聚丙烯/弹性体复合材料结晶调节机制与性能

高压直流电缆绝缘用聚丙烯虽具有良好的电性能和热稳定性,但是机械强度较差,需要进行改性克服其缺点。该文分析共混改性和热处理两种结晶调节方式。首先,在聚丙烯中共混不同质量分数的弹性体,并对共混物进行热处理,控制非等温结晶过程中冷却速率,得到不同结晶形态的聚丙烯/弹性体共混物。结合物理和电性能测试结果,分析弹性体含量和冷却速率与结晶形态的关系,研究结晶调节对机械性能和直流击穿场强的影响机制与改性效果。实验结果表明,弹性体含量为10%、20%和30%时,受冷却速率影响,结晶时成核方式发生变化,进而影响绝缘性能;弹性体含量为40%时,冷却速率对成核方式的影响减弱,同时,小而密的球晶结构使共混物获得较好机械性能和较高直流击穿场强,在各个冷却速率时击穿场强都能达到160 kV/mm。可知,不同成核方式导致的结晶形态差异是影响聚丙烯/弹性体共混物性能的关键,研究聚丙烯/弹性体共混物的结晶调节机制与性能,对开发用于高压直流电缆绝缘的聚丙烯材料具有重要意义。

固化温度对环氧浸渍纸材料绝缘性能的影响研究

环氧浸渍纸材料是阀侧套管的主绝缘材料之一,其运行性能受固化工艺的影响。为探究固化温度对环氧浸渍纸材料电气性能的影响规律,在后固化温度分别为120、130、140、145℃下制备了环氧浸渍纸材料,并对其玻璃化转变温度、介电特性、直流击穿强度等性能进行测试。结果表明:随着后固化温度的升高,环氧浸渍纸材料的玻璃化转变温度提升,直流击穿强度先增大后减小,而介质损耗因数呈现先减小后增大的趋势。分析认为富含羟基皱纹纸的加入会增大环氧浸渍纸材料内部界面区域的固化速率,导致界面弛豫峰的频率呈先下降后升高的趋势,从而影响材料整体的绝缘性能。

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅰ)

由于高压直流塑料电缆运行中温度梯度效应会引起场强畸变,选用一种特殊的纳米粒子作为填料,通过熔融共混制备出不同填料质量分数(1%,3%,5%)的低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)观察,证明纳米粒子在聚乙烯中分散均匀。利用电声脉冲(PEA)法研究了温度梯度场下LDPE纳米复合材料中的空间电荷及场强畸变特性;并测量了不同温度下的体积电阻率和直流击穿特性。结果表明,该种纳米粒子的添加能有效改善温度梯度场下聚乙烯绝缘中电荷积聚和场强的畸变现象,并提高聚乙烯的直流击穿强度。同时发现,该聚乙烯纳米复合材料体积电阻率随着温度升高呈现先升后降趋势。

聚丙烯绝缘材料电导特性与空间电荷研究

为考察聚丙烯作为直流电缆绝缘材料在电气性能上的的可行性,选用等规聚丙烯材料制备测试试样,通过差示扫描量热法测试熔融温度(165℃)和结晶温度(111℃),针对击穿特性、强场电导和空间电荷分布与电荷的消散等电气性能对聚丙烯材料进行测试。击穿强度测试发现:其交流击穿强度明显低于直流击穿强度,交流击穿强度数据的的分散性相对于直流击穿要好。强场电导特性测试发现:在3.3 kV/mm电场下当温度升高到90℃时,材料的强场电导明显升高,达到室温时的2倍。空间电荷实验结果表明聚丙烯在较低的电场强度(10、20 kV/mm)下未出现明显的空间电荷,而在电场强度达到50 kV/mm时,出现了明显的异极性空间电荷。将试样上下电极短接进行短路发现,10、20 kV/mm下加压0.5 h后,经过0.5 h短路放电,试样内部的空间电荷几乎释放完全。而在50 kV/mm下加压0.5 h后,经过1.5 h的短路时间仍然看到试样内部驻留着大量的异极性空间电荷。

颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因分析

换流变压器是超高压/特高压直流输电工程中重中之重的设备。目前,绝缘油中杂质颗粒成为威胁在运换流变压器可靠运行不容忽视的因素。该文首先通过试验研究了不同浓度和不同尺寸的纤维颗粒、金属铜颗粒、纤维与铜混合颗粒对矿物绝缘油直流击穿场强的影响规律,然后联合运用颗粒动力学模型及颗粒积聚模型仿真分析了杂质颗粒在油中的积聚行为及颗粒积聚对电场分布的影响,揭示了颗粒属性对矿物绝缘油直流击穿特性的影响差异及原因。结果表明:颗粒属性决定着绝缘油直流击穿电压变化规律,含单纯纤维或铜金属颗粒油品的直流击穿电压随颗粒浓度增加总体上呈线性递减的趋势,含纤维和金属混合颗粒油品的直流击穿电压随着铜颗粒浓度的增加呈指数衰减的趋势;金属颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于非金属纤维颗粒,混合颗粒对油品绝缘性能的劣化程度大于单一颗粒,纤维颗粒粒径的增加进一步降低了油品直流击穿场强。试验和仿真结果一致表明,直流电场分量作用下油中颗粒积聚成桥,大幅度提升了油品的电导率,导致油中电场分布出现显著畸变。与无预压模式下直流击穿电压相比,直流预压模式下形成的颗粒积聚导致油品直流击穿场强显著下降,下降幅度超30%。

XLPE/OMMT纳米复合材料电导和击穿性能

为了研究纳米蒙脱土的分散效果对复合材料电导和击穿性能的影响,采用熔融共混的方法分别制备了无相容剂和以EEA、EVA为相容剂的3种聚合物/蒙脱土纳米复合材料,研究了有机化蒙脱土(organic montmorillonite,OMMT)在聚合物中的层间距变化,对复合材料进行了直流电导–温度和交流击穿场强测试。结果表明:有机化OMMT的分散效果取决于相容剂的极性和有机插层剂的匹配效果;纳米复合材料的体积电导率随温度的升高而增大,其数值大小与不同表面插层剂的插层效率有关;OMMT的加入,改变了聚合物的内部结构,击穿数据分散性明显减小,插层分散的均匀性产生的界面状态是影响纳米复合材料击穿场强的主要因素。

紫外辐照对聚醚酰亚胺薄膜介电性能的影响

研究了不同紫外辐照时间对聚醚酰亚胺(PEI)薄膜介电性能的影响。采用FT-IR和SEM表征了PEI薄膜的分子结构和微观形貌。结果表明,紫外辐照后PEI薄膜在1742cm^(-1)处的吸收峰比原薄膜增大,说明PEI分子链中的C=O基团随辐照时间的增加而增加,并在薄膜表面产生了微裂纹。对PEI薄膜的介电性能进行的研究结果表明,随着紫外辐照时间的增加,PEI薄膜的介电常数和介电损耗增大,而表面电阻率下降,体积电阻率基本不变。并随紫外辐照时间的增加,直流击穿强度呈先增加后降低的趋势,一定辐照剂量可使薄膜发生交联反应,使击穿场强较原薄膜提高20%以上。

结晶特性对聚丙烯空间电荷及直流击穿强度影响

采用扫描电子显微镜、偏光显微镜和差示扫描量热法观察了不同成形条件聚丙烯(PP)的结晶形态及结晶度,通过动态力学热分析(DMA)测试了不同结晶形态PP的力学特性,利用电声脉冲法(PEA)测得不同结晶形态PP的空间电荷特性,并对不同结晶形态PP进行了直流击穿强度测试。结果表明,PP在较高的熔融温度和结晶温度下减少了晶核数目并促进了球晶生长。DMA和PEA测试表明,小球晶可使PP的储存模量降低,大球晶在生长过程中,将较多的杂质和低分子物排挤到无定形区中,导致β松弛损耗增大,从而使室温下的空间电荷量明显增加。直流击穿强度测试表明,当PP形成大且疏的球晶时,击穿过程可沿更短的路径发展,并且无定形区存在较多杂质及低分子物,从而使击穿强度明显降低。

