针叶木原浆种类对绝缘纸性能的影响

为探究针叶木原浆种类对绝缘纸性能的影响,选取进口自瑞典、美国、加拿大和俄罗斯的4种针叶木浆,利用其制备绝缘纸试样,对所得试样的绝缘性能进行测试和分析。显微观测结果表明,上述4种针叶木纤维的交叉场纹孔形貌具有明显差异,纤维的长度和宽度不尽相同,由此表明试验所用的4种原浆来自不同的针叶木树种。机械性能上,4种绝缘纸试样的抗张强度值均100 MPa,大幅高于行业标准值80 MPa。电气性能上,4种绝缘纸试样在空气中和油中的交流击穿场强分别在10.7 k V/mm和48.6 k V/mm以上,明显高于行业标准规定的9 k V/mm和40 k V/mm。对比分析不同绝缘纸之间的性能差异和测量结果分散性,认为针叶木原浆种类会影响绝缘纸的相对介电常数和油中交流击穿场强,对绝缘纸的抗张强度、体积电阻率,介质损耗角正切值以及空气中交流击穿场强则无明显影响。考虑到加拿大针叶木浆绝缘纸具有较低的相对介电常数值和较高的油中交流击穿场强,认为其相对更适宜于交流用绝缘纸的制备生产。     

造纸用水电导率对油纸绝缘电气特性的影响

水在纸的制造过程中发挥了关键作用。为探究水电导率对油纸绝缘电气性能的影响,分别利用电导率为3μS/cm的纯净水和电导率为100μS/cm,500μS/cm和1 000μS/cm的氯化钠溶液制备绝缘纸,进而得到油纸试样。对所得试样,测试电导电流、体积电阻率、介电特性和击穿特性。结果表明:随着造纸用水电导率的增加,油纸试样的电导电流上升,体积电阻率下降,介质损耗角正切值增大;交流击穿场强没有显著变化而直流击穿场强从90 kV/mm下降到72 kV/mm。利用离子色谱仪分析绝缘纸中钠离子和氯离子的质量分数,发现离子质量分数随水电导率的增加而升高。由此得出,造纸过程中随着水电导率增加,纸中残留的离子含量增加,从而引起油纸绝缘部分电气性能的变化。     

多元共混改性绝缘纸的制备及绝缘性能

为了研究有机填料和无机填料的共同作用对绝缘纸性能的影响，利用纳米原纤化纤维素包覆经盐酸多巴胺表面处理后的纳米二氧化钛(TiO₂)，得到多元共混填料(PDA-TiO₂@NFC)，然后将多元共混填料填充到纤维素绝缘纸中，制备了不同多元共混填料浓度改性的三明治结构绝缘纸，探究了多元共混填料改性绝缘纸的最佳浓度，分析了不同多元共混填料浓度改性绝缘纸的抗张强度、直流体积电阻率、击穿特性和空间电荷。结果表明：当多元共混填料浓度为0.5%时，改性绝缘纸的抗张强度相对于未改性绝缘纸提升了17.90%，油浸纸的交、直流击穿强度均提升了17%以上，并且能有效抑制空间电荷的注入，对直流体积电导率的影响不甚明显。利用此种方法制备的三明治结构绝缘纸，力学性能和电气强度提升效果显著，为协同提升绝缘纸的各项性能提供了参考。     

不同温度下高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应

保守的绝缘厚度设计增加了电缆的生产成本,同时导致了击穿场强的减小,降低电缆性能。因此,高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应研究具有工程实际意义。选取高压直流电缆用交联聚乙烯国产直流料作为研究对象,通过对不同厚度试样进行30、50、70℃下的直流击穿实验和空间电荷测试,研究温度对于交联聚乙烯击穿场强厚度效应的影响与机理。研究结果表明:交联聚乙烯的直流击穿场强随温度升高而降低,不同温度下交联聚乙烯的击穿场强与厚度的关系符合反幂定律,指数因子随温度变化,30℃时为0.41,50℃时为0.71,70℃时为0.56;30℃时,交联聚乙烯空间电荷密度和电场畸变与厚度呈正相关,导致击穿场强降低;随着温度升高,空间电荷积累增多,电场畸变增大,在薄试样中这种变化更为明显。实验结果说明,温度作用下的交联聚乙烯击穿场强的厚度效应与聚合物自由体积的变化、内部热量的积聚、空间电荷的二次效应等因素密切相关。     

