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电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响期刊论文

博今文化 / 2019-10-19
电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响 发布时间:2018-03-22

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  【题目】硅橡胶复合材料电气性能探究
  【第一章】硅橡胶纳米材料电气老化情况研究绪论
  【第二章】硅橡胶基纳米复合材料的制备与电老化实验方法
  【第三章】电老化对硅橡胶复合材料电导率和击穿特性的影响
  【第四章】电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响
  【结论-参考文献】硅橡胶合成材料电化性能探析结论与参考文献

  第4章电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响。

  高压直流电缆及附件在直流电压下长期运行过程中,在绝缘材料内部会积聚大量的空间电荷,进而导致高压直流电缆及附件损坏。一般认为,绝缘材料在制造和生产等过程中,其内部会存在大量的陷阱,运动中的电荷被陷阱所捕获,导致电荷不能沿电场方向运动,这些被陷阱捕获的电荷即称为空间电荷。空间电荷分两类:一类是同极性空间电荷,另一类是异极性空间电荷。同极性电荷大多数是由电极注入电荷形成,能够削弱电极附近电场。异极性电荷主要是由绝缘介质内杂质电离形成,能够加强电极附近电场。空间电荷的存在会影响绝缘材料内部电场的分布,造成电场严重畸变,绝缘损伤甚至失效,对绝缘材料老化有重要影响。本章采用电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic, PEA)来测量老化前后纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料的空间电荷特性。

  4.1实验方法。

  4.1.1空间电荷实验系统。

  本文的空间电荷测试系统主要由程控高压直流电源、高压脉冲源、测量电极系统和信号采集系统组成。该系统中程控高压直流电源为测量空间电荷提供直流电压,型号为HD20-1.0,幅值为±30k V,高压脉冲源作为测量系统的激励源。本实验所采用脉冲源脉宽为10ns。测量电极系统包括上电极:半导电电极(SC+)和下电极:铝电极(Al-)。信号采集系统主要由示波器和计算机组成,示波器负责采集测量系统输出的信号,计算机负责对信号进行处理,使得测量的信号能够准确反映绝缘材料空间电荷分布。

  实验系统结构图4-1如所示。

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  4.1.2空间电荷测试方法。

  研究空间电荷的基础是空间电荷测量技术,目前PEA法应用最为广泛,其基本原理是:对试样施加一个高压脉冲,脉冲作用于试样会产生感应力,这个力与试样内的空间电荷相互作用并使其产生微小振动,这个振动会发出一个脉冲信号,脉冲信号经过装置转换,最终以机械波或超声波的形式传递,此种信号被捕获后就可获得试样内部空间电荷的实际分布情况。

  纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料空间电荷的测试:实验前,将试样放入80℃的烘箱中短路24h,目的是消除水分及试样残留电荷对实验结果的影响。开始实验,放置试样时,在电极与试样的接触面涂抹适量硅油,核心论文发表网,目的是使试样和电极紧密接触,排除由于空气的存在而影响测试结果的准确性。首先对试样进行参考测量,电场强度为3k V/mm,测试时间为5min,得到测量波形后,对其进行调整后作为参考波形。对试样先进行加压测量,电场强度为20k V/mm,时间为30min,每5s进行一次试验数据采集;待测试完毕后,将试样短路后进行短路测量,时间为30min,每3s进行一次试验数据采集,将得到的数据分别绘制成加压测量、短路测量时的空间电荷分布图。

  4.2实验结果。

  老化不同时间后,测试纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合材料的空间电荷分布如图4-2至图4-9所示。其中包括加压时和短路时的空间电荷分布。绝缘介质在直流电场作用下形成的空间电荷按电荷极性与其附近电极极性是否相同可分为同极性电荷和异极性电荷。

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  在图4-2 a)和图4-3 a)中,在纯硅橡胶两侧靠近电极处均有明显的同极性电荷注入。并且图像中位于电极处的峰值随加压时间的增加,阴极处峰值有轻微降低,阳极处峰值有一定增长。硅橡胶纳米复合材料靠近阴极侧有少量同极性电荷注入,硅橡胶纳米复合材料阳极侧空间电荷注入较少,阳极处空间电荷峰值较低,随加压时间的增加,阴极处峰值有轻微降低,阳极处峰值保持稳定。
 

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  纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料老化720h后空间电荷分布如图4-4和图4-5所示,在图4-4  a)和图4-5  a)中,纯硅橡胶靠近阴极处侧有少量同极性电荷注入,专业发表论文,阳极侧有明显的同极性电荷注入。并且图像中位于电极处的峰值随加压时间的增加,阴极处峰值有轻微降低,阳极处峰值有一定增长。硅橡胶纳米复合材料内部空间电荷与之前相比注入量增多,两极附近都有同极性电荷注入,并且随加压时间的增加,阴极处峰值有轻微降低,阳极处峰值有一定增长。
 

