论文部分内容阅读
目前,随着高压直流(High Voltage Direct Current,HVDC)输电技术的发展,电压等级和输送容量进一步提高,HVDC系统中的绝缘问题逐渐成为研究的焦点。由于在高场强作用下,绝缘材料的表面容易积聚表面电荷,沿面闪络发生的几率高于绝缘介质内部的击穿,HVDC系统中的绝缘材料表面绝缘特性成为制约HVDC发展和应用的瓶颈。为此,本文利用大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)产生低温等离子体,分别对外绝缘主要材料硅橡胶(Silicone Rubber,SiR),以及内绝缘主要材料环氧树脂(Epoxy Resin,EP)和氮化铝(Aluminium Nitride,AlN)纳米颗粒掺杂的EP/AlN纳米复合材料进行表面处理,对等离子体处理前后绝缘材料表面的电气绝缘性能和物理化学特性进行了研究,取得的主要成果如下:提出了DBD处理材料时的等效电路模型和电气参数计算方法,明确了DBD处理材料时放电参数变化的机理。建立了DBD放电实验系统,以EP为待处理试样,得到了DBD处理EP试样时的电气参数。结果表明,气体间隙内,EP试样表面放电区域的面积分数随等离子体处理时间的增加而增加。等离子体处理时间增加使EP试样表面的表面电导率明显提高,浅陷阱含量增多。EP表面特性的改善,促进了表面电荷在EP表面的移动,从而加强了气体间隙内的电场,有利于新放电通道的产生。研究发现DBD等离子体处理后材料表面特性明显改变,而且材料表面特性的变化也会影响DBD的电气参数。揭示了表面电荷动力学过程对材料表面绝缘性能的影响规律。研究发现绝缘材料表面电荷的消逝有利于提高其沿面闪络电压,但快速移动电荷形成的泄漏电流和局部放电对材料表面绝缘性能造成了负面影响。研究了电晕充电电压、电晕充电时间、试样表面电导率对表面电位衰减速率的影响,对比分析了单面处理和双面处理材料表面电荷消逝速率。结果表明,电晕充电电压幅值和充电时间增加,表面电位初始值增加,当充电电压幅值过高时,表面电位会出现反常变化,表面电导率增加加速了表面电位衰减。试样上、下表面均经等离子体处理后,其表面电位衰减速率高于单面处理的试样,而且当上表面的表面电导率大于下表面的表面电导率时,材料表面电位衰减速率最快。阐明了等离子体处理提高EP/AlN纳米复合材料沿面闪络电压的机理。研究发现,随着等离子体处理时间的增加,EP/AlN试样的表面电导率明显提高,同时表面的空穴陷阱和电子陷阱的陷阱能级进一步降低,浅陷阱含量增多。相同情况下,EP/AlN试样表面空穴陷阱的陷阱能级比电子陷阱的陷阱能级更低,等离子体处理也使得空穴陷阱中浅陷阱含量增加更明显。等离子体处理对于促进正极性表面电荷消逝,提高正极性沿面闪络电压的效果更显著。物理化学特性分析表明,等离子体处理后,EP/AlN试样表面极性基团的含量和表面粗糙度有明显增加,增加的表面粗糙度阻碍了放电通道的发展,从而提高了试样的沿面闪络电压。确定了等离子体处理对SiR材料表面异极性电荷动力学特性的调控机制,揭示了SiR表面等离子体处理层的老化规律。研究发现,等离子体处理可以增加SiR试样表面的浅陷阱含量和表面电导率,但对其体积电导率无影响。等离子体处理后,试样表面正极性电荷消逝速率增幅更大。此外,等离子体处理可以使得SiR试样表面极性基团的含量增加,而水接触角随等离子体处理时间的增加而下降。但是,等离子体处理后的SiR试样在空气中老化30天后,试样表面的羟基-OH基团含量明显降低,憎水性恢复。研究表明等离子体处理在提高SiR试样表面绝缘特性的同时,还可以保持试样的憎水性和憎水恢复性。局部放电和闪络电压测试结果表明,过长时间的等离子体处理,在促进SiR试样表面电荷运动和消逝的同时,也会由于电荷运动速率过快而导致沿面闪络电压下降。SiR表面干燥时的闪络电压远大于表面润湿时的闪络电压。研究发现适当的等离子体处理时间使得SiR试样具有最高的沿面闪络电压。