CB/LDPE复合介质抑制空间电荷机制及电导特性对电场分布的影响
发布时间：2021-08-28 11:14
为研究低剂量炭黑（carbon black,CB）对低密度聚乙烯（low density polyethylene,LDPE）空间电荷和电导特性的影响,该文采用熔融共混法制备了CB/LDPE复合介质,利用电声脉冲法测试LDPE和CB/LDPE复合介质的空间电荷分布,并在不同温度下测试了其直流电导特性。采用量子化学分子动力学模拟等手段对CB/LDPE复合介质的陷阱特性进行研究。另外采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics分别仿真研究了以LDPE和CB/LDPE复合介质为绝缘的直流电缆绝缘层内电场分布。结果表明:CB/LDPE复合介质具有较强的空间电荷抑制能力、较低的电导率和电导温度依赖特性;CB颗粒作为陷阱具有较强的捕获电子能力;CB/LDPE复合介质在较大温度梯度下可有效地抑制绝缘层外侧场强的显著增加。分析认为CB颗粒的陷阱作用是改善CB/LDPE复合介质空间电荷和电导特性的主要原因,而CB/LDPE复合介在较大温度梯度下抑制场强畸变则归因于其合理的电导特性。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2017,37(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【图文】：
CB/LDPE复合材料SEM图片
荷机制及电导特性对电场分布的影响4257厚度/m(a)LDPE间空荷密度电/(/Cm3)0204002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm厚度/m(b)0.5phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(c)1phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(d)1.5phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)3010020040060080020kV/mm30kV/mm40kV/mm1030图3LDPE和CB/LDPE复合介质空间电荷分布Fig.3SpacechargedistributionofLDPEandCB/LDPEcompositesunderdifferentelectricfield极附近，继续增大电场后注入的电荷量进一步增加，并在两电极附近形成负电荷包。由图3(b)可知，在LDPE中添加0.5phrCB(100gLDPE中添加0.5gCB颗粒)后，当电场强度低于40kV/mm时复合介质内几乎没有电荷积聚，在40kV/mm电场作用下试样中间位置有少量负电荷存在。当CB含量增加到1phr时，如图3(c)所示，复合介质内只有少量电荷存在，并随着场强的增大而略微有所增加。图3(d)表明，CB的添加量进一步增大到1.5phr时，电场强度为20kV/mm时试样内几乎没有电荷注入，随着电场强度的增加试样内的电荷量有少量增加。相比纯LDPE，CB含量分别为0.5、1和1.5phr的CB/LDPE复合介质内的电荷量均明显减少，空间电荷积聚得到了有效抑制。图4所示为在40kV/mm的场强下极化30min时，LDPE和不同掺量CB/LDPE复合介质内的电场分布。由图可以看出，由于LDPE试样内积聚了大量的负极性空间电荷，导致试样内部的电场分布出现严重畸变。在阴极附近电场降低，而在阳极附近的电场显著增加，最大电场达到了60kV/mm。而不
极化30min时，LDPE和不同掺量CB/LDPE复合介质内的电场分布。由图可以看出，由于LDPE试样内积聚了大量的负极性空间电荷，导致试样内部的电场分布出现严重畸变。在阴极附近电场降低，而在阳极附近的电场显著增加，最大电场达到了60kV/mm。而不同掺量的CB/LDPE复合介质由于具有较强的空间电荷抑制作用，其内部电场分布较为均匀，掺杂CB颗粒有效地改善了由于空间电荷积聚产生的电场分布畸变。厚度/m场强度电(/V/mkm)1030507020030040050060010LDPE0.5phrCB/LDPE1phrCB/LDPE1.5phrCB/LDPE图4LDPE及CB/LDPE复合介质电场分布Fig.4ElectricfielddistributionofLDPEandCB/LDPEcomposites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，通常同极性电荷主要由电极注入的电子或空穴产生，而异极性电荷主要由介质内的杂质解离形成。本文中LDPE内的空间电荷主要是由阴极注入的电子形成，图3(a)表明在较低的电场(20kV/mm)下电子便开始积聚，并随着电场强度的升高电子积聚增多，最后在整个试样内形成了大量的负极性空间电荷。而添加少量CB颗粒的CB/LDPE复合介质内的空间电荷量明显减少，该材料表现出优异的空间电荷抑制特性。3.3电荷陷阱特性分析研究根据纳米电介质理论，纳米颗粒添加对聚合物
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压直流交联聚乙烯电缆运行与研究现状[J]. 李忠磊,杜伯学. 绝缘材料. 2016(11)
[2]先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J]. 汤广福,庞辉,贺之渊. 中国电机工程学报. 2016(07)
[3]高温高场强下XLPE及其纳米复合材料电导机制转变的实验研究[J]. 王霞,王陈诚,孙晓彤,吴锴,屠德民. 中国电机工程学报. 2016(07)
[4]320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计[J]. 尚康良,曹均正,赵志斌,韩正一,马丽斌,李文鹏. 中国电机工程学报. 2016(07)
[5]高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J]. 周远翔,赵健康,刘睿,陈铮铮,张云霄. 高电压技术. 2014(09)
[6]LDPE纳米复合介质的直流电导特性及其对高压直流电缆中电场分布的影响[J]. 杨佳明,王暄,韩宝忠,赵洪,徐明忠. 中国电机工程学报. 2014(09)
[7]碳纳米管导电网络结构对复合材料拉伸变形的响应性[J]. 曾尤,刘鹏飞,赵龙,杜金红,刘畅. 新型炭材料. 2013(02)
