基于分子动力学的芳纶/功能化碳纳米管复合材料体系热力学性能模拟

对位芳纶绝缘纸以其优异的介电性能、力学性能在电气绝缘领域得到广泛应用。为探究不同功能化碳纳米管与对位芳纶共掺的复合材料热力学性能,该文通过分子动力学模拟方法建立了对位芳纶分子体系模型、未功能化碳纳米管以及分别接枝羟基、羧基和氨基官能团的芳纶/功能化碳纳米管复合体系模型。在Materials Studio和LAMMPS中计算了复合材料热导率、玻璃化转变温度、力学性能、结构参数及相对介电常数。结果表明,芳纶复合材料体系各项性能均有不同幅度提升。芳纶/羧基化碳纳米管(PPTA/CNT—COOH)的热导率较掺杂前提升了75.4%,玻璃化转变温度提升了43.29 K。芳纶/羟基化碳纳米管(PPTA/CNT—OH)和芳纶/氨基化碳纳米管(PPTA/CNT—NH2)的热导率依次提升70.2%和63.2%。在力学性能上,复合材料比掺杂前的弹性模量平均增强30%以上,剪切模量增强15%以上。通过计算体系结构参数,从均方位移、自由体积占比、氢键数量与结合强度等分子层面阐释了材料性能增强的内在机理,最终发现PPTA/CNT—COOH在热力学性能上较其他掺杂体系提升最为明显,且碳纳米管的掺入未对材料介电常数引起较大改变,所得结果可为对位芳纶复合绝缘材料的掺杂设计、性能调控提供理论支持。

绝缘纸板介电与击穿性能匹配目标下的制备参数优化方法

交流电压下油纸复合绝缘中纸板的介电常数越低整体的耐压水平越高。不同制备工艺参数会直接影响绝缘纸板的介电常数和击穿场强,但目前关于打浆、热压等工艺的制备参数与介电、击穿性能之间缺乏协同优化。本文从打浆时间、打浆压力、热压时间、热压压力、热压温度等工艺入手,研究制备工艺对1mm高密度针叶木绝缘纸板性能的影响和权重;通过权重大小改变不同工艺参数的组合方式,进而寻求最佳工艺,使得降低油浸纸板介电常数的同时保持其击穿性能不下降。利用电声脉冲法测量油浸纸板内部空间电荷,用表面电位衰减法测量油浸纸板表面陷阱参数,揭示了工艺和表面结构对性能的影响机理。研究结果表明:对于介电和击穿性能相匹配这一目标而言,高密度针叶木绝缘纸板的最佳工艺为:打浆参数取3 kg、60 min,热压参数取160℃、50 min、15 MPa。因为高打浆压力使得纤维分丝帚化程度更高,进而限制电荷在纤维间传输,同时减小油隙,提高油浸纸板击穿场强;适当的热压温度、热压压力、表面结构可以降低界面、表面陷阱密度和陷阱深浅,使得电荷分布更加均匀,从而降低界面极化和介电常数,为绝缘纸板制备和性能调控提供指导。

竹纤维绝缘纸/环氧复合材料的制备与性能分析

为解决我国绝缘木浆高度依赖进口、优质木材纤维资源短缺等问题,实现高压套管用绝缘纸的自主化生产,对竹浆纸及其环氧复合材料的电热力性能开展研究。首先对竹浆依次添加盐酸及醋酸镁进行纯化处理,研究纯化处理方式对纸张理化性能的影响;然后制备环氧/竹浆纸复合材料,测量其电学和热学性能,并与现有环氧/绝缘木浆纸复合材料进行对比。结果表明,纯化处理能降低竹浆纸中的灰分含量,增强纤维间的结合力,提高纸张的绝缘性能与机械性能,其中盐酸配合镁盐的纯化处理工艺能够进一步降低浆料挤出液的电导率,有效减少介电损耗。纯化处理能有效提高环氧/竹浆纸复合材料的玻璃化转变温度、介电性能与击穿强度,使其电学和热学性能接近甚至优于环氧/绝缘木浆纸复合材料。研究结果为落实国家“双碳”目标,推动我国电气工程基础材料自主化研发提供方法和途径。

微米BN-纳米SiO_(2)联合改性环氧树脂复合材料的制备与介电性能研究

环氧树脂因其加工工艺性好、粘结性高、介电性能优良,在高压输电、电机绝缘、电力电子封装等领域有广泛的应用。本文选用具有较高的热导率和良好的介电性能的六方氮化硼(h-BN),以及具有较好的导热性能二氧化硅(SiO_(2))作为掺杂填料改性双酚A型环氧树脂。研究了掺杂填量和比例对复合材料介电常数实部和虚部频谱的影响,实验结果分析表明掺杂总填量为10 wt%-20 wt%,BN与SiO_(2)的质量比为80:20至70:30时,复合环氧树脂样品在介电常数实部和虚部均有一定的改善,与纯环氧树脂相比,复合环氧树脂样品的介电性能得到了提升。

