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中国电机工程学报 2016年第24期杂志 文档列表

中国电机工程学报杂志纳米复合电缆绝缘材料

特约主编寄语6595-6595

摘要：电力线路是电能输送的载体,是电网的基础。我国电力需求快速增长,装机容量2020年超过15亿千瓦,其中清洁能源达5.7亿千瓦,每年可减排二氧化碳13.8亿吨。我国风电、水电等资源所处地理位置远离负荷中心,电力输送通道问题是制约我国电力发展的重大问题之一。密集的输电线路严重影响景观和自然,同时线路电磁环境问题也将压缩人类生存空间,而另一个重要的问题是覆冰、大气污染、雷击等自然灾害容易导致输电线路故障,影响供电可靠性。为了支撑当前和未来大规模电能输送,

聚合物纳米复合材料的界面特性6596-6605

摘要：我国高压直流输电技术的发展对电介质材料的绝缘性能提出了更高的要求,聚合物纳米电介质材料以其优异的性能而受到广泛的关注,其中的界面更成为研究热点。界面是纳米填料与聚合物基体之间的纳米级过渡区域,由于形成机理特殊,其具有不同于聚合物基体和纳米填料的独特性质。由于界面在复合材料中占有主导地位,其微观结构及性能将直接影响复合材料的宏观性能。该文综合国内外研究成果,介绍了界面的形成机理和结构模型,论述了界面区对聚合物聚集态结构的影响及陷阱理论,分析了界面在复合材料电学性能中的作用机理,最后探讨了利用静电力显微镜研究界面微区介电特性的技术方法。

纳米颗粒形状对线性低密度聚乙烯纳米复合介质电学性能的影响6606-6612

摘要：初步研究了纳米颗粒的形状对纳米复合介质电学性质的影响。以不同形状的纳米氮化硼（BN）为填料,制备了填充分数介于0.5%-2.0%的线性低密度聚乙烯（LLDPE）纳米复合介质,测试了纳米氮化硼在LLDPE中的分散行为、复合介质的结晶和熔融行为、复合介质的宽频介电频谱、空间电荷行为以及直流击穿强度。结果发现,纳米氮化硼的形状对复合介质电学性质的影响在击穿强度方向尤为突出,片状纳米氮化硼复合介质的击穿强度高于LLDPE,而球状纳米氮化硼复合介质的击穿强度低于LLDPE。纳米氮化硼的形状对复合介质的结晶和熔融行为、介电常数和介电损耗角正切等的影响可以忽略。两种纳米氮化硼均可起到抑制空电荷注入的作用,且复合介质中空间电荷衰减速率降低。片状纳米氮化硼复合介质中更易积累界面电荷,导致复合介质内部出现明显的空间电荷振荡分布。

纳米Al_2O_3对低密度聚乙烯高压直流电缆绝缘材料性能影响研究6613-6618

摘要：选用纳米Al_2O_3粒子作为填料,通过熔融共混法制备出不同填料质量分数（0.1%、0.2%、0.5%、1%）的低密度聚乙烯纳米复合材料。利用电声脉冲法研究了室温下纳米复合材料在30k V/mm场强中空间电荷分布及场强畸变特性,并测量了固定场强中不同温度下的直流电导率和室温下不同场强中材料的电导率变化。结果表明,当纳米粒子添加量为1%时,能有效改善聚乙烯中电荷积聚和场强的畸变现象,并降低聚乙烯的直流电导率。同时发现不同场强下,不同含量的聚乙烯纳米复合材料的直流电导率,随温度变化趋势不同。

