表面粗糙处理对可加工陶瓷冲击闪络特性研究

长期以来,复合绝缘系统的耐电性能受制于其绝缘材料表面的沿面闪络,尤以真空闪络最为严重,大大限制了电真空器件的整体性能。以一种具有良好耐电性能的低熔点可加工陶瓷引入真空绝缘,通过不同砂纸打磨研究不同表面粗糙度对其闪络性能的影响。结果发现,在冲击电压作用下,随着材料表面粗糙程度的增加其闪络电压有上升的趋势,打磨方向垂直于电极连线方向的效果要优于打磨方向平行于电极连线方向。     

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。     

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。     

空气中不同表面粗糙度PMMA表面电荷动态特性研究

绝缘材料的表面物化特性会对其绝缘性能产生重要影响,为研究绝缘材料表面形貌与表面电荷的关系,通过对有机玻璃(PMMA)进行电晕充电,分析电压极性、表面粗糙度、打磨方式对材料表面电荷动态特性的影响。结果表明:打磨处理后PMMA表面电荷动态特性发生改变,在负极性电压下,顺序打磨后材料表面电荷积聚量较未打磨的少,乱序打磨后材料表面电荷积聚量增多。对于电荷消散速率,当材料表面粗糙度较小时,顺序打磨后消散速度较未打磨的快,随着表面粗糙度的增大,消散速度变慢;乱序打磨后电荷消散速度变慢,随着粗糙度的增大,电荷消散速度减慢的现象更为明显。实验中材料表面电荷消散途径主要沿介质表面消散,且负极性表面电荷的消散速率大于正极性表面电荷的消散速率。     

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。     

表面粗糙度对绝缘材料真空闪络特性的影响

在高电场作用下,在真空、气体或液体介质中常常会发生沿固体绝缘表面的破坏性放电现象,即表面闪络,而发生闪络的电压往往远低于固体和氛围介质本身的击穿电压,其中尤以真空中的闪络现象最为严重.本文针对真空条件下PTFE和可加工陶瓷在冲击电压下的沿面闪络现象进行了观测和研究.发现改变绝缘材料粗糙度对其闪络特性有明显的影响,并对这些现象进行合理解释.     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

表面粗糙度对变电站绝缘子冲击闪络特性影响

为了研究表面粗糙度对绝缘子闪络特性的影响,使用了不同目数的砂纸对绝缘子表面进行均匀打磨,并利用激光共聚焦显微镜对绝缘子表面粗糙度进行量化处理。利用陡前沿冲击试验装置产生标准雷电冲击,并对不同粗糙度的绝缘子施加正负标准雷电波,观察了在不同极性的标准雷电波的作用下绝缘子沿面闪络电压和表面粗糙度的关系,并从实验得随着绝缘子表面粗糙度的增大绝缘子50%闪络电压逐渐降低,在正、负极性的标准雷电波新绝缘子即未经过砂纸打磨的绝缘子的平均50%击穿电压最高,分别为424.9 k V,429.1 k V,各个粗糙度下的绝缘子的闪络电压与未打磨的绝缘子的闪络电压的比值在半对数坐标系下与粗糙度的关系呈线性关系。     

低温温度梯度下环氧玻璃纤维材料表面电荷积聚行为及其对沿面闪络特性的影响

超导能源管道终端由于其特殊的运行环境,终端用绝缘材料在承受高电场的同时,也承受着近百摄氏度的低温温度梯度。为此基于超导电缆终端常用绝缘材料——环氧玻璃纤维材料,研究了低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚特性及其对沿面闪络特性的影响机制。首先测量了环氧玻璃纤维材料在不同温度以及不同温度梯度下的沿面闪络特性;随后利用仿真软件建立了绝缘材料气-固界面的电荷迁移模型,分析了不同温度以及不同温度梯度对材料表面电荷积聚特性和表面电场分布特性的影响;最后结合试验结果与仿真结果,提出了低温温度梯度对绝缘材料沿面闪络的影响机制。试验结果表明：当温差ΔT=100K时,绝缘材料表面的局部放电起始电压与闪络强度分别为无温度梯度时的74.0%和75.9%。而仿真结果显示,低温温度梯度下绝缘材料表面电荷积聚现象明显,表面最高电场强度可达到不存在温度梯度时的10倍左右。因此,温度梯度下材料表面电荷积聚以及电场的畸变被认为是造成绝缘材料沿面绝缘强度下降的重要原因。该研究有助于理解低温温度梯度下材料表面电荷积聚特性及其对电场分布和闪络电压的影响机制,对低温下绝缘材料的绝缘特性研究以及绝缘优化设计具有重要意义。     

