三元乙丙橡胶基复合介质的非线性电导和力学性能研究

作     者：张帅 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李长明

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 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：电缆附件 EPDM 非线性电导率 击穿场强 力学性能 

摘      要：高压直流电缆附件是输变电系统连接的关键核心部件,但其在运行时往往会产生电场集中,因此故障率也最高。目前较为常见的解决办法是采用具有非线性电导特性的橡胶基聚合物材料作为电缆附件的增强绝缘。为了获得良好的非线性电导特性,通常要在聚合物中掺杂大量的半导电填料,导致复合介质的击穿场强与力学性能下降。如何兼顾其非线性电导与击穿场强、力学性能就成为一个热点研究方向,相关研究对指导电缆附件工程应用具有重要价值。本文采用三元乙丙橡胶(EPDM)作为基体,将碳化硅颗粒(Si Cp)、碳化硅晶须(Si Cw)、碳化硅晶须/六方氮化硼(Si Cw/h-BN)分别作为功能填料。通过共混制备得到掺杂不同质量分数填料的Si Cp/EPDM、Si Cw/EPDM及Si Cw/h-BN/EPDM复合介质。系统研究填料形状、共掺杂等对复合介质的电学性能与力学性能的影响规律与机制。通过建立电缆附件中间接头模型,采用COMSOL Multiohyscis软件对其内部电场分布进行稳态与暂态电场条件下的仿真分析。研究结果表明,随着填料质量分数或测试温度的不断增加,Si Cp/EPDM、Si Cw/EPDM及Si Cw/h-BN/EPDM复合介质的电导率均随之升高,并且非线性电导阈值场强逐渐降低。电导非线性系数则随着填料质量分数的升高而升高,而随着温度的升高而下降。对比Si Cp/EPDM和Si Cw/EPDM复合介质的性能发现,在相同的填料掺杂含量时,Si Cw/EPDM复合介质兼具良好的非线性电导特性以及力学性能,但是在高填料掺杂含量时复合介质的击穿场强会严重劣化;对比Si Cw/EPDM和Si Cw/h-BN/EPDM复合介质发现,引入h-BN绝缘填料之后,复合介质的直流电导率略有下降,但仍然呈现出非线性电导特性,特别是击穿场强和力学性能均有改善。仿真研究结果表明,当选择经掺杂改性的三元乙丙基橡胶复合介质作为电缆附件的增强绝缘时,能够均化电缆附件空间电场分布,并且电场均化效果随电导非线性特性增强而更加显著。