电导非线性对HVDC电缆绝缘空间电荷动态过程的影响

针对HVDC电缆绝缘中的空间电荷问题,采用有限元分析方法,仿真研究绝缘材料电导非线性属性对HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷极化与退极化动态过程的影响。通过改变电导活化能与电场依赖系数,得到极化与退极化过程中空间电荷密度随时间的变化规律。分析结果表明:降低电导活化能或增大电场依赖系数可降低HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷量,抑制极化与退极化过程中的空间电荷“过冲”与“反极性过冲”现象,并且会加快极化与退极化过程达到稳态,但同时会使绝缘介质中的电流密度增大。

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明:非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。

非线性电导聚合物材料研究进展

空间复杂辐射环境料可以保证正常情况(弱带电时)下的高绝缘性能,又能在高场强下以暂态高电导释放介质内部危险电下,高能带电粒子引起的航天器介质深层充放电效应是导致航天器故障的主要因素之一。研究表明,具有非线性I-U特性的复合材料可有效抑制航天器介质深层充放电。为此分析了非线性电导复合材料用于抑制航天器介质深层充放电的可行性,并从导电机理、改性方法、应用现状等方面阐述研究进展,并对非线性电导航天器介质的发展方向进行展望。分析结果表明:复合材料的非线性电导受多种电荷输运机制影响,非线性电导复合材料的制备工艺逐渐完善,并实现了从简单材料制备向仿真计算、空间环境地面模拟试验的突破。下一步的研究重点在于空间环境下的导电机理,材料制备和仿真计算、试验的协同性,仿真模型和多源模拟试验条件的优化。

电气绝缘用非线性电导材料研究进展

具有非线性电导特性的聚合物材料被广泛应用于解决电场集中问题,例如用来实现电缆附件绝缘、高压旋转电机定子绝缘及大功率绝缘栅双极晶体管等部件的电应力控制等。该文从几何应力控制及非线性应力控制两方面介绍了电气元器件应用中均化电场的方式,详细地介绍了氧化锌与碳化硅等无机导电颗粒的非线性电导特性及其聚合物基复合材料的非线性电导形成机制。基于渗流理论及界面传导等理论阐述了掺杂填料含量对非线性电导特性的影响规律,以掺杂填料接触电阻大小、接触界面数目、晶界数量等方面为切入点,总结了填料形貌、尺寸对非线性电导复合材料载流子传输的影响机制。介绍了多维度填料共掺及填料表面改性在非线性电导材料领域的应用及性能调控机制,并且概括了非线性电导材料在高压应用中调控电场的研究成果。文中也指出改性复合材料往往具有复杂的结构,在很多情况下有应用限制,且载流子的传输机制尚未统一,仍需进行更深入的研究。

纤维素气凝胶骨架负载SiC提升环氧复合材料非线性电导特性与热力学特性

掺杂SiC颗粒的聚合物材料可以表现出优异的非线性电导特性,并广泛应用于电场梯度材料。然而,由于非线性复合材料中填料含量较高,优异的非线性电导特性以牺牲机械特性为代价。因此,如何在极低SiC填充量下实现非线性电导特性和机械特性的协同优化对实际工程应用而言尤为重要。该文首先利用硅烷偶联剂对SiC进行表面改性,然后在纤维素气凝胶骨架上成功实现自组装,并通过真空辅助浸渍法制备了非线性电导环氧复合材料,实现了其导热性能、机械性能和非线性电导特性的协同提升。研究结果表明:该复合材料在极低SiC填充量下(体积分数4.47%)表现出优异的非线性电导特性,且不同SiC体积分数下纤维素气凝胶骨架负载的SiC/环氧复合材料可以大大拓宽开关场阈值的范围。在体积分数10.58%下,该复合材料阈值场强为2.49 kV/mm,非线性系数为4.54。同时,导热特性和动态热机械特性测试表明,由于相互连接的3D结构,新型复合材料储能模量提高约100%,交联密度高达15.9×10^(–3 )mol/cm^(3),热导率提升至0.69 W/(m·K)。该方法为制备具有优异热力学性能的电场梯度复合材料提供了新的思路。

