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探讨碳化硅在绝缘子气-固界面电荷调控的应用可行性

2020-06-30 192 上传者：管理员

摘要：盆式绝缘子表面电荷累积可能导致高压直流（HVDC）气体绝缘设备绝缘子附近电场畸变。基于非线性材料具有根据外界电场变化而自适应调节其电导的特性，本文探究了碳化硅在绝缘子气-固界面电荷调控的应用可行性，验证了掺杂碳化硅的环氧基材料电荷消散性能，研究了掺杂不同质量分数碳化硅的绝缘子的直流沿面闪络特性。结果表明，碳化硅掺杂的环氧基绝缘材料具备电导非线性特征；当碳化硅质量分数超过20%，盆式绝缘子沿面闪络性能得以提升；而支柱绝缘子的直流性能随掺杂量升高而降低。

关键词：
GIL
GIS
沿面闪络
表面电荷
非线性材料
非线性特征
非线性科学
高压直流
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１、引言

针对GIS/GIL内部盆式绝缘子三界面结合点处存在的电场畸变问题，往往通过在盆式绝缘子高压导体附近设置均压环，以及在接地法兰附近设置屏蔽环来解决[1,2,3,4,5,6]。自20世纪60年代以来，研究者开始对非线性复合材料进行研究和探索，尝试寻找能随外界电场变化而自适应调节本身电导特性的智能材料，从而起到均化电场的目的[7,8]。目前，碳化硅以其优异的非线性特性，便宜的价格，优良的热性能及抗老化性能，被广泛应用于高压发电机及电动机定子绕组端部绝缘，中高压套管，电缆端头等领域[9,10,11,12]。将碳化硅等非线性材料应用于高压直流盆式绝缘子可能对提升绝缘子性能具有一定的效果[13,14]。

本文研究了环氧基三氧化二铝及非线性材料碳化硅复合电介质材料制备工艺，测试了不同SiC掺杂含量的环氧基氧化铝复合材料电荷积聚及电荷消散特性；尝试采用非线性材料掺杂的方法对盆式绝缘子模型及支柱绝缘子模型进行直流电压下的局部电场优化，结合SF6下的沿面闪络试验结果，探究了非线性材料在直流盆式绝缘子及支柱绝缘子中应用可行性；给出不同掺杂方法的优势及不足，探讨了非线性材料在直流绝缘件的应用前景及直流绝缘件的设计方法。

2、试验介绍

2.1环氧基碳化硅复合材料的制备

碳化硅微粉采用轮邦科技有限公司生产的微米级碳化硅颗粒。环氧基碳化硅复合材料的制备工艺如下：

将一定质量分数（10%～35%）的碳化硅微米颗粒同三氧化二铝微米颗粒在干燥状态下混合均匀，作为复合材料的填充料；

将混好的填充料、环氧树脂与涂好脱模剂的模具（表面采用镜面抛光技术进行处理）分别放入鼓风干燥箱，在130℃下充分预热；

将预热好的填充料和环氧树脂，以及固化剂按照质量比330:100:38进行称量，并将填充料与环氧树脂在130℃条件下进行混合，混合充分后的复合材料放入温箱抽真空1h；

取出复合材料，混入固化剂搅拌均匀后，倒入模具，并将模具放入温箱抽真空约30min；

将模具转移至鼓风干燥箱，在130℃条件下固化12h后，将样品从模具中取出，并将其用铝箔包裹好后放入温箱，继续固化16h后取出晾干，冷却后进行局部的表面处理。

图1为环氧基碳化硅复合材料制备使用的样品及模具的照片。制样过程中发现，掺杂不同质量分数的碳化硅对固化过程无明显影响，然而，较高质量分数的碳化硅掺杂下，环氧基体固化前会变得更粘稠，从而阻碍混料的均匀性。因此，在工业制备大尺寸绝缘子过程中，应该尽量避免掺杂质量分数高于35%的碳化硅。此外，掺杂高质量分数碳化硅的环氧样件未观察到明显的颗粒沉降现象。

