改善不均匀电场的非线性复合材料研究进展

分类：电力论文发表 时间：2018-09-29 10:00 关注：(1)

　　何金良，谢竟成，胡军

　　(清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084)

　　摘要：电场分布不均匀现象是高压电力绝缘设备及部件广泛存在的难题，给高压设备的设计、制造带来很大的技术难度和成本，并且危及设备长期运行的安全可靠性。采用具有与外加电场相关的非线性压敏电导或介电特性的复合材料，可以实现材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配，达到智能地改善绝缘介质空间电场分布均匀性的效果。为此，详细综述了用于改善电力绝缘不均匀电场分布的非线性电导复合材料在国际上的基础和应用研究成果，并指出了该领域预期的发展方向是研究兼具非线性电导和介电特性的“smart”复合材料，实现自适应调控电力设备内部的电场分布。另外迫切需要揭示纳米颗粒与绝缘材料的界面特性及界面模型，为进一步调控绝缘材料的电场特性等提供理论支撑。

　　关键词：不均匀电场;复合材料;非线性电导;非线性介电;无机纳米颗粒;纳米复合技术;材料改性

　　Abstract：Non-uniformelectricalfieldwidelyexistingininsulationcomponentsofpowersystemsbringsaboutgreattechnicaldifficultyandadditionalcost,aswellaspotentialharmtoreliabilityofpowerequipment.Thepolymercompositeswithnonlinearconductivityorpermittivitythatdependsonappliedelectricalfieldscansmartlysmooththenon-uniformelectricalfieldsininsulationcomponentsofpowersystemsthroughfittingmaterialparameterswiththeelectricalfields.Wehavesummarizedtheworldwideprogressandachievementsinresearchingnonlinearpolymercompositesforimprovingnon-uniformelectricalfieldsindetail.Furthermore,wethinkthatthe“smart”polymercomposites,whichhavebothnonlinearconductivityandnonlinearpermittivity,shouldtaketheleadsoastoadaptivelyadjustandcontroltheinnerelectricfielddistributionofpowerequipment.Ontheotherhand,thecharacteristicsandmodelsoftheinterfacebetweennanoparticleandpolymershouldberevealed,toprovidefundamentaltheorysupportforfurthertailoringtheelectricalfieldpropertyofcompositepolymers.

　　Keywords：nonuniformelectricfield;polymercomposite;nonlinearconductivity;nonlinearpermittivity;inorganicnano-particle;nanocompositetechnology;materialmodification

　　0引言1

　　在高压、超高压乃至特高压交直流输变电系统(简称为高压输变电系统)中，绝缘是其核心问题之一，系统电压等级越高，绝缘问题的重要性和困难度越加显著。高压输变电系统中的绝缘设备或部件，其自身所承受的电场分布往往极不均匀，例如输电电缆终端的绝缘部分、各种绝缘子的高压端部分等，所承受的电场强度要远远超出整体电场强度的平均值，甚至达到平均值的数倍，由此带来了一系列设计、制造方面的不利影响。另一方面，对于目前高压输变电系统中广泛采用的有机聚合物类电介质材料(硅橡胶、聚氯乙烯、环氧树脂、聚乙烯等)，存在着材料老化的问题。普遍而言，由于绝缘设备或部件自身承受电场分布的不均匀性，电场强度较大，尤其是导致出现电晕、局部放电等现象的部位的电介质材料，其老化速度往往更快、程度也更为严重，由此对系统的长期安全稳定运行带来更大的威胁。因此，合理改善绝缘设备或部件整体电场分布的均匀程度、缓和局部的高电场强度，可以降低特高压设备设计、制造的技术难度，降低电力设备造价，节省电力建设投资，并提高设备长期运行的安全可靠性。

　　1采用非线性复合材料改善电场均匀程度的方法

　　目前可用于改善绝缘设备或部件电场分布均匀程度的复合材料主要包括：恒定参数的高电导或高介电复合材料，以及具有与外加电场相关的非线性压敏电导或介电特性的复合材料。均压方面的典型应用是预制电缆终端结构中的橡胶应力锥，如图1所示[6]，橡胶应力锥由绝缘部分和导电或半导电部分组成，导电部分呈喇叭状，和电缆屏蔽接触。橡胶应力锥绝缘部分和导电部分的分界线称为橡胶应力锥锥面曲线，通过优化橡胶应力锥锥面曲线可改善电缆终端的电场分布，但其优化设计是一个较复杂的问题。应用于应力锥及其它场合的导电橡胶通常由高性能硅橡胶和各种导电颗粒均匀填充而成，包括炭黑、碳纳米管、石墨镀镍、镍包铜、铜镀银、铝镀银、玻璃镀银、纯银粉等各种导电颗粒填料

