高電壓技術及固體絕緣材料的進展

楊曉玉

【摘要】隨著科技技術的日益提高，高電壓有機外絕緣技術的廣泛應用，迫使我們在有機外絕緣技術上尋求新的發展、新的突破固體。絕緣材料是一種物質內部的電極化對電場敏感的材料，包括無機材料、有機材料、以及這兩種材料混合的復合電介質。主要探討聚合物納米電解質、環氧樹脂、氰酸酯樹脂等固體介質的基本特性和介電性能。并對其前景進行展望。

【關鍵詞】高電壓技術；絕緣；發展；納米復合材料；樹脂；介電特性

【中圖分類號】TM215.92 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0058-02

1.前言

高電壓與絕緣技術是隨著高電壓遠距離輸電而發展起來的一門電力科學技術，它是一門新的學科，它是隨著電力系統輸電電壓的提高和近代物理的進展而得到發展的。高電壓與絕緣技術的基本任務是研究高電壓的獲得和高電壓下電介質及其電力系統的行為和特點。本文介紹一些固體介質材料的新進展情況以及高電壓發展趨勢。

2.絕緣材料

2.1 無機納米復合電解質

無機納米/有機聚合物復合材料的發展已有近20年的歷史。早在1985年，為了善聚合物材料的強度和韌性，日本和美國開始了無機納米/有機聚合物復合材的研究。通過添加無機納米粒子得到的復合材料，其強度和韌性大大提高，軟化溫度也比單純聚合物有所提高。我國學者通過將無機納米粉體如、加入到環氧樹脂、聚酯等絕緣聚合物中用于工程電工的絕緣電介質材料后發現，其絕緣性能、老化性能以及材料的耐大電流沖擊能力提高了5到100倍。對于無機納米復合電解質的介電特性作如下分析：

2.1.1 電阻率和電導率

電阻率是電介質最基本的性能參數之一，可分為電子單導和離子電導兩種。很多文獻都對納米摻雜引起的聚合物電阻率的變化做了研究，界面區是一個納米系統，其厚度取決于界面力作用性質，如果是短程力作用，則厚度將小于1nm，如果是長程力作用，例如在電介質中界面帶電其厚度可能達到10nm以上。界面在控制電荷輸運過程中起著重要作用已經是一個公認的事實。納米電介質的許多優異性能都被認為與界面結構和行為有關。納米顆粒表面改變了聚合物結構體和局部電荷分布。隨著填料尺寸的減小，界面區域的聚合物相對體積逐漸增大，界面作用開始占據主導地位。納米摻雜所形成的界面區域的結構不同于聚合物基體，存在大量的界面態，有可能改變復合物體內的陷阱密度和陷阱能級。納米摻雜后材料的電阻率增大，可能是由于納米摻雜通過物理化學作用在界面區引入了大量的深陷阱或使得原有的陷阱能級變深，降低了載流子遷移率，從而致使電阻率增大和電導率減小。

2.1.2 介電常數和介電損耗

介電常數和介電損耗可以反映電解質內部的介電施豫過程，也就是電介質對外加電場的響應過程。介電施豫是了解聚合物高分子結構和相關材料性能的重要手段。對研究固體中的空間電荷和晶體中的缺陷有重要意義。而且材料和器件的老化現象也與長時間的施豫效應有關。對聚合物/無機納米復合電解質來說，聚合物、無機顆粒、界面區域撒部分的電學性質完全不同，他們可能引起不同性質的極化。實驗發現，在溫度為393K頻率為1kHZ時基體、微米摻雜、納米摻雜、的介電常數實部分別為9.99、13.8和8.49，由此可見，納米摻雜的介電常數比基體及微米摻雜都要小。

2.1.3 耐電暈老化性能

聚合物絕緣體表面發生電暈放電時，將產生一定的帶電粒子、氧和氮的等離子體以及紫外光，帶電子可直接撞擊聚合物表面導致高分子鏈的破壞，而等離子體具有強氧化性使高分子氧化分解，同時外光也可使聚合物產生老化現象。目前，采用無機米顆粒填充法提高聚合物的耐電暈性能的研究非活躍。不同的研究人員所采用的納米粒子種類不同，耐電暈性能提高的機理也不完全相同，但均大幅度提高了原有聚合物的耐電暈性能。例如納米在提高材料耐電暈能方面的作用，認為納米具有改善電場分布，提高熱傳導能力，并在絕緣表面形成電子和紫外線屏障，從而提高了聚合物耐電暈老化壽命。

2.1.4 電樹枝老化特性

電樹枝的引發主要是由電荷注入和拉出過程中產生的機械疲勞引起的。空間電荷測量已經證實納米摻雜抑制空間電荷的形成，從而提高了樹枝引發電場和延長了樹枝引發時間。另外，納米顆粒對樹枝引發和發展有阻擋作用。其可能機理是，納米顆粒及其界面區域扭曲了樹枝發展路徑。當樹枝引發后，納米顆粒的高介電常數使得電樹枝向納米顆粒附近發展，當納米顆粒及其本身附近的鍵合層、束縛層都有較強的耐放電老化特性，從而阻礙了電樹枝的進一步發展或者使其發展路徑更加扭曲，從而延長了復合物電樹枝老化擊穿時間。

