聚酰亚胺纳米复合薄膜耐电晕机理研究

聚酰亚胺(Polyimide,PI)因其具有良好的热稳定性和优异的耐电晕特性广泛应用于变频电机中,添加纳米粒子可以有效提高PI薄膜的绝缘性能。为了系统的研究PI纳米复合薄膜的耐电晕机理,利用原位聚合法制备了纯PI膜和纳米Al2O3掺杂的PI膜,测试两种薄膜的表面电导率、体积电导率、热失重(TGA)以及高频方波脉冲下的耐电晕时间,并用SEM观测两种薄膜击穿后的表面形貌。结果表明:添加纳米粒子使PI薄膜的电导率、热分解温度和耐电晕时间增加;电晕放电的侵蚀使得两种薄膜表面都出现微孔和沟壑,PI/Al2O3薄膜表面析出纳米粒子;在电晕侵蚀过程中,纳米PI薄膜强的表面电荷扩散能力和高的热稳定性,加上析出的纳米粒子对电子和光子的屏蔽阻挡作用,是PI薄膜耐电晕性能增强的主要原因。     

温湿度对掺杂纳米氧化铝的聚酰亚胺薄膜耐电晕性能影响研究

为了探究温度和湿度对掺杂纳米氧化铝的聚酰亚胺(PI)薄膜耐电晕性能的影响,文中通过原位聚合法制备了氧化铝粒径为20 nm的聚酰亚胺/氧化铝(PI/Al2O3)复合薄膜,在高频方波脉冲下进行纯膜和纳米膜的耐电晕实验,运用扫描电镜对电晕老化前后的薄膜形貌进行分析。实验结果表明:同一电压下,纳米膜耐电晕性能优于纯膜,纳米粒子可改变电荷传输通道,并浮于聚合物表层阻挡进一步侵蚀。随着温度升高,聚合物降解产生的气体分布在基体中,易造成电场畸变而加剧侵蚀,导致薄膜寿命缩短;且纳米膜热导率高于纯膜,故高温环境中耐电晕性能较好。随着相对湿度增大,纳米膜耐电晕寿命先增大后减小,主要是因为相对湿度较低时,水分可在纳米粒子周围形成"水壳",增大了纳米粒子间重叠区域,增加了电荷消散传输通道;而相对湿度较高时,聚酰亚胺分子水解产生大量离子基团及小分子,造成电场畸变加剧电晕侵蚀作用更大。     

方波脉冲下纳米氧化硅掺杂对聚酰亚胺绝缘性能的影响

聚酰亚胺纳米复合薄膜(polyimide,PI)广泛应用于电机绝缘。方波脉冲下的局部放电是变频电机绝缘失效的主要原因之一。为了研究高频脉冲电压下PI膜的老化,探讨纳米粒子在PI膜中的作用机理,文中将粒径为30 nm的Si O2无机填料掺杂到PI膜中。利用场发射扫描电镜(SEM)观察纳米Si O2在PI膜中的分散情况,并在方波脉冲电压下对复合薄膜进行了耐压和耐电晕实验,最后运用纳米复合3层结构解释了PI膜绝缘破坏的过程。研究结果表明:纳米粒子均匀分散到PI基体中,纳米Si O2的加入可以提高PI膜的电导率和介电常数,影响电子迁移率;PI/Si O2膜耐压特性随着Si O2纳米粒子体积分数的增加先增强后减小,在体积分数为5%时达到最大值。耐电晕特性随着Si O2纳米粒子体积分数增加而上升。Si O2纳米粒子会在试样中产生大量的有机—无机界面以及复合结构,影响了电子在介质中的作用机理,导致PI膜绝缘性能发生改变。     

方波脉冲下不同纳米添加物对聚酰亚胺薄膜电气性能影响

为了研究不同纳米添加物对聚酰亚胺(polyimide,PI)电气性能的影响,采用原位聚合法制备了纯PI薄膜、PI质量分数10%的PI/SiO_2和PI/Al_2O_3纳米复合薄膜,测试其电导率(表面、体积电导率)、介电频谱、方波脉冲下的局部放电以及耐电晕性能,并用SEM观察击穿点周围的表面形貌。结果表明:PI/SiO_2膜的电导率大于PI/Al_2O_3膜,其中表面电导率是PI/Al_2O_3膜的6倍;PI/Al_2O_3膜、PI/SiO_2膜、PI膜的介电常数依次降低;PI/SiO_2膜和纯PI膜的介电损耗角正切值(tanδ)随频率的增加先减小后增大,PI/Al_2O_3膜的tanδ值在6 k Hz后最大;由于空间电荷弛豫,PI/Al_2O_3膜的tanδ值在0.02Hz左右出现了一个峰值;另外,因为电荷扩散能力不同,PI/SiO_2膜、PI/Al_2O_3膜以及PI膜的局部放电起始电压和耐电晕时间依次减小,而局部放电的平均幅值则依次增大;电晕放电使得3种薄膜表面都形成了很多微孔、裂纹,纳米复合薄膜表面出现块状物。研究结果表明:复合薄膜中界面体积分数和纳米粒子极性,是造成PI/SiO_2薄膜和PI/Al_2O_3薄膜电气性能差异的主要原因。     

