為研究低劑量炭黑（carbon black,CB）對(duì)低密度聚乙烯（low density polyethylene,LDPE）空間電荷和電導(dǎo)特性的影響,該文采用熔融共混法制備了CB/LDPE復(fù)合介質(zhì),利用電聲脈沖法測試LDPE和CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)的空間電荷分布,并在不同溫度下測試了其直流電導(dǎo)特性。采用量子化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段對(duì)CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)的陷阱特性進(jìn)行研究。另外采用多物理場耦合軟件COMSOL Multiphysics分別仿真研究了以LDPE和CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)為絕緣的直流電纜絕緣層內(nèi)電場分布。結(jié)果表明:CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)具有較強(qiáng)的空間電荷抑制能力、較低的電導(dǎo)率和電導(dǎo)溫度依賴特性;CB顆粒作為陷阱具有較強(qiáng)的捕獲電子能力;CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)在較大溫度梯度下可有效地抑制絕緣層外側(cè)場強(qiáng)的顯著增加。分析認(rèn)為CB顆粒的陷阱作用是改善CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)空間電荷和電導(dǎo)特性的主要原因,而CB/LDPE復(fù)合介在較大溫度梯度下抑制場強(qiáng)畸變則歸因于其合理的電導(dǎo)特性。 

【文章來源】：中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2017,37(14)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【圖文】：

CB/LDPE復(fù)合材料SEM圖片

荷機(jī)制及電導(dǎo)特性對(duì)電場分布的影響4257厚度/m(a)LDPE間空荷密度電/(/Cm3)0204002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm厚度/m(b)0.5phrCB/LDPE間空荷密度電/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(c)1phrCB/LDPE間空荷密度電/(/Cm3)01002004006008002020kV/mm30kV/mm40kV/mm1020厚度/m(d)1.5phrCB/LDPE間空荷密度電/(/Cm3)3010020040060080020kV/mm30kV/mm40kV/mm1030圖3LDPE和CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)空間電荷分布Fig.3SpacechargedistributionofLDPEandCB/LDPEcompositesunderdifferentelectricfield極附近，繼續(xù)增大電場后注入的電荷量進(jìn)一步增加，并在兩電極附近形成負(fù)電荷包。由圖3(b)可知，在LDPE中添加0.5phrCB(100gLDPE中添加0.5gCB顆粒)后，當(dāng)電場強(qiáng)度低于40kV/mm時(shí)復(fù)合介質(zhì)內(nèi)幾乎沒有電荷積聚，在40kV/mm電場作用下試樣中間位置有少量負(fù)電荷存在。當(dāng)CB含量增加到1phr時(shí)，如圖3(c)所示，復(fù)合介質(zhì)內(nèi)只有少量電荷存在，并隨著場強(qiáng)的增大而略微有所增加。圖3(d)表明，CB的添加量進(jìn)一步增大到1.5phr時(shí)，電場強(qiáng)度為20kV/mm時(shí)試樣內(nèi)幾乎沒有電荷注入，隨著電場強(qiáng)度的增加試樣內(nèi)的電荷量有少量增加。相比純LDPE，CB含量分別為0.5、1和1.5phr的CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的電荷量均明顯減少，空間電荷積聚得到了有效抑制。圖4所示為在40kV/mm的場強(qiáng)下極化30min時(shí)，LDPE和不同摻量CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的電場分布。由圖可以看出，由于LDPE試樣內(nèi)積聚了大量的負(fù)極性空間電荷，導(dǎo)致試樣內(nèi)部的電場分布出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。在陰極附近電場降低，而在陽極附近的電場顯著增加，最大電場達(dá)到了60kV/mm。而不

極化30min時(shí)，LDPE和不同摻量CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的電場分布。由圖可以看出，由于LDPE試樣內(nèi)積聚了大量的負(fù)極性空間電荷，導(dǎo)致試樣內(nèi)部的電場分布出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。在陰極附近電場降低，而在陽極附近的電場顯著增加，最大電場達(dá)到了60kV/mm。而不同摻量的CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)由于具有較強(qiáng)的空間電荷抑制作用，其內(nèi)部電場分布較為均勻，摻雜CB顆粒有效地改善了由于空間電荷積聚產(chǎn)生的電場分布畸變。厚度/m場強(qiáng)度電(/V/mkm)1030507020030040050060010LDPE0.5phrCB/LDPE1phrCB/LDPE1.5phrCB/LDPE圖4LDPE及CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)電場分布Fig.4ElectricfielddistributionofLDPEandCB/LDPEcomposites絕緣介質(zhì)在直流電場作用下形成的空間電荷按電荷極性與其附近電極極性是否相同可分為同極性電荷和異極性電荷，通常同極性電荷主要由電極注入的電子或空穴產(chǎn)生，而異極性電荷主要由介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)解離形成。本文中LDPE內(nèi)的空間電荷主要是由陰極注入的電子形成，圖3(a)表明在較低的電場(20kV/mm)下電子便開始積聚，并隨著電場強(qiáng)度的升高電子積聚增多，最后在整個(gè)試樣內(nèi)形成了大量的負(fù)極性空間電荷。而添加少量CB顆粒的CB/LDPE復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的空間電荷量明顯減少，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的空間電荷抑制特性。3.3電荷陷阱特性分析研究根據(jù)納米電介質(zhì)理論，納米顆粒添加對(duì)聚合物

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜運(yùn)行與研究現(xiàn)狀[J]. 李忠磊,杜伯學(xué).  絕緣材料. 2016(11)
[2]先進(jìn)交直流輸電技術(shù)在中國的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 湯廣福,龐輝,賀之淵.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2016(07)
[3]高溫高場強(qiáng)下XLPE及其納米復(fù)合材料電導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 王霞,王陳誠,孫曉彤,吳鍇,屠德民.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2016(07)
[4]320kV XLPE高壓直流電纜接頭附件仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 尚康良,曹均正,趙志斌,韓正一,馬麗斌,李文鵬.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2016(07)
[5]高壓/超高壓電力電纜關(guān)鍵技術(shù)分析及展望[J]. 周遠(yuǎn)翔,趙健康,劉睿,陳錚錚,張?jiān)葡?  高電壓技術(shù). 2014(09)
[6]LDPE納米復(fù)合介質(zhì)的直流電導(dǎo)特性及其對(duì)高壓直流電纜中電場分布的影響[J]. 楊佳明,王暄,韓寶忠,趙洪,徐明忠.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2014(09)
[7]碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料拉伸變形的響應(yīng)性[J]. 曾尤,劉鵬飛,趙龍,杜金紅,劉暢.  新型炭材料. 2013(02)
[8]納米粒子改性聚乙烯直流電纜絕緣材料研究（Ⅰ）[J]. 陳曦,吳鍇,王霞,成永紅,屠德民,秦楷.  高電壓技術(shù). 2012(10)
[9]低密度聚乙烯納米復(fù)合材料中空間電荷積聚對(duì)試樣厚度的依賴性[J]. 呂澤鵬,吳鍇,王霞,成永紅,劉通,李銳海.  高電壓技術(shù). 2012(10)
[10]碳納米管和炭黑在橡膠體系增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)[J]. 范壯軍,王垚,羅國華,李志飛,魏飛.  新型炭材料. 2008(02)



本文編號(hào)：3368410