含有氮化硼势垒层的三明治结构聚合物基复合介质储能特性研究

聚合物基高温储能介质因其较高的功率密度及优异的充放电效率被广泛应用在电气和电子等领域。该文选用不同粒径的氮化硼纳米片(BNNSs)作为填料,掺杂到聚醚酰亚胺(PEI)中构建势垒层,添加在纯PEI两侧制备拥有三明治结构的复合薄膜,探究粒径大小在不同温度/填充体积分数下对复合薄膜的介电性能及储能性能的影响。研究发现,构建BNNSs势垒层的三明治结构复合薄膜显著抑制了介质的高温电导,提高了充放电效率,且较小粒径BNNSs填充势垒层能更有效地提高击穿场强和储能密度,其中掺杂200 nm粒径BNNSs体积分数为5%的复合薄膜在常温下的储能密度可达5.65J/cm^(3),充放电效率高达96%,即使在150℃下,储能密度和充放电效率也可分别达到2.52 J/cm^(3)和95%。通过随机击穿模型阐明了粒径大小及三明治势垒层结构对击穿性能的提升机制。该文提出的含有势垒层的三明治复合结构为高温下复合薄膜储能特性优化提供了新的策略。

潮湿环境下金红石型纳米TiO_(2)掺杂聚乙烯的分子动力学模拟

为了从微观角度分析金红石型纳米TiO_(2)掺杂对聚乙烯(polyethylene,PE)材料性能的影响,采用分子动力学模拟方法,构建不同水分子质量分数的PE和TiO_(2)/PE复合模型,以温度为变量研究分析纳米TiO_(2)改性PE材料前后的热力学性能和微观结构以及水分子在复合体系中的扩散能力。结果表明:纳米TiO_(2)的掺杂使PE体系的玻璃化转变温度提高了33 K,杨氏模量提升了428.17%,剪切模量提升了338.62%。纳米TiO_(2)极大抑制了PE分子链的运动和水分子的扩散,增强了复合体系的稳定性。水分子的加入和温度的升高降低了复合体系的热力学性能,这两者均破坏了复合体系的稳定性。

外电场下三元乙丙橡胶微观特性及其对沿面放电影响的研究

三元乙丙橡胶(EPDM)作为一种功能性材料,在中高压电缆绝缘领域颇受关注,但实际运行环境恶劣,沿面放电现象时有发生。为了从微观层面探讨三元乙丙橡胶沿面放电特性,采用密度泛函理论分析了分子几何结构、轨道能级、陷阱深度、态密度、静电势、激发态等微观性质。结果表明,电场增加,EPDM分子链逐渐延展伸直,偶极矩渐渐增大至8.164 D;第三单体附近区域逐渐演变为电子陷阱,陷阱深度随电场增大由0.740 eV减小至0.043 eV,数量增加;碳碳双键亲电性使第三单体区域电子更加活泼,容易加剧电子崩的发展。外电场的增大使得EPDM分子链的激发能逐渐减小,且吸收峰发生红移,电子在此时易被激发,第三单体区域为主要激发区域,被激发后的电子返回基态轨道时会释放出光子,容易在表面气体中形成空间光电离,诱导沿面放电的发生。

无机填料复合比例对复合薄膜性能的影响

本工作基于导热复合薄膜性能的研究,提供了一种新型导热复合薄膜的制备方法。通过将不同添加量的氮化硼(BN)和二氧化硅(SiO_(2)_(2))加入到聚丁二烯树脂(PB)中,结合涂覆工艺制备了高导热BN/SiO_(2),填充的复合薄膜材料。系统研究了不同添加量BN对BN/SiO_(2),填充的复合薄膜材料的微观形貌、导热性能、介电性能、抗剥性能和热膨胀系数的影响。结果表明:随着BN含量的增大,复合薄膜表面缺陷逐渐增加,介电常数略有下降,介电损耗略有升高,抗剥强度也下降,X-Y-Z轴的热膨胀系数也都逐渐增大。最终,当BN/SiO_(2),添加质量比例为10:30时(BN添加量为10%),BN/SiO_(2),填充的复合薄膜材料的综合性能表现最佳,导热系数为0.75W^(-1)K^(-1),介电常数为3.20,介电损耗因子为3.12*10^(-3),抗剥强度为2.2Nm^(-1),和适宜的热膨胀系数。有望为新型高导热复合薄膜材料的开发提供一种新的实用型思路。

