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绝缘子未来发展的新材料


上线时间:2020-09-30 09:12:41    点击量:

 *早的硅橡胶复合绝缘子开发商之一,HermanKärner教授在德国指出了材料特性和绝缘体几何形状之间的关键相互作用,当时他制定了所谓的“Kärner矩阵”。他指出,如果不考虑两个因素 - 良好的材料和良好的设计,制造高质量的复合绝缘子是不可能的。该基质后来由Konstantin Papailiou博士和Frank Schmuck博士详细阐述。Kärner的原理仍然有效,在寻找合适的优化材料以及*能抵抗老化和其他损坏的绝缘体几何形状的过程中必须继续遵循。

  目前研究的理想方向包括开发用于HVDC应用的材料以及引入可提高产品可回收性的热塑性聚合物。

  改进性能的材料修改

  现场分级材料

  使用填充有导电和半导电无机颗粒的复合材料的场分级材料(FGM)*初应用于高压电动机和发电机中。该概念后来转移到电缆终端和接头,以减轻临界介电应力。目前,非常需要在其他电力设备的设计中使用FGM,包括断路器,套管,仪表变压器,电涌放电器和绝缘体。

  场分级材料的主要特征是其电导率增加到阈值电场值以上。然后利用该特性来减小绝缘系统内关键位置的*大场应力。FGM复合材料由填充有碳化硅SiC,氧化锌ZnO或炭黑的基础聚合物(例如硅橡胶SIR,乙烯丙烯 - 二烯单体EPDM橡胶,环氧树脂或热塑性塑料)组成。然而,*近的研究集中在纳米填料,特别是氧化石墨烯(GO)和石墨烯纳米片(GnP)提供的可能性上。这些提供了类似的场分级特性,但使用更低的填料负载,同时还提供更好的材料加工特性。例如,使用基于LDPE-GnP的纳米复合材料获得的结果说明了可以提高聚合物基绝缘系统(例如HVDC电缆终端)的性能的特征。所研究的样品的制造过程是通过熔融挤出,这是图2中所示的有吸引力的工业过程。其包括预涂覆技术,其中剥离的石墨烯纳米片首先沉积在聚合物粉末颗粒上以确保在熔融挤出期间的良好分散。在挤出过程中使用两种类型的螺钉:压缩螺杆(CS,压缩比2:1)和混合螺杆(MS,压缩比5:1)。图2中示出了一种有吸引力的工业过程。它包括预涂技术,其中剥离的石墨烯纳米片首先沉积在聚合物粉末颗粒上以确保在熔融挤出期间的良好分散。在挤出过程中使用两种类型的螺钉:压缩螺杆(CS,压缩比2:1)和混合螺杆(MS,压缩比5:1)。

  图1显示了这些纳米复合材料的冷冻断裂和蚀刻样品的形态。观察到的表面垂直于挤出方向,表明填料排列的强各向异性和沿挤出方向聚合物流动的分布均匀性。


图1:分别填充1%(左)和5%(右)GnP的纳米复合材料的冷冻断裂表面的SEM图像。

 在图2中,比较了所研究的所有样品的电导率的场依赖性。在线强度为约20kV / mm时,非线性行为开始主导该性质,并且可以看到明显的“交叉效应”。与纯聚合物的电导率相比,填充的纳米复合材料的低场下的较低电导率变为较高的电导率。当将氧化石墨烯加入聚二甲基硅氧烷基质中时报道了类似的行为。


图2:纯LDPE及其压缩(CS)和混合(MS)螺杆挤出的GnP纳米复合材料在垂直于挤出方向上的电导率(在22°C下30分钟值)的场依赖性

  在复合设备绝缘子中应用的另一个重要特性是对各种气体的渗透性。通过监测在大气压下封闭的空气体积中的气体浓度,测量制造的纳米复合材料的CO 2和SF 6 渗透速率。同时,在5巴的压力下从试样的另一侧供应气体。随着填料含量的增加,CO 2的渗透率逐渐降低。填充1%wt的样品下降34.7%。对于大多数填充样品(7.5%重量),GnP减少65.5%。SF 6的渗透率填充1%wt的样品减少了74.7%。填充7.5%wt的样品的GnP含量降低80.5%。这种行为与气体分子的大小有关。

  具有较高抗生物污染性的材料

  生物膜生长(例如与细菌和丝状真菌相关的单细胞绿藻的组合)对复合绝缘子耐受性的影响现在已为人所知。实地观察得出结论,这种生长与热带或亚热带条件无关,因为它们也出现在温带气候中。生物膜可以通过多种方式影响聚合物材料的结构和功能。这些包括:生物污垢(污染),浸出组分的降解,侵蚀,水合,渗透和变色。在硅橡胶绝缘体的情况下,其表面的疏水性能可显着降低,导致更高的漏电流,更低的耐闪燃性和加速降解。

