β 成核剂含量对等规聚丙烯电导电流和 空间电荷特性的影响

成核剂广泛用于调控聚丙烯的相变行为。为研究β成核剂含量对等规聚丙烯(iPP)电导电流和空间电荷特性的影响,制备了不同取代芳基杂环磷酸盐β成核剂(TMB-5)含量的iPP试样,开展了电导电流和温度场下空间电荷试验。结果表明,随着β成核剂的增加,β晶含量先增大后减小,而电导电流先减小后增大;25℃、-100 MV/m条件下极化30 min,六组iPP试样的电场畸变率均不超过6%;70℃、-100 MV/m条件下极化30 min,各组试样靠近阴极处均积聚正电荷,纯iPP试样电场畸变率最大(36.1%),而iPP-β0.1%(0.1%含量β成核剂)仅为13.2%。结合偏光显微观测和微晶团簇尺寸统计结果,从β成核剂的分散和成核过程分析了iPP试样中β晶含量变化的原因;利用极化和去极化过程中空间电荷的测试结果,并依据材料的微观结构与内部陷阱的相关性,解释了β成核剂含量对iPP试样内部空间电荷迁移和分布的影响过程。     

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。     

电压稳定剂接枝改性对500 kV直流XLPE电缆材料电气性能的影响

为了研究4-乙酰氧基苯乙烯（AOS）电压稳定剂接枝改性对500kV高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆材料在不同温度、电场强度和接枝含量下的电气性能的影响，该文通过熔融接枝法制备了不同含量的AOS接枝XLPE(XLPE-g-AOS)试样，通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和差示扫描量热实验分别表征试样的微观形貌、理化结构和结晶特性，对试样进行了直流电导电流、空间电荷、直流击穿、热刺激去极化电流测量，得到试样在不同温度和电场强度下的电气性能参数，结合量子化学计算分析了AOS接枝对XLPE复合材料陷阱特性和电荷输运的影响。结果表明：AOS接枝使试样断面形貌更加粗糙，而较高含量接枝会出现纳米球形分散相；XLPE-g-AOS的熔融温度和结晶度比纯XLPE更高；AOS质量分数为3%的XLPE-g-AOS具有最大的浅陷阱能级和密度，且其在高温高电场下具有最低的直流电导率、最少的空间电荷积聚量、最小的电场畸变率和最高的直流击穿强度。接枝AOS引入了更深且更多的浅陷阱，形成了均匀致密的浅陷阱点阵，阻碍了载流子迁移。     

机械拉伸对聚丙烯绝缘空间电荷与击穿特性的影响研究

为研究机械拉伸对聚丙烯热塑性电缆绝缘空间电荷与击穿特性的影响,采用等温结晶方法制备具有不同结晶形貌的聚丙烯(polypropylene,PP)绝缘样品,研究不同拉伸率的PP绝缘样品直流电导、空间电荷与击穿特性,并对拉伸前后材料微观结晶形貌进行表征,分析机械拉伸下结晶形貌变化对电气性能的影响机理。结果表明：机械拉伸形变将导致PP绝缘电导率提高、空间电荷积聚量增多,以及直流击穿场强显著降低。相比于等规聚丙烯绝缘,等规聚丙烯/间规聚丙烯共混绝缘具有较高的断裂伸长率,在相同拉伸率情况下空间电荷密度较低,击穿场强提高。通过控制等温结晶时间可调控结晶度和结晶形貌,改善绝缘抗冲击性能,抑制拉伸条件下空间电荷注入,提升绝缘击穿场强。研究表明,机械拉伸应力导致球晶出现形变甚至破坏现象,晶区–非晶区界面形成缺陷,是导致绝缘空间电荷注入加剧、击穿性能显著下降的根本原因。     

聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

复合绝缘子HTV硅橡胶材料的电导特性研究

为探究复合绝缘子用HTV硅橡胶材料的电导机制,以现场运行及人工加速老化试验的复合绝缘子为对象进行研究,通过电导电流测量装置对试品进行电导电流测试,总结材料的电导特性。研究初步发现:当HTV硅橡胶材料处于低场强试验阶段时(约0~5 kV/mm),材料的电导电流I与场强E满足欧姆定律成正比关系;当材料处于较高场强试验阶段时(约5~30 kV/mm),材料的电导特性处于空间电荷限制电流区,材料内部的陷阱开始捕获流经的载流子形成空间电荷;当材料处于高场强试验阶段时(约30~40 kV/mm),材料的电导特性进入了陷阱充满的空间电荷限制电流区,材料随时有被击穿的可能;电老化阈值与陷阱能级、陷阱载流子密度等有着一定的对应关系;HTV材料经过人工电晕加速老化试验后,电导电流数值大幅增加、电老化阈值明显降低。此外,电老化阈值实质反应的是材料的空间电荷形成的难易程度,一定程度上反应HTV材料的老化状态,有待进一步研究。     

