特邀专栏：高压电工装备绝缘

特邀专栏

特邀专栏：高压电工装备绝缘

客座主编：杜伯学教授（天津大学）
客座编辑：刘文凤教授（西安交通大学）黄兴溢教授（上海交通大学）李忠磊副教授（天津大学）

高压交、直流输电具有输电容量大、输送距离远、线路损耗低、走廊利用率高和联网能力强等特点，是实现我国跨区域大容量、远距离电能输送，解决大规模清洁能源并网的重要发展方向。高压电力装备的发展是建设（超/特）高压交、直流输电系统的重要基础。随着我国高压输电和变电设备电压等级和容量不断提高，绝缘系统面临高电场强度、高运行温度、强机械应力等更为严苛的运行工况，对电力装备制造与运行提出了巨大挑战。加之一些关键装备及其绝缘材料依赖进口，绝缘材料开发、设计与制造长期受制于人。因此，“高压电力装备绝缘”已成为电气工程领域的研究热点，近年来针对高压交直流电缆及其附件、高压金属化薄膜电容器、气体绝缘输电管道、（换流）变压器、电抗器等关键电力装备，我国高校、科研院所及电力设备企业围绕多物理场下绝缘材料介电性能演变、老化破坏机理以及高性能绝缘材料开发开展了大量研究工作，对于推动我国高压电力装备发展、保障电力安全及可持续发展具有重大战略意义。

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1. 序

电气工程学报 2021, 16 (2): 1-1. DOI: 10.11985/2021.02.001

摘要（217）

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PDF（pc）（228KB）（110）

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2. 聚丙烯高压直流电缆绝缘研究进展与展望^*

杜伯学, 李忠磊, 周硕凡, 范铭升

电气工程学报 2021, 16 (2): 2-11. DOI: 10.11985/2021.02.002

摘要（1509）

HTML （104）

PDF（pc）（967KB）（2280）

聚丙烯(Polypropylene,PP)绝缘材料具有绝缘性能优良、无需交联、可熔融再利用等优点,是环保型高压直流电缆绝缘的重要发展方向。聚丙烯基绝缘材料存在电气和力学性能难以协同调控的矛盾,是国产高压直流电缆聚丙烯绝缘所面临的主要瓶颈问题。为此从聚丙烯绝缘聚集态结构角度出发,介绍了聚丙烯绝缘聚集态结构及其表征方法,综述了共混与共聚、成核剂添加、结晶温度控制三种调控手段在调控聚丙烯聚集态结构及宏观性能方面的研究进展,论述了不同调控方法对高压直流电缆聚丙烯绝缘电气与力学性能的作用机理。分析表明,β成核剂可抑制聚丙烯绝缘中空间电荷的注入与积聚,提高击穿场强,同时显著提升其抗冲击性能;适当的结晶温度可提升聚丙烯结晶度,控制球晶尺寸,协同提升绝缘电气与力学性能。最后从高压直流电缆的实际运行工况出发,分析并展望了聚丙烯绝缘材料的应用前景与发展方向。

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3. 三维氮化硼结构及其导热绝缘聚合物纳米复合材料^*

姜文政, 林瑛, 江平开, 黄兴溢

电气工程学报 2021, 16 (2): 12-24. DOI: 10.11985/2021.02.003

摘要（919）

HTML （59）

PDF（pc）（4181KB）（2144）

在聚合物基导热复合材料中,构筑三维填料网络结构因能够为复合材料提供导热通路、降低界面热阻而受到广泛关注,综述了具有三维氮化硼导热网络结构的聚合物复合材料的研究进展。介绍了氮化硼的本征导热性质和氮化硼填料的改性方法。详细介绍了三维氮化硼导热网络的构建方法,包括杂化填料构建三维导热网络、模板法、自组装法、静电纺丝法及模压法等。介绍了导热三维氮化硼聚合物纳米复合材料的应用以及目前存在的问题和展望。

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4. 热老化交联聚乙烯绝缘状态评估和介电参数计算的新型电荷表征和分析方法^*

黄炳融, 王威望, 李盛涛, 李欣原, 蒋起航, 聂永杰, 邓云坤

电气工程学报 2021, 16 (2): 25-32. DOI: 10.11985/2021.02.004

摘要（705）

HTML （34）

PDF（pc）（984KB）（1503）

基于电流积分电荷量(DCIC-Q(t))技术研究了不同热老化时间下交联聚乙烯(XLPE)的动态电荷特性。对XLPE薄片试样施加电场,观察其电荷量随电场强度的变化规律,提出电荷量之比k作为判定空间电荷积累的依据;通过瞬时充电电荷Q₀与电压的线性关系拟合得到XLPE电容,进一步计算获得介电常数;提出松弛时间τ与介电常数、电导率之间的关系,获得不同电场下电导率变化曲线。随着热老化时间的增加,XLPE绝缘动态电荷比值、介电常数以及电导率先略有增加,然后迅速上升。这说明短时间的热老化对XLPE的电性能影响不明显,但热老化时间的增加会导致电缆绝缘电气性能发生明显劣化。XLPE片状试样的研究为整体电缆老化评估提供试验依据。