高压直流塑料电缆绝缘用纳米改性交联聚乙烯中的空间电荷特性

为发展国产高压直流(HVDC)塑料电缆绝缘材料,削弱直流电缆运行中温度梯度效应对电缆绝缘中电场强度的畸变,针对国产纯交联聚乙烯(XLPE)、自行研发的纳米改性XLPE以及从国外进口的高压直流用XLPE等3种材料的试样进行了研究。利用电声脉冲(PEA)法和电阻率测量系统,测量了3种XLPE试样在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下的空间电荷特性和电阻率特性。研究结果表明:在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下,纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量最少、短路后残余电荷量较少;随着温度升高,3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势,但自行研发的纳米改性XLPE试样的体积电阻率在测试的高低温范围内始终最高,且比纯XLPE试样高出约1个数量级。因此认为在所测试的3种XLPE试样中,自行研发的纳米改性XLPE材料在测试温度范围内能最好地抑制空间电荷,拥有最高的体积电阻率。     

硅烷接枝聚丙烯的直流电性能与陷阱机制

为研究接枝改性聚丙烯(polypropylene, PP)作为可回收直流电缆绝缘的电气性能及其调控机理,制备了乙烯基三乙氧基硅烷(vinyltriethoxysilane,VTES)接枝改性的聚丙烯,并重点对其常温和高温下的击穿场强、体积电阻率和相关的陷阱特性与机制进行了测试与分析。实验研究表明：接枝硅烷后的聚丙烯在30℃和90℃两种温度以及电缆绝缘层工作场强的条件下,其电阻率最高提升2～3倍,击穿场强提升接近10%,空间电荷被显著抑制;接枝硅烷可以在材料中引入大量深陷阱。仿真分析表明,接枝硅烷能够在材料中引入较深的电子陷阱能级和较深的静电势阱。陷阱和势阱可以捕获自由载流子,影响电荷输运过程,从而实现电阻率的提升。该文工作可为后续接枝改性聚丙烯直流电缆绝缘材料研究与开发提供参考。     

绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法

交流电压下油纸复合绝缘中纸板的介电常数越低整体的耐压水平越高。不同制备工艺参数会直接影响绝缘纸板的介电常数和击穿场强，但目前关于打浆、热压等工艺的制备参数与介电、击穿性能之间缺乏协同优化。本文从打浆时间、打浆压力、热压时间、热压压力、热压温度等工艺入手，研究制备工艺对1mm高密度针叶木绝缘纸板性能的影响和权重；通过权重大小改变不同工艺参数的组合方式，进而寻求最佳工艺，使得降低油浸纸板介电常数的同时保持其击穿性能不下降。利用电声脉冲法测量油浸纸板内部空间电荷，用表面电位衰减法测量油浸纸板表面陷阱参数，揭示了工艺和表面结构对性能的影响机理。研究结果表明：对于介电和击穿性能相匹配这一目标而言，高密度针叶木绝缘纸板的最佳工艺为：打浆参数取3 kg、60 min，热压参数取160℃、50 min、15 MPa。因为高打浆压力使得纤维分丝帚化程度更高，进而限制电荷在纤维间传输，同时减小油隙，提高油浸纸板击穿场强；适当的热压温度、热压压力、表面结构可以降低界面、表面陷阱密度和陷阱深浅，使得电荷分布更加均匀，从而降低界面极化和介电常数，为绝缘纸板制备和性能调控提供指导。     