SiC掺杂对直流电缆附件用硅橡胶材料非线性电导特性的优化研究

电气设备部件的性能提升不仅要依靠传统几何方法来改善绝缘结构,更要侧重于对绝缘材料自身性能的优化。该文通过实验研究了碳化硅(SiC)/硅橡胶复合材料的直流电导特性和直流击穿特性。随着温度升高,SiC晶格散射会阻碍载流子迁移,宏观上表现为电导特性非线性系数降低,而更多高能载流子的出现则会使非线性区阈值场强减小。随着SiC体积分数及粒径的增加,复合材料直流击穿场强虽有一定程度降低,但整体仍满足运行设计要求。在兼顾关键位置电场分布、损耗功率及局部温升的条件下,该文通过仿真探究了非线性电导特性参数的合理范围,所制备的掺杂10%体积分数SiC/硅橡胶复合材料作为应力锥增强绝缘参与电场调控,可有效改善电缆终端内部电场强度分布,应力锥导体锥面处电场强度降低幅度达到50%。该研究结果有望从材料改性角度为提升电缆附件性能提供思路。

非线性电导材料应力锥改善电缆终端电场强度分布

在电力系统中,预制橡胶应力锥是高压电缆终端的关键组成部分,它的特性决定了高压电缆运行的安全性。为此,通过建立预制橡胶应力锥的有限元数值仿真模型,分析了110 kV电缆终端的电场强度分布情况,提出采用非线性电导复合材料来替换固定电导材料,实现材料性能参数与空间电场强度大小的自适应匹配,起到智能改善空间电场强度分布的作用。结合理论分析,进一步确定了非线性电导材料参数。不同材料应力锥终端电场强度分布的对比结果表明:若非线性区域出现时所需电场强度过大,则会造成应力锥锥面处的电场强度过大;若非线性区域出现时所需电场强度过小,则会造成三相交界点处电场强度过大。选取合适的非线性电导材料对于应力锥锥面和交界点处的电场强度具有均匀作用,对发展更高电压等级电缆具有促进作用。

低填料比石墨烯/环氧树脂复合材料非线性电导机理的实验研究

为研究石墨烯导电填料的加入对环氧材料电导机理的影响,制备了不同填料质量比下石墨烯/环氧树脂复合材料。通过测量得到该复合体系的渗流阈值为质量分数1.35%,选择了石墨烯填料质量分数为0.3%、远低于渗流阈值的复合材料进行研究。利用高温高场强电导电流测试系统,测量了纯环氧材料和石墨烯/环氧复合材料在50、80和100℃下和0.24~14.4 k V/mm场强下的极化电流曲线。研究结果表明：直流电压作用下,两种材料的极化电流衰减速率均随场强和温度的增加而增大。随着场强的增大,两种材料的电导机理均发生了从欧姆电导到空间电荷限制电流理论（SCLC）为主导的转变,且这种转变电导电流场强阈值（Ethi）随温度的升高而降低。石墨烯填料的加入使环氧材料电导电流密度活化能增大,且活化能随着场强的增加逐渐降低,石墨烯/环氧复合材料在高场强区的电导机理受SCLC和隧道效应共同影响。

无机微米填料改性聚酰亚胺复合材料非线性电导特性

为了使得在空间环境下航天器介质材料所积累的空间电荷能及时释放,采用向聚酰亚胺(PI)基体中添加微米级粉末改性方法,制备了一种改性后的具有非线性电导特性的新型PI复合材料。并利用电导测试系统且采用逐步升压的方法对该PI复合材料进行非线性电导测试研究。研究结果表明:在电场强度为1.93×107 V/m时,改性后的PI复合材料电阻率能降低至1014?·cm数量级;改性后的PI复合材料非线性电导率阈值场强比未改性的材料降低了50%,非线性电导特性较好;对改性后的PI复合材料非线性电导机理进行了探讨,认为由于改性剂的加入,使得材料内部载流子数密度提高,当电场强度达到一定条件时由于隧道效应而形成宏观上的非线性电导现象。由此可得,改性后的PI复合材料有着优良的非线性电导特性,有利于快速释放掉空间环境状态下介质所积累的空间电荷。

掺杂ZnO/环氧树脂基体的制备及其非线性电导改性研究

航天器在地球同步轨道(GEO)上运行时,由于受到高能电子辐射的影响,会使得介质材料表面和深层带电,电子积聚在电阻率很高的介质材料中,且难以释放,严重影响了航天器卫星的正常运行。本文以介质材料本身的特性出发,对环氧树脂(EP)基体中添加ZnO微米颗粒的方法进行改性,研制了一种新的非线性电导改性环氧树脂复合材料,并对其进行了强电场作用下电导试验和击穿试验。试验结果表明,经过改性后的ZnO/环氧树脂复合材料具有优良的非线性电导特性,在同一电场下,电流密度分别是1%试样最大,5%试样最小;当电场大于20k V/mm后,电流密度随电场的增加呈指数增长。且改性后的DC击穿场强基本不变,填料含量为5%的试样DC击穿强度最高,且其击穿强度分散性较小。