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5. 混炼工艺对聚丙烯基绝缘材料的力学及电学性能研究^*

杨俊, 杨佳明, 赵新东, 杨旭, 王暄

电气工程学报 2021, 16 (2): 33-41. DOI: 10.11985/2021.02.005

摘要（627）

HTML （42）

PDF（pc）（3466KB）（756）

选用聚丙烯(PP)为基体材料,乙烯-辛烯共聚物(POE)弹性体和苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SEBS)为增韧改性填料,应用双螺杆挤出机与转矩流变仪两种混炼方式制备了弹性体/聚丙烯复合材料。研究表明,与纯PP相比,弹性体/聚丙烯复合材料机械韧性得到改善,但材料耐电强度降低,空间电荷增多。其中,SEBS/PP复合材料的力学性能和耐电强度均优于POE/PP体系。混炼工艺对材料的性能影响较为明显,由于双螺杆的切应力更强,所制复合材料中弹性体分布更均匀,耐电强度更高。但较强的切应力也使PP大分子链降解,导致空间电荷积聚增多。

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6. 硫代受阻酚复合抗氧剂对聚丙烯直流电缆绝缘空间电荷与直流预压击穿特性的影响^*

刘畅, 李忠磊, 周硕凡, 范铭升, 杜伯学

电气工程学报 2021, 16 (2): 42-49. DOI: 10.11985/2021.02.006

摘要（625）

HTML （12）

PDF（pc）（919KB）（804）

聚丙烯(Polypropylene, PP)高压直流电缆绝缘的电导、空间电荷与击穿特性是评价其电学性能的关键性指标。为此选取了两种具有同分异构结构的硫代受阻酚类抗氧剂4,4’-硫代双(6-叔丁基间甲酚) (AO300)和4,4’-硫代双(6-叔丁基邻甲酚) (AO736),研究了抗氧剂对PP绝缘电导、空间电荷及极性反转下的击穿特性的影响规律和机理。试验结果表明,两种抗氧剂均会在PP中引入深陷阱中心,增大电导活化能,减少空间电荷积聚,并显著提高极性反转后的直流击穿强度。基于量子化学计算获得了两种抗氧剂的能带分布和键解离能(Bond dissociation energy, BDE),发现AO736相较于AO300可引入更多用以捕获高能电子的局域态陷阱,抑制高能电子对PP分子链的破坏过程;同时AO736中的氢氧键具有较低的BDE,反映出其具有更强的自由基清除能力,通过阻止PP中的自由基链式反应从而抑制击穿过程。分析认为,AO736可明显改善高压直流电缆用聚丙烯绝缘空间电荷和极性反转电压下的击穿性能。

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7. 聚丙烯载流子输运与能量积累调制直流击穿威布尔分布特性仿真研究

蔡姝娆, 高梓巍, 纪民尊, 姚佳池, 李鹏新, 闵道敏, 李盛涛, 武庆周

电气工程学报 2021, 16 (2): 50-59. DOI: 10.11985/2021.02.007

摘要（773）

HTML （58）

PDF（pc）（1543KB）（1274）

聚丙烯因其优异的电气和化学性能被广泛应用于薄膜电容器,但直流电场中电介质的击穿是制约电容器储能密度提高的关键因素。外施强电场作用下,电极/绝缘电介质界面注入的电荷在电场力驱动下输运并积累能量,形成泄漏电流,积聚空间电荷、畸变电场,最终导致绝缘电介质发生击穿破坏。从载流子输运和能量积累造成绝缘电介质击穿的物理过程,提炼出决定击穿场强分散性的电荷注入势垒、试图逃逸频率、载流子迁移率、陷阱能级、陷阱密度和陷阱捕获概率六个电荷输运特征参数。将电荷输运特征参数设置为随机变量,采用电荷输运和分子链位移调制击穿模型仿真了载流子输运与能量积累过程,得到的击穿强度计算结果服从威布尔分布。建立了威布尔特征击穿强度与形状分布参数随不同电荷输运随机变量方差的变化关系：随着方差的增大,特征击穿强度基本稳定在试验值附近,形状分布参数由于击穿数据分散性增大而下降。对比各输运参数方差与威布尔分布的关系,发现威布尔分布对陷阱能级的依赖性较强,对试图逃逸频率和迁移率的依赖性较弱,对注入势垒和陷阱捕获概率的依赖性最弱。研究结果阐释了电荷输运随机变量通过调控载流子输运与能量积累改变击穿威布尔分布特性的作用机理。

