固体绝缘材料表面电荷特性的研究进展

固体绝缘材料在电气、航空航天等领域得到了广泛应用,积聚在气体-固体或真空-固体交界面处的表面电荷被认为是导致电场畸变、造成固体材料表面绝缘性能下降的重要因素,因此成为研究者关注的热点问题之一。论文总结了近年来固体绝缘材料表面电荷特性的相关研究,分别从测量方法、反演算法、电荷积聚和消散规律及机理、表面电荷对材料绝缘性能的影响及表面电荷的调控方法这5个方面对表面电荷特性的研究现状进行评述,并对后续的研究给出了建议,旨在为今后固体绝缘材料表面电荷的相关研究提供参考。     

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。     

固–气界面电荷消散特性及其动力学过程

直流电场下气体绝缘设备中固体绝缘介质表面电荷的积聚会导致固–气界面的局部电场畸变,从而降低系统的绝缘水平。研究固–气界面电荷的消散特性可为高压直流气体绝缘装置的研发提供重要的理论基础。利用针–板电极向绝缘材料表面注入电荷,在不同条件下进行固–气界面电荷消散实验。采用静电探头法测量试样表面的电位分布,并通过反演计算得到电荷密度分布。结果表明:处在气体氛围中的环氧树脂材料,其表面电荷主要是通过与气体中离子中和消散,消散过程与气体中电场的分布有关。处在开放空间中的试样,表面电荷密度越大的地方电场越集中,因而迁移至此的异号带电粒子更多,表面电荷消散也更快,最后在试样表面会逐渐形成"火山口"形的电荷分布。基于固–气界面电荷消散的三种途径,构建了固–气界面电荷消散的动力学模型,分别考察了通过体电导消散、面电导消散,以及与气体中离子中和消散3种不同消散机理主导下的固–气界面电荷消散特性。研究发现,对于体积电导率小于10?15S/m的材料,表面电荷主要通过与气体中离子中和消散;对于体积电导率大于10?14S/m的材料,表面电荷主要通过体电导消散,各处消散速率基本一致;未经特殊处理的绝缘材料,表面电导率较小,对表面电荷消散的作用有限。     

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。     

不均匀直流电场下绝缘材料表面电荷积聚与消散特性

近年来,高压直流输电发展迅速,而绝缘材料表面电荷积聚现象所带来的问题日益突出,严重制约了高压电气设备的进一步发展。通过平面指型电极充电的方式研究不均匀直流电场下材料表面电荷的积聚特点,针对环氧树脂、硅橡胶、有机玻璃、聚四氟乙烯四种电介质,考察材料的种类、电压作用时间及幅值变化对表面电荷积聚的影响。此外,对四种材料表面电荷的消散规律展开研究,分析电荷消散速率与积聚能力间的关联。结果表明:对于所用的平面指型电极,表面电荷表现为双极性积聚,阳极侧积聚正电荷、阴极侧积聚负电荷;在电极两侧,绝缘材料表面电荷的积聚能力有所不同。并发现,材料表面电荷消散速率较大时,其在接地侧电极附近的电荷积聚能力也较强。研究结果有助于对电气设备常面临的绝缘问题以及电气设备绝缘优化设计提供科学依据。     

固体绝缘材料空间及表面电荷测量方法

积聚电荷的测量对于研究高压绝缘材料介电及绝缘性能方面起着相当重要的作用。近年来,国内外学者对固体绝缘材料内部及表面电荷测量方法进行了大量的研究,并取得了一些有意义的进展。本文对积聚在固体绝缘介质中的空间电荷和表面电荷的测量方法以及需要解决的问题进行综述。     

材料电导率对盆式绝缘子沿面电场与电荷分布的影响

在直流电压作用下,气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)盆式绝缘子表面容易积聚电荷;切断电压后,绝缘子表面电荷消散较慢,母线常存有残压。残余电荷的存在会威胁设备的安全运行,因此抑制表面电荷积聚,改善绝缘子沿面电场分布,具有重要意义。为此建立了恒定电场下200 kV盆式绝缘子仿真模型,提出了绝缘材料表面电导率与体电导率的比值α,计算了不同α值下绝缘子沿面电场、电荷分布以及电荷消散时间常数,最后确定了α的合理取值范围。结果表明,α值在1～10[m]之间时,直流电场分布比较均匀,绝缘子表面电荷积聚较少;该范围内表面电荷消散时间常数为数百秒,沿面是电荷消散的主要途径。该研究结果对合理选择绝缘子表面电导率与体电导率比值、优化沿面电场分布、加快表面电荷消散等方面有一定的工程参考价值。     

