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现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化研究进展

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高电压技术 2024年第2期50卷 621-633页

作者：武康宁程卓林李柔李建英李盛涛西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状... 详细信息

现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化功耗随时间持续降低,完全不同于功耗不断上升的传统老化现象,给基础老化理论和工程应用均带来了巨大挑战。这种反常的老化现象已经超出了经典离子迁移老化理论的范畴,其非阿雷尼乌斯特征也使实际状态评估和寿命预测难以开展。文中详述了现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的直流老化及恢复特征:正向伏安特性在直流老化后存在“交叉”现象;老化过程可逆,试样充分恢复后能达到其未老化状态。离子重排(donorionredistribution,DIR)老化模型可合理解释氧化锌压敏陶瓷的直流老化现象。氧化锌压敏陶瓷的老化功耗取决于界面态消耗与耗尽层离子“U”型分布之间的竞争,前者导致功耗上升而后者有利于功耗降低。稳定型氧化锌压敏陶瓷的势垒界面态在高温、缺氧气氛等条件下不能保持稳定,其原本下降的功耗也能转变为不断上升。此外,广为应用的功耗(泄漏电流)具有显著的电压依赖特性,并不能反映氧化锌压敏陶瓷真实的老化状态,反向老化系数则有望成为一种有效的老化状态表征参数。通过深化现代稳定型氧化锌压敏陶瓷的老化现象、老化机制及状态评估的认识,本文旨在推进我国高性能氧化锌压敏陶瓷生产制造和高端避雷器发展。

关键词：氧化锌压敏电阻老化过电压保护避雷器状态评估

UV-A辐射对外绝缘用液态硅橡胶和高温硫化硅橡胶的影响及其机理

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中国电机工程学报 2021年第5期41卷 1575-1587页

作者：林荧刘育豪武康宁王黎明丁立健合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽省合肥市230009 清华大学深圳国际研究生院广东省深圳市518055 电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049

在强紫外环境下,外绝缘用硅橡胶材料(高温硫化(HTV)硅橡胶和液态硅橡胶(LSR))的老化将会威胁输电线路的安全运行。为研究UV-A紫外辐射对二者的影响,该文对UV-A辐射老化后的HTV硅橡胶和LSR进行X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR... 详细信息

在强紫外环境下,外绝缘用硅橡胶材料(高温硫化(HTV)硅橡胶和液态硅橡胶(LSR))的老化将会威胁输电线路的安全运行。为研究UV-A紫外辐射对二者的影响,该文对UV-A辐射老化后的HTV硅橡胶和LSR进行X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶红外光谱(FTIR)等微观结构,以及耐热特性、机电特性和交联密度等宏观性能的测试。研究发现,1000h UV-A老化后,HTV硅橡胶表面碳元素含量减少13.4%,氧元素含量增加10.0%,甲基含量、热稳定性和力学强度下降。但是,LSR表面碳元素含量增加5.8%,氧元素含量下降7.6%,Si(—O)4结构减少,甲基含量增加65.7%,热稳定性增加。分析结果表明,UV-A老化中二者的差异主要是由交联结构、ATH含量,以及含氢硅油造成。最后,基于提出的LSR在UV-A老化过程中发生的提氢反应,建议通过减少含氢硅油的含量和增加生胶的分子量提高LSR的耐UV-A老化性能。该文可为理解外绝缘用硅橡胶材料的紫外老化特性提供支撑,也可用于指导高海拔地区的外绝缘材料选型。

关键词： UV-A辐射高温硫化硅橡胶液态硅橡胶提氢反应机电特性

尖晶石型CuAl_2O_4掺杂对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷介电性能的影响

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无机材料学报 2015年第10期30卷 1056-1062页

作者：李建英侯林林贾然高璐武康宁李盛涛西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

研究了尖晶石型Cu Al2O4掺杂对Ca Cu3Ti4O12陶瓷显微结构、介电性能以及松弛特征和缺陷结构的影响。在频率为10-1～107 Hz、温度为153～453 K的条件下测量了样品的介电性能。研究表明,适量添加Cu Al2O4,使样品晶粒尺寸减小并趋于均匀,... 详细信息

