚;整个电老化过程中,快速运动电荷量变化不大,而慢速运动电荷量逐渐增大主要是由于陷阱密度的增大,导致电荷迁移率下降;电老化过程中电荷的积聚导致极化过程中电场畸变明显,容易产生大电流而使击穿电压下降。     

高频表面电荷输运对油纸绝缘局部放电的影响

为研究表面电荷输运特性对高频局部放电的影响机制,该文采用表面电位衰减法,搭建高频脉冲下油纸绝缘表面电荷输运平台,分析油纸绝缘的表面电荷积聚消散特性及陷阱分布特性,定量计算油纸绝缘中的陷阱密度,从而得到高频脉冲下表面电荷输运特性对油纸绝缘局部放电的影响机制。结果表明：高频油纸试样初始表面电荷积聚量随频率变化从1856.6V下降至1017.8V,表面电位衰减率从68.5%先上升至80%再下降至65.9%,存在一个峰值点;试样中总陷阱密度随频率增加整体呈下降趋势,从1.82×10³⁸ m^-3下降至9.99×10³⁷ m^-3,陷阱深度呈先下降后上升趋势;表面电荷输运机制是影响高频油纸绝缘局部放电特性改变的重要原因。研究结果可为深入理解高频下油纸绝缘局部放电特性提供理论依据。     

高场强方波电压对聚酰亚胺陷阱参数的影响

变频电机绝缘长期承受高场强方波电压的作用,出现了绝缘过早失效的情况。聚酰亚胺是变频电机中重要的绝缘材料,为了解它不同承受电压形式时其绝缘老化过程和失效机理与传统交、直流电压下存在的很大差异,在高场强方波电压下对聚酰亚胺膜进行电老化,测试了不同老化时间后聚酰亚胺膜的电导电流和热刺激电流(TSC)以分析聚酰亚胺膜活化能和陷阱密度等微观参数的变化规律。结果表明:聚酰亚胺膜TSC曲线可能由2个单峰曲线叠加而成,随着电老化时间的增长,聚酰亚胺膜活化能发生变化,浅陷阱可发展成深陷阱,导致浅陷阱密度逐渐减小,深陷阱密度逐渐增大,总体陷阱密度逐渐增大。     

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...     

用等温电流法研究自由基清除剂的作用机理

首先对含有自由基清除剂以及纯聚乙烯的薄膜试样进行了准均匀电场下的电老化试验,发现自由基清除剂能够提高均匀电场下聚乙烯的电老化寿命。对老化试样进行等温电流衰减试验,测得其中的陷阱能级分布,结果表明作为浅陷阱存在于试样中的自由基清除剂,能够有效地减少电老化过程中深陷阱的产生,从一个侧面验证了聚合物电老化的陷阱理论。     

用等温电流法研究自由基清除剂的作用机理--聚合物电老化陷阱理论的实验验证

首先对含有自由基清除剂以及纯聚乙烯的薄膜试样进行了准均匀电场下的电老化试验 ,发现自由基清除剂能够提高均匀电场下聚乙烯的电老化寿命。对老化试样进行等温电流衰减试验 ,测得其中的陷阱能级分布 ,结果表明作为浅陷阱存在于试样中的自由基清除剂 ,能够有效地减少电老化过程中深陷阱的产生 ,从一个侧面验证了聚合物电老化的陷阱理论。     

热老化下双层聚酰亚胺薄膜绝缘特性研究北大核心CSCD

为研究热老化下介质直流和操作冲击结果的演变规律及其影响机制,文中以热老化处理的(190℃,220℃)双层聚酰亚胺薄膜(PI)为研究对象,采用等温松弛电流法(IRC)对不同热老化程度介质的空间电荷特性进行研究,基于双极性电荷输运模型(BCT),仿真研究陷阱密度对直流击穿结果的影响机制。基于局域态电荷吸收能量的频率依赖模型,数值分析空间电荷和介电参量对冲击击穿结果的影响机理。结果表明,随着热老化时间增加,介质陷阱密度逐渐减小,电荷注入效应增强,介质内部的电场畸变程度增大,故直流击穿场强逐渐下降;中低频区域介质tanδ值逐渐升高,局域态电荷的能量吸收能力增强,其更容易从陷阱逃脱,对绝缘结构产生破坏,导致冲击击穿电压逐渐下降。提高热老化温度后,上述现象更加严重。     