  寻求阻止生物膜生长的补救措施一直在进行,并且已发现特殊添加剂使得外壳材料更耐生物降解。例如,已经证明向硅橡胶中加入阻燃剂硼酸锌可显着抑制生物膜的生长。此外,添加杀生物剂,即杀死或抑制微生物繁殖的活性成分,被认为是在以生物膜风险增加为特征的环境中改善硅橡胶基材料性能的另一种方法。然而,包含抗微生物剂必须不会不利地影响外壳材料的电性能。一项调查集中在评估苯甲酸钠和商业药剂Intercide DCOIT对表面电导率的影响,硅橡胶样品的体积电导率和闪络电压(FOV)承受能力。尽管商业试剂在阻止生物膜生长方面似乎更有效,但它对材料的体积电导率具有不利影响,这在某些应用中可能是不合需要的。调查仍在继续,目前侧重于更加环保的解决方案。例如,斯德哥尔摩皇家理工学院*近的研究表明,通过添加天然来源的化合物,包括苯甲酸,百里酚,丁子香酚或壳聚糖,也可以实现硅橡胶的杀菌效果。百里酚似乎对真菌和藻类生长非常有效,并且这种抑制作用的指示。仍然需要开发防止材料中的抗微生物化合物损失的方法。

  还进行了调查,旨在确定表面纹理和粗糙度对生物膜形成的影响。在湿度室中比较图案化和普通硅橡胶表面,同时通过喷涂沉积改性和未改性的ZnO纳米颗粒实现粗糙度的改变和疏水性的改善。通过垂直放置样品并倾斜来表示绝缘体几何形状。在具有较高表面粗糙度和改善的疏水性的样品上未发现微生物生长,而未涂覆的样品被微生物定殖。

  电气强度提高的材料

  对于基于电缆和环氧树脂的绝缘系统,已广泛描述了通过电树枝的降解。另一方面,即使表现出类似的行为,在复合绝缘子中的材料的情况下出现这种相同的退化过程也相对较少。因此,在设计复合设备绝缘体时,有必要考虑材料对电树枝的抵抗力,其中高电应力径向地穿过绝缘体的壁。因此,瑞典的研究集中在通过添加所谓的电压稳定剂来改善聚合物材料中的这种抗性的机制。使用聚乙烯(LDPE)作为聚合物基质进行了一项研究,但据信其结论可以扩展到其他聚合物体系,包括有机硅,因为观察到的树木现象是相似的。新开发的线平面电极测试已被用于测试含有各种稳定剂(例如苯偶酰,富勒烯,噻吨酮和三聚氰胺)的材料中的电树起始水平。测试对象的高压电极(见图8)由直径10μm的电解清洗钨丝制成,并模制成测试材料。所使用的大多数添加剂对电树木的抗性表现出积极影响,树起始区域增加20%至超过100%(如图9所示)。通过将测试结果与这些稳定剂的电子特性相关联,发现它们的电子亲和力与稳定效率很好地相关。

  电导率降低的材料

  另一种理想的材料特性,特别是对于HVDC应用,是非常低的导电性。与具有固有低导电性的原始聚合物系统相比,采用基于添加纳米填料的方法。该研究集中于研究它们对材料导电性的影响。还测试了对电树木的抗性。研究了含有Al 2 O 3,MgO和ZnO的无机颗粒以及石墨烯纳米颗粒的基于LDPE的纳米复合物。与参考材料相比,所有纳米复合材料的测量电流水平显着降低,表明电荷传输减弱(参见图10)。材料的电导率的依赖性,通过利用4×10的充电电流计算还示出了关于纳米填料含量的4秒。其他研究人员也报告了类似的影响。

  与原始聚合物相比,在填料含量为3%wt时研究的纳米复合材料观察到导电率显着降低。看起来这种效果与纳米填料的化学性质无关,而是与聚合物 - 颗粒界面层的形成有关。这些提供了更深的电荷捕获位点和降低的远程分子迁移率。

  室外高分子材料介电特性的新测量方法

  所有专注于开发用于电力应用的新材料的活动都需要精心设计专门的测量技术,例如测试极低的电导率水平或对电树枝的抵抗力。在此背景下,未来感兴趣的另一个领域涉及开发室外聚合物绝缘材料的介电特性的方法。这项工作涉及CIGRE(WG D1.59)和IEC(TC 112 WG 4)之间的合作。

