程子霞 邢威威 張云霄 周遠翔, 3 滕陳源
納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的陷阱特性及對電樹枝特性的影響研究
程子霞1邢威威1張云霄2周遠翔2, 3滕陳源2
(1. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院 鄭州 450001 2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室(清華大學(xué)電機系) 北京 100084 3. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院)風(fēng)光儲分室 烏魯木齊 830047)
隨著電壓等級的不斷提升,因電樹枝老化而導(dǎo)致的絕緣材料失效問題日益嚴(yán)重。為研究納米MgO對環(huán)氧樹脂電樹枝老化的影響,制備了不同MgO填充量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~1%)的納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,對其電樹枝的起始和生長過程進行觀測。結(jié)果表明,在微量填充下,納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐電樹枝性能隨填充量的增加而提高。當(dāng)納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的起樹概率降低了45%、電樹枝長度降低為純環(huán)氧樹脂的1/3、交流擊穿場強提高了14.1%。由介電特性和陷阱特性分析可得,隨填充量的增加,復(fù)合材料的介電常數(shù)減小,陷阱能級加深。納米MgO的加入提高了復(fù)合材料的陷阱能級,降低了載流子的遷移率和濃度,進而提高了納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐電樹枝性能。
環(huán)氧樹脂 納米MgO 電樹枝 介電特性 陷阱
環(huán)氧樹脂(Epoxy Resin, EP)具有耐高溫、固化收縮率小和穩(wěn)定的耐化學(xué)腐蝕等性能,被廣泛應(yīng)用于干式變壓器、互感器、換流變壓器套管等電氣設(shè)備的絕緣[1]。然而,隨著電壓等級的不斷提升,電氣設(shè)備絕緣面臨著更加惡劣的運行環(huán)境。電樹枝是聚合物材料中的局部微擊穿現(xiàn)象,因其形狀與樹枝相似而得名。大多數(shù)聚合物材料在強電場的作用下,其擊穿場強會逐漸降低,其中一個很重要的原因是聚合物材料中產(chǎn)生了電樹枝。當(dāng)電樹枝發(fā)展到對面電極附近,剩余絕緣厚度不足以承受工作場強時,絕緣材料被擊穿。而環(huán)氧樹脂作為電氣設(shè)備常用的絕緣材料之一,增強其耐電樹枝性能,對電氣設(shè)備的長期服役具有重要意義[2-5]。
1994年,T. J. Lewis首次提出了納米電介質(zhì)理論[6]。近年來的大量實驗表明,納米電介質(zhì)在提升介質(zhì)損耗、空間電荷、電導(dǎo)、局部放電、擊穿、電樹枝老化等性能上具有優(yōu)勢,已成為高性能絕緣材料的重要發(fā)展方向[7]。閆雙雙等在環(huán)氧樹脂中添加納米二氧化硅,發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時,電樹枝的引發(fā)時間明顯延長,生長速率顯著下降;質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%時,環(huán)氧樹脂耐電樹枝生長能力達到最佳[8]。楊國清等制備了不同填充量的納米ZnO/環(huán)氧樹脂材料,發(fā)現(xiàn)納米ZnO填充量為3%時,局部放電起始電壓達到峰值14.5kV,相比純環(huán)氧樹脂提升了67.7%,其耐電樹枝能力達到最強[2]。相比其他納米粒子,納米MgO不但具有納米材料的共性,即量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等,還具有很好的熱穩(wěn)定性和高電阻率[9-10]。近年來,在提高材料的起樹電壓和抑制空間電荷積聚等方面已經(jīng)有了一些初步的研究[11-13]。但納米MgO對聚合物材料中電樹枝生長的影響機制,尤其是環(huán)氧樹脂材料,尚缺乏深入研究。