接枝聚丙烯电缆绝缘材料的电树枝特性及机理

开发高性能的可回收聚丙烯电缆绝缘材料已成为近年来电绝缘领域的研究热点之一。该文对纯聚丙烯(PP)及甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝改性聚丙烯试样的电树枝引发和生长特性进行了研究。试验结果发现,相较于纯聚丙烯试样,接枝试样的电树枝引发时间显著提高,电树枝劣化区域和生长速率明显减小。分析表明,接枝MMA单体在聚丙烯试样内部引入了大量深陷阱,并减小了球晶尺寸,有利于抑制载流子的输运行为并显著压缩了非晶区通道的空间尺度,进而改善了接枝试样的电树枝引发特性。此外,接枝试样的球晶尺寸减小使得非晶区通道更为曲折狭长,显著增加了电树枝沿着电场方向生长的阻力,进而改善了接枝试样的电树枝生长特性。随着MMA单体掺杂含量的增多,接枝试样的电树枝引发和生长特性逐渐提升。研究结果可为高性能接枝聚丙烯电缆绝缘材料的研发提供参考。

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。

矿用永磁电动机温升散热计算机流体力学分析方法

针对矿用外转子式永磁同步电动机的温升散热问题,以额定功率为210 kW的永磁电动机为研究对象,基于建立的周期性有限元模型,对其进行温度场模拟研究,详细分析了电机内部的温度变化情况,并完成了样机试制与试验。使用Fluent流体有限元分析软件,分别对电机稳态温度场和瞬态温度变化过程进行了仿真分析,额定负载下转子和永磁体的温度相对较高,达到116℃;同时研究了水道流量变化对冷却效果的影响和过载工况下电机的温升散热情况,短时过载下电机各部件温度均明显高于额定工况温度,最高值达到170.06℃。额定负载和过载时温度均低于绝缘材料最高承受温度和永磁材料极限工作温度,矿用永磁同步电动机可实现安全运行。最后通过样机测试,误差值在合理范围内,表明矿用永磁电动机温度场分析的准确性,为低速大转矩类永磁同步电动机的温升散热研究提供重要参考。

通过构建陷阱能级策略提高聚合物电介质储能性能研究进展

本文系统阐述了空间电荷形成机理及空间电荷效应,重点综述了填充无机纳米粒子、掺入小分子半导体和分子结构设计3种构建陷阱能级的方法,深入探讨了提高电介质材料储能性能的设计策略,并对高性能聚合物电介质材料的制备方法进行展望。

成瓷填料对硅橡胶性能影响及其应用研究

本研究旨在探究成瓷填料对硅橡胶性能的影响,以促进新型防火电缆材料的开发并降低安全事故风险。通过系统地分析成瓷填料及其对硅橡胶硫化性能、物理特性、电气性能和阻燃性能的影响,发现成瓷填料的分散性和与硅橡胶的界面结合性能是影响其性能的关键因素。通过质量残留率的测定,进一步研究成瓷填料/硅橡胶的成瓷行为,发现部分试样在热分解过程中表现出较低的成瓷率,这可能是功能助剂所致。研究结果表明,优化成瓷填料的分散性和与硅橡胶的界面结合性能,可以改善硅橡胶的硫化性能,并提高其物理、电气和阻燃性能。此外,可提升阻燃及成瓷效果的功能助剂会降低成瓷率及耐高温性能。本研究可为高性能防火成瓷化硅橡胶材料的开发提供理论依据和实践指导。

