淬火温度对聚硫脲介电储能特性影响的分子动力学模拟

为了提高聚硫脲(polythiourea,PTU)的储能密度,对PTU进行了淬火处理,并采用分子动力学模拟研究了PTU中氢键动力学性质对介电储能特性的影响机理。首先,借助热波动指数(thermalfluctuationindex,TFI)和约化梯度密度(reduction gradient density,RDG)描述了氢键作用模式和强度随淬火温度升高的演变规律。其次,计算了氢键供体分别与受体和氢原子的径向分布函数、自相关函数等,提取了氢键密度和平均寿命。最后,建立了氢键特征参数与介电常数的关联,揭示了淬火提高PTU储能密度的机理。研究发现,淬火温度升高,氢键作用模式发生了由双氢键至单氢键,并最终超过氢键阈值而断裂的演变规律,这造成氢键密度减少,表现为强极性双氢键硫脲阵列数目的减少,导致介电常数减小;同时,氢键强度持续减弱,氢键寿命缩短,动态变化加快,导致硫脲阵列转向势垒降低,这有利于增大介电常数。受氢键作用模式和强度的共同影响,PTU的介电常数随淬火温度升高呈现先增大后减小的变化趋势。当淬火温度为393 K时,PTU的介电常数增大至10,储能密度高达16.3 J/cm~3。

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化研究进展

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状态评估和寿命预测难以开展。文中详述了现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化及恢复特征:正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”现象;老化过程可逆,试样充分恢复后能达到其未老化状态。离子重排(donorionredistribution,DIR)老化模型可合理解释氧化锌压敏陶瓷的直流老化现象。氧化锌压敏陶瓷的老化功耗取决于界面态消耗与耗尽层离子“U”型分布之间的竞争,前者导致功耗上升而后者有利于功耗降低。稳定型氧化锌压敏陶瓷的势垒界面态在高温、缺氧气氛等条件下不能保持稳定,其原本下降的功耗也能转变为不断上升。此外,广为应用的功耗(泄漏电流)具有显著的电压依赖特性,并不能反映氧化锌压敏陶瓷真实的老化状态,反向老化系数则有望成为一种有效的老化状态表征参数。通过深化现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的老化现象、老化机制及状态评估的认识,本文旨在推进我国高性能氧化锌压敏陶瓷生产制造和高端避雷器发展。

高压电缆绝缘低密度聚乙烯交联过程中级数和自催化反应的逆向调控

在保证交联度的前提下提升耐焦烧性能是进一步发展国产高压电缆低密度聚乙烯绝缘料的关键之一。焦烧和交联度本质上是交联反应及其结果的反映,该文基于高分子化学流变学和凝胶理论,提出了绝缘料耐焦烧性能的定量表征方法,结合实验分析和交联反应动力学模型,首次全面探讨了交联反应与焦烧和交联度的关联机理,提出了提升耐焦烧性能并保证交联度的优化策略。研究发现,低密度聚乙烯交联过程中有级数反应和自催化反应,低温下级数反应的级数越低,越有利于延缓交联反应,增加凝胶时间,提高耐焦烧性能;而高温下自催化反应的级数越高,越有利于加速交联反应,提高交联度。单一添加剂只能同向改变级数反应和自催化反应的级数,复合添加剂的协同作用则能逆向改变级数反应和自催化反应的级数,从而实现了在保证交联度的前提下提升绝缘料的耐焦烧性能。该研究为推进高压电缆低密度聚乙烯绝缘料国产化提供了重要理论支撑。

低密度聚乙烯基料链结构对黏弹特性的影响

高压电缆向高电压等级和大长度的发展,对交联聚乙烯绝缘料的加工性能提出了更高的要求。绝缘料的加工性能和电缆绝缘成型质量主要受低密度聚乙烯(LDPE)基料黏弹特性影响,基料的黏弹特性取决于其链结构。然而,由于LDPE基料分子链支化结构复杂,难以建立单一的链结构参数与黏弹特性的关联,因此精准地获得LDPE链结构特征对黏弹特性的影响对电缆绝缘优化升级至关重要。该文采用制备型升温淋洗分级工艺,对管式法LDPE和釜式法LDPE进行分级得到具有不同平均分子量的级份,采用凝胶渗透色谱法和旋转流变仪表征原料和级份的链结构参数及黏弹特性。结果表明,长链支化结构相似时,重均分子量越大,分子链间越容易产生缠结,黏度和模量越高,剪切变稀现象发生频率越低;重均分子量接近时,零切黏度与长链支化度具有非单调关系,过高的长链支化度会削弱分子链间的物理缠结,导致零切黏度降低。基于LDPE黏弹特性构效关系,结合电缆挤出成型工艺,设计更为适宜的基料黏弹特性参数,以此优化调控LDPE的链结构,是未来高端电缆绝缘材料研发的方向。