本文制備了不同納米MgO填充量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、1%)的納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,分析了不同填充量下納米MgO對環(huán)氧樹脂電樹枝特性的影響。在(20±1)℃下對純環(huán)氧樹脂及不同填充量的復(fù)合材料進行電樹枝老化實驗,并對起樹概率、生長速度、擴展系數(shù)和電樹枝形貌進行分析。電樹枝是局部的微擊穿,材料的介電常數(shù)表示材料通過自身極化應(yīng)對外部電場的能力。因此本文也對材料的交流擊穿性能和介電特性進行測試。并用熱刺激電流法對其陷阱參數(shù)進行表征。最后,本文從納米粒子與環(huán)氧樹脂形成的界面入手對復(fù)合材料的絕緣性能進行分析。
實驗中使用的原材料主要有雙酚A型環(huán)氧樹脂E—51、固化劑甲基六氫苯酐、促進劑二甲基芐胺、用KH560修飾的納米MgO(粒徑為50nm)、不銹鋼金屬針(針尖曲率半徑為3μm,直徑為250μm)和導(dǎo)電硅膠。首先將環(huán)氧樹脂在60℃烘箱里加熱10min,使環(huán)氧樹脂的粘度降低,有利于納米MgO均勻分散。將一定填充量的納米MgO加入到環(huán)氧樹脂中,在60℃油浴下攪拌60min,攪拌速度為2 000r/min。然后加入固化劑和促進劑,在室溫下攪拌30min。將混合液體放入50℃的真空干燥箱內(nèi)抽真空30min,以除去混合液體中的氣泡。將除去氣泡的環(huán)氧樹脂混合液體澆注于特制的模具中進行固化。為了模擬絕緣材料的實際缺陷,金屬針和導(dǎo)電硅膠被提前放入模具中形成針-板電極結(jié)構(gòu),導(dǎo)電硅膠是為了增大金屬針與高壓電極的接觸面積。針板距離為(2±0.1)mm。固化后樣品尺寸為27mm′30mm′2mm。當(dāng)納米MgO填充量為1%以上時,復(fù)合材料透光率變差。不能清楚地觀測到電樹枝,因此實驗中納米MgO最大填充量為1%。
1.2.1 掃描電子顯微鏡
使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察納米粒子在環(huán)氧樹脂基體中的分散性。測試前,先將試樣在液氮下進行脆斷,然后將脆斷面進行噴鉑。
1.2.2 熱刺激電流實驗
采用熱刺激電流法對試樣內(nèi)部的陷阱進行測試,試樣直徑30mm,厚度500μm,并對試樣進行雙面噴金。測試時,首先將試樣升溫至100℃,保持溫度并在1kV直流電壓下極化60min。然后用液氮迅速將試樣降溫至-100℃,撤去直流電壓并短路5min。最后,以3℃/min的速率將試樣升溫至130℃。
1.2.3 介電特性測試
采用Novocontrol Concept 80寬頻介電譜儀對試樣的介電特性進行測試,測試頻率為0.1~106Hz。試樣直徑30mm,厚度500μm。測試前對試樣進行雙面噴金,以確保試樣與測試系統(tǒng)電極的充分接觸。測試過程中,對試樣施加偏壓幅值為1V。
1.2.4 電樹枝老化實驗
電樹枝老化測試裝置如圖1所示。實驗裝置主要由電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和顯微觀察成像系統(tǒng)組成。試樣被放置于保溫裝置內(nèi)進行測試,以保證測試過程中溫度的恒定。保溫裝置內(nèi)裝有硅油進行絕緣,防止沿面閃絡(luò)。電源系統(tǒng)以500V/s的升壓速率輸出頻率為50Hz的電壓。顯微觀察成像系統(tǒng)可以對電樹枝的起始、生長及形態(tài)進行拍攝記錄。
圖1 電樹枝老化測試裝置
電樹枝起樹概率實驗每個組別20個試樣,在純環(huán)氧樹脂起樹電壓附近,選取電壓11kV為電樹枝起樹概率實驗的引發(fā)電壓,引發(fā)時間為5min。電樹枝生長特性測試電壓為16kV,生長時間為120min或直至試樣被擊穿,每個組別5個試樣。
1.2.5 交流擊穿實驗
按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408.1—2016《絕緣材料電氣強度實驗方法第1部分:工頻下試驗》進行工頻擊穿測試。測試使用球-板電極,上電極為直徑20mm的球電極。下電極為直徑25mm的板電極。測試時,電源升壓速率為500V/s,上、下電極及試樣均浸泡在變壓器油中,防止試樣沿面放電。測試溫度為(20±1)℃。試樣厚度為300μm。
圖2是不同填充量的納米MgO/EP復(fù)合材料的斷面SEM圖,圖中白點為納米MgO粒子。從圖2中可以看到,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料中納米粒子均沒有明顯的團聚現(xiàn)象。
圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料斷面SEM圖
