自适应电场调控智能复合材料基础理论、制备技术及绝缘结构组装方法

Improving the uniformity of the electric field distribution and grading the local centralized field for the insulation structures can considerably reduce the technical difficulty and the cost for the manufacture of power apparatus (especially for UHV applications), as well as enhance the long term reliability of the apparatus. This project proposes a novel theory and approach for field grading in high voltage insulation structures, focusing on the fundamental theory, processing techniques, property controlling for smart composite materials of adaptively controlling electrical field, and the assembly method of insulation structures. The research aims to revealing the origin of the nonlinear property of the smart field grading composite materials, establishing the physical mechanism and the responding model of the nonlinear composites, as well as proposing the theory and methods of adjusting the nonlinear property, the manufactory techniques and the assembly methods, the limit conditions of operation condition, the mechanism and the controlling methods of the aging behavior, and the simulation which incorporates electrical, thermal and mechanical multi-coupled field for the nonlinear composites material. Besides, the optimal insulation design for the ±1100kV DC bushing based on the field grading material, the manufactory and relevant experiment for the reduced scale bushing model, the verification of the design approaches, the operating property of the nonlinear composites in novel bushings are also key points of the research. The outcome of this project is expected to be applied in the adaptively field grading for ac/dc high voltage insulations, especially for UHV insulations, as well as an efficient simplification of field grading structure and reduction of insulation scale for UHV power apparatus.

合理改善电气设备绝缘的电场分布均匀性、缓和局部高电场强度，可降低电力设备（特别是特高压设备）制造的技术难度及造价，提高电力设备长期运行的安全可靠性。本项目提出一种全新的高压设备绝缘均压理论及方法，重点研究自适应电场调控的智能复合材料的基础理论、材料制备技术、性能调控及绝缘结构设计方法。通过研究，揭示自适应电场调控的智能复合材料的非线性起源，建立非线性复合材料在不同电场激励下的物理机理与响应模型，提出非线性特性调控的原理及方法、非线性复合材料的制备技术及组装方法、非线性均压材料的应用极限、老化机理及其调控方法、绝缘结构电、热、力等多耦合场的计算方法，同时针对±1100kV直流穿墙套管进行绝缘结构优化设计，并制备缩尺模型并开展实验，检验设计方法及获得非线性复合材料服役特性。项目研究成果可用于交直流高压及特高压设备绝缘中强电场的自适应调控，并有效简化特高压设备均压结构、缩小设备绝缘尺寸。

通过控制设备内分布高场强来提高高压设备绝缘水平是发展先进电力装备的核心问题之一。自适应材料由于具有电学参数随电场改变的特性而能够在电场调控中引入负反馈环节，从而实现材料参数对于电场分布的闭环调控。因此，应用自适应材料均匀高压设备电场比传统均压方法具有更好的效果与更高的稳定性。本项目围绕项目研究内容，提出了一种全新的高压设备绝缘均压理论及方法，重点研究了自适应电场调控的非线性智能复合材料的基础理论、材料制备技术、性能调控及绝缘结构设计方法。在材料基础理论方面，研究了自适应电场调控的智能复合材料在稳态场与暂态场中的响应特性及其非线性电导率与非线性介电常数的物理机理，并建立了智能复合材料在不同电场激励下的物理机理与响应模型，揭示了智能复合材料的渗流特性和弛豫特性；在材料制备技术方面，提出了不同非线性复合材料多性能综合调控技术、制备技术及组装技术；在材料长期运行特性方面，揭示了非线性均压材料的极限应用和老化机理，并建立了非线性材料的老化模型用于进行寿命预测；在基于智能复合材料绝缘结构设计方面，提出了智能均压结构在电、热、力等多物理耦合场下的计算方法，并优化了均压绝缘结构的组装方法；针对高压直流套管进行优化设计，提出了基于自适应复合材料均压结构的±1100kV高压直流套管设计方案，并据此研制了国际首根无电容结构的自均场穿墙套管缩尺样机。样机顺利通过了局部放电、工频耐压、直流耐压、直流极性反转、雷电冲击等试验，获得了其服役特性，验证了该方案投入应用的可行性。报告深化了自适应电场调控复合材料的关键技术，开创了一种全新技术路线的高压绝缘设备设计方案，具有重要的学术理论价值与工程应用前景。