液氮环境中3种聚合物薄膜老化和拉伸状态下的绝缘强度

用于超导设备的薄膜型绝缘材料绕包于导体时往往承受一定的绕包张力,且由于工作环境温度的变化、机械应力等作用会发生老化。为研究薄膜型绝缘材料在液氮环境中老化拉伸状态下的绝缘强度,设计了一套测试电极系统对聚酰亚胺(Kapton)、聚丙烯层压纸(PPLP)和聚四氟乙烯(PTFE)3种薄膜在液氮中经过不同老化处理后拉伸状态下的工频和直流绝缘强度进行了实验研究,结果发现老化拉伸状态下交、直流击穿电场强度大多在较小幅度内发生变化,而经过冷热循环处理后的聚丙烯层压纸交流、直流击穿电场强度均发生了跳跃性地下降,因而在选择聚丙烯层压纸作为超导电力设备的绕包型绝缘材料时,应充分考虑工作温度剧烈变换导致的材料老化因素的影响。3种材料的直流击穿电场强度要普遍高于交流击穿电场强度。

多壁碳纳米管/交联聚乙烯的空间电荷特性研究

为研究多壁碳纳米管(MWNTs)对多壁碳纳米管/交联聚乙烯复合绝缘材料空间电荷特性的影响,采用电声脉冲法对熔融密炼制作的MWNTs/XLPE纳米复合材料试样进行空间电荷分布测试。同时利用极化-去极化电流法测试试样的去极化电流,并用标准油杯电极测试试样的直流击穿场强。结果表明:在不同电场强度下,MWNTs质量分数为0.2%的复合材料试样的空间电荷注入量和累积量都明显小于纯XLPE,具有较强的空间电荷抑制能力;在室温条件下,MWNTs质量分数为0.2%的复合材料的直流击穿场强小于纯XLPE,但稳定性好。

抗氧剂和石墨烯微片对XLPE直流击穿和空间电荷的影响

为研究抗氧剂、石墨烯微片(GNPs)对交联聚乙烯(XLPE)直流介电性能的影响,通过熔融共混法制备了抗氧剂/XLPE、GNPs/抗氧剂/XLPE复合介质,测试了各材料在不同温度下的直流击穿,并对具体实验现象进行分析以及实验验证。通过电声脉冲法测试了其空间电荷分布。研究结果表明,添加所选几种抗氧剂都会降低XLPE直流击穿强度,加入GNPs使复合介质的直流击穿强度进一步降低,但添加GNPs会减小复合介质电导率以及其对温度的依赖性,减小了热击穿发生的概率,使温度对复合介质直流击穿强度的影响降低;添加抗氧剂会增加XLPE内部的空间电荷,添加少量GNPs会改善抗氧剂/XLPE复合介质内部的空间电荷分布状况,添加1.5 phr GNPs(每100份XLPE中加入1.5份GNPs)即可明显抑制复合介质内的空间电荷积聚。GNPs能改善XLPE复合介质内空间电荷分布的原因是减小了介质内部的陷阱深度和密度。

等规和嵌段聚丙烯的结构和性能

聚丙烯(PP)不仅具有良好的电气性能和耐热性能,而且在寿命终止后可循环利用,有可能替代交联聚乙烯(XLPE)作为电缆绝缘材料。因而通过研究乙烯–丙烯嵌段共聚聚丙烯(EPC)和等规均聚聚丙烯(iPP)的微观结构、力学冲击强度和电学性能,探讨了EPC作为高压直流电缆绝缘材料的潜力。结果表明:iPP和EPC中只有α球晶,EPC中的α球晶较iPP中的小而密集,球晶之间没有明显的界面,球晶生长速度慢,但总结晶速度快。在不同温度下的非等温结晶过程中,EPC的结晶度低,熔点高。同时EPC中嵌段共聚的乙烯分子链片段形成橡胶态结构,显著提高了其抗冲击强度,低温脆化温度可达–57.3℃,远低于iPP的–5℃。EPC的常温体积电阻率和直流击穿场强低于iPP,但随温度升高其体积电阻率和击穿场强的稳定性高于iPP。在90℃,iPP和EPC的直流击穿场强分别下降了27%和21%,体积电阻率分别下降了128.8×10^(15)?·cm和52.5×10^(15)?·cm。在40 kV/mm下,iPP积聚的空间电荷密度约为EPC的3倍,因而EPC更适用于挤出型高压直流电缆绝缘料。EPC性能的改善均与其相态结构和微观晶体结构有关。