研究了尖晶石型Cu Al2O4掺杂对Ca Cu3Ti4O12陶瓷显微结构、介电性能以及松弛特征和缺陷结构的影响。在频率为10-1～107 Hz、温度为153～453 K的条件下测量了样品的介电性能。研究表明,适量添加Cu Al2O4,使样品晶粒尺寸减小并趋于均匀,击穿场强从Ca Cu3Ti4O12陶瓷样品的3.0 k V/cm提高到13.0 k V/cm,低频介电损耗减小。介电松弛中的高频松弛过程起源于晶粒本征缺陷的电子松弛过程,其活化能～0.10 e V基本不变;随着Cu Al2O4含量增加,与界面相关的松弛活化能从0.50 e V减小到0.22 e V,可能与Cu Al2O4在样品中引入杂质及更复杂的界面有关;电导活化能从0.66 e V增至0.86 e V,归因于Cu Al2O4第二相抑制了晶界处的载流子跳跃,提高了Schottky势垒高度。Cu Al2O4掺杂量大于100mol%,过量Cu Al2O4会导致样品晶界势垒崩塌,样品失去非欧姆特性和巨介电性能。

关键词： CaCu3Ti4O12 介电性能压敏特性

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电介质的衍生对导数介电分析方法及其应用

高电压技术 2020年第2期46卷 640-647页

作者：武康宁黄雨薇王子悦朱远惟李建英西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司西安710075

电介质的性能劣化往往率先体现为其高温低频介电特性的变化,因此完善对电介质高温低频介电响应特性的认识,对进一步理解其劣化机制、优化状态评估技术具有重要意义。然而具有长松弛时间的介电松弛过程往往和直流电导耦合在一起,高温低... 详细信息

电介质的性能劣化往往率先体现为其高温低频介电特性的变化,因此完善对电介质高温低频介电响应特性的认识,对进一步理解其劣化机制、优化状态评估技术具有重要意义。然而具有长松弛时间的介电松弛过程往往和直流电导耦合在一起,高温低频段的介电松弛过程被直流电导分量掩盖,无法对其进一步研究。甚至在一些介电谱图中,直流电导过程由于能够表现出与松弛过程相似的频率和温度依赖特性而被误作介电松弛处理,更加增加了认识电介质中低频松弛响应的难度。因此提出一种衍生对导数法,仅将松弛过程以松弛峰的形式呈现出来而不包含直流电导分量。选取电力设备中常见的3种典型工程电介质:环氧树脂、油纸绝缘和氧化锌压敏陶瓷为例,应用衍生对导数法,分别从直流电导掩盖中有效地分离出新的低频介电松弛过程;基于其响应特性讨论了在不同电介质中高温低频介电松弛可能的物理机制;为进一步理解工程电介质劣化微观机制及完善其状态评估技术提供基础。

关键词：工程电介质介电松弛直流电导环氧树脂油纸绝缘氧化锌

粉体合成方法对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷介电性能的影响

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西安交通大学学报 2016年第4期50卷 117-123页

作者：高璐李建英贾然侯林林武康宁李盛涛西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

为了深入研究粉体合成方法对CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷介电松弛机理以及缺陷结构的影响,对比了固相反应法和溶胶凝胶法合成CCTO陶瓷的介电性能,并且在此基础上引入了CCTO陶瓷的缺陷结构分析。采用固相反应法和溶胶凝胶法合成了CCTO粉体,在1... 详细信息

