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日期:2020-12-15瀏覽:1625次
目前,改善絕緣設(shè)備或部件整體電場分布均勻程度的傳統(tǒng)方法主要包括:改變電極形狀、在絕緣介質(zhì)內(nèi)嵌入金屬起到內(nèi)屏蔽作用、在絕緣介質(zhì)內(nèi)部加多層平行電容極板、在絕緣介質(zhì)表面或外圍布置均壓環(huán)作為中間電極、安裝并聯(lián)的均壓電容等。與采用各種外部措施的傳統(tǒng)方法相比,通過各種手段調(diào)節(jié)絕緣電介質(zhì)材料自身的性能參數(shù)實現(xiàn)改善絕緣設(shè)備或部件電場分布均勻程度的效果,在實際均壓效果、以及降低設(shè)備設(shè)計和制造難度等方面都具有明顯的優(yōu)勢。目前此類復(fù)合材料主要包括:恒定參數(shù)的高電導(dǎo)或高介電復(fù)合材料,以及具有與外加電場相關(guān)的非線性壓敏電導(dǎo)或非線性介電特性的復(fù)合材料。
恒定參數(shù)高電導(dǎo)復(fù)合材料在絕緣設(shè)備或部件均壓方面的典型應(yīng)用是廣泛用于預(yù)制電纜終端結(jié)構(gòu)中的橡膠應(yīng)力錐。采用高相對介電常數(shù)復(fù)合材料套管也可以改善電纜終端電場分布的均勻程度,同時相比采用高電導(dǎo)復(fù)合材料的橡膠應(yīng)力錐,其結(jié)構(gòu)上更加簡單、緊湊,電場改善效果更為理想。目前,高相對介電常數(shù)復(fù)合材料套管已有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)用于中壓電纜系統(tǒng)。用于制備高相對介電常數(shù)復(fù)合材料的填料已擴(kuò)展到碳納米管,Al 和Ag 等金屬粒子,聚苯胺(PANI)等導(dǎo)電高分子顆粒, BaTiO3 等高相對介電常數(shù)陶瓷顆粒,以及 TiO2 等氧化物顆粒等。
L.G. Virsberg 等早提出了采用非線性特性材料改善電場分布的設(shè)想。ABB 公司的研究人員研究了采用非線性電導(dǎo)復(fù)合材料替代恒定參數(shù)高電導(dǎo)復(fù)合材料作為電纜套管的技術(shù)方案,及其對電場分布均勻性的改善效果[8-9]。分析結(jié)果表明,非線性介電復(fù)合材料相比恒定參數(shù)高相對介電常數(shù)復(fù)合材料,對電場分布均勻性的改善效果有顯著的提升。
Manchester 大學(xué)的 Varlow 和 Auckland 等較早對采用多種聚合物基體和無機(jī)填料合成的非線性電導(dǎo)復(fù)合材料的特性進(jìn)行了較為廣泛深入的研究。另外,研究者通過以陶瓷燒結(jié)工藝制備的ZnO 壓敏
陶瓷粉體為填料,使得復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)性能得到了很大提高,并實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。在,哈爾濱理工大學(xué)和西安交通大學(xué)等也開展了非線性電導(dǎo)或介電復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究。
從實際應(yīng)用效果的角度考慮,兼具非線性電導(dǎo)和非線性介電特性的復(fù)合材料是更為理想的方案。對于交流系統(tǒng)中絕緣介質(zhì)上由外加電壓導(dǎo)致的不均勻電場,希望能夠以非線性介電特性為主導(dǎo)因素改善電場分布,避免大的泄漏電流和介質(zhì)損耗;同時復(fù)合材料具有的非線性電導(dǎo)特性也能對空間電荷積累產(chǎn)生有效的消散作用,避免因其導(dǎo)致的局部電場集中。對于直流系統(tǒng),在正常工況下由復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性主導(dǎo)改善外部電壓以及空間電荷導(dǎo)致的不均勻電場,在各種暫態(tài)電場作用下則可以發(fā)揮非線性介電特性的作用。對于兼具非線性電導(dǎo)和非線性介電特性的復(fù)合材料,Argaut 等發(fā)表過相關(guān)論文,但受到了 ABB 研究者的質(zhì)疑。近年來ABB 公司的Donzel 等報道的以ZnO 壓敏陶瓷作為填料的復(fù)合材料,除了非線性電導(dǎo)特性之
外,實際上還應(yīng)該同時存在非線性的壓敏介電特性,只是未被研究者予以考慮和研究而已。針對上述觀點,本實驗室先前研究成果應(yīng)經(jīng)從仿真和實驗上得到了初步的證明。
面向高電壓等級、多類型電力絕緣均壓需求,開展兼具非線性電導(dǎo)和介電特性的復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,有助于更有效、廣泛地解決高電壓等級電力系統(tǒng)絕緣設(shè)備或部件電場分布不均勻的難題,尤其對于相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,具有填補(bǔ)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究空白的作用,價值和意義更為顯著。
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