碳化硅晶须/环氧树脂复合介质非线性电导特性研究

在高压电气设备中使用非线性电场梯度绝缘材料可以有效缓解关键位置的电场集中。但具有优异非线性特性的复合介质往往需要掺杂大量无机填料,容易诱发填料团聚及其与基体的相容性差等问题,严重限制了复合介质在高压电气设备中的应用。因此,该文选用碳化硅晶须(SiCw)填充环氧树脂(EP)以改善其非线性特性,同时使用硅烷偶联剂(KH550)修饰SiCw,通过改善填料与基体的相容性进一步优化复合介质的绝缘性能。结果表明,与掺杂未修饰SiCw的复合介质相比,经1%KH550修饰的SiCw填料在基体中的分布更均匀,与环氧树脂的相容性更好。同时,用1%KH550改性的SiCw掺杂的复合材料实现了在低掺杂量下获得显著的非线性特性,并且在较高掺杂量下使击穿强度的下降得到明显的抑制。

非线性复合介质电导的有效介质近似

在强外场作用下，复合介质的电输运性质服从非线性的本构关系．复合介质非线性电导率的计算相当复杂，在线性复合介质的理论框架内，已发展了多种有效介质近似方法．利用有效介质近似，可以导出计算有效偷运系数的简洁的解析公式．只要颗粒浓度在逾渗临界点以外以及颗粒和杂质的输运系数之比为有限的情况下，有效介质近似的计算都可以给出相当可靠的理论结果．因此，对于工程应用来说，有效介质近似是十分有用的工具．本文在非线性复合介质微扰展式解的基础上，发展了一种新的非线性有效介质近似理论文中导出的非线性有效电导率具有正确的低颗粒浓度极限．

非线性非一致介质二维Maxwell方程leap-frogCrank-Nicolson多区域Legendre-tau配置谱方法

该文研究了具有非线性电导率的非一致介质二维Maxwell方程的数值求解方法,提出了多区域Legendre-tau配置谱方法.该数值方法空间上达到谱精度,时间上是二阶精度.时间方向采用leap-frog Crank-Nicolson三层格式进行离散.非线性项放在中间已知层采用谱配置法显式处理,线性项采用Legendre谱方法隐式处理.利用显隐数值格式,既有较好的稳定性又方便算法实施.基于合理的弱形式,不需要使用额外附加的连接条件,以自然边界条件的方式处理交界面条件.定义不同次数多项式逼近空间,构建一致的数值格式.详细证明了半离散和全离散数值格式的稳定性和收敛性,并得到L^(2)-范数的最优误差估计.算例中,利用快速Legendre变换在Chebyshev点上计算非线性项,提高算法效率.数值结果证实了该数值方法求解此类非线性问题的有效性,并且没有因为解的间断而损失谱精度.

非线性电导材料改善避雷器不均匀电场研究

复合无间隙氧化锌避雷器是保护电力系统中各种电气设备安全稳定运行,免遭操作过电压和大气过电压侵害的重要装置。而其外部硅橡胶绝缘材料长期承受不均匀电场,导致外部绝缘材料加速劣化,对避雷器本体的安全性能造成威胁。针对这个问题,实验制备10%~50%不同体积分数的ZnO-硅橡胶复合物,测试其电导特性,发现制备的30%~50%的复合物样品具有良好的非线性电导特性。对110 kV复合无间隙ZnO避雷器进行有限元计算,分析其外部绝缘材料空间场强分布情况,提出使用非线性电导材料对端部分布不均匀的高场强区域进行局部替换。仿真结果表明,使用非线性电导材料替换后,沿避雷器伞裙外表面最大场强从1.21 MV/m分别降至0.92 MV/m(体积比为40%ZnO-硅橡胶复合样品)、0.81 MV/m(体积比为50%ZnO-硅橡胶复合样品)。研究表明使用非线性电导材料可以显著降低避雷器端部最大场强,改善其电场分布不均匀性。

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明:由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。

表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated transmission line,DC-GIL)电场分布与沿面闪络的重要因素,因此探究绝缘子表面电荷积聚机理并提出调控方法,进而改善绝缘子沿面电场分布具有重要意义。该文搭建缩尺直流GIL绝缘子试验平台,研究不同SiC质量分数(23.1%、37.5%、47.4%)的非线性电导涂层对直流电压、金属微粒附着和极性反转工况下盆式绝缘子表面电荷分布与沿面闪络特性的影响规律。结果表明:环氧基Al_(2)O_(3)绝缘子的表面电荷极性取决于气固侧电流密度博弈结果,具有显著的场强依赖特性;非线性电导涂层可以自适应调控直流GIL绝缘子的表面电荷与沿面电场分布,显著提高不同工况下的沿面闪络电压。该文的研究结果为高可靠性直流GIL绝缘子的研发提供了一种潜在的解决方案。