介质击穿与界面区陷阱特性的关联

为了研究介质击穿与陷阱特性的关联,分别制备掺杂1%质量分数的聚丙烯/氮化铝和聚丙烯/氧化铝纳米复合电介质,测试了试样的热刺激电流、介电频谱、电阻率和直流击穿特性。实验结果表明：纳米复合电介质的深陷阱密度、体积电阻率和直流击穿强度均高于纯聚丙烯试样。分析发现纳米复合电介质的电阻率和击穿场强与深陷阱密度呈正相关性,深陷阱密度增加,其电阻率和击穿场强增加。基于电荷输运模型和交互区势垒模型,解释了直流击穿机理：介质体内深陷阱密度的增多来源于纳米掺杂形成的界面区;深陷阱密度的增加增强了捕获效应,限制了载流子迁移,导致载流子平均自由程、载流子迁移率和能量减小,使得电导率降低;高场强时,捕获效应增强抑制了介质体内载流子倍增过程,导致碰撞电离不易发生,直流击穿场强增加。     

等规和嵌段聚丙烯的结构和性能

聚丙烯(PP)不仅具有良好的电气性能和耐热性能,而且在寿命终止后可循环利用,有可能替代交联聚乙烯(XLPE)作为电缆绝缘材料。因而通过研究乙烯–丙烯嵌段共聚聚丙烯(EPC)和等规均聚聚丙烯(iPP)的微观结构、力学冲击强度和电学性能,探讨了EPC作为高压直流电缆绝缘材料的潜力。结果表明:iPP和EPC中只有α球晶,EPC中的α球晶较iPP中的小而密集,球晶之间没有明显的界面,球晶生长速度慢,但总结晶速度快。在不同温度下的非等温结晶过程中,EPC的结晶度低,熔点高。同时EPC中嵌段共聚的乙烯分子链片段形成橡胶态结构,显著提高了其抗冲击强度,低温脆化温度可达–57.3℃,远低于iPP的–5℃。EPC的常温体积电阻率和直流击穿场强低于iPP,但随温度升高其体积电阻率和击穿场强的稳定性高于iPP。在90℃,iPP和EPC的直流击穿场强分别下降了27%和21%,体积电阻率分别下降了128.8×10~(15)?·cm和52.5×10~(15)?·cm。在40 kV/mm下,iPP积聚的空间电荷密度约为EPC的3倍,因而EPC更适用于挤出型高压直流电缆绝缘料。EPC性能的改善均与其相态结构和微观晶体结构有关。     

冲击电压下160kV高压直流电缆绝缘材料击穿特性研究

为了研究士160 kV高压直流交联聚乙烯电缆绝缘料切片在标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压下的击穿场强随温度的变化特性,设计了一套温度控制系统,试验温度控制在30~70℃,并采用三参数威布尔分布模型对试样的击穿场强进行统计分析。结果表明:温度对XLPE雷电冲击电压下的击穿特性影响较小,其击穿场强值随温度变化较小;高于40℃时,温度对操作冲击电压下的击穿场强有较大影响,其击穿场强随温度升高明显降低。在两种冲击电压下,大部分试样在冲击电压上升沿发生击穿,表明试样的击穿场强对电压变化率更为敏感。通过对XLPE的击穿原理分析,进一步阐述了陷阱和空间电荷是XLPE聚合物击穿的主要原因。     

纳米SiO_2/芳纶绝缘纸复合材料的空间电荷特性和介电性能

为提高油纸绝缘系统的绝缘寿命,提出将纳米SiO_2粒子改性的芳纶绝缘纸应用于直流输变电设备的方法。在加压和去压短路条件下,测试了不同纳米SiO_2含量的芳纶绝缘纸试样的空间电荷特性、热刺激去极化电流、直流击穿强度和体积电阻率。结果表明:添加纳米SiO_2使芳纶绝缘纸的线均电荷密度明显低于纯芳纶纸试样;随纳米SiO_2含量的增加,试样平均电荷密度衰减速率呈现先减小后增大的变化趋势;SiO_2的添加增加了芳纶纸内部深陷阱和浅陷阱的密度;纳米SiO_2含量为1wt%时直流击穿强度最大;芳纶纸的体积电阻率随纳米SiO_2含量增加呈单调递增趋势。机理分析表明纳米SiO_2粒子浓度过高时,其分散性变差导致其对芳纶纸性能的改善作用变弱。     

