環(huán)氧樹(shù)脂具備良好的電氣性能和機(jī)械性能,已在高壓絕緣領(lǐng)域得到廣泛使用。處于高場(chǎng)強(qiáng)下的氣-固交界處容易積聚表面電荷,造成電場(chǎng)畸變,一旦引發(fā)局部放電等現(xiàn)象,將直接影響環(huán)氧樹(shù)脂的絕緣性能,進(jìn)而導(dǎo)致沿面閃絡(luò)甚至更嚴(yán)重的事故發(fā)生,威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,本文利用大氣壓等離子體對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行表面改性,并對(duì)比直接氟化技術(shù),探究改性前后電荷消散、表面形貌、化學(xué)成分等因素提高環(huán)氧樹(shù)脂沿面耐壓性能的機(jī)理。首先,對(duì)比分析了三種處理?xiàng)l件和未處理樣品的各項(xiàng)性質(zhì)。DBD刻蝕、DBD沉積和直接氟化處理使積聚的表面電荷分別降至未處理樣品最高值的60.1%,23.3%和42.0%。DBD沉積樣品的表面粗糙度最低,表面形貌呈現(xiàn)出均勻的數(shù)百納米高度的錐形峰,閃絡(luò)電壓提高約15%。而氟化樣品受到放熱反應(yīng)的影響,表面部分區(qū)域膨化,且存在少量半微米級(jí)別的高尖峰,閃絡(luò)電壓提高不足10%。此外,不同形態(tài)的未處理樣品沿面耐壓性能有所不同,而經(jīng)過(guò)砂紙打磨處理后,閃絡(luò)電壓均明顯提高。其次,對(duì)比分析了不同處理時(shí)間下的DBD沉積和直接氟化樣品儲(chǔ)存5~100天后的性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),DBD沉積樣品儲(chǔ)存25天后的電荷消散曲線出現(xiàn)明顯變化,而氟化樣品儲(chǔ)存35天進(jìn)行干燥處理后才出現(xiàn)較大改變。水接觸角測(cè)試表明氟化樣品的親水性更強(qiáng)。此外,利用次大氣壓DBD處理方式發(fā)現(xiàn),0.5~10分鐘的處理時(shí)間對(duì)電荷消散曲線的影響很小。盡管剛處理完的樣品電荷消散大幅加快,但閃絡(luò)電壓值較低,儲(chǔ)存2天后,樣品的閃絡(luò)電壓值有所提高。最后,通過(guò)設(shè)置合理的基底溫度與氧含量對(duì)射流放電效果與薄膜性質(zhì)進(jìn)行改善。氧含量的適當(dāng)增加可擴(kuò)大放電通道,穩(wěn)定放電過(guò)程,薄膜面積有效增加。通過(guò)化學(xué)基團(tuán)分析,0~3分鐘期間,薄膜厚度增加的同時(shí)也沿表面生長(zhǎng)。通過(guò)形貌觀察發(fā)現(xiàn),氧氣可提供更多的成核位點(diǎn),加快薄膜生長(zhǎng),但原子團(tuán)數(shù)量和方向較難控制,基底加熱能有效抑制原子團(tuán)聚現(xiàn)象,防止薄膜開(kāi)裂,控制薄膜生長(zhǎng),從而形成更緊實(shí)致密的薄膜。經(jīng)過(guò)熱固化數(shù)天后的薄膜沉積樣品,沿面耐壓性能提升可達(dá)25%,說(shuō)明薄膜有效成型至關(guān)重要。
【學(xué)位單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TQ323.5
【部分圖文】：

