正溫度系數(shù)材料調(diào)控絕緣直流電場(chǎng)分布

周文俊 滕陳源, 周遠(yuǎn)翔,,3 張 靈 張?jiān)葡?/p>

（1.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系） 北京 100084 3.電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)光儲(chǔ)分室（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院） 烏魯木齊 830047）

0 引言

高壓直流輸電已經(jīng)成為傳統(tǒng)化石能源和可再生能源高效優(yōu)化配置的關(guān)鍵手段[1-2]。在運(yùn)行過程中，由于載流導(dǎo)桿損耗發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致直流設(shè)備絕緣內(nèi)部形成梯度的溫度分布[3]。不同于交流電場(chǎng)，直流電場(chǎng)分布取決于絕緣材料的電阻率分布。由于眾多固體絕緣材料的電阻率具有負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient, NTC）特性，直流設(shè)備絕緣中的電阻率在運(yùn)行過程中并非均勻分布，從而引起電場(chǎng)畸變，加速絕緣材料的劣化和失效[4-5]。而負(fù)荷和環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化使得這一問題更加嚴(yán)峻，給高壓直流輸電工程的安全運(yùn)行埋下難以預(yù)知的隱患。隨著設(shè)備運(yùn)行功率的提升和小型化，絕緣材料承受的溫度和電場(chǎng)將進(jìn)一步提高，溫度梯度分布引起的絕緣問題會(huì)不斷凸顯。

近年來，材料的改性成為設(shè)備絕緣電場(chǎng)調(diào)控的常用手段。一方面，研究人員通過微納米填料添加、材料表面氟化等手段抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的積聚，從而改善內(nèi)部電場(chǎng)局部畸變的現(xiàn)象[6-7]；另一方面，研究人員利用非線性電導(dǎo)復(fù)合材料電學(xué)參數(shù)在局部高電場(chǎng)的自適應(yīng)特性均勻材料內(nèi)部的電場(chǎng)分布[8-9]。盡管研究人員針對(duì)局部電場(chǎng)畸變問題做了許多工作，溫度梯度分布引起的電場(chǎng)畸變問題仍然存在且亟需進(jìn)行針對(duì)性的研究。

溫度梯度場(chǎng)導(dǎo)致直流電場(chǎng)畸變的核心在于絕緣材料電阻率的NTC特性。因此，如何有效降低絕緣材料電阻率對(duì)溫度的依賴逐漸受到研究人員的重視。周遠(yuǎn)翔等提出通過摻雜正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）陶瓷材料調(diào)控絕緣材料的電阻率-溫度特性[10]。其中，PTC材料在溫度高于居里溫度時(shí)，其電阻率隨著溫度的升高而增大[11]。研究結(jié)果表明，少量的PTC填料添加通過提高復(fù)合絕緣材料高溫下的電阻率，從而在一定程度上抑制聚合物材料的 NTC特性[12]。這種方法的提出給絕緣材料電阻率-溫度特性的調(diào)控帶來了新的思路。雖然 PTC材料能夠改善復(fù)合材料的阻溫特性，但是其對(duì)電場(chǎng)分布的影響規(guī)律尚缺乏研究。更重要的是，已有研究中PTC材料的最高添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%，此時(shí)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的增幅有限。隨著陶瓷填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將發(fā)生顯著變化，這會(huì)影響絕緣材料內(nèi)部的溫度分布，由此對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生的影響仍需進(jìn)一步研究。

因此，本文選用鈦酸鋇基PTC陶瓷粉末作為填料，環(huán)氧樹脂作為基底材料，制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料；研究PTC陶瓷粉末對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料的熱導(dǎo)率、電阻率-溫度特性和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的作用機(jī)制；搭建簡(jiǎn)化的套管模型，研究溫度梯度場(chǎng)下熱導(dǎo)率和阻溫特性對(duì)電場(chǎng)分布的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料的制備

