时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子动态电场畸变抑制

为了优化时变温差工况下直流GIL/GIS盆式绝缘子的沿面电场分布,基于表层电导梯度材料(σ-SFGM)设计了以室温(RT)电场均化为目标的RT-SFGM绝缘子与兼顾不同温度梯度(GT)条件的GT-SFGM绝缘子。迭代优化后,RT-SFGM绝缘子的涂层厚度从导体到外壳梯度减小,而GT-SFGM绝缘子的凸面涂层厚度则呈现U型梯度分布。室温条件下,均匀绝缘子的凹面高压三结合点处电场畸变严重,相同位置处的RT-SFGM绝缘子与GT-SFGM绝缘子电场强度分别下降了53.3%和49.5%。随着高压导体温度的上升,绝缘子最大电场位置逐渐向接地外壳附近转移。在40℃温差条件下,GT-SFGM绝缘子的电场畸变抑制效果明显优于RT-SFGM绝缘子,最大电场强度下降59.2%。在负荷加载与负荷波动工况下,GT-SFGM绝缘子的电场变化率分别仅为7%与13.1%,可实现时变温差工况下绝缘子直流电场分布的稳定控制。

机械应力影响环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展

环氧树脂凭借其优异的电气绝缘、耐热与机械性能以及良好的可塑性,被广泛应用于支撑绝缘子、绝缘拉杆等电气设备绝缘部件。随着电气设备电压等级的提高,环氧树脂绝缘部件运行工况日趋严苛,机械应力带来的绝缘失效问题更为突出。根据国内外参考文献,文中综述了机械应力下环氧树脂电树枝劣化引发绝缘击穿现象的研究进展。根据环氧树脂承受应力的不同,介绍了拉伸、压缩应力下电树枝生长的形貌特征,总结了温度工况下机械应力对电树枝生长的影响规律。基于环氧树脂分子链的物理微观结构与电荷输运特性,从能量角度探讨了绝缘材料在机械应力下的电树枝劣化机理。阐述了电气设备环氧绝缘部件的电树枝研究的关键问题与解决思路,为开发高绝缘性能的环氧树脂绝缘材料提供了参考。

固化制度调控双酚A环氧树脂/酸酐体系绝缘性能的研究进展

酸酐固化双酚-A环氧树脂由于其优异的绝缘、热学以及机械性能,被广泛应用于电气设备的支撑、绝缘和密封等关键部件。然而极端运行环境与紧凑化设计趋势下,环氧树脂绝缘经常发生过热和击穿故障,严重威胁电气设备的安全稳定运行。以环氧树脂体系原料混合比、固化时间与温度组合为核心的固化制度是决定环氧树脂微观结构的关键因素,也直接影响其宏观性能。本文介绍了酸酐固化双酚-A环氧树脂固化动力学模型的演变过程,研究结果表明双酚-A环氧树脂/酸酐体系需考虑前后固化过程分阶段拟合其动力学参数。基于不同的混合比以及固化时间和温度组合,重点论述了固化制度对双酚-A环氧树脂/酸酐体系绝缘性能的影响规律,讨论了固化状态相关微观结构对绝缘性能的调控机制。相关研究结果有望为高端电工环氧树脂应用提供配方选型和工艺优化等方面的参考。

高压GIS功能梯度绝缘子交/直流电场优化与沿面闪络抑制

在双极高压直流(high voltagedirect current,HVDC)系统中,气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated switchgears,GIS)可能承受交-直流混合电压。为了提高盆式绝缘子的沿面耐电性能,该文提出了基于多维功能梯度材料(multi-dimensional functionally-graded material,MFGM)的绝缘子交、直流电场协同优化方法,制备了兼具体介电常数梯度材料(ε-functionally gradient materials,ε-FGM)和表面非线性电导材料(surface nonlinear conductivity materials,SNCM)的MFGM绝缘子,并在直流、交流和交-直流混合电压下开展电场仿真计算与沿面闪络测试。结果表明:直流电压下MFGM绝缘子的凸面中心区域积聚同极性表面电荷,而周围区域积聚异极性表面电荷,使高压三结合点处的电场强度较常规绝缘子降低25%,沿面闪络电压提升约14.5%;交流电压下,MFGM绝缘子的沿面电场畸变较常规绝缘子降低21%,沿面闪络电压提升约18%;交-直流混合电压下,MFGM绝缘子可同时降低暂、稳态电场分量,沿面闪络电压提升约12.7%。MFGM绝缘子满足暂、稳态工况下的沿面电场协同优化需求,在高压直流气体绝缘装备中具有很好的应用前景。