潮湿环境下聚酰亚胺/Al_2O_3纳米复合薄膜表面电荷及击穿特性研究

采用原位聚合法制备了聚酰亚胺/Al_2O_3纳米复合薄膜,将薄膜分别浸泡于高纯水中12、24、48、72、96、120、144、168 h,分析脉冲电压作用下浸水聚酰亚胺纳米复合薄膜的吸水性能和表面电荷分布动态特性,研究潮湿环境下聚酰亚胺/Al2O3纳米复合薄膜的绝缘破坏特性。结果表明:纳米复合薄膜的吸水率大于纯聚酰亚胺薄膜。与未添加纳米粒子的薄膜相比,浸水后纳米复合薄膜的表面电荷消散速度更快,击穿电压更低。由于吸水特性的影响,工作于潮湿环境中的纳米复合聚酰亚胺薄膜的耐击穿性会低于纯聚酰亚胺薄膜。     

低温等离子体处理对聚酰亚胺纳米复合薄膜表面特性的影响

本文利用介质阻挡放电(DBD)试验平台产生低温等离子体,用低温等离子体改性聚酰亚胺(PI)纳米复合薄膜,对低温等离子体改性前后的纳米复合薄膜进行表面形貌、化学键结构、表面电导及耐电晕性能测试,研究薄膜表面特性的变化规律.结果表明:表面改性后,纳米复合薄膜表面逐渐变粗糙,并出现微孔、不连续凸起物.合理的等离子体改性时间可以在薄膜表面引入极性基团.随着改性时间的增加,接触角逐渐减小,表面能和表面电导率逐渐加大,耐电晕寿命增加到一定程度随后逐渐减小.当等离子体改性时间为10 s时,改性后的纳米复合薄膜的耐电晕寿命比未改性的纳米复合薄膜提高了15.7％.经过低温等离子体改性后,纳米复合薄膜表面相比纯PI薄膜表面更加均匀,改性后的纳米复合薄膜具有表面能小、表面电导率大的特性.较大的表面电导率会加快纳米复合薄膜表面电荷消散的速度,避免局部场强的集中产生表面放电,从而提高了薄膜的耐电晕寿命.要获得相同的改性效果,纳米复合薄膜需要的低温等离子体处理时间比纯PI薄膜稍长.     

等离子体改性纳米粒子对聚酰亚胺复合薄膜耐电晕性能的影响

为提高聚酰亚胺纳米复合薄膜的耐电晕性能,利用大气压空气等离子体和硅烷偶联剂对纳米粒子表面进行改性,通过原位聚合法制备聚酰亚胺纳米复合薄膜,利用傅里叶红外光谱(FTIR)分析等离子体处理对纳米粒子表面化学键的影响,利用扫描电镜(SEM)分析了纳米粒子在薄膜中的分散特性,测试了聚酰亚胺纳米复合薄膜的介电频率谱和耐电晕时间。研究结果表明:纳米粒子经过等离子体处理后,通过氢键在其表面吸附大量的硅烷偶联剂,薄膜内团聚体颗粒大小下降了约60%;复合薄膜的介电常数有所下降,但电导损耗有所增加,纳米复合薄膜耐电晕寿命提高了28.12%。研究发现,等离子体改性纳米粒子后,增强了纳米粒子和聚合物基体的相互作用,提高了界面的耐电晕能力,同时增加了薄膜内界面体积分数,使界面区域介电双层结构发生重叠,提高了薄膜的电导率,促进薄膜内部电荷的消散,从而提高了薄膜的耐电晕寿命。     

无机纳米掺杂对聚酰亚胺绝缘性能影响

为了研究无机纳米粒子掺杂对聚酰亚胺(polyimide,PI)绝缘性能影响,文中利用原位聚合法制备了PI、10%(质量百分数)的PI/SiO_2膜和PI/Al_2O_3膜,测试了其电导率(表面、体积电导率)、热失重(TGA)以及击穿场强,并得到了方波脉冲电压下耐电晕时间随温度的变化曲线。结果表明:PI/SiO_2膜、PI/Al_2O_3膜、PI膜的电导率依次降低,而击穿场强则相反;当失重5%时,PI/Al_2O_3膜和PI/SiO_2膜的热分解温度比纯PI膜分别高了17.5℃和11℃。随着温度的升高,3种薄膜的耐电晕时间都在减小,且2种纳米膜的耐电晕时间都高于纯PI膜;当温度小于210℃时,由于PI/SiO_2膜的电导率最高,所以其耐电晕时间最长;当温度大于210℃时,由于PI/Al_2O_3膜的热导率最高以及热稳定性最好,所以其耐电晕时间最长。无机纳米粒子引入的有机—无机界面以及纳米粒子的高热稳定性是影响PI膜绝缘性能的主要原因。研究为变频电机的匝间绝缘水平的提高提供了理论依据。     