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展1.2.1 表面電荷積聚與消散特性的研究圖 1.1 所示為電荷遷移的物理過(guò)程，表面電荷的來(lái)源包括場(chǎng)致發(fā)射、局部放電、氣體電離、電極注入、晶格電離等方式，可分為氣體側(cè)、固體側(cè)和固體表面?zhèn)鲗?dǎo)三種途徑，在干凈的氣體絕緣系統(tǒng)中，固體側(cè)電導(dǎo)是絕緣子表面電荷的主要來(lái)源[18]-[22]。相應(yīng)的，表面電荷消散可通過(guò)與氣體離子中和，沿表面?zhèn)鬏敽脱鼗w傳輸，建立在圖 1.2 的模型中，在位置向量 r 定義的位置處，式(1.1)可以描述表面電荷密度 (r,t)隨時(shí)間的變化[23],[24]。表面電阻率較低時(shí)，俘獲的電荷只沿表面移動(dòng)，而當(dāng)表面電阻率足夠高時(shí)，電荷將積聚在表面，飽和電荷密度可由式(1.2)計(jì)算[25]。( r,t)J(r,t)J(r,t)(r,t)tVnGntS =++ (1.1)sat E E= 11n22n(1.2)

圖 1.2 表面電荷消散機(jī)制及氣體離子中和對(duì)表面電位的影響測(cè)量表面電荷的方法分為粉塵圖法、Pockels 效應(yīng)法和靜電探頭法，如圖1.3 所示[26],[27]。粉塵圖法利用顏色差距明顯的帶電粉塵定性表征電荷分布，由于對(duì)試樣有破壞作用，一般只用作輔助驗(yàn)證。Pockels 效應(yīng)法將激光通過(guò)晶體時(shí)的相位延遲轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，得到與電荷密度的線性關(guān)系，具有測(cè)量速度快，精度和空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，但目前只能測(cè)量透明薄膜。無(wú)源靜電探頭基于靜電感應(yīng)和電容分壓原理，需保證輸入的阻抗足夠大以減小泄漏電流的影響，且測(cè)量錐形和盆式絕緣子時(shí)無(wú)法取得準(zhǔn)確的 Cps和 Cs值。有源靜電探頭和靜電計(jì)的組合裝置是近年來(lái)大部分學(xué)者采用的方法，當(dāng)探頭電位與被測(cè)表面電位不相等時(shí)，感應(yīng)電極將產(chǎn)生感應(yīng)電流，控制靜電計(jì)中的電壓源輸出直流電壓，使探頭電位逐步靠近被測(cè)表面電位，直至感應(yīng)電流為零。

1 緒論表面電荷的動(dòng)態(tài)情況時(shí)刻改變著電場(chǎng)分布，影響絕緣材料的耐壓性能。Qi 等人[28]利用步進(jìn)電機(jī)和靜電探頭裝置測(cè)量了不同電壓幅值、脈沖次數(shù)和極性下的盆式絕緣子電荷分布情況，如圖 1.4 所示，分析了積聚的電荷平均密度與閃絡(luò)電壓間的聯(lián)系，結(jié)果表明隨著電荷密度的上升，閃絡(luò)電壓值呈下降趨勢(shì)。Li 等人[29]綜述了電荷的積聚機(jī)理以及影響電荷輸運(yùn)的因素，并對(duì)不同的電壓脈沖下表面電荷對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響作了分析，結(jié)果表明凸面上累積的電荷更易引發(fā)閃絡(luò)，表面電荷可以完全改變沿面閃絡(luò)路徑，并可能直接影響到表面電荷的穩(wěn)定狀態(tài)。西安交通大學(xué)、天津大學(xué)等研究單位也對(duì)不同外界條件下的電荷分布特性做了相應(yīng)的研究[30]-[34]。除此之外，表面裂痕、毛刺、金屬微粒等都是影響表面電荷分布的重要因素，金屬微粒導(dǎo)致表面出現(xiàn)電荷斑，可能發(fā)生飛螢現(xiàn)象和豎立現(xiàn)象，造成氣隙擊穿電壓的大幅下降[35],[36]。圖 1.5 所示為電荷環(huán)與閃絡(luò)路徑的關(guān)系以及金屬微粒引起的表面電荷斑。
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