界面电子结构对核壳量子点/聚乙烯纳米复合绝缘电导与空间电荷特性的影响

为研究核壳量子点的界面电子结构对聚乙烯绝缘电导与空间电荷特性的影响,分别制备了CdSe@ZnS/LDPE,ZnSe@ZnS/LDPE两种核壳量子点纳米复合绝缘,研究了复合绝缘的直流电导和空间电荷的演变规律,并分析了核壳量子点的界面电子结构对电荷陷阱分布特性的影响机理.研究发现,相比于LDPE绝缘,ZnSe@ZnS/LDPE复合绝缘在高温强场条件下直流电导率可降低47.2%,空间电荷积累量降低了40.3%,且陷阱能级增大,表现出对载流子更强的捕获作用.基于密度泛函理论,计算了核壳量子点与聚乙烯绝缘的能带特征.结果表明,核壳纳米量子点的核层-壳层界面、壳层-绝缘界面的能带偏移导致导带底与价带顶发生突变,分别对电子和空穴具有限域作用,且限域效应随着量子点核层与壳层带隙差异增大而逐渐增强,从而限制高温强场下载流子迁移、抑制空间电荷积聚.

环境友好型干式变压器用绝缘材料的发展与面临挑战

目前干式变压器用绝缘材料存在不可降解、难以回收利用等问题,与我国经济社会的“绿色”“低碳”发展战略目标相矛盾,亟需开展环境友好型干式变压器的研发与应用。为了解决这一问题,研究人员正在探索2种主要的技术路线:一是开发可降解回收的环氧树脂,尽管需要克服性能和热稳定性的挑战,但通过分子结构的创新设计,有潜力提升其应用性能;二是使用硅橡胶等可降解材料作为替代品,硅橡胶因其优异的耐温性、绝缘性和可回收性而成为有前景的选择,尽管其电气和机械性能需要进一步增强以满足工业需求。目前,硅橡胶在干式变压器中的应用研究还不够充分,特别是其长期运行的可靠性和耐久性仍需验证。展望未来,环境友好型干式变压器的研发将集中在开发安全、稳定、长寿命的材料,并提高其可回收性,以更好地符合我国的发展战略。实验室条件下虽然已经实现了材料的降解回收,但在实际应用中,性能和效率的提升仍然是关键;因此,优化回收技术、降低成本、提高回收效率将是电工绝缘材料领域可持续发展的关键方向。

微观结构及拉伸倍率对电容器聚丙烯薄膜介电性能的影响

聚丙烯薄膜是电力电容器中应用最广泛的储能介质,其介电性能取决于粒料微观结构及拉伸工艺参数。该文以不同等规度的聚丙烯粒料为研究对象,采用不同拉伸倍率获得聚丙烯薄膜,研究了不同聚丙烯薄膜的表面形貌及结晶特性,分析了不同温度下聚丙烯薄膜电导率、介质损耗、击穿强度及储能特性等介电性能,探究了微观结构参数及拉伸倍率对聚丙烯薄膜介电性能的影响机理。研究结果表明:等规度为99.6%、拉伸倍率为4×5的聚丙烯薄膜试样电导率最低、击穿强度最高;等规度的提升能够增强分子链的热稳定性,改善聚丙烯非晶区分子链的松散结构,阻止电弱点的发展;此外,合理的拉伸倍率能够使聚丙烯的分子链发生取向排列,形成有序的结晶形态,从而提高结晶度。研究结果可为聚丙烯薄膜介电性能的提升提供实验与理论支撑。

高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能提升方法研究进展

金属化薄膜电容器因其具有优异的绝缘特性与自愈性能,被广泛用作高压直流输电等先进能源系统的核心设备,其绝缘介质聚丙烯薄膜是制约电容器安全可靠运行的重要因素。文中系统梳理了高压直流电容器用金属化聚丙烯薄膜的研究进展,基于聚丙烯薄膜的微观结构、运行工况及电极设计,提出了薄膜介质目前面临的风险及挑战。总结了提升聚丙烯薄膜耐受极端环境的绝缘改性方法,介绍了基于微观结构调控、本体掺杂、界面改性及多层结构设计的聚丙烯薄膜材料改性方法,并阐述了复合薄膜设计、安全膜设计、方阻设计等金属电极设计方法的发展进程。该研究将为服役于高压直流输电系统中电容器的绝缘设计、生产和运行维护提供参考。

