拉伸比对乙丙橡胶极化-去极化电流和陷阱分布的影响

针对移动电缆用EPDM绝缘在实际使用中经常受到拉伸力的作用，造成绝缘劣化的问题，本文从极化-去极化电流出发，主要研究不同拉伸程度对EPDM绝缘性能的影响。首先设计了拉伸装置用于测量拉伸状态下EPDM的极化-去极化电流和表面电位，然后从直流电导率和陷阱能级分布角度分析了拉伸比对EPDM性能的影响，最后从微观层面上解释了不同拉伸状态下EPDM绝缘性能变化的原因。结果表明：拉伸比对EPDM极化-去极化电流的影响存在阈值。当拉伸比小于1.4时，极化-去极化电流随拉伸比的增加而减小；当拉伸比大于1.4时，极化-去极化电流随拉伸比的增加而增大。当拉伸比从1.0增加到1.4时，陷阱数量减少导致表面电位衰减速率减小；当拉伸比从1.4增加到1.8时，浅陷阱的增加促进了电荷的消散和迁移过程，导致表面电位衰减速率增大。拉伸应力对EPDM绝缘性能的影响可分为无负荷状态、弹性形变状态、非弹性形变状态3个阶段。     

高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析

有机硅弹性体因具有良好的绝缘性与耐高温的特性,广泛应用于高频、高压、高温工况下的SiC器件中.在宽频率、宽温度范围内,有机硅弹性体材料的介电性能对SiC器件内部电场分布产生极大影响,因此该文采用频域介电谱分析方法获得了宽频(10?2～107Hz)、宽温度(20～280℃)范围内的有机硅弹性体介电特性数据,掌握有机硅弹性体在不同频率、温度条件下的介电弛豫过程,在此基础上,采用改进Cole-Cole模型对有机硅弹性体的弛豫特性进行分析,获得温度对有机硅弹性体介电响应过程与介电特征参数的影响规律.研究结果表明,随频率上升,复介电常数实部明显下降并趋于稳定,复介电常数虚部呈现先下降后上升到达峰值的趋势.在高温低频条件(160℃以上,100Hz以下)下,有机硅弹性体材料出现明显的低频弥散现象,280℃下观测到了电荷扩散过程的出现;不同温度下Cole-Cole模型特征参数中直流电导率σdc、弛豫强度Δε 与低频弥散强度ξ 与温度的关系满足Arrhenius方程规律;高频介电常数ε∞随温度升高而降低,与温度近似呈线性变化;弛豫时间τ 在高温下随温度上升具有明显指数型下降趋势,其机理可利用双势阱模型描述.该文获得的有机硅弹性体宽频、宽温度范围内的介电特性可以为SiC器件封装绝缘设计提供数据支撑.     

高频表面电荷输运对油纸绝缘局部放电的影响

为研究表面电荷输运特性对高频局部放电的影响机制,该文采用表面电位衰减法,搭建高频脉冲下油纸绝缘表面电荷输运平台,分析油纸绝缘的表面电荷积聚消散特性及陷阱分布特性,定量计算油纸绝缘中的陷阱密度,从而得到高频脉冲下表面电荷输运特性对油纸绝缘局部放电的影响机制。结果表明：高频油纸试样初始表面电荷积聚量随频率变化从1856.6V下降至1017.8V,表面电位衰减率从68.5%先上升至80%再下降至65.9%,存在一个峰值点;试样中总陷阱密度随频率增加整体呈下降趋势,从1.82×10³⁸ m^-3下降至9.99×10³⁷ m^-3,陷阱深度呈先下降后上升趋势;表面电荷输运机制是影响高频油纸绝缘局部放电特性改变的重要原因。研究结果可为深入理解高频下油纸绝缘局部放电特性提供理论依据。     