为了深入研究粉体合成方法对CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷介电松弛机理以及缺陷结构的影响,对比了固相反应法和溶胶凝胶法合成CCTO陶瓷的介电性能,并且在此基础上引入了CCTO陶瓷的缺陷结构分析。采用固相反应法和溶胶凝胶法合成了CCTO粉体,在1 080℃下烧结4h制备了CCTO陶瓷样品。溶胶凝胶法合成陶瓷的平均晶粒尺寸是固相法合成陶瓷试样的5倍。J-E特性和介电性能分析表明,溶胶凝胶法合成陶瓷的击穿场强(170V/cm)远小于固相法合成陶瓷(4 980V/cm),且前者的介电损耗和介电常数均达到后者的20倍左右。结合介电损耗因子的曲线拟合结果和阻抗谱分析得到,溶胶凝胶法合成陶瓷的晶界电阻为0.272 MΩ,是固相法(1.03MΩ)的1/3,松弛峰强度是固相法的15倍;两种陶瓷样品的本征松弛峰活化能和晶粒活化能均接近,说明粉体合成方法能够影响CCTO陶瓷的晶界电阻和松弛峰强度,进而影响其宏观电性能,但是对陶瓷的本征松弛机理没有影响。

关键词： CaCu3Ti4O12陶瓷粉体合成介电性能晶界电阻缺陷结构

高压电缆缓冲层烧蚀致绝缘屏蔽损伤的机理研究

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中国电机工程学报 2024年

作者：张可高建武康宁门业堃任志刚李建英电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学) 国网北京市电力公司电力科学研究院

高压电缆缓冲层烧蚀引发的本体击穿事故频发，但目前对于烧蚀缺陷向电缆绝缘屏蔽层发展的过程与机理尚不明确。该文分析了实际烧蚀故障电缆中白色粉末对绝缘屏蔽的损伤特征，通过高压电缆三维有限元仿真，研究了白色粉末对绝缘屏蔽烧蚀... 详细信息

高压电缆缓冲层烧蚀引发的本体击穿事故频发，但目前对于烧蚀缺陷向电缆绝缘屏蔽层发展的过程与机理尚不明确。该文分析了实际烧蚀故障电缆中白色粉末对绝缘屏蔽的损伤特征，通过高压电缆三维有限元仿真，研究了白色粉末对绝缘屏蔽烧蚀的损伤机理，并通过绝缘屏蔽损伤过程模拟试验与实际电缆模拟烧蚀试验验证了仿真结果。结果表明：白色粉末对绝缘屏蔽层的损伤特征主要表现为嵌入式损伤，由白色粉末边缘处的电流热效应以及承受压力所致。轴向上，白色粉末边缘处产生电流密度集中，促进了缓冲层表面的电化学腐蚀与连续分布的条状白色粉末的生成；径向上，当缓冲层表面电流密度达到临界值185A/m2时，缓冲层温度高达204℃，绝缘屏蔽层温度高达90.5℃，超过了缓冲层的热分解温度和绝缘屏蔽层的熔融温度，在电缆自重作用下白色粉末将逐步贯穿破坏缓冲层，并最终损伤绝缘屏蔽表面。仿真结果能够与实验室绝缘屏蔽损伤过程模拟试验和实际烧蚀故障电缆解体情况对应良好，验证了分析结果的合理性，研究结果对于揭示缓冲层烧蚀缺陷的发展机理具有一定意义。

关键词：缓冲层烧蚀绝缘屏蔽层电流热效应电化学腐蚀有限元仿真

计及硅橡胶应力松弛的电缆接头界面压力演变仿真研究

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高电压技术 2024年第3期50卷 1043-1052页

作者：伊德伦郑莹莹蒋浩月高建武康宁李建英西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立... 详细信息

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立有限元模型,确定了电缆中间接头硅橡胶-交联聚乙烯界面的初始压力分布情况;其次通过力学理论计算的解析解以及预置压力传感器的实测结果对有限元分析结果进行验证;之后结合硅橡胶的热机械老化实验结果,提出一种将老化过程中硅橡胶应力松弛转化为过盈量变化的方法,得到了考虑老化过程中应力松弛与弹性模量变化的多参量有限元分析方法,并成功应用于电缆中间接头绝缘硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的分析。分析认为,硅橡胶的老化同时导致应力松弛和弹性模量增大。综合考虑弹性模量和应力松弛的仿真结果表明:对中间接头硅橡胶在100℃、125℃、150℃下分别经过2040 h、1680 h、1200 h热机械老化后,界面压力从0.156 MPa分别下降到0.129 MPa、0.125 MPa、0.107 MPa。这说明应力松弛对于界面压力的影响更显著,界面压力随着老化时间的增加而下降,同时温度升高会显著加快中间接头界面压力的衰减过程。该文研究结果可为提升电缆中间接头设计与运行可靠性提供理论依据。