图1环氧基碳化硅复合材料制备使用的样品及模具照片

图2为环氧基碳化硅/氧化铝复合材料填充料及试验样品宏观和微观表征。可见，碳化硅和氧化铝颗粒的粒径分布大致在10-40μm之间；采用上述工艺制备的样品表面光洁度高，掺杂后的环氧基复合材料内部颗粒分散均匀。

2.2碳化硅掺杂样品试验工装及沿面闪络测量平台

掺杂碳化硅的非线性复合绝缘材料被制备成盆式绝缘子模型和支柱绝缘子模型，用于测试直流SF6下沿面闪络性能。图3为模型绝缘子工装示意图。盆式绝缘子模型被安装于GIL模型壳体内部，母线一端与高压侧相连，另一端通过连接均压球进行均压；支柱绝缘子形状与国产110kVGIS支柱绝缘子形状相同，其顶端安装一支均压屏蔽铝电极，该电极与高压侧相连接，底部通过一个光滑铝板进行接地。试验时，将该工装放入220kV的GIS试验腔室内部，高压端同GIS中央母线相连接，接地法兰同GIS外壳连接。

图3模型绝缘子工装示意图：（a）盆式绝缘子试验工装实物图（b）盆式绝缘子模具（c）盆式绝缘子试验工装示意图（d）支柱绝缘子试验工装

试验步骤如下：

将样品表面通过接地的酒精布擦拭干净，晾干后组装完成并放入试验腔室，高压端和接地端连接妥当后，将端盖盖好密封，通过一台SF6回收装置对腔室抽真空10分钟，充入SF6气体至表压达到0.4MPa（绝对气压0.5MPa）；

以5kV/s速率提升试验电压，直至沿面闪络发生，记录闪络时刻的电压示数；

回收腔室内的SF6气体，开盖，取出样品；

更换新样品，重复步骤1～3。

每次试验完成之后，采用一个新的盆式绝缘子或者支柱绝缘子进行第二次耐压试验，每种掺杂的样品取5个完成5次沿闪试验，记录闪络电压。

3、非线性材料掺杂在气-固界面电荷调控的可行性分析及验证

3.1环氧基SiC复合材料的非线性特性

图4不同掺杂量的复合材料在不同电场强度下的电导率分布图

本文所用碳化硅微粉购于鑫铁金属材料有限公司。样品制备过程中，粒径越细，混料过程中界面的增加而产生附加作用力，混合料液将会变得粘稠，这将增加浇注难度，导致废品率的提高。因此，从样品非线性特性及经济型角度综合考虑，决定选取粒径为800目的碳化硅微粒来完成后续的样品测试及绝缘子制备。图4所示为不同掺杂量的复合材料在不同电场强度下的电导率分布，可得到如下规律：

样品电导率与掺杂含量和外施电场存在正相关的关联关系，特别对于高掺杂量和高场下该特征更为明显；

在电场强度为1～4kV/mm下，不同掺杂量样品的电导率相对较低；

当电场强度超过5kV/mm之后，样品电导率出现明显的上升，且掺杂质量分数越高，电导率越高。

3.2环氧基SiC复合材料电导率的温度依赖关系

图5为未掺杂碳化硅，以及掺杂碳化硅质量分数分别为15%和30%的复合材料在20℃和70℃下电导率随场强变化图（T_SiC_R：T代表测试温度，R代表掺杂碳化硅的质量分数比），可得到如下结论：

未掺杂碳化硅的样品，其体电导率随外加电场增加而略有上升，但始终低于1×10-14S/m，掺杂碳化硅的样品，其电阻率随电场升高而增加的现象比较明显；

在温度为70℃情况下，未掺杂碳化硅和掺杂碳化硅的样品体电导率较温度为20℃时均有所升高，升高幅度能够达到一个数量级，另外，不同温度变化对掺杂有碳化硅微粒样品的非线性性能影响不大；

