等离子体氟化纳米SiC/环氧复合涂层对环氧树脂闪络特性的影响

环氧树脂绝缘子在电场的作用下会发生表面电荷积聚,严重时会发生沿面闪络现象,威胁电力系统和电气设备的安全运行。为此利用CF4/Ar等离子体对纳米SiC进行氟化处理,以改变其在环氧树脂中的界面特性,将含有不同质量分数氟化纳米SiC的环氧复合涂层材料以3种不同厚度涂覆在环氧树脂基体上,对其进行表面电位测试和直流闪络测试。实验结果表明:随着填料在环氧涂层中含量的增加,试样的闪络电压增高,电荷消散速度加快,陷阱能级和密度降低。增加涂层厚度同样可以提高试样的闪络电压,等离子体氟化纳米SiC质量分数为5%的涂层厚度为600μm时,闪络电压较无涂层试样提高了18.7%。涂覆等离子氟化纳米SiC/环氧复合涂层作为便捷有效的方法,在减少电气设备运行故障方面具有广阔的应用前景。     

交联聚苯乙烯表面CF_4等离子体改性及其真空沿面闪络性能

绝缘材料的真空沿面闪络性能是目前电气工程领域的研究热点,为此采用大气压介质阻挡放电技术,对交联聚苯乙烯(CLPS)进行CF_4等离子体表面改性。通过静态水接触角、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术,分析改性前后CLPS的表面特性;同时测量改性前后的真空沿面闪络性能,讨论了表面微观形貌在纳米尺度上的变化及表面氟含量与闪络电压的关系。结果表明:CF_4等离子体可以改变材料表面微观形貌并对表面进行氟化,使得CLPS真空沿面闪络电压提高50%以上。表面高度特征参数Ra随改性时间增加先增加后减小,引入氟以单氟接枝碳原子(C—F)的形式存在,纳米尺度下增加Ra以及在表面分子链中引入C—F键可提高CLPS真空沿面闪络电压。     

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。     

氧化铝陶瓷绝缘子真空沿面闪络过程中的陷阱机制

采用热刺激电流法(TSC)研究了不同烧结温度和掺有不同添加剂的氧化铝陶瓷的陷阱能级密度分布特性以及在负脉冲电压作用下的真空中表面带电和沿面闪络特性。研究发现，氧化铝陶瓷的陷阱分布与其真空中的表面带电和沿面闪络特性之间存在一定的内在联系，即材料中的陷阱密度越大，其表面电荷密度越高，且沿面闪络电压越低。上述结果表明，氧化铝陶瓷在真空沿面闪络过程中，除了电介质的二次电子发射作用外，载流子的入陷、脱陷机制也起着相当重要的作用。     

固体电介质真空沿面闪络研究进展

针对真空中复合绝缘体系的耐电强度受到沿面闪络现象限制问题,综述了国内外真空沿面闪络相关的研究进展。研究发现,真空中固体绝缘介质的沿面闪络性能受老练方式、介质的表面特性及体特性、介质表面沉积电荷、绝缘体系的电场分布等因素影响。机理分析认为真空中的沿面闪络现象实质上是高场下电荷在气-固界面的输运行为,其过程涉及到介质表层中的电荷捕获/脱陷特性、二次电子的发射特性、以及气相中的气体(或解吸附气体)分子的碰撞电离/电子倍增等过程,沿面闪络的发展和形成是以上几个因素相互耦合作用结果。基于以上分析及认识,认为可以从改变材料表面特性及体特性和改善整个绝缘体系的电场分布方面,来提升真空沿面闪络电压。     

强流脉冲电子束源陶瓷真空界面闪络特性及其抑制技术研究

作为强流电子束源的关键部件之一,真空界面的沿面闪络问题严重制约和影响强流加速器和高功率微波系统的性能。该文针对强流电子束源中的陶瓷真空界面性能提升需求,首先利用VSim仿真软件建立陶瓷真空界面沿面闪络动态仿真模型,分析二次电子发射系数、二次电子倍增与碰撞电离等过程,仿真研究表面二次电子发射系数、表面解吸附气体、表面积聚电荷等因素对陶瓷沿面闪络的影响;在此基础上,结合工程样机,分别从降低表面二次电子发射系数和抑制二次电子倍增的角度,提出高温涂层和表面非周期波纹提高陶瓷耐压水平、抑制闪络的方法。在500k V、100ns、20Hz重频长脉冲平台上分别对上述2种表面处理的陶瓷真空界面开展耐压测试,结果显示:表面涂层和表面非周期波纹结构均可提高脉冲条件下陶瓷闪络电压,闪络电压提升幅度分别为12.4%和14.7%,且重频运行稳定。论文研究工作为强流脉冲功率领域陶瓷真空界面的设计与运行提供了重要参考。     