高压电缆交联聚乙烯绝缘料黏度参数对挤出特性影响的仿真研究

高压电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘料及其挤出成型技术是我国高压电缆生产的关键问题。绝缘料的黏度参数会影响其在单螺杆挤出机内包括挤出口流率和流道内熔体最高温度等的挤出特性,进而决定了高压电缆绝缘的成型质量和绝缘性能。该文通过仿真模拟的方法研究了高压电缆交联聚乙烯绝缘料的黏度参数对挤出特性的影响,提出利用绝缘料挤出最高温度-挤出口流率曲线反映不同黏度参数下的挤出特性变化规律。结果表明,最高温度随着挤出口流率增大而升高,零切黏度和松弛时间对最高温度-挤出口流率曲线的斜率影响最大,幂律指数次之,温度系数影响最小。其中,零切黏度和幂律指数与挤出口流率和最高温度的关系均为正相关,且零切黏度增大到一定值后挤出口流率不再明显增大而最高温度持续提升;松弛时间和温度系数与挤出口流率和最高温度的关系均为负相关,且温度系数较小挤出特性较好。最终,根据实际电缆绝缘料挤出生产需求,提出了绝缘料黏度参数的适宜范围。该文可为国产高压电缆交联聚乙烯绝缘料的研发和挤出成型技术的提升提供重要数据支撑与理论依据。

环氧树脂高频松弛的交流电导与双极性方波击穿特性

高频非正弦电压下环氧树脂击穿表现出较强的频率依赖性,并且存在复杂的宽频电-热耦合特性。高频电压下环氧树脂交流电导,特别是载流子非线性输运过程是理解高频绝缘击穿的关键。该文以两种电工环氧树脂为研究对象,采用宽频介电谱研究环氧试样交流电导的频率与温度依赖关系,通过Almond-West模型分析得到低频下交流类直流电导率与温度的关系,低频电导随温度变化更符合Vogel-Fulcher-Tammann模型。基于Havriliak-Negami复合介质多分散松弛极化理论,分析高频、高温下的松弛行为,认为高频交流电导率主要由松弛过程α产生的极化损耗引起。通过高频双极性方波击穿测试平台,测试了重复频率双极性方波电压(500 Hz,1 kHz,2 kHz,3 kHz)下环氧试样的击穿场强,基于三参数Weibull分布统计分析特征击穿场强随频率的关系,发现击穿场强与频率呈负相关。研究提出考虑Poole-Frenkel效应的高频高场交流电导模型,并建立高频自由体积随频率变化的击穿模型。研究指出高频下分子链段振动效应增强,导致交流电导增强;高频下分子链运动滞后于频率响应,导致总体自由体积增大,造成高频击穿场强下降。研究结果对高频绝缘破坏与可靠性研究具有重要意义。

氢键调控提升聚硫脲介电储能特性

为理解氢键对聚硫脲(polythiourea,PTU)介电储能特性的影响,该文采用实验和分子模拟方法,研究脂环族PTU(AcPTU)和芳香族PTU(ArPTU)中氢键作用模式和强度对介电常数、击穿场强和储能特性的影响。利用红外光谱和核磁共振氢谱表征化学组成和分子构型,利用宽频介电谱、击穿和电滞回线测试获得介电储能特性,基于H-N公式提取偶极极化特征参数,利用热刺激去极化电流法提取了陷阱深度,采用Multiwfn软件识别氢键作用模式和强度。结果显示,氢键作用模式和强度可以通过改变偶极极化和陷阱特性影响介电性能。脂环结构可以增多由反式/反式构型硫脲组装成的双氢键阵列,增强其介电松弛强度,进而提高介电常数;苯环结构可以增强π氢键数目和作用强度,加深由苯环碳原子和硫原子等氢键受体贡献的深陷阱能级,进而提高击穿场强。AcPTU具有高介电常数,归因于脂环结构增强了双氢键阵列的介电松弛强度;ArPTU的击穿场强高达855 MV/m,是因为苯环结构强化了氢键的电荷捕获效应。此外,当电场强度为300 MV/m时,AcPTU的储能密度和效率分别达到2.62 J/cm3和93.31%。该研究为提升本征型聚合物介电储能特性提供了理论依据。