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  纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料老化1440h后空间电荷分布如图4-6和图4-7所示,在图4-6  a)和图4-7  a)中,纯硅橡胶靠近阴极处侧有少量同极性电荷注入,阳极侧有明显的同极性电荷注入。并且图像中位于电极处的峰值随加压时间的增加,阴极处峰值有轻微降低,阳极处峰值有明显的增长。硅橡胶纳米复合材料内部空间电荷注入量继续增多,两极附近都有同极性电荷注入,并且电极处的峰值都随时间增加有一定降低。
 

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  纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料老化2160h后空间电荷分布如图4-8和图4-9所示,在图4-8  a)和图4-9  a)中,纯硅橡胶内部空间电荷与之前相比注入量明显增多,靠近阴极处侧有少量同极性电荷注入,阳极侧有明显的同极性电荷注入。并且图像中位于电极处的峰值随加压时间的增加,阴极处峰值基本不变,阳极处峰值有明显的增长。硅橡胶纳米复合材料内部空间电荷注入量相对之前保持平稳,两极附近都有同极性电荷注入,随着时间的增加,阴极处峰值基本不变,阳极处峰值有轻微的增长。

  为了更直观地分析老化过程中试样中空间电量的变化趋势,对图4-2到图4-9利用公式(4-5)进行积分获取试样体内平均电荷密度如图4-10所示。

  式中:电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响期刊论文

  L为试样阴极和阳极的距离之差,表示试样厚度;q(x,t)为试样体内随时间变化的电荷密度。这里平均电荷密度是由从阳极到阴极之间的试样中电荷的绝对值之和除以试样厚度所得。

  经计算得到,未老化时硅橡胶平均空间电荷密度为3.69C/m3,硅橡胶纳米复合材料平均空间电荷密度为2.98C/m3,老化720h、1440h和2160h后,纯硅橡胶的平均空间电荷密度分别为4.21C/m3、5.16C/m3和6.36C/m3;硅橡胶纳米复合材料的平均空间电荷密度分别为3.92C/m3、4.62C/m3和5.97C/m3,短路30min后,未老化时纯硅橡胶平均空间电荷密度为0.41C/m3,硅橡胶纳米复合材料平均空间电荷密度为0.23C/m3,老化720h、1440h和2160h后,纯硅橡胶的平均空间电荷密度分别为0.56C/m3、0.95C/m3和1.09C/m3;硅橡胶纳米复合材料的平均空间电荷密度分别为0.29C/m3、0.41C/m3和0.52C/m3。

  由计算结果可知,硅橡胶纳米复合材料与纯硅橡胶试样内部电荷总量都随着老化时间的增加增大,硅橡胶纳米复合材料在老化不同时间后,试样内部积聚的空间电荷量小于纯硅橡胶。结果如图4-10所示。

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  高聚物介质内部存在的空间电荷受多种因素的影响,与试样的化学结构、测试环境、试样的制备与处理等因素都密切相关。理论上空间电荷形成的原因主要有以下四个方面:电极注入、杂质解离、偶极子极化、界面极化。由实验数据分析可知,两种材料在相同的老化时间下,纯硅橡胶积累的空间电荷量明显高于硅橡胶纳米复合材料,表明纳米石墨和纳米炭黑的掺杂抑制了空间电荷的积累,其原因可能是:在硅橡胶基体中加入纳米石墨、纳米炭黑增加了复合材料内陷阱密度和深度,导致注入的电子被束缚在表面后有效的抑制了电子的注入,因此表现出抑制空间电荷的特性。根据图4-10不同老化时间下纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合材料的平均空间电荷密度趋势可知,随着老化时间的增加,纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合材料的空间电荷量均增加,并且上升趋势相同。由文献[46]

  可知,空间电荷与聚合物中的陷阱有非常密切的关系,用电声脉冲法对老化后的材料进行空间电荷的测试,根据实验结果分析可知,随着老化时间的增加,陷阱密度增加,捕获的电荷增多,导致聚合物内部积聚的空间电荷量也增多。所以,随着老化时间的增加,聚合物内陷阱密度增加,从而导致两种材料内部空间电荷积累量均增多。

  4.3本章小结。

  本章采用PEA法测量不同老化时间,纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料在加压及短路状态内部空间电荷的分布情况,对实验结果进行对比分析可知,硅橡胶纳米复合材料在老化不同时间后,试样内部积聚的空间电荷量依然小于纯硅橡胶,纳米石墨、纳米炭黑的掺杂对硅橡胶材料内部空间电荷的积聚起抑制作用,且随着老化时间的增加,纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料内部积聚的空间电荷量均增加,如何发表核心期刊论文,且增加的趋势相同。

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