等离子体改性对环氧树脂材料表面电荷动态特性的影响

等离子体对环氧树脂材料的表面改性在未来高压输电设备制造有着广泛的应用前景,基于此,采用次大气压辉光放电等离子体处理环氧树脂材料,通过表面电荷测量系统测量表面电位值、表面(体)电导率、闪络电压等手段分析改性表面电荷动态特性。实验结果表明:等离子体对环氧树脂材料的改性处理能有效加快其表面电荷的消散;改性处理后的材料表面电位衰减加快、沿面闪络电压升高;从陷阱能级分布曲线可知,陷阱能级变浅,密度变大,且随着改性时间增长,浅能级深度陷阱密度减小。此外,处理后材料的表面电导率升高一个数量级,体电导率无明显变化。分析表明:一方面浅陷阱能级不利于电荷被材料表面的陷阱所捕获,但有利于被捕获电荷的脱陷;另一方面,材料表面电导率的升高加快了表面电荷沿面迁移的速率。在这两方面的共同作用下,处理后环氧树脂材料表面电荷消散加快,绝缘性能提高。     

硅橡胶绝缘高压电缆附件的老化特性研究

为研究高压电缆附件绝缘在电、热和环境等多因素作用下的老化特性,文中以6种退役硅橡胶绝缘高压电缆附件样品为研究对象开展工作。采用SEM、FTIR和XRD分析了不同运行环境下样品的理化特性和微观分子结构变化,通过介电测试和表面电位衰减测试获得了样品宏观介电性能和微观电荷特性,采用拉伸实验获得了绝缘样品的力学性能数据,最后结合上述表征对电缆附件的绝缘和老化状态进行评估。结果表明硅橡胶附件老化过程中以Si-O主链降解为小分子为主,小分子物质进一步发生氧化和重结晶反应,导致分子的交联度下降和极性增强,同时微粒团簇形成应力集中点和放电通道,外在表现为力学性能下降和介电常数改变;硅橡胶绝缘表面在电、热和应力作用下出现裂纹和孔洞,分子链断裂形成低密度区,影响材料表面的陷阱密度和能级深度,宏观体现为电缆附件绝缘击穿场强和电阻率的变化。     

伽玛线辐射对环氧树脂表面陷阱分布的影响

环氧树脂绝缘材料在核电站、宇宙航天等核辐射环境下的电气电子设备中广泛应用,了解高能辐射对其表面陷阱分布的影响对保障绝缘安全具有重要意义。本文以经伽玛线辐射的环氧树脂为试样,通过直流电晕向其表面注入电荷,采用静电电位计测量表面电位衰减特性,基于等温衰减电流理论计算材料表面陷阱分布,分析总辐射量的影响。结果表明,表面陷阱存在双能级中心;随着总辐射量的增大,陷阱密度先减小后增大,陷阱能级变浅。伽玛线辐射引发的化学反应使试样表层化学结构发生变化,是导致陷阱分布改变的主要原因。     

绝缘材料表面电荷测量优化及等离子体处理对其表面电特性的影响

绝缘材料表面电荷衰减特性在一定程度上反映了介质材料表面电学性能的好坏,其变化会影响材料的极化、抗静电性能以及闪络性能。如何对绝缘子表面电荷分布进行准确的测量具有重要意义。基于自主搭建的表面电位测试系统,在针–板电极下,研究了不同测量条件(电压幅值、充电时间、有无栅极网、相对湿度)对环氧树脂材料表面电位测量的影响,并提出最佳测量条件。优化介质阻挡放电等离子体(DBD)放电参数,并处理环氧树脂表面,利用搭建的表面电位测试系统研究了等离子体处理对环氧树脂表面电位衰减速率的影响规律。结果表明介质表面最大电位幅值随施压幅值的增加而增加,但增加一定程度后达到饱和状态;施压时间对表面电位影响不大;湿度的增大会加快表面电位的衰减;栅极的存在会对表面电位有"钳制"作用。经DBD处理后环氧树脂表面电位衰减明显加快,且衰减速率随处理时间的增加呈先增加后减小的变化趋势,最佳处理时间为180 s。该研究为表面电荷测量提供了有利的参考,并提供了一种有效加速表面电荷衰减的改性方式。     

