高电压有机外绝缘发展综述与展望

我国电力工业的高速发展,为高电压有机外绝缘技术提供了巨大发展动力和空前发展机遇。其中,硅橡胶复合绝缘子是该领域的典型代表,其发展进步过程值得分析。经过三大关键机遇和4个重要阶段,硅橡胶复合绝缘子在电力系统的大规模应用,使我国成为全球首个在特高压输电系统中以有机外绝缘为主的国家。为服务新型电力系统的构建,研制新一代长服役寿命复合绝缘子已成为亟待突破的重大技术难点之一。因此,该文主要以复合绝缘子的技术演进为主线,系统回顾和总结了国内外复合绝缘子技术的发展历程,对比分析了国内外不同阶段的发展特点与关注焦点;梳理了我国在复合绝缘子领域取得的关键技术突破,并对国内外技术的演进、当前焦点问题和长服役寿命复合绝缘子的产业链联合攻关进行了讨论及展望。

等离子体改性提高染污硅橡胶绝缘沿面性能

表面积污后电荷消散速率减慢与憎水性丧失是降低硅橡胶(SIR)复合绝缘子沿面绝缘性能的重要因素。文中采用常压脉冲滑动弧等离子体发生装置,对人工涂污高温硫化(HTV)硅橡胶进行不同时间(0~3 min)的表面改性。利用表面电位测量系统和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)研究等离子体处理对染污硅橡胶试样表面电荷运动特性、憎水性及化学成分的影响,测试处理前后染污试样的表面介电性能。研究结果表明:不同时间下的等离子体处理均可加快试样表面电荷消散速率,处理过程中引入大量浅陷阱,陷阱能级深度和陷阱电荷密度均下降,减弱了试样表面捕获电子的能力,抑制电荷积聚;试样体积电阻率几乎不受等离子体处理影响,但表面电阻率的减小使电荷更易沿试样表面运动消散;等离子体处理后,试样干燥和湿润条件下的沿面耐压均获得提升。等离子体处理使试样在短时间内恢复憎水性,处理时间越长,憎水性改善越明显;等离子体处理后更多的硅氧烷小分子迁移至污层表面使憎水性提高。

一起110 kV变压器高压侧电缆终端绝缘击穿事故原因分析

对一起110 kV变压器高压侧电缆终端绝缘击穿事故进行深入分析。探讨电缆绝缘击穿原理,对故障电缆终端进行外观检查和解体检查,发现电缆终端绝缘存在局部击穿、施工工艺不达标等情况。从电缆终端受外力影响、电缆绝缘本体质量、安装工艺等方面,分析电缆终端绝缘击穿的可能原因,并提出相应的防范措施,以提高电缆终端的安装质量和运行可靠性。

采用紫外老化和中性盐雾试验评价特高压用高温硫化硅橡胶的性能

采用荧光紫外老化、中性盐雾试验对特高压用高温硫化硅橡胶进行老化试验2000h,分析在不同老化环境过程中硅橡胶试样的力学性能、绝缘性能、憎水性能以及结构变化,找出快速评价特高压用高温硫化硅橡胶的耐候性能试验方法和评价手段。试验结果表明,荧光紫外光老化2000h以内硅橡胶的结构变化和宏观性能变化不大,而盐雾腐蚀2000h对特高压用高温硫化硅橡胶的绝缘性能以及结构变化却有明显的影响。与荧光紫外老化试验相比,中性盐雾老化试验更适合快速对特高压用高温硫化硅橡胶的耐候性进行比较和筛选。

热老化时间对硅橡胶电树枝起始特性的影响

电缆系统长期运行在高温下会对新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶(SIR)的性能产生影响。针对电缆长期最高运行温度(90℃)下热老化时间对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响展开试验研究,测定90℃温度场下老化1 000 h对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响规律,并进行理论分析。试验结果表明,90℃热老化作用下,硅橡胶随着老化时间的增加,起树电压出现先增再减的趋势。硅橡胶电树枝形态与老化时间密切相关,老化过程中树枝状比例很低,随着老化时间增加,丛状树枝比例先增再减,松状比例先减再增。另外,通过对最大放电量的测试可以发现,最大放电量的变化随时间先减再增。结合差热分析、平衡溶胀等试验对试验结果进行分析讨论后认为,90℃下硅橡胶交联网络破坏是硅橡胶起树电压大幅下降,电树枝形态改变的重要原因。运行温度下的热老化对硅橡胶的性能产生了严重的影响,需要引起重视。

