轻质高绝缘复合芯体制备及其在66 kV复合横担中的应用

随着“双碳”战略的逐步落实,新型复合材料横担正逐步代替铁制横担,在电力线路中的应用日益广泛。文中制备得到密度为1.1 g/cm^(3)的66 kV轻质高绝缘复合绝缘横担,并对其进行吸水率、染料渗透、水扩散泄漏电流、击穿强度、热诱导、机械及电气试验。试验结果表明:填充芯体材料样品的质量吸水率为0.141%,水扩散泄漏电流小于103.3μA,交流击穿强度大于71 kV/cm,各项性能指标均达到DL/T 1580—2016棒形复合绝缘子用芯棒技术规范对于理化性能、电气性能及机械性能的标准要求,样品及横担整体无明显缺陷,横担耐老化性较好。同时,轻质高绝缘复合绝缘横担微观界面结合良好,绝缘性能优于传统实心横担,满足新型电力系统清洁低碳、安全可靠的应用需求。

基于恒定应力加速寿命试验的SF_(6)气体密度表可靠性研究

SF_(6)气体密度表作为电网体系中一次设备的重要监测设备,其可靠性关乎变电设备的安全运行。为了确保SF_(6)气体密度表的可靠运行,有必要对其可靠性和寿命进行评估,而恒定应力加速寿命试验方法是结构复杂机械产品可靠性评估的有效方法之一。文章分析了SF_(6)气体密度表的加速应力和正常应力水平,确定了多应力加速寿命试验方案,利用Weibull寿命-应力模型综合估计了SF_(6)气体密度表的中位寿命、特征寿命、可靠寿命、平均寿命及相应的失效率,得到了其正常应力下可靠度曲线,为SF_(6)气体密度表生产制造和使用维护提供了理论依据和数据参考。

基于轻量化网络与增强多尺度特征融合的绝缘子缺陷检测

随着无人机搭载目标检测算法在输电杆塔绝缘子巡检领域的发展,针对绝缘子缺陷检测速度较低,网络复杂度高且缺陷小目标难以准确检测的问题,提出一种基于轻量化网络与增强多尺度特征融合的YOLOv5-3S-4PH模型进行绝缘子缺陷实时检测。首先将重构的ShuffleNetV2-Stem-SPP(3S)网络作为YOLOv5的主干网络,显著减小了网络的参数量和计算量;其次引入针对小目标的增强多尺度特征融合网络以及4个预测头,来增强网络对绝缘子缺陷的感知能力,并结合Mosaic-9数据增强、CIoU损失函数进一步补偿轻量化导致的检测精度损失;最后将其应用到自制绝缘子数据集进行验证。实验结果表明,该文所提出的模型相对于未改进的YOLOv5,全类平均精度提高了3%,检测速度提高了81.8%,参数量、计算量分别压缩了82.4%、67%。因此,所提出的模型更适合部署在无人机平台上进行绝缘子缺陷的实时监测。

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。

直流电压下GIS盆式绝缘子表面电荷及电场分布特性仿真研究

GIS中盆式绝缘子表面在外施直流电压时会积聚大量电荷使得沿面闪络电压大幅降低,从而引发一系列电气设备故障。基于上述问题,文中分析了盆式绝缘子表面电荷的来源与传导途径,采用有限元仿真计算方法构建了二维轴对称仿真模型以及设定相关参数,研究了电压极性、不同电压幅值以及电压极性反转对盆式绝缘子表面电荷分布的影响。结果表明,在直流电压下,凹面主要积聚与外施直流电压极性相反的电荷,凸面主要积聚与直流电压极性相同的电荷,且凹面积聚的电荷密度更大;在极性反转后-100 kV直流电压下,盆式绝缘子表面原先积聚的电荷密度呈现先增大后逐渐减小的趋势,随后转换极性并达到饱和,电场在靠近高压端以及盆式绝缘子沿面0~20 mm处的畸变程度较为明显。电场在盆式绝缘子表面电荷极性发生变化前出现峰值,相比较电荷达到饱和状态,此时盆式绝缘子凹面最大场强增加46%,凸面最大场强增加5.4%。该研究可为直流电压下盆式绝缘子表面电荷分布特性提供指导。