纳米复合电介质击穿与耐电晕性的纳米掺杂效应

纳米掺杂对聚合物绝缘介质的电气性能影响较大。以杜邦公司的纯聚酰亚胺100HN和纳米型聚酰亚胺100CR为研究对象,开展电导、表面电位衰减、直流击穿与耐电晕实验。实验结果表明,相较于100HN,100CR的直流击穿场强下降6.4%,而其耐电晕时间提升400%,表明纳米粒子在两种特性中发挥不同的作用机制。表面电位衰减特性提取的陷阱参数表明100CR的深陷阱能级和密度均减小;高场电导结果表明100CR的电导率和载流子迁移率均增加。扫描电子显微镜观察电晕后的试样表面形貌发现100HN的表面形貌为"沟槽型通道",而100CR的表面形貌是"不同侵蚀度的分层环形",且侵蚀面积增大。研究结果表明:纳米粒子通过改变陷阱特性影响电导特性,最终影响直流击穿的发展过程;对于耐电晕特性,提出了基于表面碰撞散射与电荷消散协同作用的纳米复合电介质的耐电晕模型,解释了分层环形形貌特征与耐电晕性能增加的原因。     

多层油纸绝缘介质不同局放阶段的陷阱参数演变规律

陷阱是影响绝缘介质中电荷输运特性的重要因素,研究不同局放阶段绝缘介质陷阱参数演变规律对深入研究放电机理具有重要意义。为此,考虑车载变压器的匝间绝缘结构特点,设计了3层油纸绝缘缺陷模型,进行局部放电试验,选取起始到击穿不同放电阶段的试样,采用等温表面电位衰减方法研究不同放电阶段3层绝缘纸试样的表面电荷衰减特性,据此计算相应阶段试样表面电荷的陷阱分布规律,探究陷阱分布对局部放电的影响。研究结果表明:Nomex纸以深陷阱为主,随着放电的发展,第1层绝缘纸陷阱能级增加,第2、3层绝缘纸陷阱能级下降;陷阱能级和陷阱密度降低导致绝缘纸中自由电荷变化率增加,自由电荷数量增多,放电的剧烈程度增加;电荷的传输特性是局部放电过程中不同层绝缘纸陷阱参数演变规律不同的重要原因。     

GPO-3隔板对棒-板间隙工频击穿电压的影响及表面残余电荷特性

在空间有限的高压箱内部,通过合理引入绝缘隔板,可显著提高整个系统的绝缘性能。该文研究聚酯玻璃毡板(GPO-3)尺寸、位置和厚度对"棒-隔板-地电极"工频击穿特性的影响;采用非接触式表面电位计,研究放电后隔板表面残余电荷衰减特性。实验结果表明,GPO-3隔板的增加会阻止电晕层的发展,"棒-隔板-地电极"系统的击穿电压最大可提高至原来的1.91倍。当隔板厚度超过约6mm时,击穿电压增幅较小;工频电压下间隙放电后,GPO-3表面存在明显的残余电荷,且滞留时间较长,放电后GPO-3的表面电位为3 856V,衰减1h后仍为239V。基于Simmons理论,计算材料表面陷阱分布,发现GPO-3表面残余电荷密度峰值为1.59×10~(19)/m~3和8.87×10~(18)/m~3,对应陷阱能级约为1.0eV,深陷阱是导致隔板表面电荷积聚的主要原因。该文可为工程设计中绝缘隔板的设计提供理论和实验依据。     

环氧树脂/SiO_2纳米复合材料陷阱分布及直流闪络特性

气体绝缘管道输电和气体绝缘组合电器运行过程中盆式绝缘子表面电荷的积累与消散特性对其绝缘破坏具有重要影响,通过纳米颗粒调控环氧树脂表面电荷的动态行为及其闪络特性对提高其安全运行具有重要意义。制备了质量分数为0%、2%、4%、6%和8%的环氧树脂/SiO_2纳米复合材料,获得了其在正、负直流电压作用下表面电位衰减特性、陷阱分布特性及其闪络击穿特性,并建立了基于陷阱调控的闪络击穿失效物理模型。结果表明:正、负电晕充电条件下,SiO_2纳米颗粒均导致环氧树脂表面电位衰减速度减小,纳米质量分数为4%时达到最小值; SiO_2纳米颗粒引入了新的空穴陷阱和电子陷阱,深陷阱能级和陷阱密度均增加,纳米质量分数为4%时达到最大值; SiO_2纳米颗粒提高了环氧树脂的闪络电压,质量分数为4%的纳米复合材料与纯环氧树脂相比,正、负直流电压下闪络电压分别提升了58. 04%和64. 15%。     