通過熱刺激電流法得到的不同填充量下的熱刺激電流曲線與陷阱能級如圖3所示。純環(huán)氧樹脂的熱刺激電流曲線峰值溫度在107℃左右,加入納米MgO后復(fù)合材料的峰值溫度向高溫移動,且峰值溫度隨填充量的增加而升高。當(dāng)納米MgO的填充量為1%時,復(fù)合材料的熱刺激電流曲線峰值溫度在118℃左右。根據(jù)參考文獻[14]陷阱能級的計算方法,可以求出純環(huán)氧樹脂的陷阱能級為0.9eV,隨著納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,陷阱能級不斷增加。當(dāng)納米MgO填充量為1%時,復(fù)合材料的陷阱能級提高至1.11eV。表明納米粒子的添加在復(fù)合材料的界面處引入了深陷阱。
圖4為不同填充量下的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。在工頻下,純環(huán)氧樹脂的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗最大,復(fù)合材料的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨填充量的增加而降低。
圖4 不同填充量下的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)
電樹枝的發(fā)展一般有兩個基本階段,即電樹枝的引發(fā)階段和電樹枝的生長階段。起樹概率是對電樹枝引發(fā)難易程度進行表征的一種重要參數(shù)[3]。顯微鏡下觀察到電樹枝長度生長至約大于10μm時,判定為電樹枝被引發(fā)[15-16]。在引發(fā)電壓為11kV,引發(fā)時間為5min的條件下,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米MgO/EP復(fù)合材料的起樹概率見表1。純EP的起樹概率最高,達到80%。隨著納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,起樹概率逐漸降低,當(dāng)納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,起樹概率降至35%??梢娂{米MgO的添加對電樹枝的引發(fā)具有抑制作用,且隨納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,抑制作用逐漸增強。
表1 電樹枝起樹概率
Tab.1 Electrical tree initiation probability
2.5.1 不同填充量下電樹枝的典型形貌
電樹枝的生長過程取決于頂端效應(yīng)和隨機效應(yīng),頂端效應(yīng)和隨機效應(yīng)兩者的競爭決定了聚合物中電樹枝生長的形狀[15,17]。在生長電壓為16kV的條件下,不同填充量下電樹枝的典型形貌如圖5所示。純環(huán)氧樹脂電樹枝枝干較粗、顏色較深;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的電樹枝在針尖附近顏色較深,沿樹枝末端方向枝干逐漸變細、顏色逐漸變淡;納米MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、1%的復(fù)合材料樹枝較細、顏色較淡且樹枝長度較短。
2.5.2 不同填充量下電樹枝的生長速度
生長速度是電樹枝生長階段的重要表征參數(shù)。圖6展示了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米MgO/EP復(fù)合材料的電樹枝生長速度。各個組別試樣的電樹枝生長速度在前10min最快。純環(huán)氧樹脂沒有滯漲現(xiàn)象,從引發(fā)開始一直在生長,當(dāng)電樹枝生長到對面電極附近還未接觸到對面電極時,試樣便被擊穿。而不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米MgO/EP復(fù)合材料均出現(xiàn)滯漲現(xiàn)象。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米MgO/EP復(fù)合材料在80~100min之間有一個緩慢的再生長過程。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%和1%的納米MgO/EP復(fù)合材料在60min之后電樹枝長度變化不大,100min之后復(fù)合材料的電樹枝長度均不再變化。在120min時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%和1%的納米MgO/EP復(fù)合材料的電樹枝長度相差不大。填充量為1%的納米MgO/EP復(fù)合材料的電樹枝長度約降低為純環(huán)氧樹脂的1/3。