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

三元复合聚丙烯电介质材料性能调控研究进展

当前快速增长的能源需求要求电力设备具有更高运行电压、更大容量、更小体积,因此要求聚丙烯等介质材料实现电学、机械和热学等多种性能的协同提升的同时,兼顾加工性、环保性、经济性等优势。针对聚丙烯单一性能提升方面的研究取得了显著成效,而多性能协同提升成为了近年来的研究重点和难点,其中将共混改性和纳米复合改性两种方法结合,构筑三元复合聚丙烯的性能调控思路具有突出优势。文中基于电缆绝缘和电容器薄膜两个典型的聚丙烯应用场景,对“聚丙烯/有机物/纳米粒子”三元复合聚丙烯的研究进展进行了总结梳理,进一步阐明了三元复合聚丙烯绝缘性能与机械性能协同提升的机理,建立了三元复合聚丙烯储能密度与介电损耗平衡调控的演化模型,最后对三元复合聚丙烯未来的发展提出了展望。

交联聚乙烯绝缘料耐焦烧性能的对比研究

选取3种牌号商用高压电缆交联聚乙烯绝缘料为研究对象,首先通过高温剪切作用下绝缘料熔体扭矩随温度的变化规律,对比分析3种绝缘料的耐焦烧性能,并通过凝胶含量表征焦烧试样的焦烧程度,然后提出采用绝缘料熔体在高温下的扭矩变化率作为特征量来表征绝缘料耐焦烧性能的方法,并通过不同牌号商用绝缘料焦烧程度的表征结果验证该方法的有效性。此外,通过红外光谱对3种绝缘料中交联剂含量和抗氧剂含量进行对比分析,结合凝胶渗透色谱法测得的绝缘料基料分子量,建立了绝缘料添加剂含量、基料分子量与其耐焦烧性能的关联。结果表明:通过绝缘料在高温剪切作用下的扭矩分析,可以有效区分不同商用绝缘料的耐焦烧性能,并发现交联剂含量过高是导致绝缘料耐焦烧性能差的主要原因,通过适当减少交联剂用量、增加抗氧剂用量、降低重均分子量可以提升绝缘料的耐焦烧性能。

高温热处理对环氧聚合物介电松弛的影响

为了揭示热处理对环氧树脂介电松弛的影响,本文制备了环氧树脂试样,对其进行210℃/48 h的热处理,并研究热处理前后环氧树脂化学结构、玻璃化转变温度、热分解参数、体积电阻率与介电松弛的变化。结果表明:热处理并未改变环氧树脂的化学结构与热分解温度,但使其玻璃化转变温度由134℃下降至108℃。同时,热处理后试样的介电常数变大,其中高频(106 Hz)介电常数增幅较小,而低频(10^(-1) Hz)介电常数增幅明显。

高功率密度中高频变压器绝缘与散热研究进展与展望

围绕大容量电力电子变压器的发展需求,针对其中关键部件“高功率密度中高频变压器”的绝缘与散热研究进行综述分析。高功率密度对固体绝缘与散热性能提出新的挑战。首先,论述了高功率密度中高频变压器设计与应用时绝缘和散热的矛盾。其次,主要论述了高频绝缘失效的研究进展,包括绝缘击穿、局部放电、沿面放电、电树枝劣化等特性。然后,分析了目前高频绝缘的失效机理研究,包括热击穿、空间电荷效应、高频电导与自由体积效应。最后,论述了高频绝缘寿命的研究,分析了频率、温度、电压变化率du/dt等对绝缘耐电晕寿命的影响以及寿命模型。基于研究进展,提出了高频绝缘与散热的研究展望。该文综述研究对大容量电力电子变压器的设计与应用具有重要意义。

直流偏磁对500 kV变压器振动特性的影响分析

特高压直流工程单极-大地回路运行时,直流电流侵入大型变压器绕组,致使变压器振动加剧。为了深入了解直流偏磁对大型变压器振动特性的影响,分析了变压器的振动机理及直流偏磁的影响机制。在白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电工程调试期间,对500 kV三相变压器的中性点电流、振动信号进行了实测,量化了直流偏磁程度,分析了不同直流偏磁程度下变压器振动信号时域及频谱特征。提取了波形畸变比、奇偶次谐波能量比、累计能量占比、功率谱熵等特征量来分析直流偏磁对大型变压器振动特性的影响。结果表明:直流偏磁导致波形畸变,1个工频周期内2个半周期对应的振动波形不再对称分布;随着直流偏磁程度增加,振动信号主频分量改变,50 Hz倍频谐波分量增多,其中50 Hz奇次谐波增幅要大于偶次谐波,且影响主要集中在600 Hz以内;由于铁心饱和作用,直流偏磁增大到一定程度时,磁不平衡性降低,振动信号复杂度不再增加。