玻璃陶瓷表面浅陷阱分布对其真空沿面闪络特性的影响

长期以来沿面闪络现象一直制约着真空绝缘系统的整体性能,极大地限制了高压电真空设备的发展进程。针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,研究了不同制备工艺的可加工陶瓷试品在进行表面氢氟酸处理前后其电学特性的变化。利用表面电位衰减法测量了材料表层陷阱分布,分析了表面酸处理对其陷阱分布的影响;采用光电结合的方法,测量了不同表面处理的材料在真空中的表面耐电情况,分析了材料表面陷阱的密度和能级对闪络特性的影响。发现玻璃陶瓷材料表面存在的玻璃相结构是造成存在大量浅陷阱的重要原因,而浅陷阱对沿面闪络特性造成不利影响。得知通过氢氟酸处理可以腐蚀掉材料表面的玻璃相结构,从而降低浅陷阱密度,进而明显提高材料表面闪络的稳定性和降低分散性。     

退役电缆附件微观结构与电荷特性研究

电缆附件是输电线路中最容易出现故障的薄弱环节,从微观结构和电荷特性方面入手,分析和探索退役电缆附件的失效行为和影响规律,是提高电力系统安全稳定运行的关键。该文研究对象取样于退役或故障电缆附件绝缘,通过对其表面化学组成和形貌的观测分析、材料陷阱参数的测量计算以及空间电荷的测试,分析老化作用下三者之间的相互影响关系。结果表明:三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)绝缘的电缆附件,其老化标志除了出现C—O、C=O结构外,还包括因终端填充硅油而引入的含Si基团及其比例的改变;而在硅橡胶(siliconerubber,Si R)绝缘的电缆附件中,Si—O—Si比例的下降是其严重劣化的标志;与EPDM相比,Si R浅陷阱能级和密度占据优势,其表面电位衰减和电荷消散速度明显更快,能够有效避免空间电荷的集聚,但是由于Si R较差的抗撕裂性容易产生裂纹;退役电缆附件长期运行在复杂的环境下,材料的氧化、主链和侧链的断裂及其他杂质的生成,是附件绝缘陷阱参数及电荷特性变化的主要原因。     

固体绝缘介质表面陷阱参数的分析

为了研究聚合物绝缘材料表面陷阱参数对其绝缘性能的影响,在简述了等温电流衰减理论后依该理论设计了材料表面陷阱分布测量装置,并实际测量了聚合物低密度聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的表面陷阱分布。在对材料直流充电后将其短路1min以清除表面沉积的自由电荷,再移去短路电极并将探头迅速移至材料表面充电区域记录表面电位。实验保持恒温条件,用等温电流衰减理论计算材料的陷阱分布参数。实验表明电子空穴陷阱与材料的分子结构密切相关,聚合物不同高分子链影响着陷阱电荷的分布。     

工频电压叠加谐波作用下硅橡胶绝缘的陷阱和介电特性演变规律

我国电网容量的迅速增长与大量电力电子设备和非线性负载的广泛使用,导致电力系统产生了谐波。电力系统中的谐波会对电力设备的正常运行产生安全危害,加剧电力设备内部绝缘材料的老化,降低电力系统的整体运行可靠性。为此采用工频电压叠加谐波对电缆终端进行加压试验,然后测试运行不同时间的电缆终端上硅橡胶绝缘材料的红外光谱、介电谱、电导率、表面电位衰减等特性。试验结果表明:随着运行时间延长,硅橡胶的介电常数和介电损耗因数逐渐增大。特别是低频下硅橡胶的介电损耗因数出现了很大的变化,直流电导对介电损耗的作用显著增强,导致介电损耗因数随着频率的下降而呈现逆幂函数增大趋势。硅橡胶绝缘在正电晕和负电晕充电后的表面电位衰减速率随电缆终端运行时间的延长而加快,与电导率逐渐增大的试验结果一致。通过分析硅橡胶绝缘材料的电子陷阱和空穴陷阱分布特性,发现随着运行时间的延长,电子和空穴的陷阱能级均变浅。通过载流子跳跃电导模型计算发现电缆终端运行时间延长形成的浅陷阱将导致载流子迁移率增大,电导率上升。当电导率上升到一定值时,绝缘电介质将失去绝缘性能,导致绝缘失效。     