圖6 不同填充量下電樹枝的生長速度
2.5.3 不同填充量下電樹枝的擴展系數(shù)
電樹枝的擴展系數(shù)為電樹枝在垂直電場方向的最大長度與平行電場方向的最大長度的比值[18]。圖7為不同填充量下復(fù)合材料電樹枝的擴展系數(shù)。純EP的擴展系數(shù)均小于1,說明沿電場方向的電樹枝長度大于垂直電場方向的電樹枝長度。而添加納米MgO后,復(fù)合材料的擴展系數(shù)均大于1。即沿電場方向的電樹枝長度小于垂直電場方向的電樹枝長度,且擴展系數(shù)隨填充量的增加而增大。擴展系數(shù)的增大說明電樹枝在垂直電場方向的生長占優(yōu)勢,即多數(shù)能量用于垂直電場方向的電樹枝的生長,而少數(shù)能量用于沿電場方向的電樹枝的生長,從而抑制電樹枝沿電場方向的生長,提高納米MgO/EP復(fù)合材料的耐電樹枝性能。
圖7 不同填充量下電樹枝的擴展系數(shù)
圖8為不同填充量下的交流擊穿場強Weibull分布圖,其尺度參數(shù)和形狀參數(shù)見表2。從圖8中可以看到,納米MgO/EP復(fù)合材料的交流擊穿場強均高于純環(huán)氧樹脂,且擊穿場強隨納米MgO填充量的增加而升高。從表2中的尺度參數(shù)可知,純環(huán)氧樹脂的擊穿場強為65.66kV/mm,納米MgO填充量為1%時的擊穿場強為74.91kV/mm,相比于純環(huán)氧樹脂的擊穿場強提高了14.1%。
圖8 交流擊穿場強的Weibull分布
表2 尺度參數(shù)和形狀參數(shù)
Tab.2 Scale and shape parameters
在環(huán)氧樹脂中加入納米MgO后,復(fù)合材料內(nèi)部的主要極化形式有環(huán)氧樹脂自身分子鏈的轉(zhuǎn)向極化和納米粒子與環(huán)氧樹脂之間界面的界面極化。納米粒子的填充使復(fù)合材料的分子鏈轉(zhuǎn)向受阻,抑制了復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向極化,使得復(fù)合材料的相對介電常數(shù)降低。而納米粒子與環(huán)氧樹脂之間的界面區(qū)域由于介電差異使界面電荷堆積誘導(dǎo)產(chǎn)生界面極化,界面極化增加材料內(nèi)部的極化強度,使得相對介電常數(shù)升高。當(dāng)納米粒子含量較低時,復(fù)合材料內(nèi)部界面較少,抑制轉(zhuǎn)向極化對相對介電常數(shù)的減小效應(yīng)強于界面極化對相對介電常數(shù)的增大效應(yīng),使得材料的相對介電常數(shù)降低[19-20]。
此外,界面區(qū)是連接納米粒子與聚合物基體的橋梁,界面區(qū)具有不同于聚合物基體和納米粒子的特殊理化性質(zhì),從而能夠改變能帶結(jié)構(gòu)中的局域態(tài)能級和密度,即改變陷阱特性[21]。由圖3可知,納米MgO的添加在界面處引入深陷阱,降低載流子的遷移率,降低復(fù)合材料的電導(dǎo)電流,使電導(dǎo)損耗減小,從而降低了納米MgO/EP復(fù)合材料的工頻介質(zhì)損耗[22]。
在純環(huán)氧樹脂中,針尖注入的電子立即加速,沒有阻礙,很快便獲得足夠的能量成為高能電子。這些高能電子會攻擊環(huán)氧樹脂大分子鏈,使之降解,產(chǎn)生微孔或微裂紋,并提供更大自由體積使電子加速,進而導(dǎo)致局部放電的產(chǎn)生。局部放電進一步發(fā)展,最終引發(fā)電樹枝[23-24]。填充納米MgO后,由于納米粒子具有較高的電子親合能,可以吸引電子向其附近運動。針尖注入電子后,電子將會向針尖附近的納米粒子運動,進而被界面處的深陷阱捕獲。由于深陷阱能級較高,入陷的電子很難脫陷,因而形成空間電荷積聚在針尖附近,使針尖附近的場強升高,高壓電極處場強被削弱,提高了電子的注入勢壘,使針尖注入電子較為困難。此外,已經(jīng)注入的電子,會由于散射作用而消耗電子從電場獲得的能量,并使電子減速,平均自由行程變短,遷移率降低[25],使電子很難獲得足夠的能量成為高能電子去攻擊環(huán)氧樹脂大分子鏈并使之降解,從而降低了納米MgO/EP復(fù)合材料的起樹概率。
由熱刺激電流結(jié)果可知,納米粒子的添加可提高復(fù)合材料的陷阱能級。當(dāng)納米MgO/EP復(fù)合材料通入強電場時,由于深陷阱的存在,從針尖注入的載流子有一部分將會被深陷阱捕獲而難以脫陷,載流子的遷移率和濃度降低[26]。其他載流子在強電場的作用下將繼續(xù)向前運動,一部分載流子將會被納米粒子阻擋,剩余的載流子將沿納米粒子表面繼續(xù)前進攻擊環(huán)氧樹脂大分子鏈。而此時載流子濃度較低,總的能量減少,很難使環(huán)氧樹脂大分子鏈降解。此外,被阻擋的載流子和深陷阱中的載流子將形成空間電荷,對原電場起削弱作用。載流子受電場力加速的程度將會降低,獲得的能量將會減少,復(fù)合材料受到的攻擊將減弱,從而降低了電樹枝的生長速度[27]。