交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展

在高电压长时间作用下,固体绝缘表面容易积聚电荷,并有可能诱发绝缘子沿面闪络,进而影响电力系统的安全可靠运行。研究交流电压下固体绝缘表面的电荷积聚特点及放电特性,对于提高绝缘子的沿面闪络电压、改善绝缘子制造水平等都具有重要意义。该文结合目前正在进行的研究工作,针对当前交流电压作用下电荷积聚和放电特性研究中的关键问题,如电荷测量方法、电荷积聚原因、分布特点、影响因素以及表面电荷与沿面闪络电压的关系等进行阐述,对近年来相关的电荷积聚与放电特性研究进展进行总结,并对下一步的研究工作进行展望并提出建议,旨在为未来交流电压作用下绝缘子表面电荷的相关研究提供参考。     

环氧树脂试品局部粗糙度处理对其直流绝缘性能的影响北大核心CSCD

环氧树脂材料在电场作用下会出现表面电荷积聚现象导致沿面放电。为改善环氧树脂材料的直流绝缘性能,文中对环氧树脂试品表面进行局部粗糙度处理,开展闪络实验,探究局部粗糙度处理在空气、C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和SF_(6)3种气体环境中对环氧树脂试样闪络特性的影响。建立二维仿真模型,通过有限元法分析局部粗糙度处理后环氧树脂材料的表面电荷特性以及陷阱分布。根据闪络实验结果,粗糙面位置不同的环氧树脂试品的沿面闪络电压在3种气体中均随表面粗糙度的增加呈现先上升后下降的趋势,并在粗糙面位于中心且表面粗糙度为1.3μm时达到最大值。仿真结果显示,对于指型电极,环氧树脂材料表面积聚双极性表面电荷,当粗糙面位于试品中心时空穴陷阱和电荷陷阱的密度较小。因此可认为对环氧树脂的局部粗糙度处理能够改变其沿面闪络特性与表面电荷特性,通过合理选择粗糙面的位置以及粗糙度的数值可改善环氧树脂的直流绝缘性能。     

表层氟化环氧树脂的直流闪络特性

绝缘电介质表面电荷积累和分布对其沿面放电和击穿行为具有重要影响。通过表层氟化调控环氧树脂表面微观形貌和表面电位衰减速率,研究电极间隙、升压速率和电场均匀程度对环氧树脂负极性直流闪络特性的影响。结果表明：氟化导致环氧树脂表面电位衰减速率加快和表面粗糙度明显增加。经较长时间氟化的环氧树脂样品,其表面粗糙度上升趋至饱和且其在准均匀电场和极不均匀电场中的沿面闪络场强均有所增加。氟化修饰对极不均匀电场下的闪络场强提升效果更为明显：电极间隙10 mm时氟化15、30和60 min使环氧树脂在极不均匀电场中的闪络场强分别增加16%、34%和47%,而在准均匀电场中的闪络场强增加幅度仅分别为9%、15%和22%。表层氟化可抑制环氧树脂表面电荷积累,阻碍放电通道形成,从而提高闪络场强。     

固体绝缘表面状态对其闪络机理影响的研究进展

针对固体绝缘表面状态引起的沿面闪络放电问题,综述了固体表面物化特征因素及表面缺陷对沿面闪络过程影响的研究进展。研究发现,固体绝缘沿面闪络放电特性与其表面物化特征存在关联关系,主要受表面微观形貌、表面能态、表面陷阱分布密度及表面粗糙度等因素的影响,并认为闪络现象本质上是高电场下气固界面电荷的输运行为,而且由于固体绝缘表面的固化加工缺陷,对闪络过程的分析将需要考虑表面物化特性与表面缺陷的综合作用。根据对表面微裂纹所引起的沿面异常闪络现象研究,分析了表面缺陷的形成演变过程以及对闪络放电特性的影响机制,进而提出通过改变固体绝缘表面状态特征来提高闪络电压的方法,并深入探究气固界面的闪络机理。     

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。     

基于分区涂覆的圆盘绝缘子表面电荷抑制试验分析

环氧绝缘子作为气体绝缘开关GIS(gas insulated switchgear)设备的关键部件，起到电气绝缘和机械支撑的作用。积聚在绝缘子上的表面电荷是诱发沿面闪络事故的原因之一，研究表面电荷的抑制方法对于保障GIS安全运行具有重要意义。以制备缩比尺寸圆盘绝缘子为研究对象，在负直流电压下观测表面电荷的积聚特性。选取不同种类的纳米颗粒分别制备高、低电导率和非线性电导率的环氧基纳米复合材料涂层，研究涂料电导率、涂覆方式对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结果表明，采用分区涂覆可以显著抑制绝缘子非平面区的电荷积聚和地电极处的电荷注入，从而使表面电荷密度降低，为抑制绝缘子表面电荷积聚提供了一种新的途径。     