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。     

直流电压下SF_6中环氧复合绝缘的表面电荷积聚与衰减特性

为了研究直流电压下聚合物绝缘材料表面电荷的积聚和衰减特性,选择环氧复合绝缘材料为实验试品,采用对称平面压接电极,施加不同幅值的直流电压,利用静电探头测量了大气压SF_6气体中不同充电时间下绝缘材料的表面电位分布。实验结果表明:在直流电压作用下,环氧复合绝缘表面会发生同极性电荷积聚,电极中心线上表面电位呈钟形分布,表面电位的峰值和半峰值宽度随电压幅值增加不断增加。在相同幅值电压下,低幅值时(10 kV),正极性下表面电荷密度较负极性下高;高幅值时(10 kV),负极性下表面电荷密度较正极性下高。随充电时间增加,电极中心线表面电位仍然呈钟形分布,和外施电压同极性的表面电荷密度较高且分布较为集中。表面电位的衰减分为两个阶段,符合双指数函数规律,初期衰减快,后期衰减慢,正电荷衰减速度大于负电荷,电压幅值越高,起始电位衰减越快,衰减完全所需要的时间越长。结合实验结果,分析认为表面电荷主要通过表面电导衰减。     

基于等温表面电位衰减法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料陷阱分布特性

聚合物绝缘材料中空间电荷的注入、输运、积聚和消散过程与材料的陷阱特性密切相关。为研究氧化石墨烯(GO)添加对聚乙烯材料陷阱特性的影响,制备了GO质量分数分别为0.001%、0.005%、0.01%、0.02%、0.05%的氧化石墨烯/低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料,基于等温表面电位衰减(ISPD)法研究了30℃、50℃和70℃下GO/LDPE纳米复合材料的陷阱分布特性。研究发现:GO/LDPE试样均存在2个陷阱能级中心,随GO质量分数从0增加至0.05%,试样陷阱能级呈现先增大后减小的趋势;当GO质量分数为0.01%时,复合材料的深陷阱能级和密度最大;随着温度的升高,复合材料深陷阱中心所捕获的电荷更易发生脱陷过程,从而导致复合材料视在深陷阱能级增大。分析认为,质量分数为0.01%的GO纳米添加可以增大复合材料深陷阱密度,降低载流子迁移率,从而有效抑制电荷向试样内部的迁移过程。     

电子辐照条件下真空度对介质材料表面电位衰减特性的影响

为研究航天器介质材料表面电位衰减特性和环境真空度的关系,利用航天器带电地面模拟实验设备对聚酰亚胺和聚四氟乙烯介质材料分别充电到同一电位值,然后关闭电子枪,用电位计测量介质材料表面电位在不同真空度条件下的衰减曲线,并分析电位衰减的途径。结果表明:介质材料所处环境的真空度对电位衰减特性有显著影响,真空度越低,则介质材料表面电位衰减速度越快,且在一定的时间段内其电位衰减效率随真空度的增大而减小,真空度越大则介质材料的等效表面电阻率越大,电荷的衰减主要通过介质材料的表面和内部消散实现,研究介质材料表面电位衰减特性对航天器静电防护具有一定的指导意义。     

碳化硅表面改性对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响研究

为了揭示涂覆碳化硅对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响机制,本研究建立了基于静电探头的固体绝缘表面电荷的测量实验平台,通过对表面涂覆碳化硅的PMMA试样进行测定,获取了不同条件下固体绝缘介质的表面电荷分布特性。结果表明:涂覆碳化硅对绝缘材料表面电荷积聚的影响较小,而当碳化硅含量超过45%时,绝缘材料表面电荷消散速率明显加快,且由于碳化硅体积电导率与外加电场存在非线性关系,阈值电场随着涂覆碳化硅含量增加而降低,在涂覆较高含量碳化硅后,固体绝缘材料因积聚一定量的表面电荷使其表面等效电导率明显提升,表面电荷消散速率加快,对固体绝缘介质表面积聚的电荷起到了调控作用。