覆冰绝缘子直流电弧运动特性及燃弧时间的影响因素

为提高覆冰绝缘子闪络风险预测技术,分析了高压悬式覆冰绝缘子直流电弧运动特性及影响燃弧时间的因素。对直流覆冰闪络试验各阶段的泄漏电流和电弧动态特性进行了协同分析,深入研究了正、负直流电压下电弧动态行为差异。分析了燃弧时间与电弧特征量、泄漏电流的相关性,并建立了针对燃弧时间的多元拟合模型。结果表明:泄漏电流和电弧长度的变化可有效区分电弧发展阶段,其中负直流电压下的电弧产生频繁,初始局部电弧分布密集,持续时间短。直流电弧延伸时产生的新放电路径导致接触型和非接触型2种电弧衰减方式,且不同极性电压下新放电路径的发展方向相反。此外,直流电弧持续期间的累积电荷量、长度平均值与燃弧时间显著正相关,且负直流电弧长度平均值的数据离散度与电荷累积量分布范围更低,建立的多变量拟合方程对电弧持续时间的预测精度更高。

基于辐照交联改性的电容器用聚丙烯薄膜介电性能

针对高温强电场环境下传统聚丙烯(polypropylene,PP)薄膜存在击穿场强低、电导损耗高的问题,提出了一种基于γ射线辐照交联的PP薄膜改性方法,研究了辐照剂量和敏化剂等参数对PP薄膜介电性能的影响;制备了含有三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(trimethylolpropanetriacrylate,TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯(pentaerythritol triacrylate,PETA)等敏化剂的PP薄膜,将PP薄膜在60Co-γ射线下进行0、5、10 kGy(1 Gy=1 J/kg)的辐照处理;分析了辐照交联PP薄膜的分子链与聚集态结构表征,研究了高温强场下交联结构对PP薄膜电导率与击穿场强的影响规律。研究表明:高能射线辐照可在PP薄膜内部形成三维网状结构,增强分子链间作用力与热稳定性,有效抑制PP内部载流子输运,显著提升PP薄膜的高温介电性能。115℃下交联度为25.04%的改性PP薄膜电导率降低64.2%,击穿场强提升16.6%,最高理论储能密度达3.78 J/cm3。该方法表明辐照交联改性手段能够有效提升PP薄膜的高温介电性能。

高压直流海缆XLPE绝缘空间电荷与电场分布特性研究进展及展望

高压直流海缆是大容量、低损耗、远距离跨海输电的核心装备,是实现规模化海上风电并网、电网跨海互联的关键基础。当前快速增长的海上风电发展需求,要求直流海缆具有更高运行电压、更大容量、更大长度,因此对交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆绝缘材料提出了更高要求。文中首先综述了国内外高压直流海缆的发展历程,对比分析了XLPE绝缘与绕包绝缘的优势与不足。针对直流海缆绝缘面临的大长度连续挤出过程中的焦烧问题和工厂模塑接头绝缘界面问题,论述了XLPE绝缘焦烧产物和工厂接头绝缘界面缺陷对空间电荷与电场分布的影响规律及机理,介绍了全尺寸直流海缆空间电荷与电场分布特性的有限元仿真和数值计算方法,分析了稳、暂态工况下直流海缆XLPE绝缘空间电荷与电场分布的演变规律,阐明了直流海缆绝缘层厚度对空间电荷与电场分布的影响机理。最后,对直流海缆XLPE绝缘未来的发展进行了展望,指明了高压海缆绝缘国产化亟需解决的关键问题。

