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电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

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物理学报 2024年第7期73卷 40-51页

作者：李国倡郭孔英张家豪孙维鑫朱远惟李盛涛魏艳慧青岛科技大学先进电工材料研究院高压绝缘系统与先进电工材料山东省工程研究中心青岛266042 西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化... 详细信息

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

关键词：电缆附件硅橡胶力-热老化电-热-力场耦合仿真

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绝缘隔板对空气间隙放电光谱特性的影响及电荷演变机理

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中国电力 2024年第3期57卷 126-134页

作者：魏艳慧张连康许逢源韩颜泽朱远惟李国倡青岛科技大学先进电工材料研究院山东青岛266042 电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学) 陕西西安710049

在空间有限的开关柜等电力设备中,开展棒-板间隙放电的放电规律以及检测方法的研究具有重要意义。实验探讨了“棒电极-绝缘隔板-接地电极”系统中不同隔板材料、隔板位置时放电光谱的分布规律;采用表面电位计,计算分析了放电后绝缘隔板... 详细信息

在空间有限的开关柜等电力设备中,开展棒-板间隙放电的放电规律以及检测方法的研究具有重要意义。实验探讨了“棒电极-绝缘隔板-接地电极”系统中不同隔板材料、隔板位置时放电光谱的分布规律;采用表面电位计,计算分析了放电后绝缘隔板表面陷阱能级分布特征;通过建立等尺寸绝缘系统仿真模型,分析绝缘隔板的引入对电子密度、电场分布的影响,揭示放电机理。实验研究表明,绝缘隔板的引入,可以显著提高系统的击穿电压,最高可提升1.6倍。不同隔板材料对应的放电光谱特征信息有所不同,环氧树脂隔板的放电光谱强度整体较大,但在波段309.25 nm、589.05 nm处聚酯板的光谱强度略大于环氧树脂。此外,电极间距对放电光谱具有较大的影响。隔板材料表面存在明显的残余电荷,环氧树脂的电荷积聚高于聚酯板,对击穿电压的影响较大。仿真结果显示,隔板材料的改变会影响击穿电压的幅值,同时会改变微观粒子的物理运动,从而改变放电光谱。研究成果可为电力设备光谱放电监测和绝缘状态评估提供理论和实验指导。

关键词：空气间隙绝缘隔板光谱特性残余电荷仿真分析

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高低温和硬度对电缆附件硅橡胶材料绝缘性能的影响及机理分析

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高压电器 2024年

作者：张帆王景兵齐鹏帅周旭光张连康王家兴魏艳慧李国倡青岛科技大学先进电工材料研究院中车青岛四方车辆研究所有限公司

温度是影响电缆附件绝缘性能的关键因素。文中分析了不同硬度硅橡胶材料的红外光谱和玻璃化转变特性，测试分析了高低温环境-40～+60 ℃下不同硬度电缆附件硅橡胶材料的介电性能、电阻特性和击穿特性；从微观层面，通过计算分析不同温... 详细信息

温度是影响电缆附件绝缘性能的关键因素。文中分析了不同硬度硅橡胶材料的红外光谱和玻璃化转变特性，测试分析了高低温环境-40～+60 ℃下不同硬度电缆附件硅橡胶材料的介电性能、电阻特性和击穿特性；从微观层面，通过计算分析不同温度硅橡胶的自由体积和均方位移等参数，揭示了高低温对硅橡胶材料绝缘性能的影响机理。研究表明，随着温度升高，硬度40 HA硅橡胶相对介电常数从3.66下降到3.22，下降约12% ，相比而言90 HA硅橡胶下降约15%；两者介质损耗角正切值在-40～+60 ℃范围内均基本不变，平均值分别为1.46×10-3和1.57×10-3。这是由于温度的升高，硅橡胶分子均方位移增大，这种无序性运动阻碍了束缚电荷极化过程；此外，白炭黑含量增大会提高硬度90 HA硅橡胶的介电常数。随着温度的升高-40～+60 ℃，硬度40 HA硅橡胶材料体积电阻率从1.24×1017Ω·cm下降到1.14×1015Ω·cm；同一温度下硬度90 HA硅橡胶体积电阻率整体降低约1个量级。这主要与温度引起的载流子浓度、迁移率变化以及白炭黑的含量有关系。随着温度的升高-40～+60 ℃硬度40 HA硅橡胶击穿场强从39.29 kV/mm下降到23.98 kV/mm，下降约39%，同一温度下硬度90 HA的试样击穿强度略有降低。这是由于温度升高硅橡胶自由体积增大，导致电子自由行程变大，自由电子加速获得的能量更多；同时，白炭黑作为杂质引入会导致硅橡胶发生弱点击穿概率增加。该工作对于电缆附件异常分析和性能提升具有指导意义。