纳米氧化镁颗粒对聚丙烯的性能调控6619-6626

摘要：为开发新型的可回收直流电缆绝缘材料,在对聚丙烯（polypropylene,PP）作为高压直流电缆绝缘材料可行性研究的基础上,对纳米Mg O/PP复合材料的微观形貌与结构、热性能、空间电荷和直流击穿特性进行了详细研究。研究了纳米MgO含量对PP微观形貌与结构、热性能、电气性能等特性的影响,并通过测试电荷陷阱能级和密度分布解释了纳米MgO调控PP电气性能的机理。研究结果表明：纳米MgO添加不会明显改变PP的结晶度、晶型、熔融温度等参数,纳米Mg O/PP复合材料依然保持了PP优良的热性能,且复合材料的热分解起始温度相对于PP略有提高。纳米MgO颗粒的加入可以明显抑制PP中同极性电荷注入,减少空间电荷积聚。添加3 phr纳米MgO颗粒的复合材料具有最高的直流击穿强度,相对于纯PP增加了29.3%。热刺激电流测试结果表明纳米MgO添加可增加深陷阱密度,在电极附近形成屏蔽层并降低载流子迁移率,从而抑制同极性电荷注入并提高直流击穿场强。通过研究纳米MgO颗粒调控PP的微观结构、热性能和电气性能的规律,可以为新型可回收直流电缆绝缘材料的开发提供参考。

中国电机工程学报杂志电缆附件绝缘材料

机械应力下高温硫化硅橡胶电树枝生长特性6627-6634

摘要：为深入研究不同脉冲频率下机械应力对高温硫化硅橡胶中电树枝生长特性的影响,该文对硅橡胶中电树枝的生长情况进行观测,分析电树枝生长对脉冲频率的依赖关系及不同拉伸形变和压缩形变对电树枝生长特性的影响规律和影响机理。结果表明：拉伸形变的增大提高了电树枝的起始概率,促进了电树枝的生长,扩大了累积损伤破坏面积,加速了电树枝对绝缘材料的破坏;压缩形变的增大降低了电树枝的起始概率,延缓了电树枝的生长,减小了累积损伤破坏面积,抑制了电树枝对绝缘材料的破坏;不同机械应力下脉冲频率的增大都提高了电树枝的起始概率,加速了电树枝的生长。研究同时发现,电场强度较低时,加压后电树枝不会立即引发,电树枝的起始可以分为明显的三个阶段;电场强度较高时,加压后迅速出现单树枝通道。该文建立了机械应力与电树枝老化之间的关系,为电缆附件应力控制分析提供了参考依据。

双层a＋bE非线性电导介质界面极化特性的理论研究6635-6646

摘要：非线性电介质作为电场调控材料在高电压绝缘结构中广泛应用,理论研究探明双层非线性介质界面极化特性与双层线性介质界面极化特性的差异对双层绝缘介质工程应用的合理设计具有重要理论意义。该文以a＋b E型非线性电导的双层非线性介质为研究对象,根据回路电压定律和电流连续性原理建立了非线性双层介质界面极化微分方程。通过推导得出了介质内的电场、界面电荷密度和全电流密度的动态解析解。结果表明：每一层介质电场强度和界面电荷随时间的变化规律有指数、双曲正切和双曲余切三种形式。对于指数形式,可用一个由材料属性、结构参数和外加激励电压幅值三个因素决定的时间常数来表征极化动态特性;对于双曲正切和双曲余切极化的动态特性,需用两个由上述三个因素决定的参数来表征,分别定义为松弛时间和初始时间。总电流密度由松弛时间不同的两个吸收电流和直流稳态组成,具有多种表现形式。