本文采用雙酚A型液體環(huán)氧樹脂，并選用甲基六氫苯酐和二甲基芐胺分別作為固化劑和促進(jìn)劑。環(huán)氧樹脂、固化劑和促進(jìn)劑之間的質(zhì)量比例為100∶88∶1。鈦酸鋇基PTC材料是目前最廣泛使用的PTC陶瓷材料?？紤]溫度梯度低溫側(cè)溫度，采用居里溫度為60℃的鈦酸鋇基 PTC陶瓷（BT60）微米粉末作為填料，并用KH550進(jìn)行表面修飾以獲得更好的分散效果[12]。將一定量的 BT60粉末、環(huán)氧樹脂、固化劑和促進(jìn)劑充分?jǐn)嚢韫不觳⒐袒?，制備BT60粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、5%、10%、20%和 35%的環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料薄膜，其厚度為(220±20)μm和 1mm。其中，1mm厚試樣僅用于熱導(dǎo)率測(cè)量。

1.2 測(cè)試

1.2.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)

將薄膜試樣置于液氮中進(jìn)行脆斷。獲得的斷面進(jìn)行噴鉑處理。采用JEOL公司的JSM?6335型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）觀察PTC陶瓷粒子在環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的分散情況。

1.2.2 熱導(dǎo)率測(cè)量

熱導(dǎo)率測(cè)量采用湘儀儀器有限公司的 DRL-II型熱流法導(dǎo)熱儀。測(cè)量前，在試樣的上下表面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，保證試樣與測(cè)試電極的良好接觸。儀器通過測(cè)試穩(wěn)定狀態(tài)下試樣上下表面的溫度，利用有效導(dǎo)熱面積和試樣厚度，自動(dòng)計(jì)算被測(cè)樣品的熱導(dǎo)率值。

1.2.3 電阻率-溫度特性測(cè)量

電阻率由電導(dǎo)電流測(cè)量結(jié)果計(jì)算獲得。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1410?2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法》進(jìn)行直流電導(dǎo)電流的測(cè)量。測(cè)量采用三電極裝置和靜電計(jì)，精度為 0.1pA。測(cè)量電壓為正極性，電場(chǎng)強(qiáng)度為 20MV/m，極化時(shí)間為15min，測(cè)量溫度分別為30℃、50℃、70℃、90℃和 110℃。測(cè)量前，將電極和試樣置于溫控箱中，在測(cè)量溫度下預(yù)熱2h以保證溫度均勻。每個(gè)組別測(cè)量3個(gè)不同試樣，最終結(jié)果取平均值。

1.2.4 負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408.2?2016《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第2部分：對(duì)應(yīng)用直流電壓試驗(yàn)的附加要求》進(jìn)行負(fù)極性直流擊穿測(cè)試。測(cè)試采用球板電極，其中，上電極為直徑20mm的不銹鋼球電極，下電極為直徑25mm的不銹鋼板電極。上述電極浸泡在變壓器油中，以防止對(duì)空氣放電和試樣沿面閃絡(luò)。測(cè)試在溫控箱中進(jìn)行。測(cè)試前，電極和樣品在30℃下預(yù)熱2h。測(cè)試時(shí)，控制電壓的上升速率為 1 000V/s。每組樣品測(cè)試前，上、下電極均進(jìn)行相同目數(shù)的打磨。每個(gè)組別的樣本數(shù)為18個(gè)。

1.3 溫度梯度下電場(chǎng)和溫度分布仿真

由于環(huán)氧樹脂材料是換流變壓器閥側(cè)套管主絕緣的主流材料之一，因此采用簡(jiǎn)化的400kV閥側(cè)套管三維模型考核復(fù)合絕緣材料的性能[13]。模型主體為圓柱體結(jié)構(gòu)，其軸向截面如圖1所示。參考套管溫升試驗(yàn)中環(huán)境溫度和損耗發(fā)熱參數(shù)，設(shè)定載流導(dǎo)管的發(fā)熱功率為 1 500W、外環(huán)境溫度為 50℃和油箱溫度為90℃[14]，外部邊界采用自然對(duì)流方式，從而在套管絕緣內(nèi)部形成一定的溫度梯度分布。內(nèi)導(dǎo)管和外導(dǎo)管均設(shè)置為高電動(dòng)勢(shì)，絕緣材料徑向空氣側(cè)邊界接地。電壓選用套管直流耐壓試驗(yàn)電壓值，為 746kV[15]。直流電場(chǎng)分布受電導(dǎo)率-溫度特性控制，從而與溫度場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合。

圖1 仿真幾何模型Fig.1 Simulated geometrical model

仿真變量為不同試樣的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率-溫度特性，均通過測(cè)量獲得。其中，電導(dǎo)率-溫度特性需經(jīng)擬合后輸入仿真模型，擬合公式[16]為

