气相氟化纳米环氧树脂的电荷动态特性、直流闪络及击穿性能研究

摘要

环氧树脂凭借其优异的绝缘特性和较低的制备成本而广泛应用于中国直流输配电系统的建设过程当中。然而在直流电场的持续作用下，环氧树脂表面及基体内易形成电荷积聚中心并引发电场畸变，进而可能造成材料绝缘性能下降，甚至引发闪络或击穿等安全事故，严重威胁到直流电力系统的稳定运行，因此研究提升环氧树脂直流绝缘特性的技术手段有着重大工程意义。本文首先研究了纳米复合及氟化修饰两种改性技术对于直流电场作用下环氧树脂电学性能的综合调控作用，并在此基础上探讨了表面电荷、空间电荷动态特性分别与直流闪络性能、击穿性能的交互机制。主要研究内容如下：　　①制备了纳米填料含量为0、1、3及5wt%的环氧树脂/Al2O3纳米复合介质，并采用气相氟化修饰技术对各组样品进行了0、15、30及60min的表面改性，研究了氟化环氧树脂纳米复合介质的键合结构及微观形貌。实验结果表明氟化修饰通过取代及加成反应在环氧树脂表面引入了厚度约为1～2μm的氟化层，而在纳米复合过程中填料的含量不宜超过5wt%，否则将引起严重的团聚现象。此外，氟化修饰可显著提升环氧树脂表面粗糙度，而纳米复合却可以抑制这一趋势，表明两种改性技术之间存在着一定竞争关系。　　②测量了纳米复合与氟化修饰联合改性对环氧树脂沿面电荷动态特性、陷阱分布及闪络性能的影响规律，并探究了电介质表面电荷与闪络性能的交互机制。ISPD实验结果表明纳米Al2O3复合可在环氧树脂表面引入大量深陷阱并降低表面电位衰减速率，同时还造成复合介质直流闪络强度下降。而氟化修饰可通过引入化学缺陷削减样品表层陷阱能级，加速了表面电位衰减趋势并显著提高直流闪络强度。表面电荷扫描结果则揭示了闪络前表面电荷主要积聚在电极顶端，且纳米复合将加大电荷积聚中心密度，进而引发的电场畸变有助于流注的产生与发展，由此降低了环氧树脂纳米复合介质的直流闪络电压。闪络后样品表面将出现一条贯穿电极的等电位放电通道，该通道的电荷密度较小且具有与闪络实验相反的极性，此外通道宽度会随着闪络次数的增加而扩大。　　③获得了不同纳米填料含量与氟化时间对环氧树脂介电特性、空间电荷分布以及击穿性能的影响规律，探讨了电介质空间电荷对于直流击穿过程的作用机制。结果表明纳米Al2O3复合将增大环氧树脂的介电常数与介质损耗，而氟化修饰导致环氧树脂介电常数下降但介质损耗上升。此外，PEA结果表明纳米复合与氟化修饰均可抑制环氧树脂的空间电荷注入行为，分析认为纳米复合引入的深陷阱可在环氧表层捕获大量同性电荷以削弱界面有效电场，而氟化修饰可降低表层自由体积导致电荷迁移通道缩小，这两种现象均可提高界面势垒以屏蔽空间电荷注入，进而削弱了空间电荷在介质体内迁移或复合的过程中对于环氧树脂分子结构的轰击与破坏，从而提升了环氧树脂的直流击穿强度。

目录

1 绪 论

1.1.1 问题的提出

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电介质改性技术研究现状

1.2.2 电介质电荷动态特性研究现状

1.2.3 电介质闪络及击穿研究现状

1.3 本文的研究内容

2 氟化环氧树脂纳米复合介质的制备及性能测试

2.1 样品制备

2.1.1 实验材料与样品制备仪器设备

2.1.2 纳米Al2O3改性

2.1.3 环氧树脂纳米复合介质样品制备

2.1.4 环氧树脂氟化修饰

2.2 微观形貌及理化特性表征

2.2.1 氟化环氧树脂纳米复合介质微观形貌

2.2.2 氟化环氧树脂纳米复合介质表面化学结构

2.2.3 氟化环氧树脂接触角及表面能

2.3.1 介电性能测试

2.3.2 电阻率测试

2.3.3 表面电荷动态特性测试

2.3.4 空间电荷分布测试

2.3.5 直流闪络特性测试

2.3.6 直流击穿特性测试

2.4 本章小结

3 环氧树脂复合介质表面电荷动态特性及直流闪络性能研究

3.1 氟化环氧树脂纳米复合介质表面电荷动态特性分析

3.2 氟化修饰及纳米复合对环氧树脂体表电阻率的影响

3.3 氟化环氧树脂纳米复合介质直流闪络特性分析

3.4 表面电荷动态特性与闪络特性交互机制分析

3.5 本章小结

4 环氧树脂复合介质空间电荷及击穿性能研究

4.1 氟化环氧树脂纳米复合介质介电性能分析

4.2 氟化环氧树脂纳米复合介质空间电荷特性分析

4.3 氟化环氧树脂纳米复合介质直流击穿特性分析

4.4 空间电荷与击穿特性交互机制分析

4.5 本章小结

5 本文主要结论、创新点及不足之处

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 不足之处

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间申请的专利目录

C. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

D. 学位论文数据集

致谢