晶须掺杂交联聚苯乙烯复合材料的制备及沿面闪络性能研究

以交联聚苯乙烯(CLPS)为基体,分别用四针状氧化锌(T-ZnO)晶须和碱式硫酸镁(MOS)晶须掺杂改性,制备了两类晶须/交联聚苯乙烯复合材料。研究了晶须掺杂对复合材料结构、表面电阻率及真空沿面闪络性能的影响。结果表明:T-ZnO晶须的加入降低了复合材料的表面电阻率,而MOS晶须的加入对复合材料的表面电阻率几乎没有影响;当MOS晶须质量分数为2%时,复合材料的真空沿面闪络击穿电压较CLPS提升了40%,而T-ZnO晶须的加入降低了复合材料的真空沿面闪络电压。     

等离子体表面氟化处理环氧树脂及其沿面闪络特性研究

为加快绝缘子表面电荷消散,提升绝缘子沿面闪络电压,本研究提出了等离子体氟化改性技术,选用与绝缘子配方一致的环氧树脂试样,改变材料表面的处理时间,测试处理前、后试样的表面物理、化学及介电特性.结果表明:等离子体处理作为一种兼具表面物理改性及化学改性的方法,可以在试样表面引入亲水性基团,改变试样表面的浸润性,试样表面粗糙度随处理时间的增加呈先提高后降低的趋势,同时等离子处理可以在材料表面引入F元素,浅化表面陷阱,提升材料的表面电导率,减少表面电荷积聚;在选定参数下,处理9 min后,沿面闪络电压提升至最大值,威布尔分布计算表明提升了约37.17％;过长时间的等离子体表面处理会破坏材料结构,深化表面陷阱,降低表面电导率,降低沿面闪络电压.     

聚合物绝缘材料直流闪络特性及表面形貌实验研究

研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络过程中材料表面形貌的变化,可以为提高绝缘材料沿面耐压性能及材料表面改性处理提供参考。文中采用正极性直流电压源,对大气环境下聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面闪络特性及闪络前后表面形貌进行了实验研究。结果表明:绝缘材料直流闪络电压近似服从韦伯分布,可借助韦伯分布统计方法求出任意概率下的闪络电压。采用三维显微镜及原子力显微镜观测了闪络前后材料的表面形貌,发现材料表面的放电痕迹均在阴极附近更为严重,并且闪络后材料表面出现连续状沟壑,表面起伏变大、粗糙度变大。文中分析表明,绝缘材料的沿面闪络电压受电场畸变程度及材料表面形貌特性的影响,可为提高聚合物绝缘材料的沿面耐压性能提供一定的参考。     

直流条件下PMMA的沿面放电参数与表面特性研究

为研究负极性直流条件下空气中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面放电参数和表面特性,分析了电极距离对闪络电压的影响,并采用韦伯(Weibull)概率分布分析了0.1%概率的沿面闪络电压。观察并分析了闪络前后材料表面的物化特性。结果表明:随着闪络次数的增加,材料粗糙度增大;距离电极越近,材料表面损伤越明显;材料老化后决定其闪络电压大小的主要因素是材料表面的微观形貌和化学特性。     

纳米Al_(2)O_(3)/环氧树脂复合材料微秒脉冲沿面闪络特性研究北大核心CSCD

GIS中由于开关分合闸等操作而引发的内部脉冲过电压会导致绝缘件表面出现多次闪络击穿等问题。因此,文中研究了不同纳米Al_(2)O_(3)填充含量下环氧树脂复合材料在微秒脉冲电压下的沿面闪络特性;并针对1.5%Al_(2)O_(3)/EP复合材料在脉冲电压频率为10 kHz,幅值为18 kV,电极间隙为10 mm下开展沿面闪络老化试验,对比老化前后闪络电压最小值和表面电阻变化趋势,分析不同程度的老化对绝缘材料表面微观形貌、元素成分以及电气性能的影响。结果表明,预加直流电晕放电能够降低环氧树脂材料的闪络电压,且当纳米Al_(2)O_(3)填充含量为1.5%时对闪络现象的抑制效果最为显著。同时,环氧树脂复合材料在经过沿面闪络老化试验后,老化区域C、O元素之比降低,材料表面形成大量凸起颗粒和裂纹,使其呈现疏松、亲水等特点。研究结果可为提升环氧树脂表面耐压能力提供指导意义。     