关键词：电缆附件硅橡胶高低温硬度

电缆附件用二元复合硅橡胶电气性能及机理分析

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绝缘材料 2024年第7期57卷 61-67页

作者：段玉兵马国庆杨晶晶郭昊魏艳慧李国倡国网山东省电力公司电力科学研究院山东济南250002 青岛科技大学先进电工材料研究院山东青岛266042

分子链结构对硅橡胶的电气绝缘性能具有较大影响,本文通过实验与分子模拟相结合的方法,探究不同比例、不同种类的硅橡胶共混对复合硅橡胶电气性能的影响规律及机理。结果表明:苯基/乙烯基共混硅橡胶(PMVQ/MVQ)的电气强度提升明显,苯基... 详细信息

分子链结构对硅橡胶的电气绝缘性能具有较大影响,本文通过实验与分子模拟相结合的方法,探究不同比例、不同种类的硅橡胶共混对复合硅橡胶电气性能的影响规律及机理。结果表明:苯基/乙烯基共混硅橡胶(PMVQ/MVQ)的电气强度提升明显,苯基硅橡胶质量分数为15%的PMVQ/MVQ复合材料体积电阻率为1.04×10^(16)Ω·cm,电气强度为106.87 kV/mm,与乙烯基硅橡胶相比分别提升了1.77倍和13.22%。三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶(FMVQ/MVQ)的介电性能得到改善,三氟丙基硅橡胶质量分数为15%的FMVQ/MVQ复合材料介电常数为3.74,与乙烯基硅橡胶相比提升了40.07%。分子模拟结果表明,苯基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随苯基硅橡胶含量增大而减小,三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随三氟丙基硅橡胶含量增大而增大,与复合硅橡胶击穿现象吻合。

关键词：苯基硅橡胶乙烯基硅橡胶氟硅橡胶击穿特性

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高压电缆半导电屏蔽料关键问题及研究进展

中国电机工程学报 2022年第4期42卷 1271-1284页

作者：李国倡魏艳慧雷清泉郝春成青岛科技大学先进电工材料研究院山东省青岛市266042

半导电屏蔽层作为高压电缆的重要组成部分,在电缆结构中起到均匀电场的作用。目前,我国高压电缆制造技术快速发展,然而高电压等级电缆料严重依赖进口,存在较多的技术壁垒。该文从高压电缆屏蔽料发展历程及关键问题、屏蔽料组成及关键性... 详细信息

半导电屏蔽层作为高压电缆的重要组成部分,在电缆结构中起到均匀电场的作用。目前,我国高压电缆制造技术快速发展,然而高电压等级电缆料严重依赖进口,存在较多的技术壁垒。该文从高压电缆屏蔽料发展历程及关键问题、屏蔽料组成及关键性能参数、屏蔽料性能提升及改性3个方面综述了高压电缆屏蔽料的研究进展。首先,梳理高压电缆半导电屏蔽料发展历程,提炼当前屏蔽料面临的主要技术瓶颈和关键问题;其次,探讨屏蔽料导电和导热机理,从基体树脂、导电填充物和添加剂3个方面分析屏蔽料组成及性能,分析不同电压等级屏蔽料关键性能参数与技术要求;最后,探讨半导电屏蔽层配方,半导电屏蔽层–绝缘层界面特性和半导电屏蔽层性能对绝缘层电荷积聚特性的影响,并提出通过半导电屏蔽层改性抑制高压直流电缆绝缘层电荷积聚的方法。该文所做工作可为我国高压电缆半导电屏蔽料的研发、高压电缆性能评估提供理论参考。

关键词：高压电缆半导电屏蔽料导电填充物电阻率稳定性空间电荷

绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布的影响

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电工技术学报 2022年第15期37卷 3932-3940页

作者：魏艳慧郑元浩龙海泳李国倡李盛涛青岛科技大学先进电工材料研究院青岛266042 特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司新泰271200 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

高压电缆电场和温度场分布是绝缘层厚度设计需要重点考虑的因素。该文建立了高压直流电缆电-热耦合仿真模型;测量并分析电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性随温度的变化规律;计算绝缘层厚度对电缆电场和温度场的影响规律,讨... 详细信息

高压电缆电场和温度场分布是绝缘层厚度设计需要重点考虑的因素。该文建立了高压直流电缆电-热耦合仿真模型;测量并分析电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性随温度的变化规律;计算绝缘层厚度对电缆电场和温度场的影响规律,讨论了载流量和敷设方式对不同绝缘层厚度电缆温度场分布的影响。实验结果表明,随着温度的升高(25~90℃),XLPE电阻率下降2~3个数量级,半导电屏蔽层则由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm;整体上,半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍。将实验参数代入仿真模型,发现绝缘层厚度从20mm增加至35mm时,绝缘层内侧电场降低约34%,绝缘层内外温差增加约54%;随着载流量的增加,绝缘层温差由800A的3.5℃增加到2400A的31.4℃;三种敷设方式散热效率由高至低依次为隧道敷设、直埋敷设和管道敷设。