低压电缆绝缘热氧老化过程中介电响应的Davidson-Cole分析

基于Davidson-Cole模型提取极化响应的弛豫强度、弛豫时间及电导损耗等特征量，分析热氧老化过程中核级低压电缆绝缘各特征量的变化规律，阐明老化过程中微观与宏观性能下降的一致性。首先在165℃下对试样进行人工加速老化实验，获得不同劣化程度的试样，测试老化过程中试样理化特性、力学特性与介电响应的变化规律，发现老化过程中试样发生再交联反应，老化后期氧化反应加速进行；然后利用Davidson-Cole介电模型提取弛豫与电导特征参数，发现分子链段运动弛豫强度Δε_α、热离子弛豫强度Δε_δ与直流电导率σ_dc随老化时间增加呈逐渐下降趋势，老化504 h后，氧化反应的加速进行减缓了Δε_α与σ_dc的下降，再交联反应对特征参数的变化起主导作用；最后对介电模型特征参数Δε_α、Δε_δ、σ_dc与断裂伸长率进行初步拟合，结果显示Δε_α、Δε_δ和σ_dc与断裂伸长率呈正相关，...     

不同含水率下电—热耦合应力对油纸绝缘界面小分子气体扩散特性的影响机制

油纸绝缘在实际运行过程中，受到电—热耦合应力作用，其内部产生的气体以气泡的形式从界面处析出，造成局部放电甚至绝缘击穿，危害变压器的运行安全。文中通过搭建油纸绝缘电—热耦合实验平台，分别对不同温度、不同电场强度以及不同含水率条件下的油纸绝缘模型进行实验，实验结果表明，随着电场强度以及含水率的提高，气泡析出的起始温度逐渐下降。由此进一步建立油纸绝缘界面分子动力学仿真模型，以绝缘纸老化裂解过程中产生较多的CO₂为例，对其在油纸绝缘界面处的聚集状态、相对浓度，扩散系数，氢键作用以及自由体积分数进行了研究。模拟结果表明，升温提高了自由体积分数，促进了CO₂分子的布朗运动，较多CO₂分子扩散至界面处与绝缘油中，扩散系数提高了187.96%。相同温度作用下，随着电场强度的增大，CO₂分子与其他分子间形成的氢键数量减少，导致CO₂受到的分子间作用力减小，290 K时，电场从50 kV/m增大到200 k V/m时，扩散系数平均提高了90.41%;360 K时，提高14.02%。含水率的提高使得...     

预电应力对聚合物微观结构和击穿性能的影响

为研究聚合物力学和电学性能变化的微观机理,利用Materials Studio(MS)软件建立了聚乙烯分子结构模型。通过施加预直流电场作用,研究了分子链段运动产生的能量和自由体积变化对微观结构、力学性能和击穿性能的影响。模拟结果表明:在预直流电场作用下,聚合物分子链段出现局部有序排列现象,并且随着电场强度(简称场强)由5.20×102 MV/m增加到5.00×10~3 MV/m,自由体积出现先降低再升高的变化趋势,在场强为5.20×102MV/m处出现0.95 nm3的极小值;而当场强增加至2.60×10~3 MV/m时,化学键C—H键断裂,并产生新的化学键C=C键,进而形成低密度劣化区。材料内自由体积和化学键的变化从根本上改变了聚合物的微观结构,影响其力学性能和电学性能,进而使杨氏模量和击穿场强在场强为5.20×10~2 MV/m处分别出现7.50 GPa和11.52×10~3 MV/m的极大值,与未经预直流处理的聚合物相比,分别增长了66%和29%。研究成果可为高压电缆的绝缘设计提供参考,也同为在预电应力作用下聚合物的击穿性能模拟提供借鉴。     