硅橡胶/SiC复合材料非线性电阻及电荷输运特性6647-6653

摘要：为探索非线性电阻率对SiR/SiC复合材料空间电荷及表面电荷特性的影响,对不同SiC颗粒含量的SiR/SiC复合材料在不同电压下的电阻率以及空间电荷与表面电位进行了测量,分析SiR/SiC复合材料在不同电压下电阻率的变化规律以及电阻率对SiR/SiC复合材料电荷积累与消散特性的影响。研究结果表明：当SiC颗粒含量（质量分数）低于10%时,SiR/SiC复合材料的电阻率没有明显的非线性;当SiC颗粒含量高于30%时,SiR/SiC复合材料的电阻率随着电场强度的升高,呈现非线性的变化,并且电场阈值随SiC颗粒含量的增加而降低。在空间电荷极化过程中,较低的电阻率抑制了SiR/SiC复合材料空间电荷的积累;同时在空间电荷去极化过程中,较低的电阻率明显加速了SiR/SiC复合材料空间电荷的消散。此外,较低的电阻率同样对表面电荷消散表现出明显的加速作用。该文初步探究了SiR/SiC复合材料非线性电阻率和电荷特性的变化规律,为直流电缆附件非线性电阻率材料的应用提供了参考。

中国电机工程学报杂志气固界面表面电荷特性

盆式绝缘子表面电荷反演算法综述及展望6654-6663

摘要：直流气体绝缘输电线路（gas insulated line,GIL）可以替代直流架空输电线路及电缆,提高输电走廊灵活性,其需求日益迫切。然而直流GIL中绝缘子表面严重的电荷积聚现象制约了其实际应用,因此需要针对该问题开展研究。直流场中绝缘子表面电荷分布的相关研究需要建立在绝缘子表面电势准确测量的基础上,并借助电荷反演计算来获得表面电荷分布特征。国内外学者对表面电势测量及表面电荷反演算法进行了大量科学研究。然而,目前尚未有研究者对近几十年来的表面电荷反演算法做出客观的总结。该文从静电探头诞生出发,总结比较了现有几种较为成熟的电荷反演算法,并结合实例对各类算法进行对比分析。最后,对今后反演算法发展方向做出了展望。

直流电压下聚合物表面电荷测量方法及积聚特性6664-6674

摘要：固体绝缘介质表面电荷积聚现象是研发高压直流气体绝缘装置的重要考虑因素,这些积聚的表面电荷会导致绝缘介质局部电场畸变,大大降低装置的绝缘水平。因此,研究直流电压下聚合物表面电荷积聚现象具有重要意义,如何实现对绝缘子表面电荷分布进行准确的测量,成为该领域一个重要的课题。针对这一问题,采用静电探头法测量缩比气体绝缘输电线路（gas-insulated line,GIL）中圆锥绝缘子的表面电位,研究针对这种“平移改变”系统的表面电荷的反演计算方法。研究采用数值模拟的方法获得了从电荷到电位的传递函数矩阵,应用了基于维纳滤波的数字图像处理技术,对传递函数矩阵的病态特性进行了改善,大大降低了系统噪声,提高了反演计算的稳定性。研究分析了测量结果的空间分辨率和计算精度,发现该系统的空间分辨率可以达到1.8mm。采用该算法,分别研究了空气和SF6中直流电压下绝缘子表面电荷的积聚情况,发现绝缘子表面电荷呈均匀分布的“基本模式”和随机分布的“电荷斑”两种模式。“基本模式”的极性与所加电压极性相同,表明固体侧体电流是电荷积聚的主要来源。

温度对直流GIL绝缘子电荷积聚特性的影响6675-6681

摘要：研究直流电压下绝缘子表面电荷积聚问题对于推进直流气体绝缘金属封闭输电线路（gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL）的发展至关重要。现有试验研究中均未考虑温度对电荷积聚的影响,难以获得用于实际工程中的直流GIL绝缘子电荷积聚情况。而仿真计算仅从理论上分析了温度对电荷积聚的影响规律,尚缺乏有效的实验验证。为了解决上述问题,该文设计了可模拟直流GIL导杆发热现象的绝缘子表面电位测量试验平台,并设计了同轴圆柱结构试验模型。研制了紧凑型静电位测量系统对不同温度下绝缘子的表面电位进行了测量,掌握了直流GIL导杆温度对绝缘子电荷积聚特性的影响。试验结果表明：当中心电极温度由室温升高至70℃时,在正极性电压作用下,绝缘子平均表面电位由278V增大至1670V（501%）;在负极性电压作用下,绝缘子平均表面电位为负,绝对值由460V增大至1507V（228%）。因此,在进行绝缘优化设计时,需要考虑温度的影响,该研究可为直流GIL绝缘优化设计提供参考。