[8]纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究（Ⅰ）[J]. 陈曦,吴锴,王霞,成永红,屠德民,秦楷. 高电压技术. 2012(10)
[9]低密度聚乙烯纳米复合材料中空间电荷积聚对试样厚度的依赖性[J]. 吕泽鹏,吴锴,王霞,成永红,刘通,李锐海. 高电压技术. 2012(10)
[10]碳纳米管和炭黑在橡胶体系增强的协同效应[J]. 范壮军,王垚,罗国华,李志飞,魏飞. 新型炭材料. 2008(02)
本文编号：3368410
【文章来源】：中国电机工程学报. 2017,37(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
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荷机制及电导特性对电场分布的影响4257厚度/m(a)LDPE间空荷密度电/(/Cm3)0204002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm厚度/m(b)0.5phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(c)1phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(d)1.5phrCB/LDPE间空荷密度电/(/Cm3)3010020040060080020kV/mm30kV/mm40kV/mm1030图3LDPE和CB/LDPE复合介质空间电荷分布Fig.3SpacechargedistributionofLDPEandCB/LDPEcompositesunderdifferentelectricfield极附近，继续增大电场后注入的电荷量进一步增加，并在两电极附近形成负电荷包。由图3(b)可知，在LDPE中添加0.5phrCB(100gLDPE中添加0.5gCB颗粒)后，当电场强度低于40kV/mm时复合介质内几乎没有电荷积聚，在40kV/mm电场作用下试样中间位置有少量负电荷存在。当CB含量增加到1phr时，如图3(c)所示，复合介质内只有少量电荷存在，并随着场强的增大而略微有所增加。图3(d)表明，CB的添加量进一步增大到1.5phr时，电场强度为20kV/mm时试样内几乎没有电荷注入，随着电场强度的增加试样内的电荷量有少量增加。相比纯LDPE，CB含量分别为0.5、1和1.5phr的CB/LDPE复合介质内的电荷量均明显减少，空间电荷积聚得到了有效抑制。图4所示为在40kV/mm的场强下极化30min时，LDPE和不同掺量CB/LDPE复合介质内的电场分布。由图可以看出，由于LDPE试样内积聚了大量的负极性空间电荷，导致试样内部的电场分布出现严重畸变。在阴极附近电场降低，而在阳极附近的电场显著增加，最大电场达到了60kV/mm。而不
极化30min时，LDPE和不同掺量CB/LDPE复合介质内的电场分布。由图可以看出，由于LDPE试样内积聚了大量的负极性空间电荷，导致试样内部的电场分布出现严重畸变。在阴极附近电场降低，而在阳极附近的电场显著增加，最大电场达到了60kV/mm。而不同掺量的CB/LDPE复合介质由于具有较强的空间电荷抑制作用，其内部电场分布较为均匀，掺杂CB颗粒有效地改善了由于空间电荷积聚产生的电场分布畸变。厚度/m场强度电(/V/mkm)1030507020030040050060010LDPE0.5phrCB/LDPE1phrCB/LDPE1.5phrCB/LDPE图4LDPE及CB/LDPE复合介质电场分布Fig.4ElectricfielddistributionofLDPEandCB/LDPEcomposites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，通常同极性电荷主要由电极注入的电子或空穴产生，而异极性电荷主要由介质内的杂质解离形成。本文中LDPE内的空间电荷主要是由阴极注入的电子形成，图3(a)表明在较低的电场(20kV/mm)下电子便开始积聚，并随着电场强度的升高电子积聚增多，最后在整个试样内形成了大量的负极性空间电荷。而添加少量CB颗粒的CB/LDPE复合介质内的空间电荷量明显减少，该材料表现出优异的空间电荷抑制特性。3.3电荷陷阱特性分析研究根据纳米电介质理论，纳米颗粒添加对聚合物
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压直流交联聚乙烯电缆运行与研究现状[J]. 李忠磊,杜伯学. 绝缘材料. 2016(11)
[2]先进交直流输电技术在中国的发展与应用[J]. 汤广福,庞辉,贺之渊. 中国电机工程学报. 2016(07)
[3]高温高场强下XLPE及其纳米复合材料电导机制转变的实验研究[J]. 王霞,王陈诚,孙晓彤,吴锴,屠德民. 中国电机工程学报. 2016(07)
[4]320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计[J]. 尚康良,曹均正,赵志斌,韩正一,马丽斌,李文鹏. 中国电机工程学报. 2016(07)
[5]高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J]. 周远翔,赵健康,刘睿,陈铮铮,张云霄. 高电压技术. 2014(09)
[6]LDPE纳米复合介质的直流电导特性及其对高压直流电缆中电场分布的影响[J]. 杨佳明,王暄,韩宝忠,赵洪,徐明忠. 中国电机工程学报. 2014(09)
[7]碳纳米管导电网络结构对复合材料拉伸变形的响应性[J]. 曾尤,刘鹏飞,赵龙,杜金红,刘畅. 新型炭材料. 2013(02)
[8]纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究（Ⅰ）[J]. 陈曦,吴锴,王霞,成永红,屠德民,秦楷. 高电压技术. 2012(10)
[9]低密度聚乙烯纳米复合材料中空间电荷积聚对试样厚度的依赖性[J]. 吕泽鹏,吴锴,王霞,成永红,刘通,李锐海. 高电压技术. 2012(10)
[10]碳纳米管和炭黑在橡胶体系增强的协同效应[J]. 范壮军,王垚,罗国华,李志飞,魏飞. 新型炭材料. 2008(02)
本文编号：3368410
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