高热故障下变压器油纸绝缘系统的产气机理研究

针对高热故障下超/特高压变压器内部绝缘系统状态变化和产气机理不清晰而严重制约变压器状态分析诊断的问题,本文基于热焓理论与仿真模拟手段相结合的方式对超/特高压变压器高热故障下油纸绝缘系统特征气体的生成路径与油纸绝缘系统的裂解机理开展研究。依据热焓理论得到气体的生成机理,并利用仿真模拟验证本文所提出的产气机理与路径。结果表明:高热故障下油纸绝缘系统中链烷烃要比环烷烃和双环芳香烃更容易发生裂解,各组分裂解生成特征气体的速率从大到小依次为纤维素、链烷烃、环烷烃、双环芳香烃。根据气体生成能可知,特征气体CH_4和C_(2)H_6最容易生成,C_(2)H_(2)最难生成,可通过特征气体在油纸绝缘系统中的生成速率判断高热故障的严重程度。

极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响

为改善高压直流电缆运行过程中绝缘层材料的电导率对温度与电场强度敏感性所导致的电场反转问题,以及直流高压长时间作用下的空间电荷积聚现象,该文采用极性基团接枝改性的方式提升交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电性能。由于接枝单体一般为沸点较低的极性小分子化合物,为避免材料在接枝过程中单体的气化损失,首先通过平行双螺杆挤出机配合低温高压计量泵装置实现熔融接枝反应。将丙烯酸酯类小分子化合物(丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))分别预先接枝到低密度聚乙烯(LDPE)大分子链上制备接枝材料,通过红外光谱测试分析得出接枝单体皆成功接枝到LDPE大分子链上,熔融指数与凝胶含量测定表明材料的流变性能并未发生显著改变,X射线衍射测试与扫描电子显微镜观测发现接枝改性材料的结晶特性保持与基础树脂相似。进一步对三种接枝母料按一定比例稀释并完成交联过程,通过变温直流电导测试发现三种接枝改性材料的电导率-温度敏感性均出现不同程度的下降,综合高温空间电荷测试可以得出,接枝MA的XLPE材料电导率-温度敏感性下降幅度最大、空间电荷分布特性优异;结合第一性原理仿真计算可以进一步得到,三种接枝单体改性XLPE模型的陷阱能级较为一致,其直流电性能的改善效果与接枝单体的静电势分布存在显著关联。

热塑型聚酰亚胺的制备及其粘接性能研究

为了改善两层型挠性覆铜板(2L-FCCL)中热塑型聚酰亚胺(TPI)对热固型聚酰亚胺(PI)薄膜和铜箔的粘接性,本文选用具有柔性结构的芳香二酐单体和芳香或脂环的二异氰酸酯单体通过一步反应制备得到TPI样品,然后将其直接涂覆在表面经过预处理的商品化热固型PI薄膜上得到复合膜,最后经过高温热压得到相应的2L-FCCL。通过观察所得TPI反应液的状态并进行DSC测试,选定了有机溶剂可溶且Tg为226.5℃的TPI-8;然后通过TGA、TMA和拉伸试验测得TPI-8的2%热分解温度(T2%)为464℃、50~200℃的热膨胀系数(CTE)为64.25×10^(-6)℃^(-1)、拉伸强度为64.52MPa、弹性模量为1.75 GPa、断裂伸长率为62%,并通过FTIR对其化学结构进行了确认;最后分别研究了两种热固型PI薄膜的碱水预处理时间对所得FCCL粘接性能的影响,发现其中SPI膜经60℃碱水处理1 min和3 min后得到的FCCL90°剥离强度(90°PS)≥0.7 N/mm且最大值达到0.94 N/mm,而UPI膜经同样热碱水处理1~7 min后得到的FCCL 90°PS均≤0.6 N/mm。因此,采用本方法可一步快速简单的制备可溶解且热学性能、力学性能、尺寸稳定性较好的TPI,同时其对铜箔以及表面经过碱水预处理的SPI具有较好的粘接性能,满足FCCL相关标准的要求。

