改善絕緣設備或部件整體電場分布均勻程度的方法及複合材料的介紹

一些高壓輸變電係統中的絕緣設備或部件，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分布極不均勻，所承受的電場強度遠遠超出平均值，甚至達到平均值的數倍，由此帶來了一係列設計、製造方麵的不利影響。

目前，改善絕緣設備或部件整體(ti) 電場分布均勻程度的傳(chuan) 統方法主要包括：改變電極形狀、在絕緣介質內(nei) 嵌入金屬起到內(nei) 屏蔽作用、在絕緣介質內(nei) 部加多層平行電容極板、在絕緣介質表麵或外圍布置均壓環作為(wei) 中間電極、安裝並聯的均壓電容等。與(yu) 采用各種外部措施的傳(chuan) 統方法相比，通過各種手段調節絕緣電介質材料自身的性能參數實現改善絕緣設備或部件電場分布均勻程度的效果，在實際均壓效果、以及降低設備設計和製造難度等方麵都具有明顯的優(you) 勢。目前此類複合材料主要包括：恒定參數的高電導或高介電複合材料，以及具有與(yu) 外加電場相關(guan) 的非線性壓敏電導或非線性介電特性的複合材料。

恒定參數高電導複合材料在絕緣設備或部件均壓方麵的典型應用是廣泛用於(yu) 預製電纜終端結構中的橡膠應力錐。采用高相對介電常數複合材料套管也可以改善電纜終端電場分布的均勻程度，同時相比采用高電導複合材料的橡膠應力錐，其結構上更加簡單、緊湊，電場改善效果更為(wei) 理想。目前，高相對介電常數複合材料套管已有較為(wei) 成熟的商業(ye) 化產(chan) 品應用於(yu) 中壓電纜係統。用於(yu) 製備高相對介電常數複合材料的填料已擴展到碳納米管，Al 和Ag 等金屬粒子，聚苯胺(PANI)等導電高分子顆粒， BaTiO3 等高相對介電常數陶瓷顆粒，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分布的設想。ABB 公司的研究人員研究了采用非線性電導複合材料替代恒定參數高電導複合材料作為(wei) 電纜套管的技術方案，及其對電場分布均勻性的改善效果[8-9]。分析結果表明，非線性介電複合材料相比恒定參數高相對介電常數複合材料，對電場分布均勻性的改善效果有顯著的提升。

Manchester 大學的 Varlow 和 Auckland 等較早對采用多種聚合物基體(ti) 和無機填料合成的非線性電導複合材料的特性進行了較為(wei) 廣泛深入的研究。另外，研究者通過以陶瓷燒結工藝製備的ZnO 壓敏

陶瓷粉體(ti) 為(wei) 填料，使得複合材料的非線性電導性能得到了很大提高，並實現了商業(ye) 應用。在，哈爾濱理工大學和西安交通大學等也開展了非線性電導或介電複合材料的基礎研究。

從(cong) 實際應用效果的角度考慮，兼具非線性電導和非線性介電特性的複合材料是更為(wei) 理想的方案。對於(yu) 交流係統中絕緣介質上由外加電壓導致的不均勻電場，希望能夠以非線性介電特性為(wei) 主導因素改善電場分布，避免大的泄漏電流和介質損耗；同時複合材料具有的非線性電導特性也能對空間電荷積累產(chan) 生有效的消散作用，避免因其導致的局部電場集中。對於(yu) 直流係統，在正常工況下由複合材料的非線性電導特性主導改善外部電壓以及空間電荷導致的不均勻電場，在各種暫態電場作用下則可以發揮非線性介電特性的作用。對於(yu) 兼具非線性電導和非線性介電特性的複合材料，Argaut 等發表過相關(guan) 論文，但受到了 ABB 研究者的質疑。近年來ABB 公司的Donzel 等報道的以ZnO 壓敏陶瓷作為(wei) 填料的複合材料，除了非線性電導特性之

外，實際上還應該同時存在非線性的壓敏介電特性，隻是未被研究者予以考慮和研究而已。針對上述觀點，本實驗室先前研究成果應經從(cong) 仿真和實驗上得到了初步的證明。

麵向高電壓等級、多類型電力絕緣均壓需求，開展兼具非線性電導和介電特性的複合材料的理論基礎和應用研究，有助於(yu) 更有效、廣泛地解決(jue) 高電壓等級電力係統絕緣設備或部件電場分布不均勻的難題，尤其對於(yu) 相關(guan) 技術和產(chan) 業(ye) 發展，具有填補基礎理論和應用研究空白的作用，價(jia) 值和意義(yi) 更為(wei) 顯著。