高耐热等级绝缘纸的制备及短时热老化性能快速评价研究

在聚酰胺酸预聚体溶液中加入改性纳米Si O_2颗粒,通过浸渍绝缘纸制备出纳米Si O_2/聚酰亚胺(PI)复合绝缘纸,将复合绝缘纸在150、160、170、180、190、200℃下老化32 h,每隔4 h取出绝缘纸进行力学性能测试及微观形貌分析,研究复合绝缘纸的耐热性能。结果表明:复合绝缘纸的初始抗张强度为11.19 k N/m,比未改性绝缘纸提高了34.82%。随着热老化温度和时间的增加,复合绝缘纸的抗张强度呈下降趋势,但在同一温度下,复合绝缘纸的抗张强度明显高于未改性绝缘纸。改性后PI/Si O_2复合绝缘纸的耐热等级由改性前的A级提升到B级水平。     

电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV XLPE电缆材料绝缘性能的影响

该文研究了4-正丙基苯甲酸电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆材料绝缘性能的影响。采用500kV XLPE直流电缆料,通过溶液共混法和热压法制备电压稳定剂含量分别为0%、1%、3%和5%的XLPE试样,对试样进行了空间电荷、直流电导率、直流击穿、介电性能、机械性能和差示扫描量热实验。结果表明：添加4-正丙基苯甲酸电压稳定剂可以有效抑制XLPE试样中空间电荷的积累,减小材料的直流电导率并提高其绝缘寿命指数,且电压稳定剂含量为1%时XLPE试样的直流击穿场强和寿命指数最大;随着电压稳定剂含量的增加,试样的直流击穿场强先增大后减小,相对介电常数和介质损耗逐渐增加,且频率对材料相对介电常数作用更加明显;试样的机械性能和结晶度呈现出相反的变化趋势。量子化学计算表明,电压稳定剂具有正电子亲和能和较窄的分子带隙,电压稳定剂分子极性较大,添加后有利于在试样内部引入陷阱,从而有效提升了电缆绝缘材料的电气性能。     

纳米Al_2O_3改性变压器绝缘纸性能的研究

为了研究纳米Al2O3改性绝缘纸的绝缘性能,实验室制备了含不同质量分数的纳米Al2O3绝缘纸手抄片,并对真空浸油后的绝缘纸性能进行了测试。结果表明在一定的质量分数内纳米Al2O3改性后的绝缘纸的工频击穿场强得到较大的提高,在质量分数为1%时,工频击穿场强提高了12.75%,绝缘纸的抗张强度增加了14.13%;在1%的添加量内绝缘纸的介电常数、介电损耗都随纳米Al2O3含量的增加而减小。     

钝化剂对绝缘纸和绝缘纸板绝缘寿命及电气性能的影响

为了研究钝化剂对绝缘纸和绝缘纸板性能的影响,在120℃下对含钝化剂和不含钝化剂的绝缘纸板进行加速老化实验,通过测定绝缘油中糠醛含量以及绝缘纸的聚合度,研究钝化剂对绝缘纸绝缘寿命的影响;通过测定绝缘纸板的电气强度、体积电阻率和介质损耗因数,研究钝化剂对绝缘纸板电气性能的影响。结果表明:添加钝化剂前后,绝缘纸的聚合度和油中糠醛含量没有明显差别;绝缘纸板的电气强度、体积电阻率和介质损耗因数也未发生明显变化。说明,添加钝化剂对绝缘纸和绝缘纸板的性能没有影响。     

商用直流电缆料采用不同质量分数纳米MgO改性选型

为提高商用直流电缆料高温下的绝缘性能,向商用直流电缆料添加不同质量分数的纳米MgO粒子,制备了MgO/XLPE纳米复合介质,并测试了试样在不同温度下的正、负极性直流击穿场强、空间电荷分布以及电导率。结果表明:添加纳米MgO粒子能显著提升直流电缆料正、负极性直流击穿场强,添加质量分数为0.1%和0.5%的纳米MgO粒子能减小温度对电导率和空间电荷特性的影响,提高其高温下的电导率和空间电荷性能,减少直流电缆中的电场畸变。经综合比较可选用添加质量分数0.1%纳米MgO粒子来改性现有商用直流电缆料。     