氟硅烷修饰的纳米复合光固化涂层提升绝缘真空闪络特性

表面氟化被认为是提高绝缘真空沿面闪络电压的有效措施之一,然而由于材料表面形貌和元素的影响难以解耦,两者各自作用机制及抑制效果尚不清楚。为此通过在绝缘表面涂敷光固化涂层,利用涂层中氧化铝纳米片的排列堆积,构建不同粗糙度的表面形貌。进一步通过无机填料的表面氟硅烷修饰,利用固化过程的表面偏析现象在涂层表面引入氟代烃长链作为氟化层。通过闪络电压及表面电荷特性分析等表征手段,探究了表面形貌及元素组成对于介质表面耐电特性的影响。结果表明:氧化铝纳米片的排列堆积可改变表面形貌,增大粗糙度。颗粒表面偶联的氟碳链可在固化过程偏析,形成氟化层;在冲击电压作用下,粗糙的表面形貌是表面电荷积聚减少、闪络电压提高的主导因素;在高粗糙度条件下,氟化层的存在可以吸附更多能量较低的内二次电子,降低二次电子发射系数,进一步提高闪络电压。综合分析形貌及氟化层的影响后,提出了考虑体外真空侧二次电子倍增过程与体内电子输运的理论模型,该模型与表面电荷积聚特性具有良好的一致性。     

表面离子交换对可加工陶瓷真空沿面耐电特性的影响

真空中沿固体绝缘材料表面的闪络电压通常远低于绝缘材料自身及相同长度真空间隙的击穿电压,长期以来这一现象极大地限制了高压电真空设备的发展进程。鉴于此,将一种具有优良的可加工性能及表面耐电特性的可加工陶瓷引入真空绝缘领域,进而通过离子交换的方式改变可加工陶瓷的表面元素分布,以降低其表面的二次电子发射系数。并采用Cu+置换可加工陶瓷表面的Na+,考察了经不同离子交换时间后试品的表面形貌、介电特性及沿面耐电特性。结果发现:Cu+离子交换Na+能够提高可加工陶瓷的沿面闪络电压,随离子交换时间延长试品的沿面闪络电压有提高的趋势,并且出现闪络电压最高点,当离子交换时间过长时,闪络电压会有所降低。这为通过表面改性无机材料提高其表面耐电强度提供了一种新的方法。     

空气中直流条件下聚甲基丙烯酸甲酯沿面闪络实验

为研究直流条件下沿面闪络现象及其对绝缘材料的影响,搭建沿面放电系统,对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行了不同电极间距下的沿面放电实验,并对放电前后材料表面的形貌特征、水接触角和表面成分进行分析。结果表明：施加电压过程中,电极附近会出现浅紫色光晕,随着放电距离的增大,闪络电弧的波动性和强度增强。放电后,电极之间形成明显的放电痕迹,越靠近阴极,痕迹越明显。随着放电次数的增加,材料表面呈现淤泥状,粗糙度增大,水接触角降低。材料表面的C1s含量降低,O1s含量升高,大量的C-C键断裂,生成C-O键、O-C=O键等亲水性基团,进一步提高了材料的亲水性。分析表明：材料表面微观形貌和表面元素对闪络电压有一定影响,对材料改性以提高闪络电压具有一定指导意义。     