广东地区室温硫化硅橡胶防污闪涂料的运行特性

广东地区所处的亚热带气候环境对室温硫化硅橡胶（RTV）防污闪涂料的运行具有重要影响。为此，对广东地区不同环境下运行了4～7a的RTV防污闪涂料进行了试验，从涂料绝缘子表面状态、憎水性、憎水迁移性等方面分析了高温高湿、紫外线辐射及多雨水环境对RTV防污闪涂料运行性能的影响，并采用Fourier变换红外光谱分析了RTV涂料中有机硅含量的变化。结果表明，在高温高湿、强紫外线辐射、强降雨量的作用下，RTV防污闪涂料表面状态劣化较为严重。运行时间越长，RTV涂料的憎水性及憎水迁移性越差，市区附近运行了7a的RTV涂料已丧失憎水迁移性。不同污染源对于RTV涂料的性能变化也有一定影响；相同运行时间下，运行于市区附近的RTV涂料性能要好于运行于水泥厂附近的RTV涂料。

HTV硅橡胶用不同高岭土染污后的憎水迁移特性对比

复合绝缘子人工污秽试验中,惰性物质的特性对染污试品的憎水性迁移特性影响显著,选用合适的惰性物质,对完善人工污秽试验方法,增强试验结果的对比性有显著意义。为此,选用3类高岭土作为惰性物质,对比研究了染污高温硫化硅橡胶(HTV)的憎水性迁移过程。针对3类高岭土染污试品憎水性迁移特性差异,通过扫描电镜、热重分析以及傅里叶变换红外光谱分析,对3类高岭土的微观形态及官能团进行了分析。试验结果表明:污层获取憎水性的能力由好至差分别是分析纯高岭土、化学纯高岭土及工业原料高岭土;高岭土对高温硫化硅橡胶憎水性迁移过程的影响,与其自身的微观特性有密切联系;目前市场上所提供的分析纯高岭土及化学纯高岭土,很有可能是高岭土热活化后的产物—偏高岭土。该研究结果对于复合绝缘子人工污秽试验惰性物质的选取有参考意义,相关结论可用于辅助分析染污硅橡胶憎水性迁移特性。

影响硅橡胶静态接触角测量结果的相关因素分析

为了更加准确地获得硅橡胶材料的静态接触角,有必要研究接触角测量时各种因素对测量结果的影响。基于接触角测量仪和数码相机及动静态接触角自动计算软件DSCA(dynamic static contact angle),研究了座滴法测量硅橡胶静态接触角时水珠体积、拍照延迟时间、温度、水电导率和样本纵向倾斜程度对测量所得接触角的影响。结果表明:水珠体积对静态接触角测量没有明显影响,但不同体积水珠的最佳接触角算法不同;随拍照延迟时间增加,接触角有下降趋势,洁净样本、电晕样本、染污完全迁移样本下降速度较慢,浸泡和染污未完全迁移样本下降速度较快;温度对测量所得接触角有影响,低温下静态接触角偏小;水电导率对测量得到的接触角未见明显影响;反向倾斜可能会导致大误差,正向倾斜时,无论是大接触角图像还是小接触角图像,倾斜程度对测得的接触角影响不大,但倾斜的水珠图像会给自动计算带来难度。因此,低温中取出的试样要恢复到室温后测量,而高温试样则关系不大;水珠体积选择2～4μL;拍照可选择滴水后5s左右进行;水应选择去离子水,如无也可用自来水或具有一定电导率的盐水替换;尽量选择镜头平面垂直于硅橡胶平面时进行拍摄。