SiC改性提升聚酰亚胺薄膜直流耐电晕性能的机理

传统聚酰亚胺(PI)薄膜应用到更高电压等级设备中,易产生电晕放电甚至绝缘失效。为提升聚酰亚胺薄膜耐电晕能力,实验采取碳化硅(SiC)作为增强相对PI基体相进行改性,探究SiC改性对复合薄膜耐电晕特性的影响机理。实验结果表明,随着SiC含量增加,SiC/PI复合薄膜出现非线性电导特性并逐渐增强,其同步提升的浅深陷阱密度比与载流子迁移率促进了表面电荷消散速率的增加。同时,SiC提升了15 kV直流电压下薄膜的沿面闪络和击穿时间,其中质量分数25%SiC/PI复合薄膜较纯PI膜分别提升了416.28%和298.39%。这是因为增强的非线性电导率和表面电荷消散速率,有利于空间和表面电荷运输,减少电场畸变,从而提升复合薄膜的耐电晕能力。对电晕损伤薄膜的无损区、圆状白斑区和白色堆积区进行形貌观测,发现SiC颗粒会在等离子体碰撞下形成放电阻挡层,有效减少电晕对基体相的侵蚀,延长了复合薄膜的耐电晕时间。最后发现质量分数15%SiC/PI复合薄膜为综合耐电晕与力学特性下的最优选择。

基于多尺度特征融合的绝缘子缺陷程度检测

针对绝缘子不同程度缺陷特征相似、像素信息少、不同程度缺陷检测效果不佳的问题,提出了一种基于多尺度特征融合的绝缘子缺陷程度检测网络(multi-scale feature fusion defect degree detection network,MFFD3Net)。该网络采用重构的ResNeSt50架构提高了对绝缘子缺陷程度数据集的特征提取能力。设计了基于反卷积的多尺度特征融合模块,丰富了不同尺寸特征图的表达能力,提高了对不同尺度目标的检测性能。同时,在输入检测模块的浅层特征图后增加多感受野的特征提取模块(receptive field block,RFB),使得更多绝缘子缺陷信息进入有效感受野,对最终特征图产生影响,提升不同程度绝缘子缺陷的检测精度。MFFD3Net在绝缘子缺陷程度数据集上的全类平均精度达到85.02%,其中绝缘子轻微破损与绝缘子轻微闪络小目标的检测精度分别为78.37%、79.98%,能够完成不同程度绝缘子缺陷的识别与定位。因此,该文提出的MFFD3Net对于完善电力系统故障预警、保障电网安全稳定运行具有重要意义。

玄武岩纤维纳米改性对增强环氧复合材料绝缘与力学性能的影响

使用纳米氧化铝对玄武岩纤维进行表面改性,采用层压法制造改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料(BFRP),并研究纳米Al_(2)O_(3)含量对改性复合材料绝缘与力学性能的影响。结果表明:质量分数为1.0%的纳米Al_(2)O_(3)改性的玄武岩纤维复合材料(1.0K-BFRP)界面改性效果最佳。与未改性的复合材料相比,1.0K-BFRP的介质损耗因数降低了38.13%,沿面闪络电压提高了42.96%,击穿电压提高了33.96%,表现出更加优越的绝缘性能;拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别提高了26.46%、48.19%、66.06%,玻璃化转变温度提高了4.49℃。

500 kV输电线路劣化瓷绝缘子非线性发热特性的红外分析

高压输电线路绝缘子串中的劣化件会威胁电网安全。为了研究劣化瓷绝缘子的红外发热特性,设置了一系列实验,研究了劣化绝缘子的电阻、沿串位置和环境相对湿度对红外检测的影响。并对含有两片劣化绝缘子的绝缘子串进行了附加实验,以研究了正常绝缘子和低值绝缘子之间不同的发热现象。利用有限元分析仿真进一步分析了红外图像中钢帽的发热机理。实验和仿真结果表明:劣化绝缘子的温升与阻值呈非线性关系,当电阻为30 MΩ时温升最大;绝缘子串两端的劣化易被检测;相对湿度过高可能会导致误检;正常绝缘子的发热区域是钢帽的下部,瓷件的温度上升1.2℃左右,而对于劣化绝缘子,沿钢帽的温升分布均匀,瓷件的温度与实验前基本一致。相关研究结果为劣化绝缘子的红外检测提供了参考依据。

