限域结构热致变色相变环氧复合绝缘陷阱特性的机理

热致变色相变复合绝缘在电热激励下能实现一系列先进功能,已广泛应用于大量智能电气与电子设备中.然而热致变色相变复合绝缘存在限域结构,无法通过现有的纳米复合界面模型分析其电荷陷阱特性,导致其在电热耦合应力下的介电可靠性提升缺乏科学依据.本文通过等温表面电位衰减(ISPD)、开尔文探针力显微镜(KPFM)等方法,研究了热致变色相变环氧复合绝缘的电荷陷阱特性与机理.结果表明:30℃和70℃下限域结构对热致变色相变环氧绝缘陷阱特性的影响趋势相反,可能源于限域相变或限域界面的影响.理论分析发现,限域相变对陷阱温度特性的影响规律与实验结果不符,并非影响陷阱温度特性的主要原因.通过KPFM原位表征直接验证了限域界面内存在势垒,且起源于接触起电机制.限域界面接触起电电荷量随温度的变化会影响限域界面势垒高度,是影响陷阱温度特性的主要原因.

变压器绝缘缺陷放电发展特性及检测方法研究现状及展望

变压器爆燃事故的发生大多源于其内部绝缘缺陷的局部放电,并逐渐发展至火花放电和电弧放电,造成巨大的经济损失。研究内部放电信号特征及其快速检测方法对保障电力变压器安全可靠运行具有重要意义。国内外学者围绕变压器内部绝缘缺陷放电特性及检测方法开展了大量研究工作。为此从局部放电、火花放电和电弧放电3个阶段综述了相关研究成果,对不同放电发展阶段的脉冲电流、电磁波、声、光以及化学产物等理化特性进行了总结分析,同时概述了基于不同信号的检测方法和对检测设备的要求,并对比了不同检测方法的优缺点,最后提出了对于变压器绝缘缺陷放电发展检测的研究展望。该文对进一步深入研究油中放电信号特征提取、快速检测以及变压器主动保护技术具有指导意义。

高压电缆缓冲层烧蚀缺陷超声检测实验

高压电缆缓冲层烧蚀故障是近年来频发的电缆故障类型,而目前的烧蚀缺陷检测手段难以满足存量电缆的检测需求。为此,文中首次研究基于铝护套内表面粗糙度的高压电缆缓冲层烧蚀缺陷的超声检测方法。首先,开展潮湿条件下的缓冲层烧蚀模拟实验,并对烧蚀后的铝片进行激光共聚焦显微镜测试以及电化学阻抗谱分析,发现随着烧蚀时间的增加,铝片的表面粗糙度逐渐增大,同时铝片表面的腐蚀程度逐渐加深,对应的缓冲层烧蚀缺陷逐渐加重,表明铝片的表面粗糙度与潮湿条件下缓冲层的烧蚀程度存在关联。其次,对烧蚀后的铝片开展超声检测实验,并通过相邻超声回波信号的幅值比推算出铝片腐蚀面的粗糙度,与实验测得的粗糙度具有相同的变化趋势。文中结果表明超声检测可用于检测缓冲层烧蚀缺陷的严重程度,为高压电缆缓冲层烧蚀缺陷超声检测方法的应用奠定了研究基础。

打浆度对超高压绝缘纸老化性能的影响

选用俄罗斯云杉进行硫酸盐法蒸煮并纯化制备绝缘浆,进一步得到不同打浆度绝缘纸,对比其不同老化时间下纤维特性及绝缘纸机械和电气性能差异,研究打浆度对绝缘纸老化性能的影响。结果表明,随着打浆度升高,纤维长度和孔隙率降低,细小纤维含量增加,纤维分丝帚化率和弯曲扭结率增大;老化后纤维长度显著降低,低打浆度折断纤维和细小纤维含量越大。随着老化时间延长,不同打浆度绝缘纸性能差距增大;随老化时间延长,高打浆度绝缘纸机械性能和电气性能降低幅度更小,性能更稳定。当打浆度提高到83°SR时,热压后绝缘纸的抗张强度达到17.5 kN/m,老化30天后纤维聚合度仍能保持在500左右,且打浆度为83°SR油纸绝缘材料击穿强度远大于其他较低打浆度油纸绝缘材料,介电常数和介质损耗均低于其他较低打浆度油纸绝缘材料。