温度对硅橡胶电晕时憎水性的影响

为研究温度对交流电晕导致硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,搭建了1套硅橡胶电晕测试系统,系统首先利用针板电极产生极不均匀电场,其次基于USB-9215A采集卡和图形化编程软件LabVIEW搭建了施加电压和电晕电流的监测系统,最后基于ANSYS建立了多个针板电极模型并进行了电场分析,结果表明多针电晕系统中各针板电极相应处场强相等,并用同样厚度的多个试样的试验结果验证了各针板电极电晕效果的一致性。研究发现交流电晕后硅橡胶表面也存在电荷,必须进行释放,否则可能会给试验结果带来较大误差,为此进行了机理上的解释并给出了消除表面电荷的方法。另外研究了温度单一因素对硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,结果表明:随着环境温度的升高硅橡胶在电晕时憎水性丧失速度变慢,憎水性恢复速度变快。

室温硫化与高温硫化硅橡胶在交流电晕下憎水特性的比较

为了研究交流电晕对室温硫化(room temperature vulcanization,RTV)和高温硫化(high temperature vul-canization,HTV)硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响,基于硅橡胶电晕测试系统在相同的温度、湿度和场强下对同样厚度的RTV和HTV硅橡胶进行了电晕,测量了不同电压和电晕持续时间情况下RTV和HTV硅橡胶在电晕和恢复时的静态接触角随时间的变化情况。研究发现:同样的电压和加压时间情况下,RTV硅橡胶电晕后憎水性丧失速度慢于HTV硅橡胶,憎水性恢复到初始值所需时间明显短于HTV硅橡胶。随电晕时间的增加硅橡胶憎水性恢复到初始值所需时间存在增加的趋势。随电晕电压的增加硅橡胶憎水性下降速度加快,憎水性恢复到初值所需时间存在增加的趋势;随电晕时间、电压的增加晕圈逐渐增大。电晕的开始阶段憎水性快速下降,随时间增加速度逐渐下降,后来憎水性逐渐趋于稳定;恢复的开始阶段憎水性恢复速度快,随时间增加速度逐渐下降,后来憎水性逐渐趋于稳定。对电晕后硅橡胶表面进行了扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)分析,发现RTV硅橡胶表面破坏情况比HTV硅橡胶严重。

硅橡胶电树枝通道微观形貌研究

电树枝是引起聚合物绝缘材料破坏的重要因素之一,电树枝通道形貌包含了材料绝缘寿命、缺陷形成机理等重要信息。为此,利用共焦显微镜,首次使用荧光显微法对电缆内绝缘用硅橡胶(SIR)材料中电树枝老化通道进行逐层扫描观测,得到荧光显微法三维电树枝形态图和透射光源法电树枝微观形态图。另外,利用扫描电子显微镜(SEM)对电树枝通道横切面进行观测,得到电树枝通道横切面电镜图像并利用暗视野显微成像得到电树枝通道落射光法显微图像。通过上述4种实验观测方法得到的电树枝通道形貌图表明,硅橡胶电树枝通道整体形态为由球状破坏点连成的树枝状中空气隙通道,这种形貌特点首次通过实验方法直接观测得到。进而,基于这一实验结果和电树枝局部放电理论,提出了硅橡胶电树枝球状生长模式,不仅与实验观测相符合,也可为进一步研究硅橡胶中电树枝生长机理提供基础。

乙丙橡胶绝缘的表面击穿与沿面放电特性

为了探究乙丙橡胶绝缘的表面击穿特性和沿面放电行为，选择板-板电极、棒-环电极和针-板电极3种典型的电极结构来模拟不同电场分布，分别测量并分析了3种电极下外施交流和负极性直流电压时乙丙橡胶的表面击穿电压和击穿痕迹。在外施交流电压下，测量了不同电压下的沿面放电，分析了沿面放电起始和发展过程。试验结果表明：电场分布越均匀，表面击穿电压越大；板-板电极下的起始放电电压与电极间距成正相关性，而棒-环电极和针-板电极下的起始放电与起晕电压相关，其值在1．9～2．4kV之间；在不同电场分布和放电阶段，发生的放电类型和放电谱图也有所差别，而且在沿面放电前期，放电脉冲幅值较小，约为1．2V；但是在沿面放电后期，放电比较分散，放电脉冲幅值较大，最高可达43V。据此可以对沿面放电发展的严重程度进行判断。