高性能有机硅灌封胶的制备与性能研究

以端乙烯基硅油(1000 mPa·s)和侧乙烯基硅油(500 mPa·s)复配为基体树脂,含氢硅油为固化剂,乙烯基硅烷偶联剂为增黏剂,乙烯基MQ树脂和气相白炭黑为补强材料,氢氧化镁和硅系阻燃剂(FCA-107)为阻燃填料,成功制备了一款具有无卤阻燃特性及优异力学性能和电气绝缘性能的有机硅灌封胶,并研究了硅油复配比例、各填料添加量对有机硅灌封胶性能的影响。结果表明:当端乙烯基硅油与侧乙烯基硅油的复配比例为5∶5,乙烯基硅烷偶联剂质量分数为3%,气相白炭黑质量分数为4%,乙烯基MQ树脂质量分数为30%,复配阻燃剂质量分数为20%时,有机硅灌封胶的综合性能达到最佳,其混合黏度为1842 mPa·s,拉伸强度为2.83 MPa,断裂伸长率为51.3%,拉伸剪切强度为2.12MPa,阻燃性能(UL 94)达到V-0级,电气强度达到24.3 kV/mm,体积电阻率为3.8×10^(15)Ω·cm,制备的有机硅灌封胶可以满足电子元器件的发展要求。

马来海松基环氧树脂的制备与性能研究

在“双碳”发展战略目标的背景下,为探索绿色环保型生物基环氧树脂在电工设备上的应用前景,本文以可再生资源松香为原料,制备了一种生物基树脂——马来海松基环氧树脂(MPAER)。以甲基六氢邻苯二甲酸酐(MHHPA)为固化剂,对MPAER/MHHPA体系的固化特性、热性能、力学性能和电气性能进行了系统研究,并和商用双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)组成的DGEBA/MHHPA体系进行对比。结果表明:MPAER/MHHPA和DGEBA/MHHPA体系的固化反应活性相当,MPAER/MHHPA体系的玻璃化转变温度为112.8℃,其力学性能和电气性能均稍弱于DGEBA/MHHPA体系,其中MPAER/MHHPA体系的电气强度比DGEBA/MHHPA体系低9.4%。但MPAER/MHHPA体系的综合性能仍较好,可以通过对MPAER进行结构优化或者与其他类型的环氧树脂共混来进一步提高其性能。

基于HHT的绝缘子泄漏电流分析及放电状态分类识别

泄漏电流是污秽绝缘子在线监测参数,能动态地反映绝缘子表面的放电状态。文中开展了瓷绝缘子人工污秽放电试验,利用Hilbert-Huang变换分析了不同污闪阶段的泄漏电流固有模态函数分量、Hilbert边际谱与时频熵,从时频域及波形细节提取了15个特征量,使用主成分分析法与最小二乘支持向量机分类器对污秽放电状态进行识别。结果表明:起始放电阶段与闪络阶段的泄漏电流固有模态函数分量较多;泄漏电流的Hilbert边际谱上频率主要分布在0~150 Hz、200~250 Hz范围内;闪络前泄漏电流的时频熵值总是大于闪络后的;当训练样本数为测试样本数5倍及以上时,分类器的综合评判准确率可达99%,准确实现了污秽放电状态的分类识别。文中研究结果可为建立绝缘子污闪预警系统提供依据。

冷热冲击下纳米粒子改性硅橡胶/环氧树脂绝缘修复涂料耐电特性

为解决现有绝缘修复材料在大范围温度波动时出现绝缘件剥落、二次开裂、电气失效等问题,研制了多种纳米粒子填充的硅橡胶/环氧树脂复合修复涂料,对比分析了冷热冲击循环前后修复涂料的粘合强度、电气性能和微观结构。结果表明:冷热冲击会造成修复涂料分子主链断裂,产生低分子产物和氧化游离基团,导致涂料相对介电常数和介质损耗增大,击穿场强减小;而功能纳米母粒可提高界面结合能,阻碍聚合物分子的拉伸和扭转,使涂料具有相对稳定的化学结构,可防止冷热冲击下基体内局部劣化通道的延伸,从而有效抑制修复涂料耐电性能的下降;当玻璃纤维、纳米ZnO、SiO_(2)共混,填充量(质量分数)为16%时,涂料电气性能良好,且硅橡胶/环氧树脂复合修复涂料固化时间短,无溶胀现象发生,附着力良好,为设备绝缘快速修复提供可能。