纳米TiO2-MWCNTs掺杂提升环氧绝缘材料真空直流沿面闪络性能

选用两种纳米填料:纳米氧化钛(TiO2)和多壁羟基碳纳米管(MWCNTS),向环氧树脂中单独或同时加入两种粒子,制备16种不同的环氧纳米复合电介质.通过体积电阻率测试、表面电位衰减试验与真空直流沿面闪络试验,探究纳米粒子对环氧纳米复合电介质沿面闪络特性的影响.结果表明:环氧纳米复合电介质的沿面闪络电压与填料的质量分数有关,适量的纳米填料会提升复合电介质的沿面闪络电压.单独加入纳米TiO2与MWCNTS分别将闪络电压提升了14.49％和23.11％,同时加入两种填料可进一步将闪络电压提升至44.99 kV,提升幅度高达36.06％.通过表面电位衰减曲线计算了材料的表面陷阱特性.分析深陷阱与沿面闪络电压的关系发现,闪络电压与深陷阱能级线性相关,陷阱能级越深,闪络电压越高.同时添加两种纳米粒子可以提高材料的深陷阱深度,从而抑制材料表面电子发射和电荷输运过程,提高沿面闪络电压.     

有机蒙脱土/交联聚苯乙烯纳米复合材料的制备及其沿面闪络性能的研究

以交联聚苯乙烯(CLPS)为单体,二乙烯基苯为交联剂,采用超声搅拌的方式将不同含量的有机蒙脱土纳米片(o MMT)均匀分散于苯乙烯中,通过偶氮二异丁腈引发自由基聚合反应,最终得到o MMT/CLPS复合材料。采用小角X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)与透射电镜(TEM)等对纳米片层的分散效果进行了表征,并采用短脉冲高压测试平台研究了复合材料的真空沿面闪络性能。结果表明:纳米片层均匀分散在复合材料中,其真空沿面闪络性能较纯交联聚苯乙烯得到了明显提升。     

等离子体氟化改性环氧树脂及其在C_4F_7N/CO_2混合气体中电气性能研究

气体绝缘全封闭组合电器(GIS)/气体绝缘输电线路(GIL)长期运行中绝缘子表面积聚的电荷严重威胁电气设备的稳定运行,改善绝缘材料表面化学物理性质能有效提升其绝缘性能。该文采用低温等离子体技术对环氧树脂绝缘试样进行氟化改性处理,通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)分析了改性前后绝缘试样的微观物理形貌及化学组分。等离子体处理可以高效可控地在环氧树脂表面大面积接枝氟元素,样片表面粗糙度随着改性处理时间呈现先增大后降低的现象,改性处理后样片的空穴陷阱能级略有变深、电子陷阱能级先变浅后变深。改性处理10min样片在C_4F_7N/CO_2混合气体中的交直流沿面放电均达到最大值。实验结果表明适当的氟化处理造成表面粗糙度的增加,导致爬电距离增加,正电荷消散变慢,负电荷消散变快,最终使得样片的闪络电压得到了提升。过度的氟化处理使得样片基体结构受损,氟元素剥离,最终造成绝缘强度下降。     

基于二元布气的大气压等离子体沉积TiO2功能层提高陶瓷表面绝缘性能

真空/固体介质界面的绝缘性能相对较低,真空沿面闪络现象时有发生,严重威胁高压电气设备、脉冲功率系统的安全可靠运行。为提高陶瓷材料在真空中的表面绝缘性能,该文采用大气压等离子体沉积技术,以钛酸四乙酯与乙醇的混合溶液为前驱物,利用二元布气的反应器在陶瓷表面沉积二氧化钛（TiO₂）薄膜。通过调控沉积条件,得到均匀致密的TiO₂功能层,并对沉积改性前后材料表面的理化特性、表面电荷特性、电荷陷阱分布以及在真空中的沿面闪络特性进行测量和表征。实验结果表明：当基底温度为25℃时,大气压等离子体沉积处理在陶瓷表面引入TiO₂功能层后,样品表面陷阱能级最低,电荷消散速度最快,与未处理样品相比,闪络电压提高39%;当基底温度升高至80℃时,TiO₂功能层致密均匀,样品表面陷阱能级最高,电荷陷阱逐渐变为深陷阱,闪络电压提高58%。通过大气压等离子体改性技术在绝缘材料表面沉积TiO₂功能层,能够有效提高陶瓷的表面绝缘性能,为后续工程应用提供新的改性途径。     