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。     

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。     

氧气浓度对低密度聚乙烯直流老化电特性的影响

为研究氧气浓度对绝缘材料直流老化过程的影响,将低密度聚乙烯(LDPE)置于纯氮气、空气、纯氧气3种不同的氧气浓度气氛下进行直流老化,并利用电声脉冲法测量LDPE老化试样的空间电荷特性。结果表明:100 h直流老化条件下更高的氧气浓度可以降低陷阱平均深度,提高空间电荷迁移率。测量老化100 h后试样的电特性,发现高氧气浓度能够增大试样的体积电阻率和正极性直流击穿电压,且随着氧气浓度的增大,击穿电压呈U形击穿特性。     

聚丙烯绝缘材料电导特性与空间电荷研究

为考察聚丙烯作为直流电缆绝缘材料在电气性能上的的可行性,选用等规聚丙烯材料制备测试试样,通过差示扫描量热法测试熔融温度(165℃)和结晶温度(111℃),针对击穿特性、强场电导和空间电荷分布与电荷的消散等电气性能对聚丙烯材料进行测试。击穿强度测试发现:其交流击穿强度明显低于直流击穿强度,交流击穿强度数据的的分散性相对于直流击穿要好。强场电导特性测试发现:在3.3 kV/mm电场下当温度升高到90℃时,材料的强场电导明显升高,达到室温时的2倍。空间电荷实验结果表明聚丙烯在较低的电场强度(10、20 kV/mm)下未出现明显的空间电荷,而在电场强度达到50 kV/mm时,出现了明显的异极性空间电荷。将试样上下电极短接进行短路发现,10、20 kV/mm下加压0.5 h后,经过0.5 h短路放电,试样内部的空间电荷几乎释放完全。而在50 kV/mm下加压0.5 h后,经过1.5 h的短路时间仍然看到试样内部驻留着大量的异极性空间电荷。     

聚乙烯与聚丙烯中空间电荷注入特性的比较

为研究聚乙烯与聚丙烯中空间电荷注入特性,比较不同电极材料对空间电荷注入特性的影响,使用激光诱导压力波法研究了不同电极材料下2种试样中空间电荷注入及迁移情况,电极选取的是掺有碳黑的乙烯与乙酸乙烯共聚物半导电电极和铝电极。试验结果表明:在使用半导电电极的情况下聚乙烯及聚丙烯试样均有空间电荷的注入与迁移,其中聚乙烯试样中载流子的迁移率要明显高于聚丙烯试样;对于蒸镀有铝电极的2种试样则空间电荷注入明显减少;2种试样在不同电极情况下载流子在阴极的注入量均要大于阳极处的注入量。针对上述现象该研究从能带理论出发给出了相应解释:试样材料电子亲和力越高越容易注入电子;电场作用下材料能带的倾斜造成了载流子注入量在阴极和阳极处的差异;试样中载流子迁移率的差别则是因为材料内部陷阱数与深度的不同造成的。     

纳米氧化镁颗粒对聚丙烯的性能调控

为开发新型的可回收直流电缆绝缘材料,在对聚丙烯(polypropylene,PP)作为高压直流电缆绝缘材料可行性研究的基础上,对纳米Mg O/PP复合材料的微观形貌与结构、热性能、空间电荷和直流击穿特性进行了详细研究。研究了纳米MgO含量对PP微观形貌与结构、热性能、电气性能等特性的影响,并通过测试电荷陷阱能级和密度分布解释了纳米MgO调控PP电气性能的机理。研究结果表明:纳米MgO添加不会明显改变PP的结晶度、晶型、熔融温度等参数,纳米Mg O/PP复合材料依然保持了PP优良的热性能,且复合材料的热分解起始温度相对于PP略有提高。纳米MgO颗粒的加入可以明显抑制PP中同极性电荷注入,减少空间电荷积聚。添加3 phr纳米MgO颗粒的复合材料具有最高的直流击穿强度,相对于纯PP增加了29.3%。热刺激电流测试结果表明纳米MgO添加可增加深陷阱密度,在电极附近形成屏蔽层并降低载流子迁移率,从而抑制同极性电荷注入并提高直流击穿场强。通过研究纳米MgO颗粒调控PP的微观结构、热性能和电气性能的规律,可以为新型可回收直流电缆绝缘材料的开发提供参考。     