均匀电场中聚丙烯电老化机理的研究

以往在常压下进行电老化试验,由于电晕和热氧等侵蚀试样表面,使介质因表面损坏而劣化。本文在高真空下使聚丙烯(PP)薄膜处于均匀电场中,进行电老化试验。采用了红外分析、热重分析和光电导技术分析了老化前后介质化学结构的微观变化。试验结果表明,PP的击穿强度随老化时间的增加而降低,其原因在于老化使PP发生降解,产生大量自由基和裂解成小分子,生成低密度区。且聚丙烯材料内电荷的深陷阱密度增加。     

理论模拟在本征高介电聚酰亚胺分子设计中的应用

本文研究了10种含羰基/砜基聚酰亚胺的分子链聚集特性和介电常数，同时，基于密度泛函理论（DFT）及分子动力学理论（MD），计算了理论密度、自由体积分数、极化率密度以及偶极矩密度等微观参数。结果表明：部分结晶的聚酰亚胺体系具有相对较高的理论密度和较低的自由体积分数，理论计算结果与实测结果相吻合。相比较于极化率密度，使用与取向极化高度相关的偶极矩密度在kHz频率范围内的测试中可以更加准确地预测聚酰亚胺介电常数与分子结构的关系。     

考虑化学反应强耦合的植被火焰条件下直流间隙多物理场耦合模型

为分析电场、温度场与燃烧化学反应的相互作用，更准确地模拟植被火焰条件下间隙带电粒子分布情况，建立了考虑化学反应强耦合的植被火焰条件下直流间隙多物理场耦合模型。并通过植被燃烧试验的结果对模型关键参数进行设置，利用模型仿真分析了不同极性电压、电极高度对带电粒子分布特性的影响及带电粒子对背景电场的影响。结果表明：该文试验条件下，松木热解反应方程系数修正为C₁₀H₁₄O₆→4C+3CO+CO₂+2CH₄+2H₂+H₂O、热解反应速率为2.4×10^–8 mol/(m³·s)时，仿真与试验结果最为接近；随着电极高度的降低，电极附近与电极极性相异的带电粒子浓度由10^–9 mol/m³增加至10^–8 mol/m³，变化趋势与泄漏电流相似；带电粒子对正电极附近初始背景电场的影响效果大于负极性，正电极附近背景电场的增幅为70...     

TSC/TSL联合谱在绝缘聚合物电老化研究中的应用

该文测量了纯聚乙烯和含自由基清除剂的聚乙烯试样老化过程中的TSC/TSL联合谱。通过测得的谱图查明了聚乙烯在电老化过程中陷阱和发光中心的密度变化，并分析了老化过程中聚乙烯分子链的运动形式的变化。根据视在陷阱总量和发光中心总量的计算，表明在电老化过程中陷阱的密度变化比复合光中心的更明显。这种自由基清除剂主要是通过抑制老化过程中陷阱的产生，尤其是深陷的产生，实现抑制电老化的功效。这对今后研究提高聚乙烯耐电老化的途径有明显的指导意义。     

以光老化试样验证聚烯烃击穿的陷阱理论

在聚合物电老化击穿的陷阱理论中，介电强度与陷阱密度呈函数关系，这已在电老化试样上得到证实。本文用光辐射改变试样的陷阱密度，从光降解动力学推导其变化规律。在光老化过程中，同时测量聚丙烯试样的击穿电压、自由基浓度、微孔的变化和陷阱密度。试验结果表明，陷阱密度的变化直接反映着试样微观结构的变化，陷阱密度和介电强度的变化规律符合理论分析。     

无机纳米掺杂对聚酰亚胺薄膜电老化阈值的影响

采用电导电流方法分别测试了杜邦公司纳米杂化聚酰亚胺薄膜(100CR)和原始聚酰亚胺薄膜(100HN)未老化、10 MV/m、20 MV/m电晕强度8 h老化后的电导电流,发现杂化膜的电流量比原始膜大近一个数量级,杂化膜未老化时的阈值为40 MV/m,而原始膜为35 MV/m,且两者的电老化阈值均随电老化强度的增加而减小。这些数据及曲线的获得对理解聚合物电老化机理和绝缘材料的合成改性提供重要参考价值。