等离子体射流处理对聚全氟乙丙烯薄膜沿面绝缘特性的影响研究

闪络现象严重制约电气设备的设计制造和安全稳定运行,而绝缘材料的表面状态及特性对闪络有着重要影响。为探索聚合物材料表面带电特性对真空闪络的影响规律,利用大气压等离子体射流对聚全氟乙丙烯薄膜进行表面处理,研究不同处理条件对材料表面绝缘特性的影响规律。对处理前后材料的表面化学组成、表面陷阱能级分布及空间电荷分布进行测量和分析。结果表明:表面处理在材料表面引入了含Si的无机基团,并使材料表面陷阱能级轻微变浅,材料表面陷阱密度明显增加,且陷阱密度增加趋势与空间电荷分布呈现出一定的正相关性。开展了处理前后薄膜材料的真空沿面闪络实验,实验结果表明:材料的真空沿面耐压随陷阱密度的增加出现先增加后降低的现象。研究结果表明,大气压等离子体表面处理能够在一定范围内调控材料表面陷阱参数,适当增加材料表面陷阱密度,有助于提高材料真空沿面耐压。     

低气压介质阻挡放电条件下纳米SiO2表面氟化研究

为改善纳米颗粒的团聚问题,有效提升复合材料的绝缘性能,首先对低气压下基于介质阻挡放电的纳米Si O_2表面氟化过程展开研究,重点讨论了Si O_2表面氟化过程及其主导放电条件。然后基于等离子体放电特性和发射光谱诊断,分析了CF_4/N_2混合气体等离子体的放电及分布特性,并对表面氟化处理纳米Si O_2进行微观表征。最后初步分析了该氟化技术对环氧基体电气性能的影响。研究结果表明:气压为10～13.5 k Pa、电压为5～7 k V的CF_4/N_2低温等离子体在放电空间内呈现均匀分布;研究范围内的CF_4/N_2低温等离子体的电子温度最低为0.497 e V,可实现CF_4中C—F断键,为Si O_2表面氟化创造条件;对纳米Si O_2进行10 min等离子体有效氟化,F元素质量分数达到10.05%,且以CF_2主要形式存在;纳米Si O_2团聚现象得到有效改善,在环氧基体中的分散更加均匀。掺杂Si O_2质量分数为5%的氟化填料后,环氧树脂局放起始电压提升最明显,较同掺杂含量未氟化试样提高17.21%。结果证明等离子体填料氟化处理Si O_2填料的的可行性,为氟化改性纳米填料提供新的研究思路。     

环氧基碳纳米管纳米电介质的直流真空沿面闪络特性

气-固界面的沿面闪络电压低于同等条件下同种气体的击穿电压,从而制约着特高压电力设备的发展。对固体绝缘材料进行改性可以提高气-固绝缘系统的沿面闪络性能。为此,制备了8种不同的多壁碳纳米管(MWCNTS)掺杂环氧树脂,即掺杂质量分数分别为0%、0.02%、0.05%、0.1%、0.125%、0.15%、0.2%和0.5%的8种试样,并对试样进行了显微形貌、玻璃化转变温度、介电常数、表面粗糙度、电阻率、表面电位衰减特性(SPD)、直流真空沿面闪络特性的测试。试验结果表明:随着掺杂质量分数的提高,环氧复合材料的沿面闪络电压先上升后下降,并且在掺杂质量分数为0.1%时达到极大值,环氧复合材料的闪络电压比纯环氧树脂的提升了23.1%。通过分析发现,掺杂质量分数较低时,沿面闪络电压的上升与陷阱深度的增加及介电常数的下降有关;而掺杂质量分数较高时,沿面闪络的下降与浅陷阱密度的增加及介电常数上升有关。通过分析得到,介电常数会引起电场畸变,陷阱的深度和密度会影响载流子迁移过程,二者均对沿面闪络电压产生影响。     