油纸绝缘老化特征产物生成速率研究

变压器绝缘老化是影响电网稳定运行的重要因素之一。通过实验室加速老化试验并结合现场实际,对油纸绝缘的老化特性和机理进行研究,从而为变压器绝缘状态评估和寿命预测提供依据和参考。该文针对处于老化中后期不同初始老化程度的油纸绝缘,在80和130℃下对老化特性进行研究,得到各老化程度特征产物随老化时间的变化关系,并对老化特征产物的生成速率进行分析。结果表明:在该文的试验条件下,处于老化中后期的油纸绝缘,在后期继续老化过程中特征产物的生成速率随油纸绝缘初始老化程度的增加并不呈现递增趋势,而是成近似指数递减关系,这与纤维素绝缘纸降解过程中断键(葡萄糖单体间糖苷键)速率的变化一致。

直流电场下油纸绝缘介质界面处的空间电荷特性

换流变压器是直流输电系统的核心设备,其油纸复合绝缘结构的空间电荷特性复杂,工程实践表明其对绝缘放电的影响不可忽略,因此针对油纸复合绝缘开展空间电荷特性的研究对换流变绝缘结构设计和运行分析有指导意义。为此,应用电声脉冲(PEA)法研究了电场对双层油浸纸介质中空间电荷特性的影响以及界面处的空间电荷特性。指出在双层油浸纸的界面处将积聚负电荷,无论是极化还是去极化过程,双层油纸介质中的空间电荷的积聚和消散均较缓慢。在较高场强的作用下,阳极电荷注入过程的加强掩盖了阳极附近的电离过程。研究认为双层介质界面势垒是造成介质内部空间电荷运动缓慢的根本原因。而界面处负空间电荷的积聚则由势垒陷阱捕获和界面两侧场强差异导致电导差异两个过程共同决定。

低介电常数绝缘纸的制备及其击穿性能

为提高油浸式变压器绕阻中纸-油-纸复合绝缘系统的击穿电压,实验室制备了能降低绝缘纸介电常数的微纳米级SiO2空心微球以及含不同质量分数SiO2(wSiO2)空心微球的实验用绝缘纸手抄片。测量浸油后的含不同质量分数SiO2空心微球绝缘纸的介电常数,wSiO2=5%空心微球的绝缘纸介电常数最低,比未加SiO2空心微球的绝缘纸介电常数低34%。用双层电介质场强公式分析绝缘纸介电常数以及复合绝缘系统中油隙厚度对油、纸中场强分配的影响。设计纸-油-纸复合绝缘系统模型,用COMSOL仿真软件对模型进行计算,得出模型中纸、油中电场为均匀电场,双层电介质场强公式可用于纸-油-纸模型的理论分析。最后,用含不同质量分数SiO2空心微球的绝缘纸组成纸-油-纸复合绝缘系统进行电击穿实验,介电常数越低的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统击穿电压越高,介电常数最低的wSiO2=5%空心微球的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统比未加SiO2空心微球的绝缘纸组成的纸-油-纸复合绝缘系统的击穿电压高15.5%。

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲(PEA)法测量了不同热老化程度下试样在直流电场(20 kV/mm)作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明:随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。

利用TGA及DSC研究变压器油浸绝缘纸的老化

为进一步揭示变压器油浸绝缘纸老化机理,对变压器常用矿物油-纸复合绝缘在110°C下进行了300 d的加速热老化实验。利用热重和差示扫描量热两种热分析方法对油浸绝缘纸的热裂解过程及裂解机理进行了分析,研究了不同老化程度的油浸绝缘纸的热解特性及动力学参数的变化规律。结果表明,不同老化程度的油浸绝缘纸热裂解机理未发生变化;随着绝缘纸老化程度的加深,绝缘纸的热稳定性变差;在绝缘纸老化过程中,绝缘纸热裂解活化能先增加再减小,绝缘纸热焓值呈一直增大趋势,可将绝缘纸热焓值作为判断绝缘纸老化程度的参量之一。