硅橡胶中空间电荷的形成机理

文中采用电声脉冲法,在不同的直流电场作用下,测量了硅橡胶中空间电荷的分布,并分析了其与加压时间的关系。同时测量了短路电极时空间电荷分布的变化,讨论了电极短路试样中残留电荷的分布及其影响。研究发现,在场强相对较低(5kV/mm)与较高(60kV/mm,70kV/mm)时,电极附近介质中的电荷分布均为异极性电荷,但其形成机理完全不同;而在中场强(10kV/mm,30kV/mm)下可出现同极性电荷。文章还讨论了A1和Cu电极在不同电场强度下的电子或空穴注入现象以及其在空间电荷形成中的作用。

直流场下温度对硅橡胶电树枝起始特性的影响

直流电缆长期运行在高温下对电缆附件绝缘材料的电气性能有重大影响。为此选择新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶作为研究对象,针对温度对硅橡胶材料直流电树枝起始特性的影响展开试验研究,在20、60、90和120℃下测定针尖完好和针尖有气隙两种硅橡胶试品的直流起树电压,并通过数字显微系统记录下电树枝形态。试验中观测到的硅橡胶直流电树枝形态仅有单枝状和树枝状两种。试验结果表明,针尖完好试品的平均起树电压随着温度的升高单调下降。针尖存在气隙时,起树电压明显比针尖无气隙时低,平均起树电压和树枝形态比例随温度变化均呈现出非单调的变化规律。试验中还发现,针尖有气隙试品的起树电压与二次起树电压基本一致。结合差热分析试验结果进行分析讨论后认为,温升引起硅橡胶局部链段松弛是温度场下硅橡胶直流起树电压下降的重要原因。温度对硅橡胶直流电树枝起始特性有显著的影响,因此长期运行在高温下的直流电缆系统性能势必会因此而受到影响,需要引起足够的重视。另外,针尖有气隙的试品可以模拟电缆中二次起树现象,为电缆二次起树电压的裕度设计提供了相应的理论依据。

磁场环境下室温硫化硅橡胶电树枝生长特性

大电流产生强磁场,从而使电树枝生长过程中承受较大的电磁力。随着电力电缆载流量的不断增加,研究磁场环境下室温硫化(RTV)硅橡胶电树枝生长特性具有重要的理论意义和实用价值。为此,选用自制RTV硅橡胶试样,采用脉冲电源和交流电源对试样加压,分别模拟了试样在脉冲电场、交流电场与磁场的耦合场下的电树枝生长状况,研究了不同电压和磁场条件下的电树枝生长特性。结果表明:随着磁通密度的升高,在脉冲电压和交流电压下电树枝的起始电压会降低;脉冲电压下,电树枝长度会由于外界高磁场的存在而明显增加;交流电压下,磁通密度的升高会使电树枝类型发生变化,当磁通密度为400 m T时,所有电树枝呈丛林状,电树枝生长速度明显降低,400 m T时电树枝分形维数明显高于0 m T时的对应值。该研究结果为进一步研究磁场条件下硅橡胶中电树枝生长机理提供了参考。

碳化硅/硅橡胶复合材料的非线性电导特性

为研究碳化硅(SiC)/硅橡胶复合材料的非线性电导特性,测试了填加不同种类、掺量、晶型及粒径SiC的SiC/硅橡胶复合材料的直流伏安特性。研究结果表明:SiC/硅橡胶复合材料的电导率随SiC掺量的增加而增大,且当SiC掺量超过一定值后,复合材料的电导机理发生变化;当SiC掺量相等时,在相同强度电场作用下,黑SiC、纳米SiC复合材料的直流电导率分别大于绿SiC、微米SiC复合材料的电导率,且前者的电导非线性特性明显优于后者;与-αSiC/硅橡胶复合材料相比,-βSiC/硅橡胶复合材料的电导非线性系数值发生变化的电场强度低,其最大非线性系数值明显大于前者,且在场强增大到一定值后载流子浓度的增加趋于饱和,其非线性系数值又变小。