納米粒子的高介電常數(shù)會吸引電樹枝向其附近發(fā)展,但由于納米粒子的阻擋作用,使電樹枝不能穿過納米粒子繼續(xù)沿電場方向發(fā)展而分叉繞行[28]。分叉繞行不僅使電樹枝的擴展系數(shù)增大,而且還使放電通道增加,進而使電樹枝分支增加。由于樹枝通道增加,單個樹枝通道內(nèi)載流子數(shù)目將減少,單個通道內(nèi)載流子總的能量也將減少,對分子鏈的攻擊能力減弱,從而使電樹枝生長速度變慢且很快出現(xiàn)滯漲。因此,納米MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電樹枝長度較短、分支較多且擴展系數(shù)較大。
擊穿常發(fā)生在絕緣材料缺陷處,絕緣材料的耐電樹枝性能影響著其擊穿性能。添加納米粒子后,減緩了納米MgO/EP復(fù)合材料的電樹枝生長速度,增大了其擴展系數(shù),削弱了電樹枝沿電場方向生長的能量,降低了電樹枝沿電場方向的長度。這些都將使納米MgO/EP復(fù)合材料能夠在更高的場強下運行而不發(fā)生擊穿,從而提高了納米MgO/EP復(fù)合材料的擊穿場強。由SEM成像結(jié)果可知,納米粒子分散性良好,可以把他們看作一個個獨立的單元。在微量填充下,隨著納米粒子填充量的增加,納米粒子在環(huán)氧樹脂基體中的分布更加廣泛,界面區(qū)域增加,從而使載流子被陷阱捕獲及被納米粒子阻擋的概率增加[29]。因此,隨著納米MgO填充量的增加,納米MgO/EP復(fù)合材料的耐電樹枝性能不斷提升,擊穿場強不斷升高,相對介電常數(shù)和工頻介質(zhì)損耗不斷減小。
1)加入納米MgO后提高了復(fù)合材料界面區(qū)域的陷阱能級,陷阱能級隨填充量的增加而提高。當(dāng)填充量為1%時,陷阱能級由純環(huán)氧樹脂時的0.9eV提高至1.11eV。
2)當(dāng)納米MgO的填充量在0~1%時,隨著納米MgO填充量的增加,納米MgO/EP復(fù)合材料的起樹概率降低,電樹枝生長速度變慢、長度變短、擴展系數(shù)變大。復(fù)合材料的耐電樹枝性能變強。
3)納米MgO添加后,可以提高復(fù)合材料的交流擊穿場強,降低復(fù)合材料的相對介電常數(shù)和工頻介質(zhì)損耗。納米MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0~1%時,復(fù)合材料的擊穿場強隨納米MgO填充量的增加而升高,相對介電常數(shù)和工頻介質(zhì)損耗隨填充量的增加而減小。
[1] Teng Chenyuan, Zhou Yuanxiang, Li Shaohua, et al. Regulation of temperature resistivity characteristics of insulating epoxy composite by incorporating positive temperature coefficient material[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(2): 512-520.
[2] 楊國清, 張埼煒, 王德意, 等. ZnO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐電樹枝能力[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(1): 91-96.
Yang Guoqing, Zhang Qiwei, Wang Deyi, et al. Ability of impedance on the electrical tree of ZnO/Epoxy composites[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(1): 91-96.
[3] 李盛濤, 鄭曉泉. 聚合物電樹枝化[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.
[4] Zhou Yuanxiang, Zhang Yunxiao, Zhang Ling, et al. Electrical tree initiation of silicone rubber after thermal aging[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016, 23(2): 748-756.