液氮中绝缘体表面形状对沿面闪络电压的影响

液氮环境下绝缘材料沿面闪络特性的研究是低温高压绝缘技术的重要内容,为得出有效增大爬电距离的方法,研究了液氮环境下绝缘材料的不同表面形状对沿面闪络电压的影响。通过实验测量了爬电距离均为10 mm的不同直径的圆柱形试品、不同斜面倾角的圆台形试品和折线形侧面试品在液氮中的沿面冲击闪络电压,并对试品的电场进行了仿真。实验结果表明:液氮环境中,圆柱型绝缘体直径增加,沿面闪络电压略有下降;不同形状的绝缘体沿面闪络电压有较大差异,其原因是表面形状改变了电场分布,三结合点处场强愈小,绝缘表面电位梯度愈均匀,沿面闪络电压愈高。     

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。     

复合材料的陷阱参数对其在真空中高压脉冲下沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘材料性能的提高，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。该文针对环氧基复合材料引入真空绝缘的背景，研究了脉冲电压作用下，复合材料的表面陷阱状况对其沿面绝缘特性的影响。通过对Simmons等温电流理论的进一步推导，完善了利用表面电位衰减测量材料表层陷阱能量分布的理论和方法，并分析了填料浓度对于材料表层陷阱的影响机制。在已有的二次电子发射雪崩(SEEA)闪络模型基础上，强调了深电子陷阱在沿面闪络过程中的作用，并定性分析了此过程中的物理机制和影响因素。复合材料中的深陷阱对于抑制材料表面的内二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压。     

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。     

直流电压下金属微粒对绝缘材料真空沿面耐电性能的影响

表面附着金属微粒是绝缘子发生沿面闪络的重要诱因,研究金属微粒对绝缘材料真空沿面耐电性能的影响对于真空电气设备的研发、生产以及运行等具有重要意义。为此采用对称平面压接电极结构,研究了直流电压下金属微粒尺寸及附着位置对聚四氟乙烯(PTFE)材料沿面闪络电压及表面电荷分布的影响。结果表明:在直流电压下,金属微粒会显著降低材料的闪络电压且粒径越大其降低程度越大,2 mm微粒可使闪络电压下降25%左右;在不同附着位置下,金属微粒靠近阴极时材料闪络电压最高,其次为靠近阳极,中间位置最低。综合分析认为,金属微粒畸变了其附近区域的局部电场,进而影响了材料表面的场致电子发射和SEEA过程,其对电场的畸变程度和畸变区域随微粒粒径和附着位置的不同而改变,因此导致材料的沿面闪络电压随微粒粒径增大而降低,同时因微粒附着位置不同而有所差异。     

SF_6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络实验研究

针对气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内盆式绝缘子所用的环氧树脂材料,在纳秒脉冲条件下开展沿面闪络老化实验研究。设计不同气压值下沿面闪络新型实验装置,在SF6环境中进行环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性研究,并对沿面闪络前后材料老化区域的表面形貌和元素组成进行测试,分析环氧树脂材料老化前后表面理化特性的变化规律。实验结果表明,随着SF6气体压强的增大,环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络电压升高。闪络老化后环氧树脂表面氧化铝颗粒凸显出来,且随着老化进一步加深,表面聚合物与放电产生的含氟物质发生反应生成有机氟化物,反应产物被电弧溅射出去覆盖在材料表面。而氧化铝颗粒填料的性质在闪络老化过程中并未发生明显变化。以上针对环氧树脂绝缘材料所开展的实验研究可为GIS内环氧树脂绝缘材料改性,以及增强其耐压性能和抗老化性能提供指导。     

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。     

环氧树脂真空沿面闪络后表面形貌的AFM分析及分形特征提取

系统而准确地描述绝缘材料表面形貌特征有利于进一步掌握材料表面形貌的放电损伤规律,对建立表面形貌与闪络特性之间的关联具有重要意义。在不同电场下对环氧树脂进行真空沿面闪络,通过原子力显微镜(AFM)研究不同闪络次数、不同放电位置的试样表面形貌特征,并引入分形理论对形貌特征进行定量分析。结果表明,随着闪络损伤增强,试样表面形貌依次经历了毛刺状、颗粒状、山峰状和连续山峦状的演变过程,表面粗糙度不断增大,且极不均匀电场下闪络对表面形貌的影响更为显著。此外,环氧树脂表面形貌具有分形特性,利用分形维数与多重分形参数能定量表征表面形貌的复杂程度及高度分布状况。研究发现,闪络后环氧树脂的沿面耐压性能总体呈下降趋势,且介质的沿面绝缘特性与表面粗糙度及分形参数间均存在一定关系。     

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。     

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。     

绝缘材料沿面闪络发展特性的研究进展

综述了目前国内外绝缘材料沿面闪络的研究现状,介绍了沿面闪络试验研究采用的典型电极结构和测量方法,沿面闪络传播途径、发光强度等特性变化,以及不同外界条件对沿面闪络发展特性的影响,提出了绝缘材料表面沿面闪络试验及理论研究需要深化和拓展的方向,为改善设备的绝缘和改进线路设计提供理论依据。