多任务元学习网络的气体绝缘组合电器局部放电同时诊断与定位

针对气体绝缘组合电器(GIS)局部放电诊断和定位作为两个独立的任务来完成而忽略了两个任务间的联系、且难以部署和泛化到现场小样本场景下的问题,提出了多任务元学习网络以同时实现现场小样本场景下的GIS局部放电诊断与定位。首先,为了充分挖掘两个任务间的关联关系并保留每一任务的差异特征,构建了多任务网络,在特定任务层引入注意力机制,为每个任务从浅到深选择重要特征,保证每一任务特征差异化提取的质量。其次,为了将所开发的多任务网络部署应用到现场小样本场景下,采用元训练的方法对模型进行训练。再次,在元测试阶段使用目标任务的少量数据进行微调,实现了小样本下GIS局部放电诊断和定位。最后,在现场样本上对模型性能进行了验证。实验结果表明,提出的多任务元学习网络在GIS局部放电诊断上的准确率达到94.53%,定位平均误差和均方根误差分别为10.78 cm和12.97 cm,与单任务网络和其他模型相比性能提升明显,为GIS局部放电诊断和定位提供了新颖的解决思路。

形状记忆环氧材料漏电流抑制技术及耐辐照性能提升方法

针对航天器空间可展开结构用形状记忆聚合物材料在空间辐照环境中电荷输运性能发生变化时易产生漏电流,从而造成结构器件劣化、击穿,甚至影响航天器正常运行的问题,从高分子三维网状结构设计角度出发,提出一种形状记忆聚合物辐照感应漏电流抑制方法,实现了形状记忆聚合物的性能提升,能够指导空间可展开结构材料的选型和设计。基于常用的双酚A环氧树脂材料,通过引入不同官能度和配比的固化剂调控其高分子三维网状结构,获得了具有不同热力学性能的形状记忆环氧材料。采用X射线辐照感应电导率在线测试系统,表征不同体系环氧材料在不同辐照功率下的漏电流演变情况。研究结果表明:相较于固化剂官能度为5的形状记忆环氧材料体系,固化剂官能度为6环氧材料体系的X射线辐照感应电导率随固化剂配比变化的幅度减小了约50%,即选择官能度相对较高的固化剂体系环氧材料,能够构建更加致密的高分子三维网状结构,可获得更加稳定的热力学和X射线辐照感应电导性能,更有利于抑制辐照感应漏电流,从而增强了空间展开结构X射线辐照防护效果。

形状记忆聚合物及其复合材料空间辐照环境效应研究进展

形状记忆聚合物及其复合材料具有密度低、可回复变形大、刺激方式可控、成本低等优点,可应用于空间可展开结构,但空间辐照环境对其在轨安全带来了严重的威胁。首先介绍了形状记忆聚合物及其复合材料的分类,接着总结了基于形状记忆聚合物的空间可展开结构应用现状,然后分析了高能电磁辐射、高能粒子辐射和原子氧等空间环境对形状记忆聚合物及其复合材料性能的影响,最后对形状记忆材料空间辐照环境效应的研究成果进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

基于时域BLT方程的带绝缘线缆束场-线耦合模型

为研究外场辐照下复杂线缆系统(多导体、非线性负载、带绝缘层)终端电压/电流时域响应特性规律,提出了复杂线缆束在入射场激励下的终端响应建模方法。研究在时域内重塑多导体BLT方程,在兼顾计算效率、易于向线缆网络扩展的基础上,解决了线缆束端接非线性负载的终端时域响应求解问题;并通过引入介质层系数,修正了BLT方程源矢量项,解决了常规BLT方程忽视绝缘层对入射场畸变效应而导致的误差问题。最后,将计算结果同时域有限差分法和有限积分法计算结果进行对比,验证了模型在处理复杂线缆场线耦合问题上的准确性。