[5] Zhang Yunxiao, Zhang Ling, Zhou Yuanxiang, et al. DC electrical tree initiation in silicone rubber under temperature gradient[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(3): 1142-1150.
[6] Lewis T J. Nanometric dielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1994, 1(5): 812-825.
[7] 田付強, 楊春, 何麗娟, 等. 聚合物/無機納米復(fù)合電介質(zhì)介電性能及其機理最新研究進展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(3): 1-12.
Tian Fuqiang, Yang Chun, He Lijuan, et al. Recent research advancement in dielectric properties and the corresponding mechanism of polymer/inorganic nanocomposite[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(3): 1-12.
[8] 閆雙雙, 李媛媛, 田慕琴, 等. 不同填料濃度下環(huán)氧樹脂基納米二氧化硅復(fù)合材料中電樹枝生長特性[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(12): 3860-3868.
Yan Shuangshuang, Li Yuanyuan, Tian Muqin, et al. Growth characteristics of electrical trees in epoxy resin-based nano-SiO2composites with different filler concentrations[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(12): 3860-3868.
[9] 許珂. 納米氧化鎂制備技術(shù)研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2008.
[10] 王威望, 李盛濤, 劉文鳳. 聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的擊穿性能[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(16): 25-36.
Wang Weiwang, Li Shengtao, Liu Wenfeng. Dielectric breakdown of polymer nanocomposites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(16): 25-36.
[11] 劉倩. 聚乙烯納米復(fù)合材料擊穿場強與電樹枝特性關(guān)系研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2018.
[12] 王雅妮, 李光道, 吳建東, 等. 添加納米MgO對交聯(lián)聚乙烯中直流接地電樹枝的影響[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2015, 9(10): 26-30.
Wang Yani, Li Guangdao, Wu Jiandong, et al. Effect of nano-MgO addition on grounded DC tree in cross-linked polyethylene[J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(10): 26-30.
[13] 彭蘇蔓, 祝曦, 吳建東, 等. 溫度和電場對XLPE與納米MgO/XLPE電樹枝生長過程中局部放電特性的影響[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2020, 40(12): 4033-4043.
Peng Suman, Zhu Xi, Wu Jiandong, et al. Effect of temperature and electric field on partial discharge characteristics in XLPE and nano-MgO/XLPE during electrical tree growth[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(12): 4033-4043.
[14] 田付強. 聚乙烯基無機納米復(fù)合電介質(zhì)的陷阱特性與電性能研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2012.
[15] 李志堅, 張瑩, 田猛, 等. 直流-溫度復(fù)合場下環(huán)氧樹脂內(nèi)電樹枝生長特性研究現(xiàn)狀[J]. 絕緣材料, 2021, 54(3): 10-17.
Li Zhijian, Zhang Ying, Tian Meng, et al. Research status of electrical tree growth characteristics in epoxy resin under DC-temperature compound field[J]. Insulating Materials, 2021, 54(3): 10-17.
[16] 周遠翔, 張云霄, 張旭, 等. 熱老化時間對硅橡膠電樹枝起始特性的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(4): 979-986.
Zhou Yuanxiang, Zhang Yunxiao, Zhang Xu, et al. Influence of thermal aging time on electrical tree initiation of silicone rubber[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(4): 979-986.
[17] 萬晗暉. 聚乙烯類絕緣復(fù)合材料擊穿與電樹特性實驗及仿真研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2018.
[18] 杜伯學(xué), 張苗苗, 姜恵蘭, 等. 環(huán)氧樹脂在低溫環(huán)境下的電樹枝生長特性[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(2): 478-484.
Du Boxue, Zhang Miaomiao, Jiang Huilan, et al. Growth characteristics of electrical tree in epoxy resin under low temperature[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(2): 478-484.
[19] 周福文. 微納米復(fù)合涂層對環(huán)氧樹脂表面電荷動態(tài)特性影響的研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué)(北京), 2018.
[20] 李成, 竇曉亮, 曲鵬, 等. 基于提高BT/PVDF復(fù)合材料介電常數(shù)的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2018, 47(增刊1): 420-423.
Li Cheng, Dou Xiaoliang, Qu Peng, et al. Structure design and performance research based on enhancing the dielectric constant of BT/PVDF composites[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2018, 47(S1): 420-423.