直流和方波电压下有机半导电小分子/硅弹性体纳米复合材料的高温空间电荷特性

为了研究硅弹性体(SE)在直流和不同频率方波电压下的150℃高温空间电荷特性,并且抑制其在高温高电场下的空间电荷注入和积聚,该文通过纳米笼型倍半硅氧烷(POSS)接枝和有机半导电小分子(NTCDA)掺杂制备了NTCDA/SE纳米复合材料,研究了纯SE及其复合材料在不同电压类型、频率、温度和电场强度下的空间电荷特性,对材料进行了微观形貌表征以及热重分析,结合量子化学计算探究了高温和高频电场下材料的电荷输运机制。结果表明:在150℃和20 kV/mm直流或方波电场下,纯SE的体内和电极附近均存在大量负极性电荷积聚,导致阳极附近电场严重畸变;而复合材料的阴极附近仅存在少量负极性电荷积聚,整体电场分布较为均匀且略高于外施电场,其平均电荷密度和注入深度相比于纯SE分别降低一半和一个数量级;负极性电荷的注入深度和积聚量随着温度或外施电场强度的增大而增加,但随着方波频率的升高而减小;纳米POSS接枝产生了纳米结构,提升了复合材料的热稳定性,强化了高温下的分子结构,高电子亲和能的NTCDA掺杂引入了更多且更深的电子陷阱,提升了电极/聚合物界面的电子捕获能力,减小了视在迁移率,POSS和NTCDA共同阻碍了电子在高温高电场下的注入、迁移和积聚。

外绝缘用高温硫化硅橡胶和液态硅橡胶性能比较

高温硫化(HTV)硅橡胶绝缘子和液态硅橡胶(LSR)绝缘子广泛应用于电力系统输电线路上。为比较典型配方下外绝缘用HTV硅橡胶和LSR材料的性能差异,对二者的力学性能、电气性能、憎水性进行研究。结果表明:LSR相比于HTV硅橡胶具有更好的力学性能和电气性能;HTV硅橡胶和LSR的初始憎水特性相差不大;LSR的结晶温度低于HTV硅橡胶,热稳定性高于HTV硅橡胶,说明LSR更适于在低温或者高温户外环境中运行。

极不均匀电场中叠层间位芳纶纸和纤维素纸的局部放电特性对比分析

间位芳纶纸具有优异的绝缘强度和耐热性,是纤维素纸的理想替代品。为研究干式工况下间位芳纶纸对纤维素纸的可替代性,对比了叠层间位芳纶纸和纤维素纸在极不均匀电场中的击穿强度,并对叠层间位芳纶纸与纤维素纸开展了阶梯升压和恒定电压下的局部放电测试。结果表明,极不均匀电场中间位芳纶纸的干式击穿电压约为纤维素纸的2倍,且随着叠层数的增长,二者的击穿强度差异性变小;升压局放中,在电场强度低于两种绝缘纸各自击穿强度的50%时,两种绝缘纸的放电特征相近,进一步提高电场强度后,间位芳纶纸出现了更剧烈的沿面放电,放电量约纤维素纸的6倍;恒压局放中,间位芳纶纸在放电起始阶段放电更为剧烈,最大放电量在6500~43000 pC之间变化,而后在6500 pC上下小幅度波动,临近击穿时最大放电量剧增到49966.9 pC。局放使间位芳纶纸呈现更加严重的纸张缺陷,这源于击穿对短切纤维与浆粕界面的破坏导致浆粕脱落及损伤。

空间电荷在评估绝缘聚合物电老化程度中的应用研究

通过向聚乙烯中添加一种电压稳定剂 ,能够有效地抑制聚乙烯的电老化。纯聚乙烯和含电压稳定剂的聚乙烯的试样经过不同时间的电老化后 ,空间电荷测量表明 ,在电老化过程中 ,空间电荷的分布发生变化 ,出现正负电荷峰的分离和叠加。两种性质的试样中的空间电荷总量都近似地随老化时间呈线性增长 ,并与老化后的残余绝缘强度的变化有对应关系。分析表明 ,以试样的短路空间电荷总量与老化时间关系 。

