纳米碳化硅及氧化铝改性绝缘纸板介电特性研究

发布时间：2020-10-19 22:33

　　 换流变压器是直流输电系统的核心器件,运行时其阀侧主绝缘将承受交流、直流、交直流叠加电压及极性反转电压的作用。由于在直流电压作用下油纸主绝缘中电场分布取决于两者的电阻率,且该电阻率与温度密切相关,这使得换流变压器油纸绝缘结构中更易出现电场集中,并导致绝缘中的异常放电甚至击穿。同时,在直流电压作用下,绝缘纸板中会积聚空间电荷,从而引起油纸绝缘中电场分布畸变,影响换流变压器的绝缘性能。鉴于以上问题,本文从改善换流变压器主绝缘和出线装置中电场分布、提升绝缘纸板击穿性能和抑制纸板内部空间电荷的角度出发,开展了纳米碳化硅及氧化铝改性纸板介电特性及作用机理的研究。所开展的研究工作包括:依据工业绝缘纸板生产流程,利用实验室小型造纸设备完成改性纸板的制备。为防止纳米颗粒团聚并提高其在纸板中的留存量,本文利用聚乙二醇作为分散剂对纳米颗粒进行表面修饰,测试结果表明所制备的纸板性质均一稳定,满足实验要求。同时,根据研究需求在实验室中搭建空间电荷测试系统、介电参数及热刺激电流测试平台。在实验室中对所制备纳米改性纸板的介电特性进行研究,结果表明:纳米碳化硅改性纸板电导率及击穿场强随掺杂比例的升高分别表现出升高和下降趋势,且电导率随电场的提高表现出较好的非线性特性;纳米氧化铝改性纸板的电阻率和击穿场强随掺杂比例升高呈现先升后降的变化趋势。两种纳米改性纸板的电导率都随温度升高而增大,其相对介电常数和介质损耗因数都随纳米掺杂比例升高呈先减小后增大的趋势。电场分布的仿真分析结果表明,利用纳米碳化硅改性纸板电导率的非线性特性可以有效均化换流变压器出线装置中的电场分布。为研究纳米掺杂对绝缘纸板空间电荷积聚特性的影响规律,在实验室中开展了不同纳米掺杂组分下纸板中空间电荷的测试,结果表明:低纳米掺杂比例氧化铝改性纸板对空间电荷的注入及电场畸变有抑制作用,而纳米碳化硅掺杂则加剧了空间电荷的积聚,其空间电荷注入及消散速率较高;随温度和电场强度升高,两种改性纸板的空间电荷积聚及电场畸变加剧,但空间电荷的消散速率提高。为探究纳米掺杂对改性绝缘纸板介电特性的影响机理,本文利用分子动力学对纸板纤维素、碳化硅和氧化铝的禁带宽度进行仿真计算,建立了纳米颗粒在纸板中的分布模型及纳米改性纸板体系的能带结构模型,并利用改性纸板的热刺激电流特性对所建立模型进行验证。理论分析及实验结果表明,纳米掺杂所引起绝缘纸板中陷阱参数的变化是影响改性纸板介电特性的主要原因,纳米氧化铝的掺杂可使纸板体系中陷阱深度与陷阱密度增加,而纳米碳化硅掺杂则相反,且两种改性纸板中陷阱深度与陷阱密度都会随纳米掺杂比例的上升而下降,从而引起其介电特性和空间电荷积聚特性的上述变化规律。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM855
【部分图文】：

物纤维绝缘纸代，随着石油工业的迅速发展，多种合成材DuPont 公司率先开发出 Nomex 绝缘纸并实现产的同类产品则被称为 Conex，俄罗斯为 F13。Nomex 绝缘纸的主要成分为聚间苯二甲酰切纤维及沉析纤维为原料，经过特殊成形和材料，并按功能衍生出 41X 型、46X 型及 4图 1-2 所示。

N C CH O ONHn图 1-3 对位芳纶纤维分子化学结构式Fig. 1-3 The chemical structural formula of PPTA70 年代，我国自主研发出一种全新的耐高温材料—子结构如图 1-4 所示。由其结构可知，芳砜纶属于芳香高分子主链上存在极强的吸电子基团（-SO2-），由其构好的热稳定性[40]。正是由于芳砜纶绝缘纸在阻燃性、耐学性能等方面的优异表现，使其成为广泛应用于 F 级及的重要绝缘材料。但与上述两种芳纶纸相比，虽其电气能还有差距[41, 42]。

结构如图 1-4 所示。由其结构可知，芳砜纶属于芳分子主链上存在极强的吸电子基团（-SO2-），由其的热稳定性[40]。正是由于芳砜纶绝缘纸在阻燃性、性能等方面的优异表现，使其成为广泛应用于 F 级重要绝缘材料。但与上述两种芳纶纸相比，虽其电还有差距[41, 42]。图 1-4 芳砜纶纤维分子化学结构式Fig. 1-4 The chemical structural formula of PSA年代，田村顺一等人为了提高绝缘纸板的耐热性能出一种新型耐热合成纸。由于聚酰亚胺大分子中含O-及-CO 键等结构，使得主链键能较大，分子间作的耐热性和介电强度，其分子式如图 1-5 所示[43-46
【参考文献】

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本文编号：2847807