铁基软磁材料电抗器噪声特性

铁基软磁复合材料具有高磁导率、高磁感应强度、低铁损的特性,研究该材料为铁心的电抗器的振动噪声特性对电抗器减振降噪设计具有重要意义。文中基于有限元仿真模型,通过磁场-结构-声学多物理场耦合,对正常运行条件下电抗器的振动与噪声分布进行计算分析,并搭建电抗器噪声测量系统,分别测量硅钢铁心、混合铁心和铁基软磁铁心电抗器的噪声信号,进行试验验证。结果表明:混合铁心和铁基软磁铁心电抗器噪声明显低于硅钢铁心电抗器,混合铁心电抗器受电流变化影响最小。仿真数据显示,硅钢铁心电抗器磁致伸缩与麦克斯韦力噪声比值为1.15,磁致伸缩占比最大。铁基软磁铁心电抗器噪声小的主要原因是磁致伸缩效应小至可以忽略。

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。

考虑温度梯度的高压直流GIL盆式绝缘子空间电荷仿真

在直流电压和温度梯度作用下,直流气体绝缘输电线路(gas-insulated transmission line,GIL)中盆式绝缘子内部易积聚空间电荷,引起局部电场畸变。因此,研究直流电压下盆式绝缘子内空间电荷积聚特性,对提高直流GIL的绝缘性能具有重要意义。以直流GIL盆式绝缘子为研究对象,基于2维双极性载流子模型,建立了电-热-流-电荷多物理场耦合模型,研究了不同温度分布、不同电压等级和不同极性电压下盆式绝缘子内空间电荷分布特性和电场分布规律。仿真结果表明:仿真模型能够有效地模拟盆式绝缘子内空间电荷和电场分布,在盆式绝缘子工作条件下,空间电荷主要积聚在金属与绝缘材料界面处,最大电荷密度为156.59 mC/m^(3),在一定程度上造成设备内部电场畸变。绝缘子在复杂工况下的空间电荷仿真可以解决电力设备难以直接测量空间电荷分布的难题,研究方法和结果可为直流GIL的绝缘优化设计和可靠运行提供理论支撑。

半互穿网络结构提升聚偏氟乙烯基材料储能温度稳定性

随着新能源汽车和油气勘探等高温环境对电储能器件的需求迅速增长,对储能电容器的小型化与高温化要求越来越高。常见的极性介质材料能够实现高储能密度特性,但是随着温度的升高其介电性能严重降低;而常见的高温聚合物,虽然高温介电性能温度稳定性良好,但是极化响应较低。为此研究了利用半互穿交联聚合物共混方法,在具有高介电性能的聚偏氟乙烯中引入具有高玻璃化转变温度与高击穿强度的聚甲基丙烯酸酯,构建互穿交联网络结构协同提高储能性能及其温度稳定性。通过差示扫描量热法和X射线衍射结果发现形成的半互穿交联聚合物无定形区温度稳定性随聚甲基丙烯酸酯含量增加而增强。获得的最优组分在30~120℃范围内同一电场强度下的储能密度与效率控制在6.9~7.6 J/cm~3与81%~59.7%,储能密度随温度的相对变化率在11.2%,高于大部分铁电聚合物。