聚丙烯/BN复合介质高频击穿性能提升与电荷输运仿真研究

机械式高压直流断路器LC振荡支路的换流电容在开断过程中发挥重要作用,其承受数千赫兹的高频电压会对电容器聚丙烯绝缘介质造成损伤。为提升其高频击穿场强,分别制备掺杂质量分数为1%、2%和6%的聚丙烯/氮化硼复合介质,测试极化、热刺激去极化电发流、表面电位衰减和高频(500、2 000 Hz)击穿特性。实验结果表明:复合介质的高频击穿场强相较于纯聚丙烯均增加,在质量分数为1%时达到最大,这对应于在质量分数为1%时较深的陷阱能级。基于双极性电荷输运方程和空间电荷调制击穿模型,仿真分析了高频电压作用时的空间电荷和电场动态演变过程,包括随电压频率、陷阱能级和加压时间的空间电荷注入和电场畸变率动态变化。仿真结果表明,高频下的电荷注入集中于电极–介质边界处距离介质表层数微米的区域;在较高频率时的电极–介质边界处的注入电荷密度和电场畸变更明显;具有较深陷阱的复合介质的电极–介质边界处的电场畸变得到改善;交变电场下在90°和270°相位时的净累积电荷最多,此时的电场畸变率最大。     

基于等温表面电位衰减法预测不同厚度的聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强

聚合物绝缘材料直流击穿场强与空间电荷动力学过程密切相关,而材料陷阱能级特性是影响空间电荷输运的重要因素,探究陷阱能级与击穿强度的联系,对掌握聚合物的击穿规律具有重要意义。为此制备了厚度为0.05～0.25 mm的低密度聚乙烯((low density polyethylene,LDPE))纳米复合材料试样,采用等温表面电位衰减法(isothermal surface potential decay, ISPD)分别在10和20 kV/mm的初始场强条件下测量试样的陷阱能级分布,基于陷阱能级中心计算试样的本征击穿场强,并结合双极性电荷输运模型(bipolar charge transport, BCT)预测材料的直流击穿场强,分析厚度对预测结果的影响。结果表明,在较高初始电场下,所测陷阱能级中心较浅,计算所得的本征击穿场强较低。试样的直流击穿场强预测值随纳米颗粒含量增大呈先增大后减小的趋势,随厚度增大而下降,与实验结果较相符。采用高初始场强下测得的陷阱能级中心,预测的直流击穿场强更准确。     

拉伸状态下聚丙烯/聚烯烃弹性体共混物的空间电荷和陷阱分布特性

聚丙烯(PP)/聚烯烃弹性体(POE)共混物被认为可替代交联聚乙烯应用于高压直流电缆中。电力电缆在制作、安装和运行过程中会受到机械应力作用,为研究其对电缆绝缘性能的影响,采用电声脉冲法(PEA)测试并分析了不同拉伸比下PP/POE共混物的空间电荷分布特性,并采用表面电荷衰减方法分析了不同试样的陷阱能级分布。研究结果表明:机械拉伸能促进PP/POE共混物内空间电荷的迁移和积累,其中拉伸比为1.2时空间电荷积聚最多;当拉伸比从1增加到1.2时,试样中浅陷阱密度增大,深陷阱的密度与深度减小;当拉伸比从1.2增加到1.4,试样中浅陷阱密度减小,深陷阱的密度与深度增大。分析认为,PP/POE共混物内部结构的变化为拉伸影响空间电荷和陷阱分布特性的主要原因。     