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明：非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。     

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。     

电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响

直流电压下绝缘子表面电荷积聚会造成电场畸变，导致气–固界面沿面放电甚至绝缘失效，因此研究表面电荷积聚与消散特性具有重要意义。为了研究电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响，通过在电极–环氧树脂制备而成的绝缘子接触面涂抹/不涂抹导电胶来模拟电极–绝缘子间的两种接触状态，即紧密接触/非紧密接触。进而研究金属和固体电介质间不同的接触方式对直流电压下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的影响。实验结果表明：当电极与绝缘子间紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相同的电荷，而当电极与绝缘子间非紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相反的电荷。同时，随加压时间延长不同接触方式下的电荷积聚总量也有显著差异。而在消散过程中，两种接触方式下表面电荷都以沿面迁移为主导，电荷分布区域呈显著的收缩现象，且紧密接触方式下的电荷消散速度快于非紧密接触方式。     

基于分区涂覆的圆盘绝缘子表面电荷抑制试验分析

环氧绝缘子作为气体绝缘开关GIS(gas insulated switchgear)设备的关键部件，起到电气绝缘和机械支撑的作用。积聚在绝缘子上的表面电荷是诱发沿面闪络事故的原因之一，研究表面电荷的抑制方法对于保障GIS安全运行具有重要意义。以制备缩比尺寸圆盘绝缘子为研究对象，在负直流电压下观测表面电荷的积聚特性。选取不同种类的纳米颗粒分别制备高、低电导率和非线性电导率的环氧基纳米复合材料涂层，研究涂料电导率、涂覆方式对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结果表明，采用分区涂覆可以显著抑制绝缘子非平面区的电荷积聚和地电极处的电荷注入，从而使表面电荷密度降低，为抑制绝缘子表面电荷积聚提供了一种新的途径。     

直流GIL盆式绝缘子的表面电荷分布

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)盆式绝缘子的稳态电场按介质电导率分布,在长期直流电压作用下,绝缘子表面会积聚电荷,引起局部电场畸变,威胁设备的安全运行。因此有必要对直流盆式绝缘子表面电荷积聚现象进行研究,掌握准确的电荷测量技术、电荷反演计算方法和绝缘子表面电荷积聚特性,为提高盆式绝缘子的绝缘水平提供参考。文中研制了一套新型盆式绝缘子表面电荷测量装置,能够控制探头以等距垂直姿态对绝缘子曲面进行扫描式测量;采用同心圆环电极对静电容探头进行了标度,获得其空间响应函数,并基于矩阵的Cholesky分解法对绝缘子表面电荷分布进行了反演计算。实验研究了不同直流电压作用下,±200 kV直流盆式绝缘子表面电荷积聚和消散特性,并根据实验和仿真计算结果,提出了不同条件下适用的表面电荷分布模型。文中对深入认识直流盆式绝缘子的表面电荷积聚现象、完善电荷积聚机理具有重要意义。     

不同类型变压器油的油纸复合绝缘空间电荷积聚与消散特性研究

在施加和撤去不同强度的直流电场下,研究了不同类型变压器油所构成的油纸绝缘体系空间电荷的积聚和消散特性.结果表明:与石蜡基变压器油相比,环烷基变压器油具有更高的环烷烃含量和适宜的芳烃含量,以及更高的电荷迁移速率,由它们构成的油纸绝缘体系在施加和撤去高压直流电场后,油纸之间电荷积聚量更小且更容易消散,从而有利于换流变压器中油纸绝缘材料中电荷的消散.     

伽玛线辐射对环氧树脂表面电荷消散特性的影响

应用在核电站、宇宙航天器等辐射环境中的环氧树脂绝缘材料因表面电荷积聚而易于引发沿面放电事故,研究高能辐射对材料表面电荷动态特性的影响对保障电气设备的绝缘安全具有重要意义。为此,选取厚1.5mm的环氧树脂薄板为试样,采用60 Co伽玛射线源以10kGy/h的辐射率辐射试样,总辐射量为100和1 000kGy。通过直流电晕向试样表面注入电荷,采用静电电位计测量不同时刻的表面电荷分布,分析伽玛线辐射对电荷消散特性的影响。结果表明:表面电荷呈双指数规律消散;随着总辐射量从0增大至1 000kGy,表面电荷的消散速度加快。伽玛线辐射引发的化学反应使试样表层的羰基和羟基数量增加,表面陷阱能级变浅,因而提高了电荷的消散速度。     

