具有非线性介电特性的聚合物复合材料及其对电场分布控制效果的研究

在高压交直流输变电系统中，绝缘设备或部件广泛存在电场分布不均匀的问题，由此增加了设备建造的成本和难度，并对系统的安全稳定运行带来潜在威胁。本项目提出研制具有非线性介电特性的聚合物复合材料，以此解决高压输变电系统绝缘设备或部件电压分布不均匀的难题。具有非线性介电特性的聚合物复合材料以电力系统常见的绝缘材料（硅橡胶和聚乙烯）作为有机基体，以具有非线性电气特性的氧化锌压敏陶瓷作为无机掺杂粉体进行制备。制备的复合材料相当于在绝缘电介质材料内部嵌入了大量分布式、自适应的微电容，能够根据绝缘介质所处电场强度的大小，自动改变微电容的容量，起到智能化抑制绝缘介质局部高电场强度的作用，实现对其电场分布均匀性的有效控制。此外，电子器件的破坏大部分是瞬态高电压导致其绝缘击穿。具有非线性介电特性的聚合物复合材料作为电子器件的内绝缘材料，可以提高器件本身耐受瞬态高电压的特性，改善电子器件耐受强电磁干扰的能力。

在高压交直流输变电系统中，绝缘设备或部件广泛存在电场分布不均匀的问题，由此增加了设备建造的成本和难度，并对系统的安全稳定运行带来潜在威胁。本项目提出研制具有非线性介电特性的聚合物复合材料，以此解决高压绝缘设备或部件电压分布不均匀的难题。具有非线性介电特性的聚合物复合材料以常见绝缘材料作为有机基体，以非线性氧化锌压敏陶瓷作为无机掺杂粉体进行制备。制备的复合材料能够根据局部电场强度大小，自动改变材料介电和电导参数，起到智能抑制绝缘介质局部高电场强度的作用，实现对电场分布均匀性的有效改善。. 本项目预期的主要研究内容及目标为：针对实际工程应用需求，研制具有非线性介电特性的聚合物复合材料；研究复合材料非线性介电特性及其导电机理；通过理论计算，分析高压电力绝缘实际应用对于复合材料性能参数的需求；通过等效试验装置，验证非线性聚合物复合材料对电场分布的实际控制效果。. 针对计划的研究内容及目标，本项目采用高性能ZnO压敏陶瓷作为填料、硅橡胶作为基体，制备非线性复合材料并测试评估其非线性电导和介电特性等基本性能。当ZnO压敏陶瓷配比超过10%时复合材料呈现非线性介电和电导特性，当ZnO压敏陶瓷配比超过20%时复合材料具有相对显著的非线性介电和电导特性。填料配比为30%的复合材料，介电非线性系数可达25.7，相对介电常数的变化率可达13.2倍。制备的非线性复合材料在较低电场下可以保证低损耗，而在较高不均匀电场中，可通过相对介电常数的提高起到均匀电场的作用，以及电导率的提高起到疏散空间电荷的作用。基于复合材料的弛豫机理、渗流理论等，项目研究探讨了ZnO/硅橡胶体系非线性复合材料的非线性介电特性的起源和机理。通过尖-板电极近似模拟绝缘子空间的极不均匀电场，以电晕放电作为表征手段，实验验证了ZnO压敏陶瓷/硅橡胶非线性复合材料对交流非均匀电场的抑制效果。通过数值仿真进一步验证了复合材料对交流、直流非均匀电场的抑制效果，并通过对330kV绝缘子的数值仿真，验证了复合材料在高压绝缘领域的应用价值。. 本项目研究获得成果初步验证了非线性聚合物复合材料对于解决高压输变电绝缘设备或部件广泛存在的电压分布不均匀问题的可行性和应用前景。相关研究内容被列为本课题组何金良教授申请的973项目（2014CB239500）子课题内容之一，将依托973项目进一步开展更加广泛、深入研究。