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8. 半导体纸和铝箔作为套管芯体电容极板的局部放电特性差异及分析研究^*

简政, 郝建, 李彦青, 林元棣

电气工程学报 2021, 16 (2): 60-68. DOI: 10.11985/2021.02.008

摘要（524）

HTML （11）

PDF（pc）（1985KB）（737）

套管芯体局部放电是引起套管故障的重要原因之一。传统“绝缘纸-铝箔-绝缘纸”结构为芯体的油纸绝缘套管已使用多年,为进一步优化油纸绝缘套管的芯体结构和绝缘性能,采用力学性能良好的半导体纸为电容极板,对“绝缘纸-铝箔-绝缘纸”和“绝缘纸-半导体纸-绝缘纸”两种结构体系在极不均匀电场下的工频击穿和局部放电特性开展对比研究。试验结果表明,当采用半导体纸作为电容极板时,能提高多层绝缘结构体系的起始局放电压与工频击穿电压,减少同等电压下多层结构体系的局部放电量和放电次数;相较于以铝箔作为电容极板的体系,电场分布仿真结果表明选用半导体纸的多层绝缘结构体系的电场最大值更小,有助于提升其绝缘性能。研究结果为油纸绝缘套管芯体材料的选择提供了理论参考。

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9. 考虑隔板沿面闪络的气固复合绝缘工频耐压特性^*

郑跃胜, 谢鑫达, 黄惠芬, 何桐桐

电气工程学报 2021, 16 (2): 69-76. DOI: 10.11985/2021.02.009

摘要（471）

HTML （11）

PDF（pc）（1646KB）（745）

为了分析隔板沿面闪络与气固复合绝缘系统工频耐压特性的关系,结合工频耐压试验和有限元仿真,从等效击穿路径和平均电场强度两个角度进行分析。研究发现,气固复合绝缘间隙的击穿电压无法通过典型击穿路径直接计算。间隙击穿前,隔板在不同位置下沿面路径承受的平均场强并不相同,但不同尺寸隔板承受的平均场强基本一致。结果表明,已知某种尺寸隔板在给定位置的击穿电压时,即可预测其他尺寸隔板在相同位置的击穿特性。

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10. 复合绝缘管的油相容性及热老化性能研究^*

雷雨兴, 汪可, 郁郁, 杨雁, 李刚, 高波, 吴广宁

电气工程学报 2021, 16 (2): 77-85. DOI: 10.11985/2021.02.010

摘要（482）

HTML （7）

PDF（pc）（3816KB）（801）

采用复合绝缘外套的油浸式设备中,需要使用玻璃纤维增强环氧树脂绝缘管作为主绝缘容器,复合绝缘管与绝缘油长期接触,并且经受各种运行工况的考验。为研究绝缘管与油的相容性和长期运行稳定性,对三种不同配方绝缘管材料进行油浸热老化处理,针对不同老化时间后的绝缘油进行相容性相关的频域介电谱、气相色谱分析;针对不同老化时间的绝缘管材料进行击穿电压试验、局部放电特性试验、表面微观形貌、频域介电频谱等抗热油老化性能研究。根据试验结果,分析了不同老化时间绝缘管材料的抗热油老化能力,对比了不同配方绝缘管材料的抗热油老化能力及抗老化性能。结果表明,较高的浅陷阱密度有利于电荷消散,减少局放的发生,提高耐电特性。此外,老化过程中较低的环氧树脂分解和玻璃纤维断裂程度最终表现为良好的油相容性。该结果可为提高采用复合绝缘外套油浸式设备的运行寿命和可靠性提供优选配方及理论依据。

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11. 电机定子绝缘频域介电谱解析与老化评估方法研究

石颉, 赵德宇

电气工程学报 2021, 16 (2): 86-92. DOI: 10.11985/2021.02.011

摘要（455）

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PDF（pc）（684KB）（832）

为利用频域介电谱对发电机定子绝缘进行老化状态评估,提出了频谱解析策略及老化评估方法,并设计加速老化试验进行了验证。通过复介电常数实部与角频率的偏导曲线判断测试频段内的极化弛豫数量,并对高频段数据进行拟合分析,将拟合结果进行推广到全频段,并利用统计检验确保了拟合结果与原始数据的一致性,实现了频谱弛豫极化损耗与电导损耗的分离。利用傅里叶逆变换实现了频域极化电流到时域极化电流的转换,研究了转换之后的电流幅值随老化程度的变化规律。结果表明,所提出的频谱解析策略具备可行性与有效性,获取的时域极化电流幅值与直流电导率对老化状态具有较高敏感度,可以应用于定子绝缘的老化状态评估。

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