表面修饰纳米SiO_2/XLPE的电导电流和空间电荷特性

为研究纳米颗粒表面修饰对纳米二氧化硅/交联聚乙烯(SiO2/XLPE)电导电流和空间电荷特性的影响,分别将未经表面修饰和经钛酸酯偶联剂TC9修饰的纳米SiO2颗粒添加到XLPE基体中进行了实验。显微观测和成分分析表明,TC9的非极性有机官能团取代了纳米SiO2颗粒表面的羟基,降低了羟基间的相互成键作用,从而改善了纳米SiO2与XLPE基体之间的相容性,纳米SiO2颗粒在XLPE基体中的粒径范围从几十到100 nm;同时,TC9表面修饰提高了纳米SiO2/XLPE复合介质的介电常数和介质损耗,降低了电导电流,抑制了空间电荷的注入;而未经表面修饰的纳米SiO2/XLPE复合介质的电导电流和空间电荷特性相较于XLPE并未得到改善。分析认为,由于经TC9表面修饰的纳米SiO2分散性的改善,增大了纳米颗粒与XLPE基体之间的界面区域,因而在纳米复合介质内产生了更多的深陷阱;电极与介质界面附近的大量深陷阱捕获注入的电荷,形成固定的空间电荷层,降低了其与电极间的局部电场,从而提高了注入势垒,抑制了空间电荷的进一步注入。     

SiO2表面改性对间位芳纶绝缘纸性能的影响

为了分析SiO_2纳米颗粒表面接枝硅烷偶联剂KH550对间位芳纶绝缘纸(PMIA)性能的影响,利用分子动力学方法,建立了表面改性SiO_2掺杂PMIA的复合模型。研究了表面接枝率分别为6%和12%的SiO_2对PMIA玻璃化转变温度、热稳定性和力学性能的影响。结果表明:对纳米SiO_2适当的接枝改性能够进一步提升间位芳纶绝缘纸的热稳定性和力学性能。与不接枝硅烷偶联剂的SiO_2相比,表面接枝率为6%的SiO_2对PMIA玻璃化转变温度的提升幅度更大,同时在均方位移方面展现出的减弱分子链运动能力以及在力学性能方面表现出的抗形变、抗剪切能力均更加突出。但当SiO_2表面接枝率为12%时,对绝缘纸热稳定性与力学性能的提升幅度和作用效果均不显著,与不接枝时相近。最后,对两种接枝率SiO_2的影响效果进行了机理分析。     

纳米氮化铝改性对芳纶1313绝缘纸介电特性的影响

聚合物纳米复合材料因其优良的介电性能在电介质绝缘领域得到了广泛的应用。为获得性能优良的绝缘纸,将纳米氮化铝(AlN)添加到芳纶1313中。将改性后的绝缘纸进行浸油处理,研究了AlN对油浸芳纶1313介电性能的影响。结果表明:纳米Al N能有效降低绝缘纸的电导电流,以及提升其交流击穿电场强度;同时Al N能够抑制空间电荷向介质内的注入、迁移和积聚,使绝缘纸内空间电荷分布更加均匀。另外聚合物纳米材料的界面特性使得改性后绝缘纸的相对介电常数和介电损耗值有所升高,介损松弛峰值也向低频段移动。芳纶1313/Al N油浸绝缘纸介电性能的变化归因于纳米粒子与聚合物之间的界面效应使界面区域陷阱浓度和深度增大,限制了电荷的运动。     

纳米氧化锌/聚乙烯复合材料中空间电荷及体积电阻率的研究

以溶融共混法制备了纳米氧化锌(ZnO)/低密度聚乙烯(LDPE)的复合材料,采用电声脉冲法和高阻计法分别测量了不同纳米ZnO含量试样中的空间电荷分布和体积电阻率。实验发现,试样中的空间电荷分布明显不同于纯聚乙烯。当试样中纳米ZnO含量为0.5%时,短路过程中空间电荷衰减很快;当纳米ZnO含量进一步提高时短路过程中空间电荷衰减比纯聚乙烯的缓慢。同时发现加入纳米ZnO后复合材料的体积电阻率上升。讨论了纳米ZnO对试样中空间电荷形成和导电机理的影响。     