界面湿放电下护套ATH填料析出对绝缘子芯棒酥朽老化的影响

复合绝缘子中玻璃钢芯棒的酥朽老化现象频繁出现,严重影响了输电线路可靠性。然而,酥朽老化与界面放电的关系尚无明确证据,界面放电下护套粉化对老化的影响仍不明确。文中以内击穿故障而退运绝缘子为参考,搭建了基于界面湿放电的人工加速老化平台,还原了绝缘子的界面放电和芯棒酥朽老化的发生和发展,并模拟了护套ATH填料析出对于酥朽过程的影响。实验在高湿环境下通过界面放电提供酸性和高温条件,在1000 h的老化过程中,对芯棒样品的微观结构、物理化学性质和泄漏电流进行表征。实验结果表明,多因素环境下的复合绝缘子界面放电会引发芯棒中环氧树脂的分解,最终导致玻璃纤维暴露、断裂,形成酥朽老化。同时,由于界面放电导致的护套ATH填料析出行为虽然会加剧芯棒表面老化;但在长期老化过程中,ATH填料可以部分减缓酥朽老化的深入。硅橡胶护套的耐漏电起痕能力对于减缓芯棒酥朽依然有正向效果,使复合绝缘子拥有一定的自修复性。该研究提供了界面放电引发酥朽老化的实验室基础,有助于监测和理解芯棒老化的发展过程和机理,同时从预防和减缓酥朽老化的角度为护套填料配方提供参考。

极端环境温度对硅橡胶材料性能的影响研究进展

硅橡胶材料具有优异的机电性能以及出色的耐高低温性能,在电气绝缘领域具有广泛运用。本文综述了低温、高温对硅橡胶(SR)材料力学性能、电气性能的影响,同时介绍了硅橡胶在低温下的结晶行为以及提高硅橡胶材料热稳定性的方法,最后对硅橡胶材料的未来发展应用趋势进行了展望。

微纤化/纳米纤维素复合绝缘纸的力学特性及计算方法

油纸绝缘变压器的绝缘纸处于强机械振动和机械冲击的作用环境中,这对绝缘纸的强度和抵抗变形的能力提出了很高的要求。因此,实现对纤维素绝缘纸机械性能的有效提升和准确预测至关重要。文中通过微纤化/纳米纤维素的体相掺杂,制备出不同质量分数的纳米纤维素晶须、纳米纤维素纤维和微纤化纤维素改性绝缘纸。然后对不同掺杂浓度下微纤化/纳米纤维素改性绝缘纸的微观形貌、应力-应变曲线和杨氏模量进行测量,对比了不同长径比的微纤化/纳米纤维素对绝缘纸机械性能的改性效果。从自身强度、形态、界面效应和团聚效应等方面分析了微纤化/纳米纤维素对绝缘纸的改性机理。在详细实验结果和综合分析的基础上,基于Halpin-Tsai模型对理想情况下填料改性作用的分析,考虑到团聚相和界面相的影响,实现了对不同掺杂浓度下改性绝缘纸杨氏模量的预测。独立实验验证表明,所提出的预测模型误差小于1.57%。该研究对实现绝缘纸的纳米改性和机械性能预测具有重要意义。

多种布设方式下交流220 kV线路瓷绝缘子劣化判别的仿真与实测研究

为提高线路瓷质绝缘子劣化带电检测的准确性,本文研究了布设方式和劣化程度对高压交流绝缘子串电压分布特征的影响。首先,建立交流220 kV瓷绝缘子串在不同布设方式下单电压分布的有限元仿真计算模型,并仿真分析绝缘子串电压分布的特征。然后,结合实际测量得到的山东省交流220 kV输电线路绝缘子串电压分布,验证仿真计算结果与实测结果的一致性。结果表明:输电电路杆塔塔型、绝缘子串片数及布置方式、劣化绝缘子位置及劣化程度等因素对绝缘子串电压分布特征及劣化判别有较大影响,其中不同塔型最大分布电压差可达到35%。不同布置方式最大分布电压差可达到18%,通过分布电压下降比例可判断不同位置绝缘子劣化情况。