中国电机工程学报杂志电缆运行特性

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究6682-6692

摘要：运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC电缆在遭受雷电、操作冲击电压冲击时暂态电场分布更为复杂。为此,该文采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真研究了温度梯度、施压方式以及绝缘材料非线性电导属性对直流叠加冲击电压下电缆绝缘中暂态电场的影响规律。研究结果表明：直流叠加冲击电压时,暂态最大场强始终出现在电缆绝缘内屏蔽表面;当电缆结构、绝缘材料非线性属性和外加冲击电压幅值确定时,随绝缘内温度梯度的提高,直流叠加同极性冲击电压时暂态最大场强减小,而叠加反极性冲击电压时暂态最大场强却逐渐增大;降低材料电导活化能和提高电场依赖系数可有效改善暂态电场分布,降低暂态最大电场波的幅值并缩短波头和波尾时间。

直流电场下聚合物空间电荷分布的极性效应6693-6701

摘要：挤压型高压电缆用聚合物材料在直流电场作用下,空间电荷的分布具有极性效应。为了揭示引起极性效应的物理机制,该文引入双极电荷传输模型,考虑了双极性电荷的复合、俘获、脱陷等传输过程以及电极表面电荷的注入。通过参数化分析,辨别影响阴极和阳极空间电荷与电场非对称分布的主要物理参数。然后利用该模型仿真了均匀直流电场下聚丙烯空间电荷和电场分布,并与实验结果进行了比较。结果表明：聚丙烯空间电荷的非对称分布主要由迁移率和脱阱势垒决定,聚丙烯电场的非对称分布主要由迁移率和注入势垒决定,可为聚合物材料的调控提供理论依据。

直流下交联聚乙烯电缆局部放电的试验特性研究6702-6710

摘要：为研究直流电压下交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）电缆绝缘局部放电特性,搭建了一套XLPE电缆直流局部放电试验及检测系统,使用直流局放仪和高频电流法（high frequency current method,HFCT）检测。使用YJV 120mm2单芯电缆设计并制作了绝缘内部气隙、主绝缘表面划伤、高压端毛刺电晕、半导电层爬电4类绝缘缺陷模型,并使用Comsol Multi-physics软件仿真了不同缺陷模型的电场分布特性。使用恒压法试验,绘制了时间分辨局放图谱（time-resolved partial discharge,TRPD）记录放电发展过程,并基于统计特征绘制了H（Q,Δt）图谱和4类典型指纹图谱。综合分析试验和仿真研究结果表明：1）电晕缺陷模型电场畸变最严重,气隙缺陷次之;2）划伤缺陷和爬电缺陷的放电起始电压明显高于另外两者;3）4类缺陷模型的起始放电阶段和稳定发展阶段均存在差异,划伤缺陷起始放电量很大,并存在两个较明显的放电水平,气隙和电晕缺陷起始阶段放电量和放电重率均随时间递增;4）不同类型放电的H（Q,Δt）图谱差异较明显,指纹图谱随机性较大,其中电晕缺陷的指纹图谱线性规律最明显。