[21] 李盛濤, 謝東日, 閔道敏. 聚丙烯/Al2O3納米復(fù)合介質(zhì)直流擊穿特性與電荷輸運仿真研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2019, 39(20): 6122-6130, 6193.
Li Shengtao, Xie Dongri, Min Daomin. Numerical simulation on space charge transport and DC breakdown properties of polypropylene/Al2O3nanocomposites[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(20): 6122-6130, 6193.
[22] 楊國清, 黎洋, 王德意, 等. 超支化聚酯改性納米SiO2/環(huán)氧樹脂的介電特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(5): 1106-1115.
Yang Guoqing, Li Yang, Wang Deyi, et al. Effect of hyperbranched polyester grafting nanosilica on dielectric properties of epoxy resin[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 1106-1115.
[23] Tanaka T, Greenwood A. Effects of charge injection and extraction on tree initiation in polyethylene[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1978, PAS-97(5): 1749-1759.
[24] 李春陽, 韓寶忠, 張城城, 等. 電壓穩(wěn)定劑提高PE/XLPE絕緣耐電性能研究綜述[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2017, 37(16): 4850-4864, 4911.
Li Chunyang, Han Baozhong, Zhang Chengcheng, et al. Review of voltage stabilizer improving the electrical strength of PE/XLPE[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(16): 4850-4864, 4911.
[25] 王璐璐. MgO/LDPE納米復(fù)合材料耐電樹性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2011.
[26] 廖瑞金, 柳海濱, 柏舸, 等. 納米SiO2/芳綸絕緣紙復(fù)合材料的空間電荷特性和介電性能[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(12): 40-48.
Liao Ruijin, Liu Haibin, Bai Ge, et al. Space charge characteristics and dielectric properties of nano-SiO2/aramid paper composite[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(12): 40-48.
[27] 閆雙雙. 納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電樹枝及擊穿特性研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2018.
[28] Tanaka T. Dielectric nanocomposites with insulating properties[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5): 914-928.
[29] 廖瑞金, 項敏, 袁媛, 等. 納米Al2O3摻雜對絕緣紙的空間電荷及陷阱能級分布特征的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(3): 681-690.
Liao Ruijin, Xiang Min, Yuan Yuan, et al. Effects of nano-Al2O3on space charge behavior and trap energy distibution characteristics of insulation paper[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(3): 681-690.
Study on Trap Properties of Nano-MgO/Epoxy Resin Composites and Its Influence on Electrical Tree Properties
Cheng Zixia1Xing Weiwei1Zhang Yunxiao2Zhou Yuanxiang2,3Teng Chenyuan2
(1. School of Electrical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450001 China 2. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 3. The Wind Solar Storage Division of State Key Laboratory of Power System and Generation Equipment School of Electrical Engineering Xinjiang University Urumqi 830047 china)
With the continuous improvement of voltage level, the failure of insulation materials caused by the aging of electrical tree is becoming more and more serious. In order to study the effect of nano-MgO on the aging of epoxy resin electrical tree, nano-MgO/epoxy resin composites with different mass fractions (0~1%) were prepared, and the initiation and growth process of electrical tree were observed. The results show that the electrical tree resistance of nano-MgO/epoxy resin composites increases with the increase of filling ratiounder slight filling. When the mass fraction of nano-MgO is 1%, the tree initiation probability of nano-MgO/epoxy resin composites is reduced by 45%, the electrical tree length is reduced to about 1/3 of that of pure epoxy resin, and the corresponding AC breakdown field strength is increased by 14.1%. According to the analysis of the dielectric properties and trap properties, with the increase of filling ratio, the dielectric constant of the composite decreases and the trap energy level deepens. With the addition of nano-MgO, the trap energy level of the composite was increased, and the carrier mobility and concentration were decreased, which improved the electrical tree resistance of nano-MgO/epoxy resin composite.
Epoxy resin, nano-MgO, electrical tree, dielectric property, trap
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211131
TM215
國家自然科學(xué)基金(51907101,51977186)和新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題(LAPS20006)資助項目。
2021-07-20
2021-10-14
程子霞 女,1974年生,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。E-mail:chzx@zzu.edu.cn
周遠翔 男,1966年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。E-mail:zhou-yx@tsinghua.edu.cn(通信作者)
(編輯 李冰)