微观结构对双向拉伸聚丙烯薄膜绝缘性能的影响

近年来,电网的快速发展对电力电容器提出了更高要求。作为电容器的核心介质材料——双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜,其绝缘性能直接决定了电容器的储能密度和运行可靠性。为探究BOPP的微观结构对其绝缘性能的影响,选取了3种由相同PP树脂经不同厂家制作得到的BOPP薄膜,对其表面形貌、结晶特性、取向度及电学性能进行了测试分析。结果表明:结晶度、片晶厚度、取向度及玻璃化转变温度的提升使得BOPP薄膜具有更高的直流击穿场强。进一步通过电导测试获取载流子的宏观迁移特性,并采用动态热机械分析测试(DMA)和表面电位衰减测试(SPD)研究载流子的迁移过程。体积电导率的测试结果表明BOPP薄膜的电导机制以跳跃电导为主。陷阱参数和分子链段运动活化能的计算结果阐明了微观结构对BOPP薄膜绝缘性能的影响机制,有序规整的微观结构减小了BOPP薄膜的浅陷阱密度,提高了分子链段运动活化能,使载流子的跨链迁移和沿链迁移过程受到抑制,最终体现为电导率的下降与击穿场强的提高。

压接IGBT小管壳与外框高温热老化绝缘特性

近年来IGBT模块朝着更高电压等级与更大功率密度的方向发展,有限空间内的高电压与大电流将使得器件在高温下的绝缘失效概率急剧增加,模块中承受长时间高温的封装材料面临着绝缘退化乃至失效的风险。因此,亟需针对IGBT模块中封装材料开展高温与热老化绝缘特性研究。文中面向压接IGBT中的小管壳玻璃纤维增强型聚对苯二甲酰癸二胺和外框玻璃纤维增强不饱和聚酯封装材料,通过微观形貌、组分、介电及沿面闪络描述了两种材料的高温与热老化特性。结果表明,两种材料在热氧老化后出现不可逆的黄变现象,组分显示这与有色官能团的增加有关。此外,两种材料介电与电导性能在高温与热老化后都有所退化,尽管如此,外框仍旧满足IEC标准中关于介质损耗因数的要求(≤0.03)。小管壳和外框在150℃高温下耐压分别下降27%与29%,能带结构的计算结果验证了沿面闪络的退化行为。

国产与进口基料热塑性聚乙烯基电缆绝缘料性能对比研究

聚乙烯基非交联电缆绝缘材料具有优于XLPE的电气性能和力学性能,加工工艺简单、生产能耗低并可回收,是最具应用前景的新型环保电缆绝缘材料之一。本文采用国产基料制备不同配比的LLDPE/HDPE共混绝缘材料,对其电气、力学、流变和抗热氧老化性能进行测试,并与进口基料制备的共混材料进行对比。结果表明:国产与进口共混材料都在LLDPE、HDPE质量比为7∶3时表现出最佳的电气性能和力学性能。最优质量比下国产共混材料的电气性能与进口共混材料表现相近,但拉伸强度较低。在抗热氧老化性能上,国产共混材料与进口共混材料相比有明显差距。通过分子量及其分布测试、红外光谱分析发现,国产LLDPE的支化度和进口LLDPE相近,但其分子量分布范围更宽,且低分子方向存在明显长尾分布,这可能是导致国产共混材料拉伸强度和抗氧化性能较低的原因之一。

外绝缘异常放电日盲计数探测技术及传感性能测试

绝缘子闪络引起的线路短路跳闸事故高发,对闪络早期的异常放电进行有效检测,能够降低闪络跳闸事故发生率。为此,本文研制了绝缘放电日盲型高灵敏紫外检测装置,对装置原理和技术参数进行了描述,对其日光环境下的响应性能、有效检测距离及检测视场范围进行了综合测试,并基于装置的响应输出特性,提出了基于光脉冲计数的放电相位统计分析方法,并与高频电流相位统计图谱进行了分析对比。本文提出的绝缘放电日盲型高灵敏紫外检测技术为基于无人机的线路外绝缘放电巡检提供了一种新手段。