纳秒脉冲下变压器油绝缘的击穿与闪络特性

纳秒脉冲下变压器油的绝缘特性是脉冲功率技术领域的关键问题之一。为此,利用NPC-120D型高压纳秒脉冲电源对该特性进行了实验研究,分别获得了1 mm间隙下变压器油的击穿和有机玻璃沿面闪络的实验数据。并采用等离子体射流对有机玻璃进行表面改性,比较了改性前后有机玻璃的沿面闪络电压。结果表明:在上升沿40 ns,脉宽100 ns的高压纳秒脉冲电源作用下,变压器油中1 mm击穿电压为120 kV,当加入绝缘介质有机玻璃后,在85 kV电压条件下发生了沿面闪络;利用等离子体射流处理后的有机玻璃在变压器油中的闪络电压显著提高,达到了120 kV。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

氟化改性石墨烯纳米片对环氧树脂复合材料沿面耐压性能的影响EI北大核心CSCD

环氧树脂(epoxy resin,EP)的氟化纳米改性是提升复合绝缘材料沿面耐压性能的重要手段。该文对石墨烯纳米片(graphene nanoplatelets,GNPs)分别进行等离子体氟化、化学氟化与等离子体–化学协同氟化3种不同形式的改性处理,探究不同氟化方式对含氟界面层的影响,并揭示其对EP复合材料直流沿面耐压性能的提升机理。结果表明:3种氟化石墨烯纳米片均对EP复合材料沿面闪络电压有提升效果。进一步对EP复合材料表面电荷消散情况及陷阱分布特性进行分析,发现不同接枝形式的GNPs对EP复合材料沿面耐压性能的提升机制存在差异。填料GNPs与EP基体间有效键合作用的形成,可以促进电荷沿GNPs的输运,从而影响EP复合材料的沿面耐压性能。     

表面处理对可加工陶瓷真空沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象严重制约着电真空绝缘系统的整体性能,限制了高压电真空设备的发展,而绝缘材料的表面状况对其沿面耐电特性有极大影响。本文针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,通过使用不同的砂纸对可加工陶瓷试品的表面进行打磨处理,使用超深度表面形态测定激光显微镜测定不同处理方式下试品表面形貌的变化,并对不同处理情况下的试品的真空沿面闪络特性进行测定。结果发现:使用砂纸打磨的方法能够有效改变试品的表面粗糙度,粗糙度变化规律明显,而随着试品表面粗糙度的增大,试品的真空沿面闪络电压提高。     

基于二维PIC-DSMC耦合算法的真空沿面闪络形成过程的等离子体演化特性

真空沿面闪络一直是限制相关高压技术应用的重要问题,因此通过深入认识真空沿面闪络形成过程等离子体演化特性来掌握影响等离子体形成和演变的主要因素,对进一步提高相关器件耐压性能有重要意义。为此基于金属-真空-绝缘体交界处的三相点场致电子发射、绝缘体表面电荷累积、二次电子发射、气体解吸附及电子与解吸附气体相互作用等基本物理过程,通过二维轴对称PIC-DSMC(网格质点法-直接模拟蒙特卡罗法)耦合算法建立了1 mm间隙的真空沿面闪络仿真模型,阐明了电子、离子和中性粒子的时空分布演化特性,揭示了绝缘体表面电荷累积对阴极表面电场的增强作用以及其导致的三相点场致发射电子增加,阐明了阴极附近正离子大量出现并增强场致发射导致了阴极附近首先形成电子雪崩并从而引起真空沿面闪络的物理过程,从而获得了完整的真空沿面闪络形成过程中的等离子体演化特性,这为深入理解真空沿面闪络机制和进一步提高相关器件性能奠定了基础。