等离子体梯度氟化提升非均匀电场下环氧树脂沿面闪络性能的研究

在高压直流电场下环氧树脂表面的微粒和缺陷会使局部电场发生畸变，形成非均匀电场，进而诱发沿面闪络。现有环氧树脂表面改性方案大多关注于处理的均匀程度，对非均匀电场下的耐压性能提升有限。本文针对非均匀电场开展仿真研究，结合电场特点进行针对性的梯度改性方案设计，将等离子体氟化改性技术与梯度绝缘理念相结合，在传统氟化改性的基础上实现了对环氧树脂的等离子体阶跃型梯度氟化改性。结果表明：等离子体阶跃型梯度氟化使环氧树脂的表面微观形貌、化学组分和电气性能均呈现出阶跃型梯度分布，既可以降低环氧树脂的表面场强最大值，又可以调控界面电荷动态行为，大幅提升环氧树脂的沿面闪络性能，提升效果优于等离子体均匀氟化。     

氟化协同高分子助剂调控环氧复合材料绝缘性能机制

偶联剂作为常用小分子界面改性助剂,在等离子体作用下,其界面相容性易受影响。为进一步调控填料与环氧树脂基界面特性,采用端羧基超支化聚酯(carboxyl-terminated hyperbranched polyester, CHBP)对纳米SiO₂进行大分子链包覆,再协同等低温离子体对填料进行氟化接枝。对比分析不同改性方式下环氧复合材料化学组分、微观形貌、电荷特性及沿面闪络特性。实验结果表明：相比偶联剂预处理,经超支化表面接枝改性的纳米SiO₂与环氧基体间界面相容性更好,氟化协同改性后,其在基体内团聚尺寸较KH550/氟化改性显著减少。掺杂质量分数3%的CHBP/氟化改性填料,可有效减少高压电场下环氧复合材料的平均电荷密度,抑制空间电荷积聚及跨界面输运,其沿面闪络发展得到有效抑制,闪络电压分散性有所降低。其击穿场强最大值达到40.88 kV/mm,相较于同质量分数的CHBP改性,KH550/氟化改性试样分别提高了12.34%、20.13%。氟化协同高分子助剂接枝改性作为可行有效方法,为填料改性提供了新研究思路。     

等离子体表面氟化处理环氧树脂及其沿面闪络特性研究

为加快绝缘子表面电荷消散,提升绝缘子沿面闪络电压,本研究提出了等离子体氟化改性技术,选用与绝缘子配方一致的环氧树脂试样,改变材料表面的处理时间,测试处理前、后试样的表面物理、化学及介电特性.结果表明:等离子体处理作为一种兼具表面物理改性及化学改性的方法,可以在试样表面引入亲水性基团,改变试样表面的浸润性,试样表面粗糙度随处理时间的增加呈先提高后降低的趋势,同时等离子处理可以在材料表面引入F元素,浅化表面陷阱,提升材料的表面电导率,减少表面电荷积聚;在选定参数下,处理9 min后,沿面闪络电压提升至最大值,威布尔分布计算表明提升了约37.17％;过长时间的等离子体表面处理会破坏材料结构,深化表面陷阱,降低表面电导率,降低沿面闪络电压.     

等离子体氟化协同偶联剂改性纳米SiO2/环氧树脂电气性能

纳米SiO2填料与环氧树脂基体界面效应差,限制了复合材料电气性能提升.为此采用CF4/N2等离子体协同偶联剂改性纳米SiO2填料,改变其在基体中界面特性,制备了不同质量分数的纳米SiO2/环氧树脂复合材料.对复合材料的化学组分、表面形貌、闪络电压和击穿场强等进行测试.测试表明:氟元素以CF2为主要形式存在改性SiO2表...     