基于极性分子掺杂和结构设计的聚丙烯薄膜绝缘性能提升方法

聚丙烯薄膜具有击穿场强高、介质损耗低等优点,是金属化薄膜电容器中应用最广泛的介质材料。为提高聚丙烯薄膜在高温强场下的绝缘性能,选择对酞醛和八氟对二甲苯二聚体作为添加剂,制备3种复合薄膜试样并开展了不同温度下的电导率、击穿场强、储能密度测试。研究结果表明:掺杂质量分数0.02%对酞醛、0.02%八氟对二甲苯二聚体的复合薄膜电导率降低了95.3%~98.6%,击穿场强提高了26.7%~32.1%,储能密度提升了86.9%~89.4%,相比纯聚丙烯薄膜具备更优异的介电性能。基于密度泛函理论计算了极性分子的静电势分布与禁带宽度,研究表明分布在薄膜两侧的添加剂将引发电荷捕获效应,促进电极薄膜界面处反向电场的形成,进而提升聚丙烯薄膜的绝缘性能。该研究结果将为服役于金属化薄膜电容器中聚丙烯薄膜的界面改性及极性分子选择提供参考。

交变载荷下绝缘拉杆用GFRP电树枝劣化特性

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)现场调试或运行过程多次发生绝缘拉杆内部击穿问题,影响工程投运与设备可靠性,迫切需要探明故障机理。该文选取GIS断路器绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(glass fiber reinforced epoxy resin composite,GFRP)为研究对象,通过计算分、合闸下绝缘拉杆主应力分布特性,设置交变载荷下电树枝劣化实验条件,研究不同交变载荷对GFRP内电树枝生长特性影响规律。结果表明,相较于单一载荷,交变载荷条件下GFRP中电树枝生长速度加快,平均击穿时间降低,击穿概率增大。基于复合材料力学仿真发现交变载荷下GFRP内树脂-纤维界面处会出现较大的应力集中,局部应力损伤已达到失效的临界值。综上,交变载荷下绝缘拉杆纤维-树脂界面机械损伤与绝缘劣化交互演进是造成绝缘击穿的主要原因,也可作为试验考核与结构设计的改进依据。

交流GIS/GIL绝缘子介电功能梯度化设计与金属微粒驱离方法研究

气体绝缘金属封闭开关(GIS)设备内部的金属微粒污染物会引起严重的电场畸变,进而诱发绝缘子沿面放电。针对此问题,本文提出一种介电功能梯度绝缘子的金属微粒驱离方法,仿真研究盆式绝缘子周围电场分布以及金属微粒运动特性。结果表明:GIS外壳表面释放的金属微粒受到轴向电场力作用,有朝着绝缘子运动的趋势。叠层式功能梯度(ε_(L)-FGM)绝缘子的介电常数沿径向递减,可在均匀沿面电场分布的同时,使金属微粒所受的电场力方向随轴向电场反转,让金属微粒远离绝缘子运动。然而,ε_(L)-FGM绝缘子GIS使外壳表面电场增强,使金属微粒运动高度较均匀绝缘子上增大约2.7倍。与ε_(L)-FGM绝缘子相比,基于拓扑优化算法设计的具有空间介电常数梯度的ε_(T)-FGM绝缘子减小了金属微粒跳跃高度,具有更佳的电场调控与微粒抑制效果。

抗氧剂接枝对聚丙烯绝缘空间电荷与击穿性能的影响研究

本文重点研究受阻酚类抗氧化剂(AO3052)熔融自由基接枝改性对聚丙烯(PP)绝缘空间电荷与击穿性能的影响。对不同抗氧剂含量的接枝聚丙烯进行了直流电导、空间电荷分布和直流击穿特性测试,并与未改性聚丙烯进行对比。结果表明:抗氧剂接枝会增大试样体电导率对温度的敏感性,提高试样的电导活化能。0.5%抗氧剂接枝可以有效改善PP的空间电荷积聚问题,降低电场畸变程度,将90℃下PP的直流电气强度提高了31.3%,同时将90℃下PP的老化电气强度提高了36.1%,这归因于0.5%抗氧剂接枝对空间电荷积聚的抑制能力。通过能带结构分析认为,抗氧剂接枝改性可在PP的禁带中引入更多局域能级与电势阱,抑制电荷输运,同时受阻酚类抗氧剂中的酚羟基可以清除PP中的自由基,二者综合作用提升了PP的击穿性能。

电力电缆技术的发展与研究动向

电力电缆广泛应用于城市电网中,经历了从充油电缆(OF电缆)、钢管电缆到交联聚乙烯电缆(XLPE电缆)的发展过程。XLPE电缆与其他电缆相比,有不需要供油、供气设备、防火性能好、安装维护简单等优良性能,被越来越多的国家所采用。电力电缆的安全运行关系到城市电网的安全可靠性,逐渐受到了各国的高度重视。提高高压电缆路径通道的管理水平、安全运行以及输送能力,其关键技术的研究非常重要。笔者叙述了电力电缆及其附件相关技术的研究状况和今后的发展趋势,得出提高城市电网的可靠性和安全性,降低运行成本是今后的发展趋势。

