多物理场耦合下形态对聚乙烯空间电荷特性的影响研究

发布时间：2019-09-22 04:45

【摘要】：塑料挤包型直流电缆的电压等级朝着超高压/特高压的趋势发展。作为塑料挤包型直流电缆中最常见的绝缘介质,聚乙烯具有载流子迁移率低、陷阱浓度高等优良的特性。直流电场作用下,聚乙烯由于上述特点容易在内部形成空间电荷的积聚,从而畸变电场,影响材料老化和击穿等绝缘性能。电缆在运行过程中除了耐受直流电场外,还要承受因导芯发热引起的温度场。因此,深入开展高温强电场耦合作用下聚乙烯空间电荷特性的研究对攻克塑料挤包型直流电缆的关键技术具有重要意义。形态结构会影响聚合物的电学性能,其包括结晶形态和表面形貌。本文采用电声脉冲法空间电荷测量技术捕捉温度和电场作用下低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)中空间电荷的演变行为,揭示了多物理场耦合作用下形态对空间电荷稳态暂态过程的影响,为高性能电缆绝缘材料的开发提供试验和理论支持。本文得到了LD-iPP(聚丙烯为基底)、LD-PTFE(聚四氟乙烯为基底)和LD-G(玻璃为基底)这三种表面形貌的试样及其在多物理场耦合作用下空间电荷及直流击穿特性。25℃时,LD-G、LD-PTFE和LD-iPP的击穿场强由小到大,-100 kV/mm下由电极注入的负空间电荷由少到多、正空间电荷由多到少;在60℃、-125 kV/mm下,LDPE内部出现了具有快速演变行为的空间电荷包,其迁移率较常温下均提高至少一个数量级,试样中正电荷包的电荷量由大到小依次为LD-PTFE、LD-G和LD-iPP。结合原子力显微镜、傅立叶变换红外光谱分析以及相介电常数等测试结果,上述试验现象得到了合理的解释。本研究制备了具有不同结晶形态的聚乙烯试样,探讨了多物理场耦合作用下形态对空间电荷演变行为的影响,得到了空间电荷二次特性参数和陷阱微观参数。冷却速率越慢,则LDPE具有越大且越均匀的晶胞尺寸;冷却速率越快,LDPE直流电导电流密度越大,内部陷阱密度越高并且深陷阱含量越多。-100kV/mm、20℃时,LD-I组别空间电荷包注入速率和迁移速率均最大。在40℃时,仅在LD-I试样中观察到空间电荷包并且最大电场畸变值均在该组别中出现。在60℃时,LD-I中出现了正极性空间电荷包,在LD-S中出现了负极性空间电荷包,在LD-A中则出现正负极性空间电荷包,这些正负空间电荷包的迁移行为均符合负微分迁移率。此外,LD-I材料中负空间电荷的注入场强阈值高于LD-A和LD-S。
【图文】：

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图 1.1 论文研究结构框图论文各章节内容如下：第一章指出本文的研究在我国大力发展远距离直流特高压输电的背景下，围绕着空间电荷制约塑料挤包型直流电缆的应用和发展这个关键问题，在已有成果的基础上，开展了多物理场耦合作用下聚乙烯材料的结晶形态和表面形貌对空间电荷特性影响的研究。第二章介绍了本文的试验方案。阐述了不同结晶形态和表面形貌聚乙烯试样的制备方法，介绍了材料物理特性和电学性能测试方法和过程，并且深入分析了测试结果。最后，本章介绍了电声脉冲法空间电荷测试原理和测试平台的组成。第三章主要开展了多物理场耦合作用下表面形貌对聚乙烯空间电荷稳态暂态过程影响的研究。在 25℃、-100 kV/mm 电场强度下研究了表面形貌对空间电荷注入特性影响，在 60℃、-125 kV/mm 电场强度下研究了不同表面形貌对空间电荷包快速演变行为的作用，并且结合第二章的物理结构和基础

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图 2.1 不同表面形貌 LDPE 薄膜的制备方法2.1.2 表面微观形貌观测及分析LDPE 试样的表面形貌通过原子力显微镜(Icon Atomic Force Microscope,AFM)观测。设备型号为 Bruker Icon，，控制器型号为 Bruker Nanoscope V。采用探针模式，扫描频率为 1 Hz。观测结果用相位图表示。图 2.2(a)-图 2.2(c)分别是 LD-G、LD-iPP 和 LD-PTFE 试样的表面微观形貌观测结果。由图可知，LD-iPP 中较多的片晶交叠，而 LD-PTFE 存在互相平行的片晶排列方式。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM215.1

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