交联聚苯乙烯表面CF_4等离子体改性及其真空沿面闪络性能

绝缘材料的真空沿面闪络性能是目前电气工程领域的研究热点,为此采用大气压介质阻挡放电技术,对交联聚苯乙烯(CLPS)进行CF_4等离子体表面改性。通过静态水接触角、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术,分析改性前后CLPS的表面特性;同时测量改性前后的真空沿面闪络性能,讨论了表面微观形貌在纳米尺度上的变化及表面氟含量与闪络电压的关系。结果表明:CF_4等离子体可以改变材料表面微观形貌并对表面进行氟化,使得CLPS真空沿面闪络电压提高50%以上。表面高度特征参数Ra随改性时间增加先增加后减小,引入氟以单氟接枝碳原子(C—F)的形式存在,纳米尺度下增加Ra以及在表面分子链中引入C—F键可提高CLPS真空沿面闪络电压。     

低气压介质阻挡放电条件下纳米SiO2表面氟化研究

为改善纳米颗粒的团聚问题,有效提升复合材料的绝缘性能,首先对低气压下基于介质阻挡放电的纳米Si O_2表面氟化过程展开研究,重点讨论了Si O_2表面氟化过程及其主导放电条件。然后基于等离子体放电特性和发射光谱诊断,分析了CF_4/N_2混合气体等离子体的放电及分布特性,并对表面氟化处理纳米Si O_2进行微观表征。最后初步分析了该氟化技术对环氧基体电气性能的影响。研究结果表明:气压为10～13.5 k Pa、电压为5～7 k V的CF_4/N_2低温等离子体在放电空间内呈现均匀分布;研究范围内的CF_4/N_2低温等离子体的电子温度最低为0.497 e V,可实现CF_4中C—F断键,为Si O_2表面氟化创造条件;对纳米Si O_2进行10 min等离子体有效氟化,F元素质量分数达到10.05%,且以CF_2主要形式存在;纳米Si O_2团聚现象得到有效改善,在环氧基体中的分散更加均匀。掺杂Si O_2质量分数为5%的氟化填料后,环氧树脂局放起始电压提升最明显,较同掺杂含量未氟化试样提高17.21%。结果证明等离子体填料氟化处理Si O_2填料的的可行性,为氟化改性纳米填料提供新的研究思路。     

等离子体氟化纳米SiC/环氧复合涂层对环氧树脂闪络特性的影响

环氧树脂绝缘子在电场的作用下会发生表面电荷积聚,严重时会发生沿面闪络现象,威胁电力系统和电气设备的安全运行。为此利用CF4/Ar等离子体对纳米SiC进行氟化处理,以改变其在环氧树脂中的界面特性,将含有不同质量分数氟化纳米SiC的环氧复合涂层材料以3种不同厚度涂覆在环氧树脂基体上,对其进行表面电位测试和直流闪络测试。实验结果表明:随着填料在环氧涂层中含量的增加,试样的闪络电压增高,电荷消散速度加快,陷阱能级和密度降低。增加涂层厚度同样可以提高试样的闪络电压,等离子体氟化纳米SiC质量分数为5%的涂层厚度为600μm时,闪络电压较无涂层试样提高了18.7%。涂覆等离子氟化纳米SiC/环氧复合涂层作为便捷有效的方法,在减少电气设备运行故障方面具有广阔的应用前景。     

等离子体射流快速改性促进表面电荷衰减

随着高压直流输电迅猛发展,绝缘材料在直流电压下表面电荷积聚现象严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。为加快绝缘材料表面电荷的消散,采用大气压等离子体射流,以TEOS为前驱物,在环氧树脂表面沉积SiO_x薄膜。对改性前后材料表面化学组成、表面电导率、表面电荷特性、表面陷阱分布以及耐压特性进行多参数测量,研究等离子体射流改性前后环氧树脂表面特性。实验结果表明:等离子体处理在环氧树脂表面引入大量以Si-O-Si及Si-OH基团为主的无机基团,且表面电导率提高2个数量级。随着改性时间的延长,表面电荷的初始积聚量减少,消散速度加快,陷阱能级深度变浅;沿面闪络电压呈现先增后降的趋势,在改性180s时闪络电压提高到最高值9.0k V。研究结果表明:通过大气压等离子体射流在聚合物表面沉积薄膜能够提高环氧树脂绝缘性能,为其工程应用提供了有效的改性方法。     