直流电压下环氧绝缘材料电气性能对表面电荷消散过程的影响

为了研究电荷消散过程的影响因素,采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量,并采用电容探头法用直流试验装置测量直流高压撤去后的表面电荷消散情况。通过相关理论研究,建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷消散的关系,并提出了环氧绝缘材料电气性能的改进措施,即适当增大环氧绝缘材料的体积电阻率和减小表面电阻率,可以减少电荷的积聚量,加快直流电压下环氧绝缘材料表面电荷的消散。     

空气中不同温度下环氧树脂绝缘子表面电荷消散过程的实验研究

表面电荷的消散与绝缘材料的表面电阻率和体积电阻率有关,而温度的变化会影响绝缘材料的表面电阻率和体积电阻率。为了研究环氧树脂绝缘子在不同温度下的表面电荷消散规律,建立了一套测量系统,采用有源静电探头法,对空气中在针板电极下的环氧树脂圆板绝缘子施加直流电压后进行了表面电位的测量。研究结果表明:各种配方的环氧树脂圆板绝缘子在不同温度下的消散过程都近似呈指数衰减规律;环氧树脂圆板绝缘子的表面电荷消散主要通过沿表面消散的方式进行;表面电阻率越高,表面电荷消散速率就越小;套管在实际运行过程中温度会高于常温,在选用环氧树脂材料时,应考虑其在工作温度范围内的电阻率变化,在保证绝缘强度的同时,尽量选择表面电阻率小的环氧树脂材料,以减少绝缘子表面电荷积聚。该研究结果对超大型直流穿墙套管中的环氧树脂绝缘支撑件的工程设计有借鉴意义。     

直流气体绝缘金属封闭输电线路中绝缘子的表面电荷积聚研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission line,GIL)在特殊环境下可替代部分架空输电线路或电缆,从而提高输电走廊选择的灵活性。严重影响直流GIL绝缘水平的关键因素之一是沿支撑绝缘子表面的电荷积聚现象。通过建立一个板板电极系统来模拟GIL中同轴圆柱结构的电场分布,研究直流下GIL中绝缘子电荷积聚的机制,绝缘子的形状、SF6的电导率对表面电荷积聚的影响,以及电荷积聚对绝缘子沿面电场分布的影响。结果表明,聚四氟乙烯绝缘子的表面电导率比体积电导率受电场的影响更大;初始时沿面法向场强小的绝缘子的电荷积聚能得到明显抑制;SF6的电导率与绝缘子表面电导率的比值影响积聚电荷的极性。     

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律研究北大核心CSCD

绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律的不同会引起绝缘材料表面闪络电压的不同,从而对输电线路的安全运行造成影响。为了研究材料表面污秽颗粒积聚规律,文中利用人工气雾室,通过改变电极两端电压及环境相对湿度,对硅橡胶和钢化玻璃两种绝缘片进行人工积污试验,分析了材料类型、环境湿度、施加电压对污秽颗粒积聚速率、颗粒粒径、积污量等的影响。结果表明材料、电场以及环境湿度对表面污秽颗粒积聚均有影响:环境湿度对于绝缘材料表面污秽颗粒积聚效应的影响主要在污秽粒径大小及积污总量上;而电场强度不仅对绝缘材料表面污秽颗粒的粒径大小及积污总量上有影响,而且在污秽颗粒积聚速率上也有影响。同时通过理论分析,发现湿度对材料表面积污的影响主要是由污秽颗粒表面水膜附着程度以及材料亲水性能决定,而电场材料对表面积污的影响主要由材料电荷存储能力、污秽颗粒极化作用和电凝并效应共同决定。     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

直流电场下盆式绝缘子体积电导率对其表面电荷积聚特性的影响

综合考虑直流GIL内部的传热及电荷积聚过程,研究建立了直流GIL电-热多物理场耦合模型.基于该模型,仿真计算了直流电应力和热应力耦合作用下,绝缘材料体积电导率对盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响规律.结果表明:将现有交流盆式绝缘子典型绝缘材料的体积电导率减小两个数量级,可以有效抑制绝缘子表面电荷积聚,但若过度减小绝缘材料的体积电导率反而会加剧盆式绝缘子的表面电荷积聚.