复合绝缘子高温硫化硅橡胶紫外辐射研究

采用自行设计的可调式紫外老化试验箱对A、B两个厂家的HTV硅橡胶进行了紫外辐射(0-1000 h)加速老化实验,辐射光波长320-750 nm。通过辐射前后试样的拉伸实验、硬度、体积电阻率、表面电阻率、击穿强度及憎水性测试,以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试分析,探讨紫外辐射下硅橡胶试样的力学性能、电气性能及其变化机理。试验结果表明:经紫外辐射后,A试样拉伸强度由6.4 MPa下降到4.6 MPa,降幅为28%,B试样由5.1 MPa下降到4.6 MPa,降幅为9%;A试样拉断伸长率由156%下降到76%,降幅为51.3%,B试样由247%下降到148%,降幅为40.1%;硬度增大了1-2度;体积电阻率、表面电阻率和击穿强度均有不同程度的减小;憎水性降低了1-2级。A、B试样经紫外辐射后力学性能和电气性能均有所降低。

新型大功率IGBT用硅凝胶的制备及其应用性研究

以聚甲基乙烯基硅氧烷为基础硅油,端含氢硅油为扩链剂,侧链含氢硅油为交联剂,辅以铂金催化剂和炔醇类抑制剂,制备了一种用于大功率IGBT灌封的双组份有机硅凝胶.研究了聚甲基乙烯基硅氧烷中乙烯基官能团位置、扩链剂与交联剂摩尔比、催化剂与抑制剂用量等对硅凝胶性能的影响.结果表明：选用500～1 500 mPa·s 粘度的端乙烯基硅油,扩链剂与交联剂的摩尔比为0.7∶0.3～0.8∶0.2,铂催化剂用量为5 ppm,抑制剂用量为0.2%,可获得无色透明、锥入度为87 左右、适用期约为140 min 的硅凝胶.该硅凝胶的粘结性强、自修复性好、电绝缘性优异,将其灌封于6 500 V IGBT模块内,该模块顺利通过振动、高温存储、低温存储等多项应用性试验.

硅橡胶绝缘介质的分子链运动与电极极化特性

硅橡胶材料具有优良的电学特性,其介电性能受到分子链运动和电极极化特性的影响。文中首先利用红外光谱和X射线光电子能谱对硅橡胶材料的分子基团和元素进行分析,利用差式扫描量热仪测试出硅橡胶材料的玻璃化转变温度为-123℃。其次,利用宽带介电谱仪测试硅橡胶材料在不同温度下的介电性能。实验结果发现,硅橡胶在高频范围内存在由分子链段运动导致的介电松弛过程α和δ,在低频范围内存在离子迁移导致的直流电导过程,并且在高温条件(140-200℃)下,还存在明显的电极极化过程。硅橡胶分子介电松弛过程α、δ服从Cole-Davidson公式,通过拟合计算,发现松弛过程α、δ的松弛时间常数与温度的关系服从Arrhenius公式,其活化能分别为0.10eV和0.14eV,并得到了两个松弛过程在不同温度下的介电松弛强度和介电松弛时间分布特性。利用Macdonald模型分析硅橡胶材料电极极化过程,计算得到可动离子浓度,以及在不同温度下的德拜长度、可动离子迁移率和扩散率等参数,发现可动离子迁移率随温度的变化关系服从Arrhenius公式,并计算得到活化能为0.38eV。最后通过硅橡胶热刺激电流实验验证了硅橡胶材料中存在松弛过程α、δ和电极极化过程。

电压频率对硅橡胶中电树枝生长特性的影响研究

采用变频电源研究了施加电压频率对硅橡胶中电树枝特性的影响。结果表明:在高频下(≥2 kHz)会出现藤枝状电树,其生长速度明显大于工频电压下出现的电树。一定电压下,随着电压频率的升高,硅橡胶中电树枝的起始时间减少,电树枝的累积击穿概率增大。