多巴胺接枝的纳米氮化硼改性环氧树脂绝缘表面电荷高频消散特性

环氧树脂（EP）常用作高频变压器的主绝缘材料,因长期受高频重复电应力作用,导致表面积累的电荷密度增加,容易诱发绝缘失效。纳米改性是提升复合绝缘界面电荷消散特性的重要手段。该文采用多巴胺接枝的纳米氮化硼（h-BN）改性制备了环氧树脂复合材料,重点考察绝缘表面电荷的高频消散特性。受耗散时间、高频致热效应及深陷阱能级的影响,高频下的绝缘表面电荷不易消散,而引入多巴胺接枝的BN可有效提升环氧树脂复合绝缘的电荷消散速率。具体结果表明,掺杂质量分数为10%时,电荷消散速率达到最大值62.15%,相较于纯EP提高了19.41%,与此同时高频沿面闪络电压比纯EP提高了14.73%。其提升机理主要缘于两个方面：一是BN表面接枝的氨基增强了填料与基体的相容性,形成的三维交联网络拓宽了电荷消散路径;二是材料表层浅陷阱密度的提高,使得载流子易通过隧穿效应参与到电导过程,提高了载流子迁移率;此二者协同作用有效提高了表面电荷的高频消散速率。上述研究结果为高频变压器主绝缘系统优化设计提供了基础依据。     

纳米Al_(2)O_(3)/环氧树脂复合材料微秒脉冲沿面闪络特性研究北大核心CSCD

GIS中由于开关分合闸等操作而引发的内部脉冲过电压会导致绝缘件表面出现多次闪络击穿等问题。因此,文中研究了不同纳米Al_(2)O_(3)填充含量下环氧树脂复合材料在微秒脉冲电压下的沿面闪络特性;并针对1.5%Al_(2)O_(3)/EP复合材料在脉冲电压频率为10 kHz,幅值为18 kV,电极间隙为10 mm下开展沿面闪络老化试验,对比老化前后闪络电压最小值和表面电阻变化趋势,分析不同程度的老化对绝缘材料表面微观形貌、元素成分以及电气性能的影响。结果表明,预加直流电晕放电能够降低环氧树脂材料的闪络电压,且当纳米Al_(2)O_(3)填充含量为1.5%时对闪络现象的抑制效果最为显著。同时,环氧树脂复合材料在经过沿面闪络老化试验后,老化区域C、O元素之比降低,材料表面形成大量凸起颗粒和裂纹,使其呈现疏松、亲水等特点。研究结果可为提升环氧树脂表面耐压能力提供指导意义。     

超支化聚酯改性纳米BaTiO3/EP复合材料的性能研究

为获得具有低损耗、较好击穿及导热性能的高介电常数材料,采用超支化聚酯协同偶联剂改性BaTiO_3,以环氧树脂EP为基体制成复合材料,对比研究不同填充量,不同改性方式下复合材料的介电、击穿、导热性能。微观分析表明,超支化改性BaTiO_3后提升了其在EP中的分散性及相容性,改善了团聚缺陷。超支化改性BaTiO_3/EP复合材料的相对介电常数显著提升,在1 kHz下、BaTiO_3质量分数(ω(Ba Ti O3))为60%时达到了37.1,虽然比偶联剂改性BaTiO_3/EP复合材料的相对介电常数下降了10%,但其介质损耗角正切却降低了31%;ω(BaTiO_3)=60%时,其交流击穿场强比偶联剂改性BaTiO_3/EP复合材料的击穿场强提高了22.7%;导热系数在ω(Ba Ti O3)=60%时达到最高的0.383W/(m·K),比同质量分数偶联剂改性方式提高了31%。以上结果表明,超支化聚酯协同偶联剂改性BaTiO_3能够增强界面作用,削弱界面极化,降低电荷迁移率,提高复合材料的综合性能。     

