叠加电压下环氧基纳米复合材料表面电荷积聚及其对闪络的影响

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1、叠加电压下环氧基纳米复合材料表面电荷积聚及其对闪络的影响SurfaceChargeAccumulationonEpoxyBasedNanocompositesunderSuperpositionVoltageandItsInfluenceonDCFlashover工程领域：电气工程作者姓名：赵宁指导教师：高宇副教授企业导师：满玉岩高工天津大学电气自动化与信息工程学院二○一七年十二月摘要聚合物基纳米复合绝缘材料以其优异的电气绝缘性能、力学性能和热学性能获得了广泛的关注，其在特高压直流输电系统中也展现出广阔的应用前景。积聚在聚合物材料上的表

2、面电荷是造成电场畸变、引发闪络事故的重要原因，为保障直流系统安全，有必要深入探讨表面电荷的积聚特性及其对闪络的影响。在直流系统的运行过程中，绝缘材料不仅承受直流电压作用，还易受到雷电、操作等过电压作用。但迄今为止，对于直流-脉冲叠加电压作用下绝缘材料表面电荷积聚及闪络特性的研究还十分有限。本文采用高压直流电源与基于Marx发生器原理设计的μs级高压脉冲电源构建了直流-脉冲叠加电压实验系统，制备了环氧基纳米复合材料，开展了叠加电压下材料表面电荷积聚与闪络的实验研究，讨论了加压幅值、时间、极性及纳米颗粒质量分数等因素对材料表面电荷积聚的影响

3、及相应的闪络电压变化，分析了作用机理。论文的主要工作如下：1、选取双酚A环氧（Epoxy,EP）为基体材料，纳米Al2O3为填料，采用机械共混法制备环氧基纳米复合材料试样EP/Al2O3。通过扫描电子显微镜（SEM）确定纳米Al2O3颗粒在EP基体中的分散情况，测量不同纳米颗粒含量的复合材料的相对介电常数。设计直流-脉冲叠加电压的耦合电路，搭建表面电荷测量系统平台。2、采用平面电极结构，对试样分别施加直流电压与直流-脉冲叠加电压。改变电压幅值、电压极性、处理时间及材料的纳米颗粒质量分数，测量加压后样品表面电荷的积聚特性，分析不同参数对表

4、面电荷分布及表面电荷积聚量的影响，探究样品表面电荷的积聚机理。结果表明，EP/Al2O3纳米复合材料的表面电荷积聚受外施电压波形的影响较为明显：当施加的叠加脉冲电压幅值较高时，表面电荷积聚现象严重，且纳米颗粒含量也显著影响材料的表面电荷积聚能力。3、对样品表面预施电压作用，测量施加不同电压幅值与极性的预压对样品直流闪络电压及闪络后表面电荷分布特性的影响，分析表面电荷积聚量、纳米颗粒质量分数及空气湿度对试样直流闪络电压的影响规律。结果表明，试样表面积聚的电荷会降低其直流闪络电压，且加压幅值较高时，闪络电压降低更为显著。当相对湿度增加时，试

5、样的直流闪络电压大幅降低。关键词：环氧树脂，纳米复合材料，叠加电压，表面电荷，闪络ABSTRACTPolymerbasednanocompositeshavedrawnalotofattentionduetotheirexcellentelectricalinsulatingproperty,mechanicalpropertyandthermalproperty.TheirbroadapplicationprospectsintheUHVDCtransmissionsystemhavebeenproposed.Surfacecharg

6、eaccumulationonpolymermaterialisanimportantreasonforelectricfielddistortionandflashover.ToensurethesafetyoftheDCsystem,itisnecessarytoinvestigatethesurfacechargeaccumulationcharacteristicsanditsimpactontheflashover.DuringtheoperationoftheDCpowersystem,theinsulationmateri

7、alnotonlywithstandstheDCelectricfield,butalsoreceivesthelightningovervoltageandtheimpactofoperatingovervoltage.However,uptonow,theresearchonthesurfacechargeaccumulationandflashovercharacteristicsofinsulatingmaterialsunderDC-pulsesuperposedvoltageisstillverylimited.Inthis

8、paper,highvoltageDCpowersupplyandpulsegeneratordesignedbyMarxgeneratorprinciplehavebeenemployed,epoxyba