环氧/纸复合材料在玻璃化转变过程中的电荷输运及绝缘破坏机理研究

The epoxy-impregnated paper dry bushing for ultra high voltage (UHV) converters is the bottleneck of the domestication of UHVDC equipment. The space charge characteristics and the mechanism of dielectric breakdown of the epoxy/paper composite is a key factor to affect its electrical properties, especially under extreme operating conditions and test conditions, or during the glass transition process. Aimed at this key scientific issues for UHVDC dry bushing, the main study content has the following several points: 1) to establish a set of pulsed electro-acoustic (PEA) space charge measurement system for high temperature (up to 120 C) and high electric strength (up to 100 kV/mm) tests, and to modify system of the eposy samples vacuum casting; 2) to measure the space charge distribution in epoxy/paper at high temperature and high electric strength, and to focus on the internal mechanism of the glass transition affecting the charge transport, electric field distribution, dielectric properties and dielectric breakdown of the epoxy/paper; 3) to analyze the influence of temperature, electric strength, electrode, and preparation process on the space charge distribution, and to propose a method to suppress the space charge effect and improve the dielectric properties. This study may provide a design and theoretical basis for the materials research and development, insulation structure optimization, and the improvement of insulation treatment process of China's domestic UHVDC bushing, thus has an important engineering background.

特高压换流变环氧浸渍纸干式套管，是我国特高压直流设备国产化的瓶颈，特别是极端工况与试验条件下、玻璃化转变过程中，环氧/纸复合材料中的空间电荷特性和绝缘破坏的机理，成为影响其电气性能的关键因素。因此，本项目针对我国特高压直流干式套管的关键科学问题，1）建立一套高温（可达120℃）高场强（可达100kV/mm）电声脉冲法空间电荷测量系统，改造环氧试样真空浇注装置；2）开展高温高场强下环氧/纸中空间电荷分布测量，重点探索玻璃化转变影响环氧/纸中电荷输运、电场分布、介电性能和绝缘破坏的内在机理；3）分析温度、场强、电极、制备工艺对空间电荷产生、分布、迁移的影响，提出抑制空间电荷效应、改善介电性能的方法。本项目可为我国自主研制特高压直流套管的材料研发、绝缘结构优化和绝缘处理工艺改进，提供设计和理论依据，具有重要的工程应用背景。

本项目以我国特高压直流工程用换流变压器干式套管为对象，结合实际工况及试验条件，采用电声脉冲法空间电荷测量技术，在国内首次温度、场强、电极、制备工艺对环氧复合材料中空间电荷特性影响的研究，探索了高温和玻璃化转变影响环氧、环氧/纸材料中电荷输运、电场分布、宏观介电性能和绝缘破坏的内在机理，以及此过程中电荷注入阈值场强、介电性能的变化规律，开展的研究内容和工作填补了国内此类研究的空白，发展了我国电气绝缘测量技术。主要取得以下研究成果：.1）在国内首次建立了高温高场强的电声脉冲法法空间电荷测试系统及信号校正回路，实现了室温~110℃、0~±30kV任意电压波形、不同温度下干式套管用环氧复合材料空间电荷分布的测量。.2）提出了多层不同声阻抗材料构成的复合介质PEA法空间电荷测量的方法，得出了考虑多层介质介电常数不同、声波界面折射时电荷密度的修正方法。.3）电极材料对环氧绝缘体系的空间电荷特性有较大影响。电极材料的功函数越小，电极注入的电荷量越大。.4）得出了高温时环氧材料空间电荷分布的特性。较高玻璃化转变温度的纯环氧材料（Tg=140.8℃）：温度为18℃、40℃、60℃、80℃时，纯环氧材料空间电荷积聚阈值分别为12.5kV/mm、6.7kV/mm、3.5kV/mm、<2kV/mm，与温度倒数呈近似线性关系。温度升高时，电子（或空穴）从负极（或正极）注入作用增强，材料内陷阱能级变浅，载流子迁移率增大，形成的大量同极性电荷显著加强了试样内部的场强。.5）提出了低Tg纯环氧材料中电荷输运的模型。较低玻璃化转变温度的纯环氧材料（Tg=82℃）：当温度接近其Tg时，环氧材料发生玻璃化转变，分子链段运动被激活，分子电离显著增强，同时陷阱能级变浅、载流子迁移率增加，与电极处电荷的注入效应相比，电离作用占据主导地位，形成了大量的异极性电荷。.通过本项目研究，提出了选择功函数大的电极材料、降低电极表面场强、改善温度场分布的思路，有利于提高空间电荷阈值场强、减小电极注入的电荷量，为特高压直流套管用绝缘材料、电极材料、绝缘处理工艺的研究提供了理论依据，对我国特高压设备换流变干式套管研发与关键技术的国产化，具有重要的理论和应用价值。