聚合物纳米复合电介质的击穿性能

聚合物纳米复合电介质作为第三代绝缘材料表现出优异的电气特性,其中击穿是纳米复合电介质的关键性能之一。很多研究表明纳米复合电介质的击穿性能明显优于纯聚合物和微米复合电介质材料。针对第一代纳米复合电介质的国内外研究现状,综述了其击穿性能(包括体击穿和沿面闪络特性),讨论了纳米复合电介质击穿特性改善的机理。基于国内外研究现状和本课题组的研究积累,提出了自由体积对聚合物纳米复合电介质击穿的重要影响,指出了纳米粒子对聚合物基体自由体积参数的影响规律;研究了电荷输运微观过程对纳米复合电介质击穿的影响机制,阐述了陷阱参数与体击穿和沿面闪络性能的关系;总结了纳米改性与复合材料体和表面电荷输运参数调控的关联,指出了纳米掺杂同时改善聚合物介质体击穿和沿面闪络特性的机理。     

纳米Al2O3对环氧树脂复合材料沿面闪络电压的影响

为了提高环氧树脂材料的绝缘性能,减少电气设备闪络事故的发生,利用纳米Al_2O_3对环氧树脂进行改性是一种行之有效的办法。本文研究了纳米Al_2O_3的粒径、含量以及偶联剂处理对环氧树脂绝缘材料直流闪络电压和介电常数的影响。结果表明:复合材料的闪络电压随纳米Al_2O_3粒径的减小和含量的增加呈现先增大后减小的趋势;纳米Al_2O_3的偶联剂处理使得复合材料的沿面闪络电压得到提升;复合材料介电常数的变化趋势与闪络电压相反。     

等离子体氟化改性环氧树脂及其在C_4F_7N/CO_2混合气体中电气性能研究

气体绝缘全封闭组合电器(GIS)/气体绝缘输电线路(GIL)长期运行中绝缘子表面积聚的电荷严重威胁电气设备的稳定运行,改善绝缘材料表面化学物理性质能有效提升其绝缘性能。该文采用低温等离子体技术对环氧树脂绝缘试样进行氟化改性处理,通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)分析了改性前后绝缘试样的微观物理形貌及化学组分。等离子体处理可以高效可控地在环氧树脂表面大面积接枝氟元素,样片表面粗糙度随着改性处理时间呈现先增大后降低的现象,改性处理后样片的空穴陷阱能级略有变深、电子陷阱能级先变浅后变深。改性处理10min样片在C_4F_7N/CO_2混合气体中的交直流沿面放电均达到最大值。实验结果表明适当的氟化处理造成表面粗糙度的增加,导致爬电距离增加,正电荷消散变慢,负电荷消散变快,最终使得样片的闪络电压得到了提升。过度的氟化处理使得样片基体结构受损,氟元素剥离,最终造成绝缘强度下降。     

氟化剥离填料对氮化硼/环氧复合材料沿面闪络电压的影响

氮化硼/环氧树脂复合材料因其优异的导热、机械、电学性能成为高压电气设备中重要的功能材料。为此提出对填料进行氟化剥离处理以提升复合材料的绝缘性能。通过制备含改性氮化硼质量分数分别为1%、2%、4%、8%的环氧树脂复合材料,与未处理填料的氮化硼/环氧树脂复合材料进行对比,研究其在直流电场下表面电荷消散与闪络电压的特性。采用SEM、FTIR、AFM、EDS等手段研究填料改性前后的性质和材料表面闪络处的形貌和元素成分。结果显示:材料表面电荷的消散速度及闪络电压随填料质量分数的增加而提升;对氮化硼填料氟化剥离处理有助于促进复合材料的电荷消散,提高闪络电压。从电荷消散途径、氮化硼禁带宽度、材料表面陷阱效应方面对实验现象进行了解释,为复合材料的无机填料处理提供了一种新的改性方法。     