当温度为70℃情况下，掺杂碳化硅质量分数为15%和30%的样品在电场强度为6kV/mm下，体电导率能够达到6×10-13S/m和4×10-12S/m，远远高于未掺杂样品在同等测试环境下的电导率（4×10-14S/m）。

图5不同掺杂量的复合材料在不同电场强度及不同温度下的电导率分布图

3.3环氧基SiC复合材料电荷消散特性

上一节提到，当外加电场超过4kV/mm后，掺杂碳化硅的复合材料才能表现出较好的非线性特性，因此，掺杂碳化硅的复合材料需要在外加电场作用下才能具有较好的电荷消散性能。由于直流作用下绝缘材料表面电荷积聚及电荷消散是同步进行的，而表面电荷则是通过对表面电势测量来反应的，直流电压施加过程中会引入电荷的积聚，这个过程将对电荷消散的测量带来影响。基于以上原因，确定了碳化硅复合材料消散试验方案：采用电晕处理的方法使表面引入电荷，选择交流电压作为激励，为碳化硅复合材料提供电场环境，这样就可以不用考虑电荷积聚过程对消散过程带来的影响，从而对电荷消散特性进行单一变量的研究。

图6电荷消散试验方案示意图

选取三种碳化硅掺杂量的复合材料作为试验用样品，分别为：未添加碳化硅的复合材料，掺杂碳化硅质量分数为15%的复合材料，以及掺杂碳化硅质量分数为30%的复合材料。图6所示为电荷消散试验方案示意图。电荷消散试验步骤为：首先在空气中对试验样品进行电晕处理，电晕针电压为3.5kV，处理时间为10s，对完成表面充电的样品表面电势进行测量；将样品放入密闭容器中的球-板电极之间，抽真空至气压低于10Pa后通入0.2MPa的SF6气体，然后在在球电极施加交流电压分别为20kV和30kV（峰值）30s后，将SF6气体排出，取出样品，测量表面电势，测量结果只取最大值。

图7为不同试样表面电势衰减试验结果（S_15：掺杂碳化硅质量分数为15%的复合材料，S_30：掺杂碳化硅质量分数为30%的复合材料），可以得出如下结论：

电晕充电后，表面电势最大值约为3100V；

经电场处理后的样品表面电势衰减程度取决于SiC含量和外施作用场强大小，尤其是高场强、高SiC含量的样品，表面电势衰减最为明显；

对于未掺杂碳化硅的样品而言，电场处理后，表面电势最大值衰减也有所增加，然而并不很明显。

图7不同电场作用下表面电势衰减趋势图

4、直流沿面闪络测试及结果分析

样品被制备成盆式绝缘子模型及支柱绝缘子模型来进行SF6下的直流耐压试验，碳化硅掺杂的质量分数从5%到30%。

图8所示为不同碳化硅掺杂质量分数盆式绝缘子模型直流沿面闪络电压分布图，随着掺杂碳化硅质量分数从5%上升至30%过程中，其沿面闪络电压由未掺杂的-280kV下降到-245kV左右（掺杂量为5%和10%），当掺杂量继续增加，则沿面闪络电压出现上升的趋势，最高可以达到-293kV左右（掺杂量为20%和25%），当掺杂量为30%时，其沿面闪络电压又出现下降的趋势。

图9所示为不同碳化硅掺杂质量分数的支柱绝缘子直流沿面闪络电压分布图，随着掺杂碳化硅质量分数的增加，直流沿面闪络值整体呈现降低的趋势，从5%上升至25%过程中，其沿面闪络电压由未掺杂的-420kV下降到约为-180kV（掺杂量为20%和25%），另外沿闪分散性也增加，特别是掺杂量在5%到15%之间。