SVPWM电压下变频电机绝缘耐电晕寿命研究

实验研究了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulated,SVPWM)电压开关频率(6 kHz、12 kHz、18 kHz)和基波频率(10 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz)对变频电机绝缘材料耐电晕寿命的影响,并与相同开关频率50 %占空比重复脉冲方波电压下的耐电晕寿命进行对比。实验表明：开关频率越低,耐电晕寿命越长,耐电晕寿命的时长和分散性在不同基波频率下的波动越大;开关频率越高,耐电晕寿命越短,耐电晕寿命的时长和分散性在不同基波频率下的波动越小。50 %占空比重复脉冲方波能够用于替代SVPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命,但在开关频率较低时不能准确反映其统计特性;开关频率越高,50 %占空比重复脉冲方波对SVPWM电压下变频电机绝缘耐电晕寿命时长和分散性的预测越准确。研究结果有望为变频电机绝缘性能实验评估提供理论和实验依据。     

LDPE/ZnO纳米复合薄膜的归一化表面电位衰减特性研究

采用硅烷偶联剂KH550对纳米Zn O颗粒表面进行预处理,将表面处理后的纳米Zn O颗粒与低密度聚乙烯(LDPE)粉末充分混合并热压成型,制得低密度聚乙烯/氧化锌纳米复合薄膜。通过电晕充电法向纳米复合薄膜试样注入表面电荷,研究电晕电压极性和幅值对纳米复合薄膜表面电位衰减特性的影响。结果表明:纳米Zn O颗粒的引入对LDPE纳米复合薄膜的归一化表面电位衰减特性产生显著影响,纳米颗粒的添加使聚合物表面电荷的消散速度加快,且相同条件下纳米颗粒的质量分数越高,表面电位衰减速度越快。同时纳米复合薄膜的归一化表面电位衰减特性与电晕电压极性和幅值均有关,同种试样经正极性电晕充电后可获得更大的归一化表面电位衰减稳态值;充电电压幅值越高,试样的归一化表面电位衰减速度越快。     

高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性

变频牵引电机定子绝缘承受来自变流器的连续高压方波脉冲,可能导致绝缘过早失效,其老化机理与工频交流电压作用下差异很大。局部放电是导致变频调速牵引电机绝缘失效的主要原因之一。研究高频方波脉冲下的局部放电特性为牵引电机绝缘材料的改进和优化提供理论基础,试验分析了普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜制成的电磁线寿命,结果发现纳米试样的寿命得到很大提高。针对普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜研究了不同脉冲频率、上升时间和温度对放电起始电压、平均放电量和放电次数的影响。结果表明,频率的增加、上升时间的缩短和温度的增加加剧了局部放电活动,普通薄膜试样的局部放电活动更强,其原因是纳米粒子的添加导致纳米复合薄膜存在大量界面区和电导率增加,电荷的迁移速率增大,空间电荷累积效应减弱。     

纳米二氧化硅/聚酰亚胺耐电晕薄膜的研究

通过超声机械混合方法制备纳米二氧化硅／聚酰亚胺复合耐电晕薄膜，并对其耐电晕性进行测量。用红外光谱(IR)和原子力显微镜(AFM)观察无机纳米粒子的分散情况及其电晕前后变化。结果表明：纳米二氧化硅／聚酰亚胺复合薄膜耐电晕性比普通的聚酰亚胺薄膜高。     

连续方波脉冲电压下温度对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了评估温度对局部放电(partial discharge,PD)特性的影响,对连续方波脉冲电压条件下的局部放电测试系统进行了改进,并采用该系统测试变频电机用聚酰亚胺纳米复合薄膜在不同温度条件下的局部放电特性,分析了不同温度下的局部放电散点图、放电次数及绝缘寿命。试验结果表明:局部放电多集中在方波脉冲的上升沿及下降沿附近,且在电压负半周期平顶区内,出现了大量放电;同时,随着实验温度的增加,局部放电次数及放电幅值虽然降低,但聚酰亚胺的绝缘寿命也逐渐降低,这说明局部放电只是引起聚酰亚胺纳米复合薄膜绝缘失效的原因之一,高温条件下活性电子的入陷、脱陷过程及空间电荷造成的电场畸变可能是诱导绝缘失效的另一个因素。     