高压直流电缆料的研发进展与路径分析

直流输电已经成为电网建设的关键环节,高压直流电缆是直流输电的关键电力设备。然而,直流电缆料与屏蔽料被国外企业长期垄断,我国不能大规模批量生产质量稳定可靠的高压直流电缆用绝缘料,因此现阶段急需研发具有我国自主知识产权的新型高端电缆料以提升电力设备的国产化率。按照技术需求、研发路径和发展设想三个方面全面综述了高压直流电缆料的研发进展。首先探讨了直流电缆料对包括介电强度、电场分布、空间电荷输运等电性能的技术需求;其次分析了高纯净度电缆料、纳米复合电缆料、共混复合电缆料、接枝改性电缆料和直流电缆屏蔽料等五个研发路径的现状、优势与不足、陷阱特性和发展方向;最后对未来直流电缆料的研究发展进行了展望。采用电荷陷阱理论构建了直流绝缘特性之间的关联,获得了电荷陷阱行为对直流绝缘特性的影响机制,归纳了各路径下电缆绝缘料的陷阱特性及其调控方法。该研究可为我国新型高端直流电缆料的研发提供理论支撑。

基于太赫兹时域光谱的XLPE不同尺度缺陷研究

交联聚乙烯(XLPE)在生产、敷设、运行过程中会受到多种因素影响,产生不同尺度的结构缺陷,进而影响XLPE的电气性能。本文对XLPE电力电缆中常见的分子缺陷、聚集态结构缺陷与宏观气隙缺陷进行了重构,并结合X射线衍射测试(XRD)与太赫兹时域光谱(THz-TDS)的透射和反射模块对3种尺度的缺陷进行表征。结果表明:太赫兹时域光谱的电压幅值、相位信息分别表现出关于极性分子与聚集态结构变化的敏感特性;通过太赫兹时域光谱透射与反射模块的联用技术,可精准识别并计算出内部气隙缺陷的位置及尺寸,实现对不同尺度缺陷的无损检测。

固体电介质真空沿面闪络研究进展

针对真空中复合绝缘体系的耐电强度受到沿面闪络现象限制问题,综述了国内外真空沿面闪络相关的研究进展。研究发现,真空中固体绝缘介质的沿面闪络性能受老练方式、介质的表面特性及体特性、介质表面沉积电荷、绝缘体系的电场分布等因素影响。机理分析认为真空中的沿面闪络现象实质上是高场下电荷在气-固界面的输运行为,其过程涉及到介质表层中的电荷捕获/脱陷特性、二次电子的发射特性、以及气相中的气体(或解吸附气体)分子的碰撞电离/电子倍增等过程,沿面闪络的发展和形成是以上几个因素相互耦合作用结果。基于以上分析及认识,认为可以从改变材料表面特性及体特性和改善整个绝缘体系的电场分布方面,来提升真空沿面闪络电压。

高压电缆交联聚乙烯绝缘的关键性能与基础问题

高压电缆是城市输电网的关键电力装备,是海上风电输送到陆地电网、实现新能源大规模利用的关键电力装备。然而,高压电缆用交联聚乙烯绝缘料是我国高压电缆生产的“卡脖子”关键电工材料。高压电缆交联聚乙烯绝缘料的生产与应用全流程涉及多步骤、多结构、多性能。该文梳理高压电缆交联聚乙烯绝缘料的4个关键性能,凝练出高压电缆交联聚乙烯绝缘的5个基础科学问题。通过基础问题探讨,旨在推进我国高压电缆交联聚乙烯绝缘料基础理论的研究及自主研发进程。

关于氧化锌非欧姆陶瓷老化机理的新见解

从可靠性基本理论出发,提出老化速率的概念,对老化试验数据进行处理,认为老化其实是一个磨合、逐渐稳定的过程,而非耗损过程。从电场作用下的离子迁移和热作用下的离子扩散联合作用的角度,可以解释荷电率和老化温度对老化速率的影响。

氧化锌压敏陶瓷几何效应的统计法研究

本文实验研究了ZuO压敏陶瓷击穿、非线性指数α和脉冲大电流冲击后击穿场强E1mA变化率的几何效应．对ZuO晶粒尺寸的统计分析表明它基本服从正态分布．建立了微观结构模型，计算机模拟得到的击穿几何效应规律与实验规律相同．临界厚度dc与方差σ2和平均晶粒尺寸μ的乘积成正比．

聚丙烯/Al2O3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。