关键词：高压直流电缆绝缘厚度电场温度场载流量电缆敷设方式

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

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物理学报 2013年第5期62卷 585-594页

作者：李盛涛李国倡闵道敏赵妮西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象,一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一.考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导,建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模... 详细信息

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象,一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一.考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导,建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型.通过求解电荷连续性方程和泊松方程,可以得出不同能量(0.1—0.5MeV)电子辐射下,低密度聚乙烯(厚度为1mm)介质中的电荷输运特性.计算结果表明,不同能量的电子辐射下,介质充电达到平衡时,最大电场随入射能量的增加而减小;同一能量辐射下,最大电场随束流密度的增大而增加.入射电子能量较低时(0.3MeV),最大电场随束流密度的变化趋势基本相同.具体表现为:当束流密度大于3×10-9A/m2时,最大场强超过击穿阈值2×107V/m,发生静电放电(ESD)的可能性较大.随着入射电子能量的增加,发生静电放电(ESD)的临界束流密度增大,在能量为0.4MeV时,临界束流密度为6×10-8A/m2.当能量大于等于0.5MeV时,在束流密度为10-9—10-6A/m2的范围内,均不会发生静电放电(ESD).该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下深层带电程度及防护设计具有重要的意义.

关键词：高能电子辐射低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电电导特性

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空间介质充放电研究现状及展望

科学通报 2017年第10期62卷 990-1003页

作者：李盛涛李国倡西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

空间环境与航天器介质材料相互作用引起的介质充放电现象是威胁航天器安全运行的重要因素之一.尤其是随着航天器工作电压的提高,该问题尤为突出,严重制约了高电压、大功率航天器的发展.本文综述了国内外空间介质充放电领域的研究现状、... 详细信息

空间环境与航天器介质材料相互作用引起的介质充放电现象是威胁航天器安全运行的重要因素之一.尤其是随着航天器工作电压的提高,该问题尤为突出,严重制约了高电压、大功率航天器的发展.本文综述了国内外空间介质充放电领域的研究现状、存在的问题及未来发展.首先,介绍了空间介质充放电现象及其危害,当前我国航天器发展对空间介质的工程需求;分析了空间介质充放电发展历程及新时期深空探测、国际空间站的发展对空间介质的新要求和挑战.其次,从介质充放电机理、放电抑制措施、数值计算和计算机仿真等方面,总结了介质表面充放电和介质深层充放电的研究现状和存在问题.再次,介绍了空间介质充放电试验与材料特性的研究热点问题.包括:电子辐射下表面电位衰减与材料特性;电子辐射下介质内部空间电荷原位测量与材料特性;电子辐射下介质真空沿面闪络特性.最后,结合当前研究中存在的问题,展望了空间介质带电领域亟需解决的科学问题.

关键词：空间环境介质充放电效应机理分析与数值仿真介质充放电试验

空间电子辐射环境中绝缘介质电荷沉积特性及陷阱参数研究综述

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物理学报 2019年第23期68卷 10-18页

作者：李国倡李盛涛青岛科技大学先进电工材料研究院青岛266042 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

空间电子辐射环境中绝缘介质充放电特性与介质表面电荷交换过程或内部电荷迁移过程密切相关.介质表面/内部电荷运动很大程度上取决于材料的微观特性,空间电荷与陷阱是反映绝缘介质微观特性的重要参数.本文综述了电子辐射环境中绝缘介质... 详细信息

空间电子辐射环境中绝缘介质充放电特性与介质表面电荷交换过程或内部电荷迁移过程密切相关.介质表面/内部电荷运动很大程度上取决于材料的微观特性,空间电荷与陷阱是反映绝缘介质微观特性的重要参数.本文综述了电子辐射环境中绝缘介质内部空间电荷和陷阱的形成、作用机理、测量方法、存在的问题及国内外研究现状.首先,简要介绍了入射电子与介质材料的相互作用机理及沉积电荷的形成;分析了电子束辐射下介质内部电荷迁移模型,辐射诱导电导模型(RIC模型)和电子-空穴对的产生/复合模型(GR模型)的优缺点;对比分析了经典电声脉冲法(PEA)以及适用于电子束辐射下空间电荷测量的"短路PEA"和"开路PEA",并总结了电子辐射下PEA装置设计中存在的主要技术难点;其次,简要介绍了电子束辐射下陷阱的形成及作用机理,分析了聚合物介质陷阱参数的提取方法,如热刺激电流法、表面电位衰减法(电晕注入方式或电子辐射方式)、空间电荷衰减法,指出在同一真空环境中完成电子注入和表面电位测量的方法较适合空间介质材料陷阱参数的表征,并以聚酰亚胺为例,进行了陷阱参数提取;最后,从理论模型、参数表征和测量技术等方面,展望了空间绝缘介质亟需解决的科学问题.

关键词：空间辐射环境空间电荷特性陷阱分布电声脉冲法