关键词：电缆中间接头界面压力有限元分析热机械老化应力松弛硅橡胶

基于温度测量和气体分析的高压电缆缓冲层烧蚀故障检测技术

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高电压技术 2023年第12期49卷 4929-4937页

作者：张浩然高建武康宁李建英李华春任志刚西安交通大学电气工程学院西安710049 国网北京市电力公司北京100041 国网北京市电力公司电力科学研究院北京100075

高压电缆缓冲层烧蚀是近年频繁发生的故障,严重威胁电缆系统的安全运行。为此提出一种基于温度测量和气体分析的技术,用以检测缓冲层烧蚀故障。实验室条件下的烧蚀实验表明电缆烧蚀部位存在发热现象,并伴随有甲烷(CH_(4))、乙烷(C_(2)H_... 详细信息

高压电缆缓冲层烧蚀是近年频繁发生的故障,严重威胁电缆系统的安全运行。为此提出一种基于温度测量和气体分析的技术,用以检测缓冲层烧蚀故障。实验室条件下的烧蚀实验表明电缆烧蚀部位存在发热现象,并伴随有甲烷(CH_(4))、乙烷(C_(2)H_(6))、乙烯(C_(2)H_(4))、乙炔(C_(2)H_(2))、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO_(2))等产物的释放。有限元仿真研究发现电缆内的电接触不良会导致局部高温,超过缓冲层的起始分解温度进而引起材料破坏。分析认为实验中测得的烧蚀气体产物来自缓冲层的受热分解过程。将上述结果应用于北京地区的实际电缆线路检测,通过红外测温发现某电缆外护套存在异常温度升高现象,并在电缆内部检出了CH_(4)、C_(2)H_(6)、C_(2)H_(4)等气体成分。随后解体观察到该段电缆存在烧蚀特征,验证了该方法的正确性和可行性。该研究结果表明温度测量结合气体分析的技术可以检测出高压电缆缓冲层烧蚀故障,有望在实际电缆线路中获得广泛应用。

关键词：高压电缆缓冲层烧蚀故障温度测量气体分析

纳米氧化镁/环氧树脂复合电介质高温介电响应特性的研究

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绝缘材料 2017年第4期50卷 36-41页

作者：肖异瑶周求宽晏年平王子悦武康宁李欢李建英南昌大学南昌220096 国网江西省电力科学研究院南昌330096 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

针对纳米氧化镁/环氧树脂复合电介质的高温介电响应特性展开研究,测试了其热失重曲线和在120~200℃的宽频介电谱。实验结果表明:复合介质的最大热失重速率随着纳米氧化镁掺杂量的增加先上升后下降,并在掺杂量为2%时达到最大值;复合介质... 详细信息

针对纳米氧化镁/环氧树脂复合电介质的高温介电响应特性展开研究,测试了其热失重曲线和在120~200℃的宽频介电谱。实验结果表明:复合介质的最大热失重速率随着纳米氧化镁掺杂量的增加先上升后下降,并在掺杂量为2%时达到最大值;复合介质工频下的相对介电常数随掺杂量的变化规律与最大热失重速率类似,并在不同的温度区间出现了两个松弛过程,分别对应热离子极化导致的δ松弛和偶极子转向极化导致的α松弛。通过模量谱计算发现,掺杂0.1%的纳米氧化镁导致载流子跃迁的平均势垒升高,随着掺杂量的进一步增加,平均势垒开始降低;而转向极化的活化能则在掺杂量为2%时达到最低。纳米粒子和环氧树脂基体之间形成的交互区是影响高温介电性能的主要原因。

关键词：纳米氧化镁环氧树脂热失重特性高温介电响应复合电介质