换流变压器油纸绝缘复合电场击穿特性及其试验方法

为了查明换流变压器油纸绝缘在交流叠加直流电场下的击穿特性,利用交流、直流及交流叠加直流等复合电场,对油隙、浸油纸板和油纸复合绝缘进行了击穿试验研究。结果表明:油隙的击穿场强几乎不随交流电压分量变化;浸油纸板击穿场强随交流电压分量增加迅速下降;受浸油纸板击穿特性影响,油纸复合绝缘击穿场强随交流电压分量减小明显提高。说明油隙的击穿场强与交流电压分量基本无关,但浸油纸板的击穿场强受交流电压分量影响严重。依据试验结果,进一步对换流变压器交流和直流电压试验项目的有效性进行了讨论。经分析发现换流变压器主绝缘的油隙与浸油纸板在运行电压下出现的最高电压仍为交流叠加直流电压。交流和直流电压试验的电压幅值能够满足要求,但电压波形与承受的运行电压相差较大。认为交流电压试验考核油隙绝缘介电强度是有效的,而直流电压试验考核浸油纸板绝缘介电强度并不充分。

制备工艺对SiO_2/LDPE纳米复合材料空间电荷特性和直流击穿强度的影响

采用平行双螺杆挤出机和转矩流变仪制备了Si O2/LDPE纳米复合材料,研究了两种工艺对纳米粒子分散情况和介电性能的影响。利用电声脉冲法(PEA)比较LDPE和Si O2/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制能力,并测量了其室温下的直流击穿特性。结果表明:Si O2/LDPE比LDPE具有更高的空间电荷抑制能力,且两种工艺制备的Si O2/LDPE直流击穿强度分别提高了21.8%和3%。扫描电镜(SEM)分析表明,平行双螺杆制备的Si O2/LDPE纳米复合材料中的纳米粒子分散性更好,其空间电荷的抑制能力更高,直流击穿强度比转矩流变仪制备的材料高18.22%。平行双螺杆比转矩流变仪具有较高的剪切力,可提高纳米粒子在聚合物中分散性,进一步提高了Si O2/LDPE纳米复合材料的介电性能。

电压稳定剂对PP/弹性体共混物直流击穿强度影响

弹性体聚合物可以用于改善聚丙烯(PP)绝缘材料的韧性,但会对材料原有的耐电性能产生影响;电压稳定剂常用于改善交联聚乙烯电缆绝缘的耐电性能,但能否在PP基绝缘材料中发挥作用尚不明确。研究两种弹性体聚合物(POE、SEBS)对PP力学性能和直流击穿性能的影响,选出改善PP力学性能的较优组分;之后分别研究电压稳定剂对PP、弹性体及其两者共混物直流击穿强度的影响。结果表明,POE和SEBS两种弹性体可增韧PP,但随着其添加量增加,PP直流击穿强度下降。三种电压稳定剂均能提高纯PP的直流耐电性能,其中添加0.4phr的AOHBP提高比例最高,其值为34.6%。然而,三种电压稳定剂均不能提高弹性体以及PP/弹性体共混绝缘材料的直流击穿场强,电压稳定剂作用效果受聚合物基体的影响较大。