环氧树脂/功能化氮化硼纳米片复合电介质的制备及性能研究

采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）对氮化硼纳米片（BNNS）进行表面改性,然后将其掺入环氧树脂基体中,制备了环氧树脂/功能化氮化硼纳米片（EP/BNNS-KH560）复合材料。对功能化氮化硼纳米片的结构及形貌进行测定,并对EP/BNNS-KH560复合材料的性能进行研究。结果表明：BNNS表面成功接枝K...     

纳米粒子对油纸复合绝缘系统影响的试验与仿真

传统变压器油纸复合介质已不能满足特高压等级对大容量、小型化绝缘系统的要求。为得到高性能的油纸绝缘系统,开展了纳米改性的油纸复合绝缘系统的试验和仿真研究,对比测试了有无添加纳米粒子的油纸复合绝缘的操作冲击击穿电压,建立了油纸系统下油中流注的发展模型,基于该模型,计算了沿面流注通道内的电场、空间电荷和绝缘纸表面沿面电荷分布。研究表明,纳米粒子改性的油纸系统的耐压性能较传统油纸系统有10%左右的提高,纸绝缘的面电荷密度从0.020 C/m2降为0.016 C/m2,纳米粒子可以抑制油中流注和沿面流注的发展,从而提高了油纸复合介质的绝缘性能。     

高温阶梯式升压下等离子体处理纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性影响

高含量纳米掺杂易团聚会导致空间电荷积聚、电场畸变,从而降低材料的绝缘性能。为了提升高含量纳米颗粒在基体中的分散性,采用等离子体对纳米氧化铝表面进行处理,制备了纳米氧化铝质量分数为10%的环氧树脂纳米复合材料,利用扫描电子显微镜对颗粒的分散性进行表征,采用高温空间电荷测量装置和电导电流测试系统研究了不同温度阶梯式升压下试样的电荷动力学特性。结果表明,等离子体处理能有效地抑制高含量纳米氧化铝的团聚。高温下纳米氧化铝质量分数为10%的试样空间电荷输运明显,电导率提高了近3个数量级;等离子体处理后的含10%纳米氧化铝试样始终保持最低的电荷量和电导率,且电导率与电场强度呈近似线性关系。等离子处理后的纳米氧化铝能有效地抑制高温下空间电荷的注入、积聚与输运,降低载流子迁移和电导活化能,提升高温下环氧树脂复合材料的电气性能。基于结果与分析提出了高温阶梯式升压下等离子处理前后纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性的作用机理。     

纳米SiO2/聚酰胺网超疏水复合材料沿面闪络特性研究

绝缘材料的沿面闪络特性受许多因素的影响,如表面粗糙度、纳米填料和化学官能团。本研究以聚酰胺网为支架,以疏水纳米二氧化硅颗粒为改性材料,基于溶解和再凝固的处理方法,将纳米填料嵌入聚酰胺网中。通过改变网孔尺寸确定微观结构,利用氟化纳米颗粒改变复合表面化学基团。研究了微结构/纳米填料对沿面闪络的耦合效应,同时赋予了材料超疏水...     

等离子体表面阶跃型梯度硅沉积对环氧树脂闪络性能的影响

气体绝缘输电线路内的盆式绝缘子长期处于非均匀电场中,局部高场强引起的表面电荷积聚会进一步畸变外部电场,造成局部放电甚至引发沿面闪络.常规均匀改性手段难以兼顾不同场强区域的绝缘需求,对整体绝缘性能的提升难以达到最佳效果.该文采用大气压等离子体射流技术实现氧化铝/环氧树脂表面的等离子体阶跃型梯度硅沉积,测量了改性前后材料的...