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。     

表层氟化环氧纳米复合材料表面的电荷动态特性

环氧树脂绝缘表面积聚的大量电荷是导致表面闪络的重要因素。在环氧树脂中掺杂TiO2无机纳米颗粒之后,可以增强其力学性能和抗电痕破坏性能,但对其表面电荷动态过程研究较少。同时,表层氟化可以保持原有有机聚合物的优良性能之外,还可使聚合物的本证缺陷得到改善。为此,制备了纯环氧试样以及含纳米TiO2质量分数分别为2%、4%、6%、8%的纳米复合试样,并对试样进行不同时间(0、30、60、90、120 min)的氟化处理,研究其在直流电场下纳米TiO2质量分数与氟化时间对表面电荷的积累与消散特性的综合影响。研究表明:纳米TiO2颗粒会减缓环氧树脂表面电荷消散的速度,6%纳米复合试样电荷消散最慢;表层氟化处理可以加速电荷消散速度,所以可以通过表层氟化处理来弥补纳米颗粒加入后对环氧树脂绝缘性能所带来的不利影响。     

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。     

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明：非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。     

氟化剥离填料对氮化硼/环氧复合材料沿面闪络电压的影响

氮化硼/环氧树脂复合材料因其优异的导热、机械、电学性能成为高压电气设备中重要的功能材料。为此提出对填料进行氟化剥离处理以提升复合材料的绝缘性能。通过制备含改性氮化硼质量分数分别为1%、2%、4%、8%的环氧树脂复合材料,与未处理填料的氮化硼/环氧树脂复合材料进行对比,研究其在直流电场下表面电荷消散与闪络电压的特性。采用SEM、FTIR、AFM、EDS等手段研究填料改性前后的性质和材料表面闪络处的形貌和元素成分。结果显示:材料表面电荷的消散速度及闪络电压随填料质量分数的增加而提升;对氮化硼填料氟化剥离处理有助于促进复合材料的电荷消散,提高闪络电压。从电荷消散途径、氮化硼禁带宽度、材料表面陷阱效应方面对实验现象进行了解释,为复合材料的无机填料处理提供了一种新的改性方法。     

环保气体下灰尘对环氧树脂闪络特性的影响

气体绝缘设备中环氧树脂绝缘子表面染污是引发其沿面闪络的重要原因,明确各类型灰尘对环氧树脂绝缘性能的影响具有重要的意义。采用3种材质粉末模拟气体封闭绝缘设备中可能出现的灰尘类型,并对各组附灰试样进行表面电荷特性测量分析,并在混合C₄F₇N-CO₂气体环境中进行了工频交流沿面闪络测试。测试结果显示,金属类附灰电荷积聚量最多,绝缘类与半导体类附灰积聚电荷量相近;金属类附灰试样电荷消散速度最快,附半导体类其次,而绝缘类附灰试样消散最慢。金属类附灰试样沿面闪络电压随附灰粒径d减小而逐渐提高,半导体类、绝缘类附灰试样沿面闪络电压随d减小而逐渐降低;与经表面充电操作后的试样相比,未充电的试样(原试样)闪络电压较低。阐述了环氧树脂绝缘表面附着不同材质、不同粒径灰尘对于其表面电荷特性及沿面闪络特性的影响及二者间关联关系。     

表面粗糙度对有机玻璃材料真空沿面闪络特性的影响

目前国内外关于绝缘材料的表面粗糙度对其真空中沿面闪络特性的影响尚无定论。为此以有机玻璃材料为研究对象,采用不同目数的砂纸制备不同表面粗糙度的样品,并进行了真空沿面闪络实验研究。结果表明:随着表面粗糙度的增加,有机玻璃的闪络电压呈现U型变化规律,即先减小后增大的变化趋势。同时,研究了打磨方向对有机玻璃闪络特性的影响。在粗糙度较大的情况下,合适的打磨方向可以明显提高闪络电压,尤其是垂直于电极方向打磨时,材料表现出闪络电压高、分散性小的特点;但在粗糙度较小的范围内,闪络特性受打磨方向的影响不明显,甚至有略微下降的趋势。结合实验结果,基于二次电子发射雪崩理论,从宏观和微观2个角度讨论了粗糙度对于绝缘材料闪络特性的影响机理,提出了表面粗糙度对于闪络影响的博弈模型。     

纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷的三维分布形态EI北大核心CSCD

表面电荷的积聚会改变电场分布,也会参与放电的电子倍增过程,导致真空绝缘子的沿面闪络电压显著降低。工程中的真空绝缘子是45°圆台形,现有的表面电荷二维测量不能满足研究要求。为研究表面电荷分布特性,研制了表面电荷三维测量平台,获得了表面电荷的三维分布形态。在正极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为正,在负极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为负。靠近上电极表面电荷密度大。随着脉冲电压幅值和次数的增加,电荷积聚量明显增大。表面电荷的积聚使闪络电压有一定程度的降低。45°圆台绝缘子上电极处的强电场导致的场致发射是表面电荷产生的原因。