2.1.5 聚合物納米復合電介質的局部放電

在電氣設備的絕緣系統中，通常不同部位的電場強度是不同的，如果局部區域的場強超過該區域介質的擊穿場強時，放電就會發生，由于這種放電并不會貫穿施加電壓的兩導體之間，整個絕緣系統并沒有擊穿，仍保持絕緣性能，把這種現象稱為局部放電。局部放電是一種伴隨有電、聲、光、熱等效應的復雜的物理過程。在放電過程中經常會導致聚合物鏈的氧化、裂解和交聯，使聚合物表面電導率與體積電導率明顯增大，從而增加聚合物的介電損耗，降低介電強度，大大降低電氣設備的使用壽命。最近的研究表明，使用無機納米化合物對現有的聚合物絕緣材料（如聚酰亞胺）填充改性，可以在很大程度上提高聚合物的抗局部放電性能。

2.2 高性能介電復合材料用基體樹脂的研究進展

2.2.1 環氧樹脂（EP）

環氧樹脂是一類具有良好粘接、耐腐蝕、電氣絕緣、高強度等性能的熱固性樹脂是最常用的復合材料基體樹脂之一。環氧樹脂具有不耐高溫、介電性能一般、固化后韌性差等缺點，使其在高頻電路板和透波材料等方面的應用受到限制。此外，在樹脂體系中加入氰酸酯可降低樹脂固化體系中羧基的濃度，同時可改善樹脂的交聯濃度，提高固化物玻璃化轉變溫度。在EP中加入聚亞苯基醚和甲代烯苯基醚等較大基團，可改變其介電性能。

2.2.2 氰酸酯樹脂（CE）

氰酸酯樹脂是一種新型高性能熱固性樹脂基體，含有兩個或兩個以上的氰酸酯官能團，具有優良的力學性能、高耐熱性、低的介電常數和介電損耗、高的熱穩定性和良好的工藝技術。然而氰酸酯樹脂最引人注目的是他優良的介電性能，由于氰酸酯樹脂聚合后交聯密度大，加上分子中三嗪環結構高度對稱，造成CE固化物較脆，加之單體制備工藝存在毒性大、轉化率低等所帶來的價格高等因素在很大程度上限制他的廣泛應用。

2.2.3 其他樹脂基體

用于高性能介電復合材料的樹脂基體主要為以上介紹的各種樹脂，但一些介電性能優良、耐高溫的樹脂也可用于制造PCB、雷達天線罩、微電子材料以及其他的一些高頻通訊器材。由于所用纖維和基體都是非極性材料，結構相似，兩者具有良好的相容性，制得的復合材料界面粘結強度高、介電性能優異、綜合力學性能好、耐化學腐蝕性能好、吸濕率極小，是一類理想的高性能介電復合材料。

3.高電壓技術的發展情況

從全面說來，高電壓技術可分為兩個方面，一個是輸變電中的高電壓技術，另一個是電場物理裝置中的高電壓技術，我們都是搞電力的，所以主要關心輸變電中的高電壓技術，這一方面當前主要是輸電電壓向超高壓、特高壓發展，同時對已經有的電力系統，包括22萬、33萬、50萬伏電壓等級這些已經有的系統，怎么使設備小型化和高質量，最主要的高電壓研究工作還是對電力系統中高電壓設備的研究，包括絕緣子表面放電的規律；在很高電壓的輸電線附近的電場很強，人在下面走有什么感受，電場強度怎么控制，電線的高度都和這個有關系的，直流電場和交流電場有點區別，在直流電場，如果是一個正電極的帶電導線它對地是正的或者是負的，當超過了電離的電場強度以后，導線與地之間的氣體分子就電離了，正的和負的分離，正的電荷就往下流，帶電的粒子永遠是向下流的，當直流電流流過人體，帶電的正電荷加強了地面的電場強度，減弱了上面的電場強度，但是人和生物都是在下面的，所以人是感受對導體帶電產生的電場，是把它加強的作用。在交流情況下，電荷沒有規律，電場的分布要經過詳細計算。

過電壓問題的研究電力設備除了承受交流或直流工作電壓外，還會遇到雷電過電壓和內部過電壓的作用，這兩類過電壓會給電力設備的絕緣帶來嚴重的危害，因此就需要研究這兩類過電壓的發生和變化規律，以及防止這兩類過電壓引起事故的技術措施由于雷云放電引起的過電壓叫做雷電過電壓，雷電過電壓根據產生的原因通常分為兩種：（1）直擊雷過電壓；（2）感應雷過電壓。雷電過電壓的特點是：（1）持續的時間很短；（2）它是單極性的；（3）雷電過電壓的峰值很高。

4.總結

縱觀高電壓技術的發展，大致走過了一條從現象觀測到實驗研究再到理論探討的漫長道路，概括起來有以下幾個主要特點：

（1）實驗性強。實驗和分析表明，影響電介質在高電壓下行為的因素甚多。因此，根據特定條件所得出的理論，通常具有較大的局限性。為了獲得具有普遍意義的結果，需要從大量的實驗結果中抽取反映本質的因素。從這個意義上說，實驗的重要性在本學科的發展中是至關重要的（2）理論性強。由于放電和擊穿是發生在非限定空間的一種導電現象，其內在規律無法從“路”的觀點來描述，只能從易受多種因素制約的“場”的理論出發，由于過程復雜，致使表征其內在規律的理論至今尚不成熟，而且帶電粒子的行為與物質性質和狀態關系密切，這就更增加了理論探討的難度。（3）交叉性強。在吸收其他新興學科的最新成就促進自身不斷發展的同時，高電壓技術也在不斷的向其他學科滲透并成為開拓新興科學技術不可缺少的理論和技術基礎，高功率脈沖技術的出現就是個突出的實例。