天然酯绝缘油-纸界面的多分支流注放电仿真

油-纸界面的局部放电是油浸式变压器中油-纸绝缘失效的主要原因之一。文中在多分支流注放电数值模型的基础上进一步考虑油-纸界面的电荷输运特性,构建油-纸绝缘系统中的多分支流注放电模型,并利用有限元法分别对天然酯绝缘油和绝缘纸介电常数配比、针电极与纸板的间距影响下的沿面放电特性进行研究。结果表明,针电极与纸板的间距及绝缘油与绝缘纸的介电常数配比均会显著影响流注分支;针电极与纸板的间距越小,油-纸界面处的流注分支间的抑制越明显,油-纸界面的流注对z-轴流注的影响更显著;当绝缘油介电常数比纸板大时,流注在油中的发展和分支更为显著,反之则流注更易沿纸板表面发展及在油-纸界面聚集电荷。

特高压GIL绝缘子用微米氧化铝-氧化硅共混环氧复合材料的性能研究

特高压气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)电压等级高、输送容量大,对绝缘子耐受电、热、力综合作用能力的要求更高。本研究通过分别掺杂微米级氧化铝、氧化硅和氧化铝-氧化硅共混填料的方式制备了环氧复合材料,对共混体系力学、热学和电气性能等进行测试分析。结果表明:随着氧化铝填料体积占比的提高,复合材料的综合力学性能提升,微米氧化铝/环氧复合材料综合力学性能最佳。掺杂两种填料有助于提升共混体系的导热和耐电弧性能,但会略微降低玻璃化转变温度和增大热膨胀系数,当氧化铝和氧化硅填料体积比为1∶1时,复合材料的耐电弧时间可达186.63 s,导热系数可达1.198 W/(m·K)。随着氧化硅填料体积占比提高,环氧复合材料的介电常数减小,电气强度升高,体积电阻率增大,介质损耗减小。微米氧化硅/环氧复合材料工频电气强度最高,可达36.63 kV/mm。

电容屏破损缺陷局部放电过程规律特征及仿真分析

油纸电容式变压器套管因性能好、成本低而被广泛采用。当电容屏存在边缘破损工艺缺陷时易发生局部放电,进而会改变油纸绝缘性能,缩短套管使用寿命,严重时危及电网设备安全运行。为研究电容屏破损局部放电过程变化规律,明确放电发展阶段,该文搭建了缺陷套管放电实验模型分析局放过程中相位谱图、放电量等参数发展规律,并基于实验规律及流体漂移扩散理论、固体双极电荷传输理论,建立了末屏缺陷针板沿面放电过程仿真模型,结合仿真中电荷形态变化、放电时间及油纸界面电荷密度分布对电容屏破损放电过程进行阶段划分:放电初始阶段,铝箔尖端电荷聚集发生电晕放电;放电发展阶段,尖端处带电粒子在电场作用下向油纸发展,小部分达到油纸界面产生沿面放电;放电破坏阶段,经过长时间沿面放电进入油纸发生预击穿,电场强度更大使带电粒子能量更高,冲击油纸表面造成油纸表面纤维素断裂炭化形成通道。仿真结果与实验结论相对应,证明了仿真的有效性。该文的研究成果进一步阐明了油纸套管电容屏工艺缺陷局部放电的过程及机理。

具有双连续结构的BN/PP/SEBS复合材料导热与绝缘性能的研究

通过将聚丙烯(polypropylene,PP)与弹性体(styrene-ethylene-butylene-styrene,SEBS)材料共混并掺杂高导热填料可提高PP绝缘材料的使用性能。为了研究导热填料在聚合物基体中的分散规律,有效调控导热网络的形成,该文将不同含量SEBS与PP共混作为基体,以氮化硼纳米片(boron nitride nanosheets,BNNSs)为导热填料,改变2种基体树脂的比例、BNNSs含量,通过熔融共混,制备出复合材料,分别探究SEBS与BNNSs含量对复合材料的微观结构、热导率、变温电导特性、本体击穿特性和力学性能的影响。结果显示:随着SEBS比例的增加,有机相逐渐由“海岛”结构转变为“双连续”结构,相同BNNSs含量下,调控有机相结构,可显著提升复合材料热导率。复合材料不仅具有良好的导热性能(0.4254 W/(m·K)),且保证了自身在高温下的绝缘性能以及机械性能,拓展了绝缘材料的实用性。