改善不均匀电场的非线性复合材料研究进展

  本文关键词：改善不均匀电场的非线性复合材料研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

第40卷 第3期：637-647 2014年3月31日

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.03.001

高电压技术

High Voltage Engineering Vol.40, No.3: 637-647

March 31, 2014

改善不均匀电场的非线性复合材料研究进展

何金良，谢竟成，胡 军

（清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084）

摘 要：电场分布不均匀现象是高压电力绝缘设备及部件广泛存在的难题，给高压设备的设计、制造带来很大的技术难度和成本，并且危及设备长期运行的安全可靠性。采用具有与外加电场相关的非线性压敏电导或介电特性的复合材料，可以实现材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配，达到智能地改善绝缘介质空间电场分布均匀性的效果。为此，详细综述了用于改善电力绝缘不均匀电场分布的非线性电导复合材料在国际上的基础和应用研究成果，并指出了该领域预期的发展方向是研究兼具非线性电导和介电特性的“smart”复合材料，实现自适应调控电力设备内部的电场分布。另外迫切需要揭示纳米颗粒与绝缘材料的界面特性及界面模型，为进一步调控绝缘材料的电场特性等提供理论支撑。

关键词：不均匀电场；复合材料；非线性电导；非线性介电；无机纳米颗粒；纳米复合技术；材料改性

Progress of Nonlinear Polymer Composites for Improving Nonuniform Electrical Fields

HE Jinliang, XIE Jingcheng, HU Jun

(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering,

Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：Non-uniform electrical field widely existing in insulation components of power systems brings about great technical difficulty and additional cost, as well as potential harm to reliability of power equipment. The polymer compo-sites with nonlinear conductivity or permittivity that depends on applied electrical fields can smartly smooth the non-uniform electrical fields in insulation components of power systems through fitting material parameters with the electrical fields. We have summarized the worldwide progress and achievements in researching nonlinear polymer com-posites for improving non-uniform electrical fields in detail. Furthermore, we think that the “smart” polymer composites, which have both nonlinear conductivity and nonlinear permittivity, should take the lead so as to adaptively adjust and control the inner electric field distribution of power equipment. On the other hand, the characteristics and models of the interface between nanoparticle and polymer should be revealed, to provide fundamental theory support for further tailor-ing the electrical field property of composite polymers.

Key words：nonuniform electric field; polymer composite; nonlinear conductivity; nonlinear permittivity; inorganic na-no-particle; nanocomposite technology; material modification

0 引言

在高压、超高压乃至特高压交直流输变电系统(简称为高压输变电系统)中，绝缘是其核心问题之一，系统电压等级越高，绝缘问题的重要性和困难度越加显著。高压输变电系统中的绝缘设备或部件，其自身所承受的电场分布往往极不均匀，例如输电电缆终端的绝缘部分、各种绝缘子的高压端部分等，所承受的电场强度要远远超出整体电场强度的平均———————

基金资助项目：国家重点基础研究发展计划(973计划) (2014CB239504)；国家自然科学基金(51007046)。

Project supported by National Basic Research Program of China (973 Pro-gram) (2014CB239504), National Natural Science Foundation of China (51007046).

值，甚至达到平均值的数倍，由此带来了一系列设计、制造方面的不利影响。另一方面，对于目前高压输变电系统中广泛采用的有机聚合物类电介质材料(硅橡胶、聚氯乙烯、环氧树脂、聚乙烯等)，存在着材料老化的问题。普遍而言，由于绝缘设备或部件自身承受电场分布的不均匀性，电场强度较大，尤其是导致出现电晕、局部放电等现象的部位的电介质材料，其老化速度往往更快、程度也更为严重，由此对系统的长期安全稳定运行带来更大的威胁。因此，合理改善绝缘设备或部件整体电场分布的均匀程度、缓和局部的高电场强度，可以降低特高压设备设计、制造的技术难度，，降低电力设备造价，

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