中国电机工程学报杂志环保型绝缘气体及管道输电

应用于直流GIL中环境友好型气体的绝缘性能研究6711-6717

摘要：直流气体绝缘金属封闭输电线路（gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL）可提高特高压直流输电线路走廊选择的灵活性,研究其中SF_6气体的替代气体具有十分重要的意义。该文在负极性直流电压和负极性雷电冲击电压下,通过实验研究了0.4-0.7MPa气压范围内的SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿特性以及圆柱形绝缘子在相应气体环境中的闪络特性。结果表明：随着气压升高,SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿场强基本上呈现线性升高趋势,但同气压下SF_6的击穿场强最高,SF_6/N_2次之,CF_3I/N_2最低;CF_3I/N_2混合气体中绝缘子闪络电压远低于在SF_6和SF_6/N_2环境中。研究表明,0.7MPa气压、混合比为2：8的SF_6/N_2气体绝缘性能与0.5MPa时SF_6气体绝缘性能相当,且全球变暖潜能值（global warming potential,GWP）可降低约80%,可应用于直流GIL;而CF_3I/N_2混合气体由于其绝缘性能远低于SF_6和SF_6/N_2气体,不适用于高压直流气体绝缘金属封闭设备。

直流GIL内金属微粒对表面电荷积聚影响的三维仿真及实验研究6718-6726

摘要：针对直流GIL中金属微粒污染问题,该文研究了其对模型绝缘子表面电荷积聚的影响。基于麦克斯韦理论,纳入微粒污染以及气体侧空间离子的产生、复合、迁移、扩散等作用,建立了微粒污染情况下包含气体侧微观机制的绝缘子表面电荷积聚模型,利用COMSOL软件对三维情况下绝缘子形状、金属微粒不同黏附形态以及不同气体环境对表面电荷积聚的影响进行了求解分析,同时搭建了考虑导电微粒情况的电荷测量平台,对仿真中典型设置进行实验,验证仿真结果的正确性。研究表明,随截面底角减小,电荷更多积聚于绝缘子表面;黏附于绝缘子表面的金属微粒会引起表面电荷大积聚激增,沿高低压电极连线黏附微粒引起积聚最明显;气体环境改变会引起表面电荷积聚发生改变,低气压时更易积聚电荷。

SF_6中环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络实验研究6727-6735

摘要：针对气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）内盆式绝缘子所用的环氧树脂材料,在纳秒脉冲条件下开展沿面闪络老化实验研究。设计不同气压值下沿面闪络新型实验装置,在SF6环境中进行环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络特性研究,并对沿面闪络前后材料老化区域的表面形貌和元素组成进行测试,分析环氧树脂材料老化前后表面理化特性的变化规律。实验结果表明,随着SF6气体压强的增大,环氧树脂纳秒脉冲沿面闪络电压升高。闪络老化后环氧树脂表面氧化铝颗粒凸显出来,且随着老化进一步加深,表面聚合物与放电产生的含氟物质发生反应生成有机氟化物,反应产物被电弧溅射出去覆盖在材料表面。而氧化铝颗粒填料的性质在闪络老化过程中并未发生明显变化。以上针对环氧树脂绝缘材料所开展的实验研究可为GIS内环氧树脂绝缘材料改性,以及增强其耐压性能和抗老化性能提供指导。

大气压弥散放电辅助Cu表面类SiO_2薄膜沉积6736-6742

摘要：大气条件下弥散放电能够产生大面积、高能量密度的低温等离子体,在导体表面薄膜沉积领域具有广阔的应用前景。该文研究了大气压下Cu片表面类SiO_2薄膜的沉积方法,以六甲基二硅氧烷为反应前驱物,使用正极性微秒脉冲电源激发针–板电极结构弥散放电,探讨了沉积过程中不同的放电气体对放电过程以及沉积薄膜化学成分的影响。实验结果表明,分别采用氩气和空气作为放电气体时,在相同电压下前者具有更大的放电功率、更强的发射光谱强度以及更高的沉积薄膜效率。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）分析以及水接触角测量结果表明,空气放电沉积薄膜氧化程度较高,属于类SiO_2薄膜,其水接触角为85°;而氩气放电沉积薄膜是有机硅薄膜,其水接触角为100°。此外,通过优化空气/氩气混合气体的比例,在700sccm空气/500 sccm氩气条件下得到了氧化程度更高的薄膜,其水接触角也进一步降低到76°。以上实验结果表明,使用大气压弥散放电能够在Cu片表面有效沉积类SiO_2薄膜。