冷却介质对低密度聚乙烯空间电荷输运特性的影响

低密度聚乙烯是高压电力电缆的主要绝缘材料,空间电荷被认为是影响电力电缆绝缘安全可靠性的关键因素之一。为此,选用冰水、空气和硅油3种不同冷却方式对聚乙烯试品进行淬火处理,采用电声脉冲法测量系统对聚乙烯试品中空间电荷的消散特性进行了测试,并结合阶梯式升压试验测定空间电荷阈值场强,根据空间电荷限制电流理论推导出总电荷量与电荷迁移率,采用差示扫描量热法分析了试样的结晶度和晶粒尺寸均匀性。试验与分析结果表明:硅油冷却聚乙烯电荷视在迁移率大于冰水、空气冷却试样;3种试样中,硅油冷却聚乙烯结晶度较高,晶粒尺寸分布较均匀,阈值场强较高,而冰水冷却聚乙烯结晶度、晶粒分布均匀性与阈值场强较低。

固体绝缘材料热老化电气特性的研究

油浸式变压器所用固体绝缘材料的介电常数大小和耐高温性能是影响变压器容量和尺寸大小的重要因素。本文选择了聚酯薄膜、聚碳酸酯、聚苯硫醚三种耐高温聚合物材料为试验对象,在130℃条件下进行了最长1 200 h的热老化试验,测试了各试样老化前及老化各阶段的介电谱(相对介电常数、介质损耗因数随温度变化特性)和击穿强度。测试结果表明,三种聚合物材料老化前后的相对介电常数值均比油浸变压器目前常用的绝缘纸板的小(更加接近变压器油),相应的介质损耗因数也远远低于绝缘纸板;聚苯硫醚和聚酯薄膜的相对介电常数和介质损耗在90℃附近明显增大,但聚碳酸酯的相对介电常数和介质损耗基本不变;在油中热老化后,三种聚合物材料的介电常数和介质损耗随温度变化的趋势与未老化的相似;在老化各阶段,聚酯薄膜、聚碳酸酯和聚苯硫醚材料的工频击穿强度基本与热老化时间无关。综合聚酯薄膜、聚苯硫醚和聚碳酸酯三种聚合物材料热老化前后的介电特性变化情况,对比常用的绝缘纸板的特性,考虑到相对较低的介电常数与介质损耗因数和较高的击穿场强,聚碳酸酯是一种相对理想的有可能用来替换常用绝缘纸板的替换材料。

纳米Al_(2)O_(3)复合硅橡胶耐电晕特性分析

绝缘材料中掺杂适量的纳米氧化物粒子可以大幅度提高绝缘材料的耐电晕性能,提升绝缘材料使用标准。为研究纳米Al_(2)O_(3)粒子质量分数对纳米Al_(2)O_(3)复合硅橡胶绝缘材料耐电晕性能的影响,采用“气泡法”分别制备纯硅橡胶绝缘材料试样与纳米Al_(2)O_(3)质量分数分别为1%、2%、3%的纳米Al_(2)O_(3)复合硅橡胶绝缘材料试样。通过对试验试样的耐电晕性能进行测试,分析得出纳米Al_(2)O_(3)复合硅橡胶试样的耐电晕性能优于纯硅橡胶试样,且纳米Al_(2)O_(3)质量分数为2%时,耐电晕性能最佳。

油纸绝缘气隙放电特征信息提取及其过程划分

油纸绝缘是油浸式电气设备的常用的绝缘方法,其一旦发生局部放电会引起绝缘的老化和破坏,及时了解局部放电的产生与发展特性能判断运行设备的潜伏性故障及其发展。论文对油纸绝缘气隙放电进行了研究,采用核主成分分析的方法对其统计特征算子进行了降维处理,提取了新的特征因子。采集局部放电发展过程中不同时刻的信号样本,对新的特征因子进行了聚类分析,聚类结果结合局部放电发展的不同时刻的信息将局部放电发展过程分为初始放电阶段、放电发展阶段、放电稳定阶段和预击穿阶段。