脱气处理对高压直流用500kV XLPE绝缘特性及其聚集形态的影响

为研究不同脱气时间对高压直流用500 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)交联副产物含量、绝缘特性及聚集态结构的影响,该文采用500kV XLPE电缆料,利用平板热压法制备试样,在常压、70℃条件下对试样进行脱气处理,得到0、12、36和90h四种不同脱气时间的试样,对XLPE试样进行了傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared,FTIR)、失重实验、热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)、电导电流密度、空间电荷、直流击穿、X射线衍射(X-raydiffraction,XRD)和扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)实验,之后构建了XLPE的晶体生长模型,分析了脱气处理过程中材料绝缘特性及其微观结构变化的关联机理。研究表明,脱气处理660 min后,交联副产物基本挥发殆尽,菲克第二定律的理论计算可以反映交联副产物残余含量的变化趋势。脱气时间的增加有利于提高试样的击穿场强,降低试样的电导电流密度,但在36h处存在拐点;脱气处理有助于改善试样内部空间电荷积聚和电场畸变,减小试样直流击穿的分散性和内部聚集态结构的差异性,并促进片晶增厚。上述结果表明脱气处理有助于交联副产物挥发,合理优化脱气时间可改善XLPE的绝缘特性,从而可降低企业的生产和时间成本。     

电晕老化前后100HN和100CR聚酰亚胺薄膜的电导电流特性实验研究

为研究无机纳米掺杂对聚酰亚胺电荷输运特性的影响,测量了美国杜邦公司生产的原始聚酰亚胺薄膜(100HN型)和纳米Al2O3掺杂耐电晕聚酰亚胺薄膜(100CR型)电晕老化前后的电导电流特性。实验发现,电晕老化前100CR的欧姆区电流明显大于100HN的,而空间电荷限制电流区的电流则明显小于100HN的;电晕老化后,100HN陷阱载流子密度和电老化阈值都减小,而100CR的对应值均增大。分析实验结果后得知,纳米掺杂既可能增加导带热激发自由电子浓度,又可能增大聚合物中电荷陷阱的深度和密度,这2种因素对电导电流的影响效果是相反的,分别主导着低场强和高场强电导电流大小的变化。此外,电晕老化对100CR和100HN电导电流影响不同的机制还有待进一步的研究。     

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅱ)

在电缆聚乙烯材料中添加一种新型纳米粒子可以有效改善材料中的空间电荷积聚,提高其直流击穿强度和体积电阻率。为深入了解此纳米粒子作用机理,基于电声脉冲法(PEA)和充电-放电电流法,分别测量了在不同温度下、不同纳米含量时聚乙烯纳米复合材料的极化/去极化特性。用PEA方法得到不同温度下材料的平均电荷体密度、视在迁移率和陷阱深度,结果表明,20～40°C下,纯聚乙烯及聚乙烯纳米复合材料试样内的陷阱以浅陷阱分布为主;80°C下,当聚乙烯中纳米粒子质量分数>3%时,会增加复合材料陷阱深度。用充电-放电电流法计算得到材料的迁移率,可知在20～60°C内,不同试样迁移率的变化主要由纳米粒子和温度共同作用产生,而在60～80°C内,迁移率的变化则是温度起主要作用。分析认为,电荷输运受到陷阱与温度的影响是导致电阻率变化的主要原因,而在温度梯度场下,聚乙烯纳米复合材料电阻率的正温度系数趋势是抑制材料内空间电荷积聚的主要原因。     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

纳米SiO_2/硅橡胶复合材料的陷阱特性

硅橡胶作为直流电缆附件中的主绝缘材料,存在空间电荷积聚的问题,研究硅橡胶纳米复合材料的陷阱特性对抑制聚合物材料的空间电荷积聚有重要意义。为此,以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,制备了掺杂不同质量分数(5%、10%和20%)纳米SiO_2粒子的硅橡胶纳米复合试样,通过扫描电子显微镜观测了试样的断面形貌,采用电容探头测量了试样在正、负电晕充电条件下的电位衰减特性,并结合双陷阱能级模型和等温表面电位衰减模型,获得了各试样的空穴陷阱特性和电子陷阱特性。研究结果表明:无纳米掺杂的纯硅橡胶试样中空穴陷阱多为浅陷阱,电子陷阱多为深陷阱;与纯硅橡胶相比,掺杂纳米SiO_2粒子的质量分数为5%时,复合材料中空穴深陷阱密度增多,并且空穴陷阱和电子陷阱均以深陷阱为主;而当复合材料中纳米SiO_2粒子质量分数增大至10%和20%时,其空穴和电子深陷阱密度显著下降,材料内部大量的浅陷阱有助于其电荷的消散。研究成果可为直流电缆附件中硅橡胶材料的改性提供一定的参考。