高压方波脉冲对聚酰亚胺薄膜表面形貌的影响

为了研究高频脉冲电压下绝缘材料的老化、失效机理,给变频电机绝缘结构设计提供理论基础,在高频脉冲方波条件下,对纳米和非纳米聚酰亚胺薄膜进行了不同频率和不同时间的老化及局部放电测试:通过扫描电镜研究对比了老化对2种薄膜表面及横截面形貌的破坏情况;分析比较了频率对2种薄膜局部放电参量(起始放电电压,平均放电量和放电次数)的影响。结果表明:老化后2种薄膜的表面形貌都发生了明显改变,但由于添加纳米粒子使2种薄膜破坏情况完全不同;气隙表面电导率对局部放电有很大影响,无机纳米填充使非纳米聚酰亚胺薄膜产生大量界面,改善了材料的电导率,更加容易产生局部放电初始电子。     

纳米硅/铝氧化物杂化聚酰亚胺薄膜电性能研究

为了提高聚酰亚胺薄膜的电学性能,将纳米硅/铝氧化物掺杂到聚酰亚胺(PI)基体中,通过固定掺杂总量,调整纳米硅/铝氧化物的相对质量百分含量,制备出一系列的无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜。采用SEM(扫描电镜)表征了薄膜的表面形貌,对薄膜电气强度和耐电晕寿命进行了测试。结果表明:无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜与纯的聚酰亚胺薄膜相比其电性能大幅度提高。     

表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响

绝缘子的表面缺陷会导致表面电荷积聚，使绝缘子表面的电场发生畸变，影响冲击电压下绝缘子的沿面放电。研究了表面电荷对绝缘子沿面放电进程的影响，发现表面电荷积聚可以降低绝缘子沿面放电的起始电压。外施冲击电压的极性与绝缘子表面电荷极性是否相同会影响绝缘子的电晕起始时刻、由流注向先导的转变时间间隔和流注电晕电流。表面电荷对GIS支撑绝缘子的50％冲击闪络电压和伏秒特性也有一定的影响。     

耐电晕特种绕组线的制造及应用

本文主要介绍了两种耐电晕性好,绝缘厚度薄,机电性能优良,而且导热、耐热性都很高的新型绕组线。一种是耐电晕薄膜绕组线,另一种是耐电晕特种漆包绕组成,可适用于牵引电机、变频电机以及高压电机等。     

硅橡胶复合绝缘子运行寿命的试验研究

为评估运行中硅橡胶复合绝缘子安全寿命,提高供电可靠性,从上海电网中实际运行的线路上,选取运行年限>10a的110kV硅橡胶复合绝缘子作为试验研究样品绝缘子,通过对其表面特性及工频和冲击电压的试验研究,并辅助硅橡胶材料的微观试验,分析和探讨硅橡胶复合绝缘子运行寿命特性、电气和机械性能的综合因子老化规律,评估运行中硅橡胶复合绝缘子安全运行状态。研究结果表明:在硅橡胶材料表面特性正常的情况下,其工频和冲击电压试验的干、湿闪电压较接近并与外绝缘结构有关;当硅橡胶材料表面特性老化时,其干、湿闪络电压出现差值,表现出与材料表面特性有关。     

Insulator surface charge accumulation under impulse voltage

The surface charge distribution under impulse voltage is measured using a static capacitance probe. A probe with very small charge leakage is designed. The condition of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed, and it is concluded that micro discharges in the gas near the insulator surface such as the corona caused by free and fixed metal particles is usually a prerequisite condition. The dynamic equation describing the relationship between surface charge density and the applied voltage is established, and the process of surface charge accumulation under impulse voltage is analyzed. Theoretical analysis and experimental results show that the decrease of wave front time of the impulse voltage can result in an increase of surface charge accumulation. A GIS spacer is used to investigate the influence of charge accumulation on the flashover characteristics. It is shown that the 50% impulse flashover voltage can be reduced by 23.4%, and the lower limit of the V-t characteristics can be lowered drastically if the polarity of the surface charge is opposite to that of the applied voltage.     

无机纳米填充对聚酰亚胺高频脉冲下局放特性的影响研究

聚酰亚胺薄膜作为特种工程塑料薄膜之一,目前被广泛应用于变频调速牵引电机对地绝缘和匝间绝缘中,是变频电机的基础绝缘材料。笔者在高频脉冲方波条件下,对纳米和非纳米聚酰亚胺薄膜进行了不同频率和不同上升时间下的局部放电测试,比较分析了其特征参量的变化情况。结果表明:气隙表面电导率对局部放电有很大影响,上升时间对PD参数的影响主要取决于初始电子的延迟和气隙的动态电场ΔE,无机纳米填料在聚合物中产生大量界面改善了材料的电导率,电荷沿着气隙表面运动更加容易,同时纳米材料中大量浅陷阱的存在,使局部放电初始电子的产生更加容易。