非线性场控电导复合材料参数对IGBT模块内DBC三结合点电场影响规律仿真研究

高压大功率(insulation gate bipolar transistor,IGBT)模块内覆铜陶瓷基板的覆铜层、陶瓷基板与有机硅凝胶形成的三结合点处电场集中,增加了器件局部放电及绝缘失效的风险。随着IGBT模块电压等级的提高,DBC基板的绝缘水平成为制约器件研制及可靠运行的关键因素。文中拟采用非线性场控电导(nonlinear field grading,NFG)复合材料作为涂层,涂覆于DBC基板三结合点处的局部高场区,以改善电场分布,提高DBC三结合点处的放电起始电压。为此,文中首先通过实验获得了纯硅凝胶灌封的DBC试样三结合点的局放起始电压,然后以局放起始电压作为控制值,借助于有限元仿真获得了对应的电场分布及局放起始场强,依次分析了NFG涂层材料的电气参数对DBC基板三结合点处电场的影响规律,最后给出了NFG参数的选型建议。文中的研究成果对用于改善DBC基板局部电场的非线性材料设计提供了理论指导。

T-ZnOw/硅橡胶复合材料的非线性电导特性研究

针对目前许多绝缘装置存在的电场分布不均问题,采用具有自适应非线性电导特性的材料进行均压是一种有效手段。本工作使用具备独特三维结构的四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)为无机填料对硅橡胶基体进行填充,制备了不同体积分数的T-ZnOw/硅橡胶复合材料,并对其电导特性、介电性能、拉伸强度进行了测试。研究结果表明:复合材料的逾渗阈值较低,仅为5%(体积分数);当T-ZnOw的体积分数低于5%时,复合材料不具备非线性电导特性;当T-ZnOw的体积分数大于5%时,复合材料具有良好的非线性电导特性;当达到临界场强E 0时,复合材料的电导率呈指数增加,且随着T-ZnOw体积分数的增加,复合材料的临界场强E 0值逐渐减小。此外,随着T-ZnOw体积分数的增加,复合材料的介电常数增大。加入适当体积分数的T-ZnOw填料有助于改善复合材料的拉伸强度。

高压直流GIL盆式绝缘子非线性电导参数优化

直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated lines,DC-GIL)电场分布受温度梯度、运行电压、金属微粒等诸多因素影响,具有非常大的不确定性,给绝缘设计和运行稳定性带来挑战。非线性电导材料能够自适应地调控直流设备电场分布,有望突破DC-GIL绝缘子设计瓶颈。为了兼顾电场调节作用和损耗特性,建立100 kV直流GIL仿真模型,对比研究运行工况下传统绝缘子、表层电导非线性(surface nonlinear conductivity,SNC)绝缘子和体电导非线性(bulk nonlinear conductivity,BNC)绝缘子的电场分布及损耗功率。通过分析非线性电导(nonlinear conductivity,NC)参数对气固沿面电场调控作用和损耗特性的影响规律,发现SNC绝缘子的电场畸变率先随着欧姆区电导率和非线性系数的增大而快速下降,而后趋于平稳。理想情况下,SNC绝缘子的NC参数应处于电场调节作用的"饱和临界线",且欧姆区电导率最低。而BNC绝缘子的电场调节作用仅依赖于非线性系数,降低欧姆区电导率可降低绝缘子功率损耗。缩比绝缘子实验结果证实了SNC绝缘子非线性参数直接影响DC-GIL沿面闪络电压。

环氧树脂非线性电导复合材料表面电荷与沿面闪络特性研究

针对直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)盆式绝缘子表面电荷积累与沿面闪络的问题,制备了不同Si C质量分数的环氧树脂非线性电导复合材料,研究了Si C含量对Si C/环氧树脂非线性电导复合材料的体电导率、表面电荷、沿面闪络电压等相关特性的影响。结果表明:Si C质量分数大于50%的环氧树脂复合材料试样在高电场下呈现非线性电导特性。随着Si C含量和外加直流电场强度的增加,Si C/环氧树脂复合材料的表面电位增加量明显下降。Si C质量分数大于50%的环氧树脂复合材料在高电场下对其表面电荷积累具有抑制作用,减少了沿面闪络现象的发生。