　　2非线性复合材料研究进展

　　2.1非线性电导复合材料进展

　　绝缘设备或部件中电场分布不均匀的主要原因，不仅在于外部施加电压的作用，还包括各种自由电荷在绝缘材料表面及内部难以移动而导致的空间电荷积累。空间电荷可以在绝缘材料表面或内部积聚很长一段时间，产生局部集中的电场，造成绝缘材料局部老化，并以电树的形式通过曲折的路径在材料内部不断深入发展，最终导致整体绝缘性能的严重劣化。早期非线性电导复合材料的研究者大都针对绝缘材料中空间电荷积累导致的电树老化现象开展研究，以消散空间电荷、抑制电树发展为主要研究目标。随着非线性电导复合材料研究的不断深入，其应用也不断扩展到用于抑制电机或发电机内部以及电缆终端的不均匀电场。此外，在电子元器件、电力电子器件领域，也存在静电电荷积累导致器件损坏的问题，因此非线性电导复合材料也被作为新型的器件封装材料而受到关注。

　　3非线性复合材料应用现状

　　在非线性电导复合材料的实际商业化应用领域，早期以SiC等为主要填料的非线性电导复合材料主要应用于中压电缆终端。此后以ZnO压敏陶瓷粉体为填料的复合材料因具有更高的非线性电导特性，逐渐成为早期产品的替代者。除在电缆终端产品上的商业应用外，非线性电导复合材料也被考虑用于电机或发电机内部绝缘，或者作为电子元器件、电力电子器件的新型封装材料[68]，但相关报道较少。而单一非线性介电特性复合材料因其自身性能的局限性，未见实际的商业化应用产品。ABB和Tyco是非线性电导复合材料商业化产品的主要厂家。图9所示为ABB公司采用非线性电导复合材料的84kV电缆端子[31-32]，图10所示为Tyco公司研制的采用非线性电导复合材料的35kV电缆端子[33-34]。尽管Strumpler等认为以ZnO压敏陶瓷粉体为填料的高非线性电导复合材料开拓了该类材料在高压领域实际应用的前景，但截止目前相关商业化产品仍然主要用于中压领域，最高电压等级产品为Tyco公司发表的145kV电缆端子的相关研究成果[35]，尚未见到更高压领域应用产品的报道

　　4研究发展方向与亟待解决问题

　　纳米复合对电介质电、热、机等性能改进的根本原因在于纳米颗粒的界面效应、比表面积效应和量子尺寸效应。目前国内外学者在纳米复合电介质抑制空间电荷特性、多场耦合作用下纳米-聚合物的界面对介质内部的陷阱能级、体积电阻率、击穿强度、电场分布等特性的影响。但现有结果仅能部分反映界面特性，界面理论模型过于简化或仅能定性解释部分实验结果，无法描述界面处分子链结构、缺陷等因素对局部势场和极化强度的影响，因此还无法阐明界面效应如何影响纳米复合电介质的宏观材料参数与空间电荷输运过程，以及由此导致的材料老化、退化、击穿等一系列重要的机理问题。因此，迫切需要从纳米复合材料的基础理论层面开展深入研究，揭示纳米颗粒与绝缘材料的界面特性及界面模型，为进一步调控绝缘材料的电场特性等提供理论支撑。

　　5结论

　　1)电场分布不均匀现象是高压电力绝缘设备及部件广泛存在的难题，给高压和特高压设备的设计、制造带来很大的技术难度和过高的成本，并且危及设备长期运行的安全可靠性。用以改善电力绝缘介质电场分布均匀性的各种传统措施存在各自的局限性和不足。2)采用具有与外加电场相关的非线性压敏电导或介电特性的复合材料，利用复合材料电导或介电特性对空间电场数值的依赖性，可以实现材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配，从而达到改善绝缘介质空间电场分布均匀性的效果。在低电场作用下，非线性复合材料仍然保持很小的电导率或介电常数，相当于绝缘材料，材料的泄漏电流及介质损耗相对较小。在高电场作用下，非线性复合材料呈现很大的电导率或介电常数，能够对空间电场分布起到有效的调制作用，并且电场分布越不均匀，复合材料对高电场的抑制效果越显著。

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