NOMEX合成纤维绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为提升变压器内绝缘水平,延长变压器使用寿命,合成纤维绝缘纸因其优良的介电、机械、热稳定、抗潮等性能而被广泛应用在绝缘介质工程领域。采用电声脉冲(PEA)法测量分析以NOMEX纸为代表的油浸合成纤维绝缘纸在直流电场中的空间电荷注入、积聚、消散时的密度分布特性,并与传统油浸植物纤维素绝缘纸进行对比,结合材料频域介电谱特性研究合成纤维绝缘纸的空间电荷输运特性。结果表明:在直流电场中,合成纤维绝缘纸具有较低的空间电荷注入起始阈值场强,材料内易于注入和积聚空间电荷,去压短路后试样体内积聚电荷消散速率较慢。合成纤维绝缘纸的空间电荷注入、积聚和消散特性与材料微观形貌的本征特性而形成的能级陷阱分布以及介电特性有紧密联系,这些特性在一定意义上有利于抑制空间电荷在介质体内进行输运。

蒙脱土改性热稳定纸的制备及热老化特性研究

为改善现有纸改性方法的不足及研究蒙脱土(MMT)和热稳定剂对绝缘纸性能的综合影响,制备蒙脱土改性热稳定纸、普通绝缘纸,分别和矿物油组成油纸复合绝缘样品,在110℃老化箱中进行热老化试验。记录了在热老化期间绝缘纸和矿物油的主要特征参数及其变化规律,系统分析了添加物对纸和油老化特性的影响机理。研究结果表明:蒙脱土与胺类化合物的共同作用使改性纸兼具高击穿强度和抗热老化性能,改性纸使矿物油击穿电压有所升高。胺类化合物通过消耗水和小分子酸而延缓绝缘纸老化的作用得到试验结果印证,而经改性的蒙脱土与纤维素在纳米尺度上的复合作用可能是绝缘纸击穿电压上升的关键原因。

造纸用水电导率对油纸绝缘电气特性的影响

水在纸的制造过程中发挥了关键作用。为探究水电导率对油纸绝缘电气性能的影响,分别利用电导率为3μS/cm的纯净水和电导率为100μS/cm,500μS/cm和1 000μS/cm的氯化钠溶液制备绝缘纸,进而得到油纸试样。对所得试样,测试电导电流、体积电阻率、介电特性和击穿特性。结果表明:随着造纸用水电导率的增加,油纸试样的电导电流上升,体积电阻率下降,介质损耗角正切值增大;交流击穿场强没有显著变化而直流击穿场强从90 kV/mm下降到72 kV/mm。利用离子色谱仪分析绝缘纸中钠离子和氯离子的质量分数,发现离子质量分数随水电导率的增加而升高。由此得出,造纸过程中随着水电导率增加,纸中残留的离子含量增加,从而引起油纸绝缘部分电气性能的变化。

纳米改性纤维素绝缘纸在直流场中的空间电荷分布特性

为抑制纤维素绝缘纸介质在直流电场下的空间电荷行为,将纳米Al2O3及纳米Zn O颗粒经硅烷偶联剂表面处理后,对绝缘纸实施改性。真空浸油处理后,用电声脉冲法对各纸样在直流电场下的空间电荷密度分布规律进行了测试和分析,并与普通纤维素绝缘纸进行对比,研究了纳米改性对纸样空间电荷行为产生影响的原因。结果表明:和普通绝缘纸相比,纳米改性绝缘纸对空间电荷行为具有明显的抑制作用,空间电荷积聚量变少,电场分布更加均匀,电场畸变率下降;去压后纸样内部残余电荷衰减速率变慢,衰减时间常数τ变大。改性纸的空间电荷行为得到抑制可能和纳米粒子引入了大量深能级陷阱有关。

芳纶纤维材料在电气绝缘和电子领域中的应用进展

芳纶是一种电绝缘性、耐热性优异的特种纤维材料。本文综述了芳纶纤维材料在变压器、电机、印制电路板、雷达天线功能结构部件等电气绝缘和电子领域中的应用进展,并提出了拓宽芳纶绝缘材料应用领域的建议。

绝缘纸厚度对油纸绝缘电气特性的影响

绝缘纸作为一种复杂的多孔高分子材料,不同厚度的油纸绝缘试样很可能具有不同的电气特性。为探究厚度的影响,选取50、70、130、170μm厚的4种绝缘纸,通过真空浸油,获得相应油纸绝缘试样。对所得油纸试样,测试了传导特性、介电特性和击穿特性。结果表明:随着厚度的增加,油纸试样的电导电流和相对介电常数增加,体积电阻率从143.4 10×Ω?m下降到140.56 10×Ω?m,交流击穿场强从76 k V/mm下降到56 k V/mm,而直流击穿场强从137 k V/mm上升到228 k V/mm。由此证实,厚度会影响油纸绝缘的电气性能。为解释所得结果,测试了不同厚度绝缘纸试样的紧度和吸油率,发现紧度基本相同,吸油率随厚度的增加明显下降。由此得出,紧度不会直接影响吸油率;厚度主要通过影响吸油率,进而影响油纸绝缘材料的电气性能。