高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展

近20年来,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆因其重量轻、工作温度高、输送功率大等优点而在高压直流(HVDC)输电工程中得到广泛应用与发展。直流电缆及其附件绝缘长期处于直流电场作用下,存在严重的空间电荷积聚问题。为此,综合国内外研究论述了极性反转电压和温度梯度场对直流电缆绝缘介质空间电荷特性的影响规律,分析了直流电缆附件双层介质界面电荷的分布规律及抑制方法,最后展望了免交联绝缘直流电缆的发展趋势。研究结果表明:极性反转后的外施电场与空间电荷感应电场发生叠加,加剧了绝缘介质内部电场畸变;温度梯度场加速了高温侧空间电荷的注入和输运过程,导致空间电荷在绝缘介质低温侧积聚;电缆主绝缘与附件增强绝缘间的电导不连续性导致其界面处产生电荷积聚,而通过在主绝缘与增强绝缘间增加非线性控制层可以有效抑制界面电荷;热塑性电缆绝缘材料具有免交联和可回收的优点,是未来直流电缆绝缘的发展方向之一。这些研究结果的总结和概述可以为解决直流电缆及其附件绝缘的空间电荷积聚问题提供参考。

220kV交联聚乙烯电力电缆接地电流的计算与应用

单芯高压电缆金属护套接地电流过大会导致其护套上产生大量附加损耗,降低电缆载流量,缩短电缆使用寿命。为此,针对交叉互联接地方式下的220kV交联聚乙烯(XLPE)单芯高压电缆工程,建立了单芯电缆交叉互联接地方式下接地电流的数学计算模型,分析了单芯高压电缆接地电流与其排列方式及其负载电流之间的关系,并编制了相应的计算程序。结果表明该计算程序能准确得到实际电流值。在此基础上,提出了基于接地电流的220kV XLPE电力电缆运行状态的辅助分析:通过分析接地电流计算值与测量值之间差值的大小,可以判断电缆接地系统是否存在缺陷或故障隐患。若2者相差较小,则表明系统运行正常;若2者差值>10%,则可判定系统存在缺陷或出现故障。研究结果为高压电缆运行监测提供了理论依据。

采用温差法的10kV交联聚乙烯电缆水树老化评估

交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在运行过程中受到电场、温度、水分等因素的共同影响而发生老化,引发事故,给电网的安全运行带来隐患。为此,选取水树老化10kV XLPE电缆为研究对象,采用温差法研究了温差电流与试样老化时间的关系。实验结果表明,温差电流幅值随着试样老化时间的增加而增大;温差电流与直流电压的幅值正相关;随着电缆水树老化时间的增加,空间电荷密度峰值的位置向绝缘层外部移动;内热法与外冷却法分别适用于电缆的整体和局部老化检测,但是对于老化程度较轻的电缆,内热法具有更高的灵敏度。研究结果验证了所提出的温差法评估XLPE电缆水树老化程度的有效性,为XLPE电缆的水树老化检测与寿命评估奠定了基础。

特高压直流用高导热纳米复合绝缘子耐电痕特性研究

随着特高压复合绝缘子的大规模应用,复合绝缘子的耐电痕能力成为亟待研究的问题。为此,通过基于IEC 60587标准的耐电痕实验以及实验过程中的热放电图谱,研究了高导热纳米复合硅橡胶在高压直流下的耐电痕特性。所用纳米复合硅橡胶材料为室温硫化硅橡胶基体添加纳米氮化硼(BN)。实验结果表明,随着纳米氮化硼颗粒质量分数的提高,硅橡胶复合材料试样表面放电区域的最高温度得到抑制,试样表面温度超过60°C的区域面积增大,停止放电后试样表面温度下降速度升高。实验结果还表明,纳米复合硅橡胶的电蚀损失质量和电蚀深度比未添加纳米颗粒的硅橡胶有明显的下降。因此含有纳米氮化硼颗粒的硅橡胶有较好的抑制热量积累能力,且耐电弧侵蚀增强,能够有效提高硅橡胶的绝缘能力。