不同极性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物对低密度聚乙烯共混体系电性能的影响

低密度聚乙烯(LDPE)具备优良的化学稳定性和电气绝缘性加工性,常常用作高压绝缘电缆材料,但是,LDPE在高压直流电场下的运行过程中也会面临诸多问题,其中最突出的问题是空间电荷在绝缘材料中的积聚行为。针对此,选取2种不同牌号的乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA),采用熔融共混法改性LDPE基体,通过结晶行为和陷阱特性研究LDPE/EVA共混体系的空间电荷积聚行为和直流击穿强度。结果表明:对比纯LDPE,2种共混物都消除了空间电荷包现象,其中LDPE/EVA 18-150共混物直流击穿强度提高至329 kV/mm;由此说明,添加EVA填料在提高材料的电绝缘性能方面具有潜在的应用价值。

基于国产基料的交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料电性能研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)高压直流电缆是直流电网的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘料国产化具有重要意义。基于欧洲主流超净低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)与国内知名企业生产的2种超净聚乙烯,分别制备XLPE试样,并完成脱气处理。测量与评估3种XLPE试样的直流击穿电场强度、直流电导率、空间电荷特性等电气性能指标,综合评估交联材料电气性能。其中,一种国产交联聚乙烯材料的击穿场强与电导率性能指标接近于参考绝缘材料性能指标,其空间电荷性能指标优于参考绝缘材料性能指标,确定了XLPE高压直流电缆绝缘料国产化的可行性。

基于等温表面电位衰减法预测不同厚度的聚乙烯纳米复合材料直流击穿场强

聚合物绝缘材料直流击穿场强与空间电荷动力学过程密切相关,而材料陷阱能级特性是影响空间电荷输运的重要因素,探究陷阱能级与击穿强度的联系,对掌握聚合物的击穿规律具有重要意义。为此制备了厚度为0.05~0.25 mm的低密度聚乙烯((low density polyethylene,LDPE))纳米复合材料试样,采用等温表面电位衰减法(isothermal surface potential decay,ISPD)分别在10和20 kV/mm的初始场强条件下测量试样的陷阱能级分布,基于陷阱能级中心计算试样的本征击穿场强,并结合双极性电荷输运模型(bipolar charge transport,BCT)预测材料的直流击穿场强,分析厚度对预测结果的影响。结果表明,在较高初始电场下,所测陷阱能级中心较浅,计算所得的本征击穿场强较低。试样的直流击穿场强预测值随纳米颗粒含量增大呈先增大后减小的趋势,随厚度增大而下降,与实验结果较相符。采用高初始场强下测得的陷阱能级中心,预测的直流击穿场强更准确。

母料制备环境洁净度对高压直流电缆绝缘材料性能的影响

分别在非超净环境和百级超净环境中制备洁净度不同的两种直流电缆绝缘母料,通过高压电缆绝缘料生产线分别制备非超净直流绝缘料和超净直流电缆绝缘料,对比分析两种直流绝缘料的洁净度、空间电荷、不同温度下的体积电阻率以及直流击穿强度。结果表明:直流电缆绝缘母料制备环境洁净度直接影响着直流电缆绝缘料的洁净度,并对直流电缆绝缘料的空间电荷、不同温度下的体积电阻率和直流击穿强度有较大的负面影响。

高载流量柔性直流电缆绝缘料关键性能研究

为实现高压柔性直流电缆绝缘材料国产化,文中通过添加纳米粒子方法制备了高载流量(工作温度90℃)柔性直流电缆绝缘料试样,开展了空间电荷、电阻率、直流击穿电场强度等关键电气性能指标的试验研究,并与高压交流电缆绝缘料和国外柔直电缆绝缘料这2种材料的相应试验结果进行了对比分析。结果表明,该柔直电缆绝缘料在常温(20℃)和高温(90℃)下具有良好的空间电荷抑制性能,电场畸变率小于5%;与其他2种材料相比,该绝缘料在高温下的电阻率增加约10倍、电阻率温度系数下降约1/3,能够降低柔直电缆的热损耗并有利于整个柔直电缆系统的绝缘设计;该绝缘料在高温下的直流击穿电场强度为其他2种材料的1.27-1.6倍。研究表明,该柔直电缆绝缘料电气性能优异,能够用于工作温度90℃的柔直电缆绝缘。