图8不同碳化硅掺杂质量分数盆式绝缘子模型直流沿面闪络电压分布图

对于盆式绝缘子和支柱绝缘子出现的低掺杂量下沿闪电压下降的现象，其原因可能是由于较低的掺杂量很可能导致混料过程中出现局部混料不均匀，在电场作用下则出现局部畸变较为严重的情况，这样则会诱发低电压下的放电发生；盆式绝缘子在掺杂量提高后，沿闪电压出现上升趋势，这很可能是由于随着碳化硅含量提高，局部畸变的电场得到了优化，且表面积聚电荷能够快速消散，然而，掺杂有质量分数为30%的碳化硅在运行过程中泄漏电流也随之增大，这将导致电场的优化和电能的节约二者之间形成矛盾。对于支柱绝缘子而言，非线性材料的掺杂并未得到理想的效果，沿面闪络电压值随掺杂量的提升而出现明显的降低趋势，这可能与支柱绝缘子的电场分部有关，其平行于绝缘子表面的水平电场分量占主导，原本表面很少存在电荷积聚的情况，然而，由于非线性材料的引入，导致端部较强的电场方向发生改变，引入了水平电场分量，这将导致空间存在带电离子沿电场线迁移，并入陷于表面，这部分电荷增加了系统在直流状态下的稳定性，导致沿面闪络在较低的电压下发生。另外，升压方式也可能对测量结果产生影响：直流加压采用的是均匀升压，其绝缘件耐受在一定程度上取决于容性分布，从而在一定程度上降低了表面电荷在诱发闪络过程中的作用权重。

图9不同碳化硅掺杂质量分数支柱绝缘子模型直流沿面闪络电压分布图

5、结论及展望

本文通过掺杂非线性材料改性手段探究了非线性材料在直流绝缘件中的应用可行性。非线性材料具有很好的电特性自适应能力，另外，通过掺杂手段对环氧基复合绝缘材料绝缘件进行改性的方法来提高绝缘材料电学性能往往更容易被企业所接受，这是由于基于掺杂的改性方法可以利用现有的工艺手段来完成，不需要新增处理环节。

然而，从本文实验结果来看，将碳化硅作为填充料掺杂到盆式绝缘子和支柱绝缘子中，针对支柱绝缘子而言，并未取得直流耐压提升的效果；盆式绝缘子也仅在掺杂量分数高于20%时闪络性能略有提高。然而，对盆子整体进行高含量的掺杂将导致泄漏电流的增加，电能损失也需要作为一个重要的指标来进行综合考量。

在今后的研究中，仍需要对材料非线性特征进行更为充分的研究，结合仿真分析，在确保泄漏电流得到抑制的基础上，提升绝缘件电学性能。可以通过考虑梯度材料或者局部掺杂的方法，来针对性地对局部电荷畸变点进行材料性能调控；运行过程中绝缘件内部及表面存在的温度梯度分布也需要针对性的进行考量[15,16,17]；另外，采用形状改良来调整电荷积聚位置，结合分段掺杂的手段来对电荷进行集中控制和消散的方法，能够在抑制泄漏电流的前提下，有效控制并消散表面电荷[18,19,20,21,22,23]。

参考文献：

[1]汤广福,庞辉,贺之渊.先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J].中国电机工程学报,2016,36(7):1760-1771.

[4]齐波,张贵新，李成榕，等.气体绝缘金属封闭输电线路的研究现状及应用前景[J].高电压技术，2015，41(5)：1466-1473.

[6]刘创华,何金,张春晖，等.GIS局部放电时域波形图像的模式识别方法[J].电力系统及其自动化学报,2019,网络首发.

何顺,李传扬,林川杰,胡军,何金良,孙兆晨.非线性材料在气-固界面电荷调控中的潜在应用可行性分析及验证[J/OL].电力系统及其自动化学报:1-7[2020-06-28].

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期刊名称：系统科学学报

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主管单位：山西省教育厅

主办单位：太原理工大学

出版地方：山西

专业分类：科学

国际刊号：1005-6408

国内刊号：14-1333/N

创刊时间：1993年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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