基于高压直流GIS盆式绝缘子基材的环氧树脂表面电荷积累与抑制方法研究

【摘要】：直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是直流输电系统中的重要电力设备之一。在各种复杂电场环境下电荷在GIS盆式绝缘子表面积累,易导致绝缘击穿事故的发生。本文研究了直流电压与脉冲过电压复合场下环氧树脂表面电荷的动态特性,并采用基于氟化技术的表层分子结构调控与添加非线性电导无机填料两种材料改性方法,探究两种改性方法对表面电荷的影响规律,揭示了盆式绝缘子环氧树脂绝缘材料表面电荷的抑制机理,为直流绝缘性能的提高奠定了实验与理论基础。论文的主要研究工作和获得的科研成果如下。(1)通过对直流与脉冲复合场下表面电荷动态特性的研究,得到直流与脉冲多场作用下环氧树脂表面电荷复合过程与积累规律。发现直流电压一定时,同极性复合场下,随着脉冲电压的提高,初始表面电位先减少后增加,表面电位的衰减速度与初始表面电位具有相同的变化规律。异极性复合场下,脉冲施加处的表面电位发生极性改变,而周围区域仍保持原有直流电压极性。外加电场撤除后,异极性电荷沿环氧树脂试样表面的迁移使表面电位在衰减过程中出现了极性变化。以上说明脉冲电压会改变原有直流电场下表面电荷形成的电场分布以及陷阱电荷分布特性。(2)通过对表层分子结构调控环氧树脂复合场下表面电荷积累与消散特性的研究,发现一定时间的氟化处理可使环氧树脂中的H原子被F原子置换,在表面形成微米级厚度的C-F层。同样的外加电场下氟化试样初始表面电荷密度更小,电荷的消散率大幅增加。氟化层束缚电荷形成的反向电场减弱了电荷向基体的注入,氟化层屏蔽了材料内部的深陷阱,解决了复合场下的表面电荷积累问题,均匀环氧树脂表面电场分布,提高闪络电压。(3)通过对SiC/环氧树脂非线性电导复合材料体电导率、表面电荷、沿面闪络电压的研究,发现SiC质量分数较高的环氧树脂试样复合材料在高电场下会呈现非线性电导特性。随着SiC含量和外加直流电场强度的增加表面电位增加量明显下降,电位衰减率增加。高SiC含量的环氧树脂复合材中的载流子在高场下通过热跃迁或隧道效应越过界面势垒加速其迁移过程,在高电场下实现了对表面电荷积累的抑制作用,从而减少了沿面闪络的发生。