LDPE试样表面形貌及结晶特性对击穿场强的影响

提高聚合物绝缘材料的耐电强度受长期关注,为此主要探究表面形貌及结晶结构对低密度聚乙烯(LDPE)击穿场强的影响。以聚酯薄膜(PET)和云母(mica)薄片作为压制模具制备LDPE片状试样。原子力显微镜(AFM)测试表明,用具有原子级别平整度的云母压片可以完善LDPE试样的表面形貌,形成规整且尺寸较大的球晶;差示扫描量热法(DSC)测试LDPE试样熔融曲线,结果表明mica制备的试样结晶度比PET压制的高出约24%,且慢速冷却的试样熔融温度较快速冷却的高约3℃。动态力学分析(DMA)测试结果表明,mica使聚乙烯结晶完善,分子刚性增强使松弛损耗峰峰值有所下降,力学松弛峰向高温移动到80℃左右,这也促使耐电强度在高温区显著改变;击穿试验结果表明,mica压制的试样交直流耐电强度皆高于PET制备的试样,在90℃时,mica压制试样慢速冷却的试样交流击穿场强提高了17%;mica表面完善的解理使试样表面粗糙度较PET的有所降低,COMSOL电场仿真表明,其局部电场集中趋于缓解。     

脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响

采用直流电缆用交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘料,制备100、200、300、400mm 4个不同厚度的试样,经70℃、100Pa真空环境下不同时间(0、24和72h)的脱气处理后,通过其直流击穿场强和空间电荷特性检测和比对分析,研究脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响。研究表明,对于相同厚度试样,脱气处理能有效提高XLPE的击穿场强,并减少电极附近的异极性电荷积累和试样内交联副产物含量,且相对较厚试样的击穿场强的提高更明显。相同脱气时间下,试样厚度的增加导致交联副产物含量的增加、两极附近异极性电荷量增加、电场畸变的增加和击穿场强的降低。在不同脱气时间下,对直流击穿场强与厚度依据反幂规律进行拟合,由拟合结果可知随脱气时间增加,系数k逐渐增大,指数因子n逐渐减小。通过建立一种e指数函数关系以拟合脱气时间对于反幂规律中参数k与n的影响,为达到最佳的脱气效果提供参考。基于非本征击穿模型分析,脱气能减少XLPE中预先已有的缺陷和加压过程中产生的缺陷数量。交流副产物含量的降低能减少造成试样击穿的杂质缺陷和异极性电荷的积累,提高XLPE的击穿场强。合适的绝缘厚度和脱气时间选择可以在节省成本的同时,最大程度地提高直流电缆的绝缘性能。     

母料制备环境洁净度对高压直流电缆绝缘材料性能的影响

分别在非超净环境和百级超净环境中制备洁净度不同的两种直流电缆绝缘母料,通过高压电缆绝缘料生产线分别制备非超净直流绝缘料和超净直流电缆绝缘料,对比分析两种直流绝缘料的洁净度、空间电荷、不同温度下的体积电阻率以及直流击穿强度。结果表明:直流电缆绝缘母料制备环境洁净度直接影响着直流电缆绝缘料的洁净度,并对直流电缆绝缘料的空间电荷、不同温度下的体积电阻率和直流击穿强度有较大的负面影响。     

蒙脱土改性绝缘纸的制备及其电气特性研究

为探究蒙脱土的掺杂对绝缘纸电气特性的影响,以实验室自制绝缘纸手抄片为原料制备出绝缘纸/蒙脱土复合材料,并根据改性绝缘纸的击穿场强和抗张强度随蒙脱土添加量的变化规律,确定了9%的蒙脱土最佳掺杂量。然后,从工频击穿场强、相对介电常数及局部放电3个方面对掺杂9%蒙脱土的改性绝缘纸的电气性能进行了研究。最后,基于扫描电镜照片和X射线衍射图谱分析了蒙脱土提升绝缘纸电气性能的相关机理。试验结果表明:蒙脱土能够比较均匀地物理分散在绝缘纸中,没有发生插层或层间剥离现象;蒙脱土的掺杂能显著提高绝缘纸的击穿强度,降低绝缘纸的相对介电常数,有效抑制油纸绝缘系统局部放电的产生和发展。