原文发表在《电瓷避雷器》2024年第6期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.16188/j.isa.1003-8337.2024.6.015
复合绝缘子芯棒用高导热环氧树脂氮化硼复合材料表面耐电痕特性研究
刘会斌1，张大沛1，杨雪城1，张欣伟1，冯振华1，王湃1，姚明禹1，
尚鑫1，李博1，郑靖泉2，王智文2，邢云琪2
(1. 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010000；2. 河北工业大学，天津 300132)
一 内容简介
超/特高压输电线路复合绝缘子运行环境恶劣，运行过程中承受着电、热、力多场耦合作用，加之复合绝缘子芯棒环氧树脂材料自身热导率低，致使局部积累的热量难以快速消散，极易引起复合绝缘子异常发热，导致其绝缘过早失效。因此制备具有高导热性能环氧树脂对提升复合绝缘子可靠性，并延长其使用寿命具有重要意义。文中选取微、纳米BN粒子作为导热填料，制备了不同微米、纳米掺杂比例下环氧树脂复合材料，测试了不同微纳掺杂下环氧树脂复合材料的电、热性能，获得了复合材料沿面放电及电痕破坏特性，并分析了微纳米氮化硼粒子掺杂对环氧树脂电、热性能提升的作用机理。结果表明，微纳米氮化硼粒子的掺杂可以有效提升环氧树脂复合材料的热导率，提高沿面放电起始及闪络电压，增强环氧树脂复合材料的表面耐电痕性能。
二 主要内容
随着超/特高压输电技术与工程的快速发展，我国110 kV以上输电工程中复合绝缘子已突破700万支。复合绝缘子芯棒主要由环氧树脂基体和玻璃纤维组成，其中环氧树脂的热导率为0.2 W/(m·K)，而芯棒的整体热导率也仅为0.4 W/(m·K)左右，导热性能较差。许多研究表明，运行时芯棒热场分布极不均匀，芯棒局部大量发热会严重影响其绝缘可靠性，威胁输电线路稳定运行。因此，研制综合性能优异、低成本的高导热环氧树脂复合材料成为改善芯棒热场分布、减缓芯棒老化进程的可行方法。
无机填料在具备优良的绝缘性能的同时还兼有突出的导热性能，已被广泛应用于绝缘材料改性。金属类无机填料主要是金和银，但由于金和银的电导率高，热导率接近氮化物，且成本较高，较少使用。尽管金属氧化物类导热填料的绝缘性能相对优异，但其热导率较低，通常需要很高的填充量才能制备出具有足够优良导热性能的复合材料。碳化物类无机导热填料中最广泛使用的是碳化硅（SiC），但其热导率相对较低。氮化物类无机导热填料热导率较高。氮化硼（BN）的绝缘性能相对优良且其热导率为185~300 W/(m·K)，是目前较为理想的导热填料。王旗等研究发现纳米氧化铝以及微米氧化铝的掺杂均能提高双酚A型环氧树脂的导热性能。杨国清等通过填充纳米氧化锌粒子提升了环氧树脂复合材料耐击穿性能。刘衍等将纳米氧化镁粒子添加到双酚A型环氧树脂中，有效提升了环氧树脂的导热性能。以上研究表明填充较高含量的无机纳米粒子能明显提升聚合物导热性能，但通常会降低环氧树脂复合材料电气和机械性能。相比于传统单一无机类填料填充改性方法，目前越来越多的学者通过微纳米、双纳米填料混合填充方式来提升环氧树脂绝缘材料的电、热性能。
为了提高复合绝缘子芯棒环氧树脂复合材料的导热和绝缘性能，本研究制备了多微纳比例下高导热环氧树脂材料。研究了微纳米掺杂对双酚A型环氧树脂电、热性能提升的影响规律及作用机理。论文工作对提升复合绝缘子导热性能，提高特高压输电线路运行可靠性具有重要意义。
1试样制备与试验方法
1.1试样制备
1.2实验方法
2环氧树脂/BN复合材料沿面绝缘特性
2.1环氧树脂氮化硼复合材料电导率
2.2环氧树脂氮化硼复合材料介电常数
2.3环氧树脂氮化硼复合材料导热性能
2.4环氧树脂氮化硼复合材料沿面闪络特性
2.5环氧树脂氮化硼复合材料电痕破坏特性
3讨论
3.1环氧树脂复合材料绝缘破坏机理分析
3.2不同微纳EP/BN复合材料表面电位衰减率
3.3环氧树脂/BN复合材料陷阱分布特性
三 结论
本研究采用掺杂高导热氮化硼粒子的方法制备了不同微纳比例环氧树脂复合材料。分别测试了制备样品的沿面放电起始电压和闪络电压，同时拍摄了EP以及EP/BN复合材料电痕破坏过程，并分析了相关机理，主要结论如下。
1）随着纳米BN粒子比例的升高，复合材料电导率增大，介电常数、介电损耗减小。BN粒子的掺杂导致复合材料内部形成了新的导热通路，能够有效提升EP/BN复合材料的热导率，且提升效果与纳米BN掺杂比例呈正相关。
2）添加纳米BN粒子的环氧树脂复合材料碳化面积、质量损失和电蚀深度均减小，电痕破坏程度减弱，能够更好地改善环氧树脂复合材料的表面耐电痕特性。
3）随着微米BN粒子的占比变大，复合材料中深陷阱密度增大，有效限制了电荷迁移，提高了沿面放电起始及闪络电压。
作者简介
刘会斌（1971—），男，硕士，主要研究方向为电气设备状态评价。E-mail: 1469387@qq.com。
本文索引
刘会斌，张大沛，杨雪城，等. 复合绝缘子芯棒用高导热环氧树脂氮化硼复合材料表面耐电痕特性研究[J]. 电瓷避雷器，2024(6)：130-137.
LIU Huibin, ZHANG Dapei, YANG Xuecheng，et al. Surface insulation failure characteristics of high conductivity epoxy resin/BN composite for composite insulator core[J]. Insulators and Surge Arresters，2024(6)：130-137.
《电瓷避雷器》国际标准刊号： ISSN1003-8337， CODEN DBIIA4。国内统一刊号： CN61-1129/TM，《电瓷避雷器》由西安电瓷研究所主办，双月刊， 1958 年创刊， 2009年元月起改制后，由西安高压电器研究院有限责任公司主管。《电瓷避雷器》是我国绝缘子、避雷器行业唯一的一本国内外公开发行的期刊。主要报道国内外绝缘子、避雷器和相关行业的最新理论、科研成果及技术创新等方面的论文。2019年《电瓷避雷器》入选《能源电力领域高质量科技期刊分级目录》电工理论与装备专业T3级。
《电瓷避雷器》连续多年被评为中文核心期刊，是“中国学术期刊综合评价数据库”和“中国科学引文数据库”来源期刊。被美国《化学文摘》、《剑桥科学文摘：材料信息》以及波兰《哥白尼索引》收录。
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