晶须复配非线性电导材料性能及其电场调控优化研究

作     者：龚阳智 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：卞星明;杨威

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：非线性电导 复配改性 复合绝缘子 电场调控 

摘      要：非线性电导复合材料具有随外加电场强度变化而改变电导率的特性,对于场强分布极不均匀的高压设备而言,非线性电导复合材料提供了一种自适应地进行局部电场调控的方法,较传统的优化绝缘结构的均压方法而言,其在设计制造方面相对简单,有利于设备集约化布置。目前,非线性电导复合材料普遍存在填料体积分数较高的问题,影响了材料综合性能的优化,亟待研究解决。本研究制备了单一粒径碳化硅颗粒(SiCp)填充的硅橡胶(SR)基复合材料,材料在30vol%的较高体积分数下才能获得低于0.1MV/m的阈值场强,根据填料体积分数和粒径对复合材料电导率、介电和力学性能的影响,选择10μm SiCp与一维碳化硅晶须(SiCw)进行复配改性,以减小填料粒径和填充量,提升综合性能。研究发现,不同形状填料复配改性的15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR复合材料的阈值场强远低于同体积分数单一粒径颗粒填充的复合材料,差距为2.04MV/m。与更大粒径更高填充量的30vol%40μm SiCp/SR相比,其低场强下的电导率是后者的137%,非线性系数是后者的128%,拉伸强度几乎达到后者的两倍。不同形状填料复配改性的非线性电导材料相较于大粒径高填充量的单一粒径颗粒填充材料具有更佳的非线性电导性能和力学性能,以及基本相当的介电性能,说明三维SiCp与一维SiCw复配改性能够在提升复合材料综合性能的同时,减小填料粒径和填充量。本研究仿真探究了非线性电导材料关键参数对500kV交流线路复合绝缘子电场调控效果的影响规律。结果表明,当材料阈值场强低于其所在位置的外加场强时,材料能降低绝缘子端部的高场强,阈值场强降低、非线性系数增大可进一步提升该效果。根据实测参数,仿真计算了所制备的SiC/SR材料对500kV交流线路复合绝缘子的电场调控效果。结果表明,15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR可将绝缘子高压端伞裙护套表面的场强最大值从1.70MV/m降至0.76MV/m,降幅达55%,强于30vol%40μm SiCp/SR所达到的47%的降幅,证明了复配改性对材料非线性电导性能的提升作用明显,电场调控效果较大粒径高填充的SiCp/SR更优异。在此基础上,提出采用15vol%SiCp+5vol%SiCw/SR复合材料与均压环协同调控绝缘子电场分布的方案,该方案与均压环单独进行电场调控相对比,护套表面场强降至0.465MV/m左右所需的均压环尺寸从47mm减小到30mm,降幅达36%。更进一步地,协同调控时均压环的罩入深度还可由50mm降至30mm,仍满足场强小于0.5MV/m的指标。