变压器绝缘纸纤维素耐热老化性能提升的模拟及试验

电力变压器在运行过程中绝缘纸会出现热老化现象,而老化产生的水分又会进一步加速绝缘纸的热老化,故绝缘纸的老化状态在很大程度上决定着变压器的使用寿命,所以提升绝缘纸的耐热老化性能对变压器的安全运行具有很重要的意义。通过建立纤维素/水模型,胺类(双氰胺、三聚氰胺和聚丙烯酰胺)改性的纤维素/水模型,运用分子摸拟技术从力学特性、水分子扩散系数和纤维素的玻璃化温度等角度研究了胺类物质对纤维素耐热老化性能的改善效果。同时,将三种胺类添加到绝缘纸中制备了改性绝缘纸,并将其与普通绝缘纸一起在110℃下进行加速热老化试验,然后定期测量普通绝缘纸及改性绝缘纸的聚合度和水分含量。模拟结果表明,胺类改性纤维素/水模型中纤维素在变压器运行温度范围内力学性能得到提升,水分子运动剧烈程度弱于纤维素/水模型,其玻璃化温度较纤维素/水模型提高了41K。试验结果表明,随着热老化时间的增长,胺类改性绝缘纸的聚合度下降速度要比普通绝缘纸的缓慢,且其水分含量也相对较少。模拟分析与试验测试结果均表明胺类物质的加入对绝缘纸纤维素的耐热老化性能具有较好的提升效果。

绝缘纸无定形区玻璃转化的分子动力学模拟

绝缘纸无定形区的玻璃转化温度是其热稳定性的重要标度之一。为研究变压器绝缘纸的玻璃转化过程的微观机理,继而挖掘其中的热老化信息,利用分子动力学对绝缘纸纯纤维素、纤维素-水两个模型的玻璃转化过程进行了模拟。用比体积-温度曲线法确定了纯纤维素和纤维素-水模型的玻璃化转变温度分别为448、418K。模拟结果表明,玻璃转化过程中,绝缘纸纤维素链的运动和机械特性均发生突变,400～500K之间自由体积的突变给纤维素链运动提供了更多空间,导致其发生玻璃化转变;水分子浸入无定型区可以破坏纤维素链间的氢键,显著地降低玻璃转化温度,影响绝缘纸热稳定性。

纳米Al_2O_3掺杂对油纸绝缘热老化特性的影响

油纸绝缘的热老化特性是影响变压器寿命的重要因素。为获得具有优良抗热老化性能的油纸绝缘,在绝缘纸抄造的过程中掺杂纳米Al_2O_3,通过测试复合绝缘纸的电气强度确定最佳掺杂质量分数为2%。将复合绝缘纸、普通绝缘纸分别进行浸油处理,并在130℃下进行31 d的加速热老化试验,测量分析绝缘纸的工频击穿强度、介电常数、介质损耗、聚合度、抗张强度与绝缘油中糠醛含量、油的颜色、酸值、水分、粘度和油中溶解气体等参数随老化时间的变化规律。结果表明:与普通油纸绝缘相比,热老化过程中复合绝缘纸的电气性能始终优于普通绝缘纸,聚合度和抗张强度下降速度减缓,浸渍复合绝缘纸的绝缘油颜色较浅、粘度变化小,油浸复合绝缘纸的老化产物生成量少。最后提出在热老化过程中纳米Al_2O_3表面羟基能有效吸附水分、中和小分子酸,从而抑制了H+在热老化反应中的催化作用,有效延缓了油纸绝缘的热老化。

直流及复合电压作用下油纸绝缘局部放电研究综述

总结了直流和复合电压下油纸绝缘的局部放电检测技术,包括传统的基于脉冲峰值-时间序列的局部放电检测技术,以及能够检测直流下局部放电的基于脉冲电流波形的宽带/超宽带检测技术。深入分析了直流下油纸绝缘的局部放电机理和影响因素,介绍了目前直流局部放电检测与分析技术的研究现状。还分析了±500 k V直流输电系统中整流变压器阀侧绕组绝缘承受的电压波形,讨论了复合电压作用下局部放电呈现出的特性。

芳纶纤维纸及研究进展

结合研发经历论述了芳纶纤维结构、制备,芳纶纤维纸的主要组成短切纤维和沉析纤维的制备方法、性能及其对芳纶纸性能的影响。介绍了芳纶纸在电气绝缘材料中的应用和重要地位、国内外研究的现状和进展。