方波脉冲下纳米氧化铝掺杂对聚酰亚胺表面放电特性影响

聚酰亚胺薄膜(polyimide,PI)以其卓越的介电性能广泛应用于变频电机匝间绝缘,纳米掺杂能改善PI膜的绝缘性能。为研究方波条件下纳米Al_2O_3对PI膜表面放电特性的影响,文中将粒径为60nm的Al_2O_3纳米粒子作为无机填料添加到PI基体中,制作了掺杂量为1%,2%,5%,7%,10%的PI薄膜。测量了PI/Al_2O_3薄膜耐电晕性能和局部放电次数随温度的变化,用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察了放电前后PI/Al_2O_3薄膜微观形貌。利用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)测试了复合薄膜老化前后的化学键情况。研究结果表明:纳米Al_2O_3在PI基体中弥散分布,PI/Al_2O_3复合薄膜的红外吸收峰与纯PI膜基本一致,但吸收峰深度有所加强。老化4h后PI/Al_2O_3分子链上的C-O-C(醚键)以及C-N-C(酰亚胺环)消失,其余化学键吸收峰有所减弱;Al_2O_3纳米粒子的掺入提高了复合薄膜的耐电晕性能并减少了局部放电次数。并且温度的上升会导致局部放电次数减少。表面放电导致的化学键断裂是复合薄膜降解的主要原因,纳米粒子所引入的两相界面以及其优良的导热性能提高了复合薄膜的绝缘性能。

聚酰亚胺薄膜表面电荷的开尔文力显微镜研究

为在微纳米尺度下研究无机纳米掺杂对聚酰亚胺表面电荷特性的影响，采用开尔文力显微镜测量了杜邦公司生产的原始聚酰亚胺薄膜和纳米掺杂耐电晕聚酰亚胺薄膜二种材料，在被导电微探针注入电荷后的表面电荷发生、发展特性。实验发现，在相同的电荷注入条件下，耐电晕薄膜上表面电荷积累量约为原始聚酰亚胺薄膜上电荷积累量的50％；耐电晕薄膜上电荷消散速度较快，约为原始聚酰亚胺薄膜上的4～5倍。分析可知，耐电晕薄膜由于掺杂了纳米颗粒Al2O3，使得薄膜的注入势垒增大、电阻率减小，这些因素减少了耐电晕薄膜表面电荷的积累，避免了局部电场畸变，进而增强了材料的耐电晕特性。

变压器油纸绝缘绕组过载条件下的热老化试验方法研究

油浸式电力变压器在超过铭牌额定值运行时,绕组导体发热量增加,绝缘纸由于温度上升而发生热老化,缩短其使用寿命。传统试验采用加速热老化研究油纸绝缘材料的热老化速率以获得热寿命模型。变压器实际运行中,由于绕组结构及绝缘油的流动散热作用,绕组绝缘纸层间温度场并不均匀,且绝缘油温度也低于绕组热点温度。采用传统的整体加热方式,将会由于绝缘油在高温下性能的快速劣化而使试验结果严重偏离实际情况。该文提出了一种新的绕组油纸绝缘热老化试验方法,采用电流发生器产生电流使绕组发热,将安放于绕组上的温度传感器信号反馈至电流发生器的调压装置,以控制输出电流的大小,从而获得试验所需的恒定老化温度。基于该试验平台开展了绕组油纸绝缘加速热老化试验,测试了老化过程中绝缘纸的聚合度变化规律。结果表明,与传统的加速热老化方法相比,该文提出的加速热老化试验方法不但更贴近变压器运行的实际情况,而且可以在同一个容器中,同时实现多个温度下的加速热老化试验,大大节省了老化所需的时间及成本。