茂金属聚乙烯改善低密度聚乙烯的介电性能

针对高压、超高压直流塑料电缆中存在的空间电荷效应,大多数直流电力电缆常采用改性方法提高其介电性能,如空间电荷特性、体积电阻率和击穿强度等。常用的改性方法主要有添加剂、共混、接枝和二元共聚4种。共混技术较广泛用以改性聚乙烯电缆,提高其介电性能。因此用电声脉冲法(PEA)测量了MPE与LDPE共混试样中的空间电荷分布;用高阻计测量了共混物的体积电阻率,用阶梯电压测量了共混物的交流击穿场强。试验结果表明,1%MPE与LDPE共混能有效降低空间电荷效应,提高交流击穿场强7.9%,略降低体积电阻率。最后讨论了共混物的物质结构、电荷陷阱及介电性能间的关系。     

热老化下TiO2/LDPE纳米复合材料内空间电荷特性的研究

采用电声脉冲法和差示扫描量热法测试热老化前后纯低密度聚乙烯(LDPE)和TiO_2/LDPE复合材料样品的空间电荷分布情况及结晶特性,着重分析热老化后TiO_2/LDPE复合材料的空间电荷行为,结合相关理论模型以及电荷体密度、材料结晶度等计算结果,探究热老化及纳米粒子对LDPE绝缘材料内空间电荷特性的影响规律和内在机理。结果表明:纳米TiO_2的表面效应及界面结构提高了LDPE基体的结晶度并减少了空间电荷的来源,从而抑制了热老化前后材料内空间电荷的积聚行为,而TiO_2/LDPE复合材料的抗热老化能力主要与其结晶度的变化有关。虽然热老化能直接影响LDPE的空间电荷特性,但是纳米粒子不仅能减少空间电荷的积聚,还能延缓热老化进程,因此在热老化条件下TiO_2/LDPE复合材料仍具备抑制空间电荷的能力。     

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。     

CB/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制特性

采用熔融共混法制备了纯低密度聚乙烯(LDPE)试样和纳米炭黑(CB)颗粒质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%的CB/LDPE复合试样。采用扫描电子显微镜观察纳米CB颗粒在LDPE基体中的分散性,并利用电声脉冲法(PEA)测试各试样在常温和-40 kV/mm条件下的空间电荷积聚特性和陷阱特性,讨论纳米CB颗粒提升LDPE基体空间电荷抑制特性的机制。结果表明:相较于纯LDPE试样,CB/LDPE复合试样的空间电荷积聚特性得到了显著改善,其中CB质量分数为0.03%的CB/LDPE复合试样具有最佳的空间电荷抑制效果。纳米CB颗粒提高了复合试样内部的深陷阱密度,这是提高复合试样空间电荷抑制能力的关键。     

热老化前后LDPE/SiO2纳米复合材料空间电荷积聚分析

在实际运行中,直流场强和热环境都会对聚乙烯电缆内空间电荷积聚行为产生影响,过量的空间电荷会威胁其绝缘性能,虽然纳米复合材料具备抑制空间电荷的能力,但对于热老化后其空间电荷的积聚特性仍有待进一步研究。采用电声脉冲法对热老化前后不同浓度的低密度聚乙烯(LDPE)/二氧化硅(SiO_2)纳米复合材料内空间电荷的积聚行为进行分析。结果表明,热老化会降低电极注入势垒并产生随机分布的深陷阱和杂质,增加空间电荷积累。纳米SiO_2引入的大量界面区域会产生均匀分布的深陷阱,并形成界面反电场,从而抑制载流子的运输和注入,且纳米粒子可以提高材料稳定性,提升电极注入势垒并延缓热老化进程。相比于纯LDPE,LDPE/SiO_2材料在热老化前后都具有明显的抑制空间电荷的能力。     

炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性

为研究添加炭黑(CB)对交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料直流介电性能的影响,通过熔融共混制备了CB/XLPE纳米复合材料,在不同的恒定温度下分别测试了各试样的电导率与外施直流电场强度的关系,并利用电声脉冲法测量了各试样内的空间电荷分布状况。研究结果表明,添加少量炭黑即可使XLPE中的空间电荷量明显减少,当炭黑掺量为1 phr(指每100 g XLPE中添加1 g CB)时,复合材料抑制空间电荷的能力较强;XLPE在较低电场强度下就表现出电导非线性特性,且电导率受温度影响较大,最大变化量超过3个数量级;而CB/XLPE纳米复合材料在小于20 kV/mm的电场强度下电导率变化较小,且温度对其直流电导率的影响明显小于XLPE。炭黑能抑制XLPE中空间电荷累积和改善其直流电导特性的原因是增大了材料中的陷阱密度和陷阱深度。     

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。     

纳米SiO2/低密度聚乙烯复合介质的击穿特性

聚合物纳米复合介质的击穿强度与纳米填充颗粒的质量分数、粒径和表面处理密切相关。以不同表面处理的纳米SiO2颗粒为填料,制备了不同填充质量分数、粒径的纳米SiO2/低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)复合介质,测试了其在交流、直流正极性和直流负极性3种不同类型电场下的击穿场强。结果表明:在所研究范围内,填充纳米SiO2颗粒可以提高低密度聚乙烯的击穿场强,并且随着填充质量分数的增加,复合介质的击穿场强有升高的趋势。纳米颗粒填充质量分数相同时,在12~16 nm粒径下,复合介质的击穿场强有随纳米SiO2粒径的升高而降低的趋势;在7 nm小粒径下,可能由于纳米颗粒容易团聚,导致击穿场强较粒径大时要低。另外,纳米SiO2颗粒表面经疏水性处理后,能够有效提高复合介质的击穿场强。     

间位芳纶短切纤维/浆粕的配比对芳纶绝缘纸性能的影响

为了研究间位芳纶短切纤维和浆粕的配比对间位芳纶绝缘纸机械性能和介电性能的影响规律及机理,实验室制备了不同纤维配比的芳纶绝缘纸,测量了芳纶纸的拉伸强度和断裂伸长率,芳纶纸的相对介电常数和介质损耗的频域介电曲线,以及在工频电压下的击穿场强。对比了芳纶绝缘纸和410型Nomex纸的拉伸性能、介电性能以及热稳定性,并结合芳纶纤维的结晶性能及形态分析了纤维配比对芳纶纸拉伸性能和介电性能的影响机理。实验结果表明:随着短切纤维含量的增加,芳纶纸的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小,相对介电常数逐渐减小,介质损耗在低频段(10-1~102 Hz)逐渐增大而在高频段(104~106 Hz)变化不大,击穿场强随有较大幅度的降低。实验室自制的芳纶绝缘纸的热稳定性已达到Nomex纸的水平,拉伸性能介于Nomex纸横、纵向性能之间。当短切纤维含量较多时,会向芳纶纸中引入较多的微小孔洞,导致芳纶纸的击穿场强有所降低。     

纳米复合绝缘材料的热剌激电流测试研究

研究纳米复合聚酰亚胺薄膜热剌激电流(TSC)测试的影响因素和陷阱参数计算方法，并对不同样本和不同老化条件下的TSC结果进行分析。通过对不同的测试条件(包括不同的数据平滑方法、极化温度，极化电压、极化时间等因素)的TSC曲线特征分析，研究不同测试条件对纳米复合绝缘样本TSC测量结果的影响，并用高斯拟合对TSC曲线进行峰分离和陷阱参数计算。根据这些结论，对不同样本和老化条件下的热刺激电流特征进行分析和比较，得到热刺激电流和PWM脉冲电压下绝缘微观特征之间联系。结果表明，测试条件对TSC结果有明显影响，合适的测试方法有助于研究纳米复合聚酰亚胺薄膜在PWM电压作用下的微结构变化。     

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。