  可以在时域和频域中执行电介质测量。在频域中,这些被称为频域光谱(FDS)测量并且允许在具有可变频率的电压信号的激励下提取测试对象的复阻抗。使用FDS的一个领域涉及选择和开发用于电绝缘应用的介电材料,其中感兴趣的是相对介电常数(εr)和耗散因数(tanδ)的精确知识。然而,材料的这种表征通常受到复杂电极布置的阻碍,因为可靠的测量需要使用提供与测试对象的适当接触的电极。*简单的情况是将测量样本放在两块金属板之间。但在大多数情况下,样品表面理想地不光滑且厚度恒定。这意味着在电极和表面之间没有直接接触的区域沿着测试样本产生电流路径,由于测量电路中出现串联电阻而产生更高的损耗因子。而且,在由软材料制成的试样的情况下,由电极装置施加的压力可导致它们的变形并可能影响测量的介电常数。此外,电极和电缆的串联电阻也会影响复介电常数,并在较高频率下产生额外的损耗峰值,从而隐藏了真正的弛豫机制。这意味着在电极和表面之间没有直接接触的区域沿着测试样本产生电流路径,由于测量电路中出现串联电阻而产生更高的损耗因子。而且,在由软材料制成的试样的情况下,由电极装置施加的压力可导致它们的变形并可能影响测量的介电常数。此外,电极和电缆的串联电阻也会影响复介电常数,并在较高频率下产生额外的损耗峰值,从而隐藏了真正的弛豫机制。这意味着在电极和表面之间没有直接接触的区域沿着测试样本产生电流路径,由于测量电路中出现串联电阻而产生更高的损耗因子。而且,在由软材料制成的试样的情况下,由电极装置施加的压力可导致它们的变形并可能影响测量的介电常数。此外,电极和电缆的串联电阻也会影响复介电常数,并在较高频率下产生额外的损耗峰值,从而隐藏了真正的弛豫机制。由电极装置施加的压力可导致它们的变形并可能影响测量的介电常数。此外,电极和电缆的串联电阻也会影响复介电常数,并在较高频率下产生额外的损耗峰值,从而隐藏了真正的弛豫机制。由电极装置施加的压力可导致它们的变形并可能影响测量的介电常数。此外,电极和电缆的串联电阻也会影响复介电常数,并在较高频率下产生额外的损耗峰值,从而隐藏了真正的弛豫机制。

  已经提出了不同类型的电极布置并用于实现适当的材料表面接触,每种电极布置都具有优点和缺点。其中包括在样品表面上沉积导电材料,例如烧制金属膜,金属或石墨涂漆,金属溅射和蒸发,使用导电胶或金属箔的油脂,NaCl的水银和水溶液。所有这些都是常见的解决方案,但也带来了额 一种用于避免介电响应表征中的接触问题的稳健且简单的解决方案是完全避免材料和平行板金属电极之间的直接接触。因此,测量小气隙和样本的组合响应。这种电极布置首先在1906年引入用于电容测量,但后来由于精度限制而放弃确定介电特性。除了接触问题之外,由电极边缘效应施加的几何影响起作用,从而扭曲该区域中的电场分布。

  *近提出了一种克服这一问题的方法,今天由CIGRE WG D1.59构成协调工作(即循环测试)的主题,用于户外应用的聚合物绝缘材料的介电特性方法正在以CIGRE技术手册。在HTV和LSR硅橡胶的情况下,使用无接触电极和接触电极布置测量程序对材料介电常数的确定的影响。对于两者,用接触电极布置测试的材料随着测试温度的降低显示出实际介电常数的明显增加。这里,材料的热膨胀可能影响接触测量,但是在无接触测量中没有观察到这种情况。

  结论

  基于当前复合绝缘子技术的经验,开发可靠的聚合物绝缘体并获得广泛的市场认可所需的时间大约为30年以上。大多数过去的研究致力于寻找线路绝缘子的可靠材料,并使用户相信这些材料在室外环境中可靠地运行。与此同时,其他工作旨在开发合适的制造技术,制定绝缘子设计标准并为新概念准备测试程序。后来,开发了聚合物站柱和设备绝缘体以及弹性体涂层。所有这些共同导致复合绝缘系统现在广泛应用于电力工程。

  未来工作的目标是改善聚合物材料的操作性能,特别是用于HVAC和HVDC应用的设备绝缘体和电缆附件。两个具体领域是:使用添加剂改善聚合物材料性能,以增强场分级,提高抗生物污垢性,提高击穿强度和降低直流电导率; 第二,开发合适的测试方法,以更精确地表征这些新材料。


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