改善絕緣設(shè)備或部件整體電場(chǎng)分布均勻程度的方法及復(fù)合材料的介紹

一些高壓輸變電系統(tǒng)中的絕緣設(shè)備或部件，如輸電電纜終端的絕緣部分、各種絕緣子的高壓端部分等，其自身所承受的電場(chǎng)分布極不均勻，所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平均值，甚至達(dá)到平均值的數(shù)倍，由此帶來(lái)了一系列設(shè)計(jì)、制造方面的不利影響。

目前，改善絕緣設(shè)備或部件整體電場(chǎng)分布均勻程度的傳統(tǒng)方法主要包括：改變電極形狀、在絕緣介質(zhì)內(nèi)嵌入金屬起到內(nèi)屏蔽作用、在絕緣介質(zhì)內(nèi)部加多層平行電容極板、在絕緣介質(zhì)表面或外圍布置均壓環(huán)作為中間電極、安裝并聯(lián)的均壓電容等。與采用各種外部措施的傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)各種手段調(diào)節(jié)絕緣電介質(zhì)材料自身的性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)改善絕緣設(shè)備或部件電場(chǎng)分布均勻程度的效果，在實(shí)際均壓效果、以及降低設(shè)備設(shè)計(jì)和制造難度等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前此類復(fù)合材料主要包括：恒定參數(shù)的高電導(dǎo)或高介電復(fù)合材料，以及具有與外加電場(chǎng)相關(guān)的非線性壓敏電導(dǎo)或非線性介電特性的復(fù)合材料。

恒定參數(shù)高電導(dǎo)復(fù)合材料在絕緣設(shè)備或部件均壓方面的典型應(yīng)用是廣泛用于預(yù)制電纜終端結(jié)構(gòu)中的橡膠應(yīng)力錐。采用高相對(duì)介電常數(shù)復(fù)合材料套管也可以改善電纜終端電場(chǎng)分布的均勻程度，同時(shí)相比采用高電導(dǎo)復(fù)合材料的橡膠應(yīng)力錐，其結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單、緊湊，電場(chǎng)改善效果更為理想。目前，高相對(duì)介電常數(shù)復(fù)合材料套管已有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)用于中壓電纜系統(tǒng)。用于制備高相對(duì)介電常數(shù)復(fù)合材料的填料已擴(kuò)展到碳納米管，Al 和Ag 等金屬粒子，聚苯胺(PANI)等導(dǎo)電高分子顆粒， BaTiO3 等高相對(duì)介電常數(shù)陶瓷顆粒，以及 TiO2 等氧化物顆粒等。

L.G. Virsberg 等早提出了采用非線性特性材料改善電場(chǎng)分布的設(shè)想。ABB 公司的研究人員研究了采用非線性電導(dǎo)復(fù)合材料替代恒定參數(shù)高電導(dǎo)復(fù)合材料作為電纜套管的技術(shù)方案，及其對(duì)電場(chǎng)分布均勻性的改善效果[8-9]。分析結(jié)果表明，非線性介電復(fù)合材料相比恒定參數(shù)高相對(duì)介電常數(shù)復(fù)合材料，對(duì)電場(chǎng)分布均勻性的改善效果有顯著的提升。

Manchester 大學(xué)的 Varlow 和 Auckland 等較早對(duì)采用多種聚合物基體和無(wú)機(jī)填料合成的非線性電導(dǎo)復(fù)合材料的特性進(jìn)行了較為廣泛深入的研究。另外，研究者通過(guò)以陶瓷燒結(jié)工藝制備的ZnO 壓敏

陶瓷粉體為填料，使得復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)性能得到了很大提高，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。在，哈爾濱理工大學(xué)和西安交通大學(xué)等也開(kāi)展了非線性電導(dǎo)或介電復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究。

從實(shí)際應(yīng)用效果的角度考慮，兼具非線性電導(dǎo)和非線性介電特性的復(fù)合材料是更為理想的方案。對(duì)于交流系統(tǒng)中絕緣介質(zhì)上由外加電壓導(dǎo)致的不均勻電場(chǎng)，希望能夠以非線性介電特性為主導(dǎo)因素改善電場(chǎng)分布，避免大的泄漏電流和介質(zhì)損耗；同時(shí)復(fù)合材料具有的非線性電導(dǎo)特性也能對(duì)空間電荷積累產(chǎn)生有效的消散作用，避免因其導(dǎo)致的局部電場(chǎng)集中。對(duì)于直流系統(tǒng)，在正常工況下由復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性主導(dǎo)改善外部電壓以及空間電荷導(dǎo)致的不均勻電場(chǎng)，在各種暫態(tài)電場(chǎng)作用下則可以發(fā)揮非線性介電特性的作用。對(duì)于兼具非線性電導(dǎo)和非線性介電特性的復(fù)合材料，Argaut 等發(fā)表過(guò)相關(guān)論文，但受到了 ABB 研究者的質(zhì)疑。近年來(lái)ABB 公司的Donzel 等報(bào)道的以ZnO 壓敏陶瓷作為填料的復(fù)合材料，除了非線性電導(dǎo)特性之

外，實(shí)際上還應(yīng)該同時(shí)存在非線性的壓敏介電特性，只是未被研究者予以考慮和研究而已。針對(duì)上述觀點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)室先前研究成果應(yīng)經(jīng)從仿真和實(shí)驗(yàn)上得到了初步的證明。

面向高電壓等級(jí)、多類型電力絕緣均壓需求，開(kāi)展兼具非線性電導(dǎo)和介電特性的復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，有助于更有效、廣泛地解決高電壓等級(jí)電力系統(tǒng)絕緣設(shè)備或部件電場(chǎng)分布不均勻的難題，尤其對(duì)于相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有填補(bǔ)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究空白的作用，價(jià)值和意義更為顯著。