式中，γ為電導(dǎo)率；A1為常數(shù)；φ為活化能；e為載流子電荷量；kb為玻耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；B為電場(chǎng)系數(shù)常數(shù)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 材料斷面形貌

圖2是 35%BT60粒子摻雜比例的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷面形貌，其放大倍率為20 000倍。圖中，白點(diǎn)是BT60粒子?？梢钥吹?，BT60的粒徑均小于1μm，且較為均勻地分布在環(huán)氧樹脂基底中，沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖2 試樣的斷面形貌Fig.2 Sectional morphology of samples

2.2 熱導(dǎo)率

不同試樣的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖可知，BT60粒子的添加可以明顯提升環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間并非線性關(guān)系，其增加的速率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加也在提高。隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0%增加到 35%，復(fù)合絕緣材料的熱導(dǎo)率從 0.17W/(m·K)增大到 0.40W/(m·K)，最大增長(zhǎng)率為142%。

圖3 試樣的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Thermal conductivities of samples

2.3 電阻率-溫度特性

圖4給出了不同溫度下試樣的電阻率測(cè)量結(jié)果。30℃時(shí)，BT60粒子的添加會(huì)降低環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電阻率。隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電阻率相應(yīng)地降低。當(dāng)BT60粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時(shí)，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電阻率從8×1017Ω·cm降至3.57×1016Ω·cm。

圖4 不同溫度下試樣的電阻率特性Fig.4 Electrical resistivity characteristics of samples under varied temperatures

當(dāng)溫度上升至50℃時(shí)，雖然所有試樣的電阻率都隨著溫度的上升而下降，但是可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電阻率的下降速度略有變緩。不過，復(fù)合材料的電阻率值依舊低于純環(huán)氧樹脂。

當(dāng)溫度高于 BT60的居里溫度（60℃）時(shí)，所有試樣的電阻率進(jìn)一步下降。但是，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率的下降開始出現(xiàn)明顯的變化。90℃和110℃時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或者等于20%組別的電阻率均高于純環(huán)氧樹脂。其中，20%組別和純環(huán)氧樹脂電阻率比值百分?jǐn)?shù)從 30℃的 15.7%上升至 90℃的104.9%和 110℃的 118.8%?？梢姡欢ㄙ|(zhì)量分?jǐn)?shù)BT60粒子的添加能夠減小環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率在常溫和高溫時(shí)的差值，從而弱化對(duì)溫度的敏感度。

2.4 直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)

圖5是6組試樣負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的Weibull分布。表1列出了Weibull分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。由測(cè)試結(jié)果可知，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)先上升后下降。其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%摻雜組別的擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高，為362.2MV/m，是純環(huán)氧樹脂的 105%。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35%摻雜組別的擊穿場(chǎng)強(qiáng)最低，為264.3MV/m。值得注意的是，雖然該組別的電阻率僅為純環(huán)氧樹脂的 4%，但是它的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)能維持在純環(huán)氧樹脂的 76.9%，仍具有較高的絕緣強(qiáng)度?？梢姡诔叵?，BT60粒子對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的負(fù)面影響小于電阻率。

圖5 直流擊穿試驗(yàn)結(jié)果的Weibull分布Fig.5 Weibull distribution of DC breakdown strength

表1 尺度參數(shù)和形狀參數(shù)Tab.1 Scale and shape parameters

2.5 溫度梯度場(chǎng)下電場(chǎng)和溫度分布

在搭建的簡(jiǎn)化套管仿真模型中更改絕緣層材料的電導(dǎo)率-溫度擬合函數(shù)和熱導(dǎo)率參數(shù)即可獲得不同試樣填充絕緣層時(shí)的電場(chǎng)和溫度的穩(wěn)態(tài)分布。其中，電導(dǎo)率-溫度特性擬合函數(shù)的參數(shù)見表2。

表2 擬合函數(shù)的參數(shù)Tab.2 The parameters of fitted function

圖6是在相同熱損耗功率和環(huán)境溫度下，不同試樣填充絕緣內(nèi)部的溫度分布仿真結(jié)果。由圖可知，在載流導(dǎo)管損耗發(fā)熱和環(huán)境溫度散熱的聯(lián)合作用下，絕緣層內(nèi)部形成了明顯的溫度梯度分布。此時(shí)，純環(huán)氧樹脂填充絕緣層的載流導(dǎo)管附近的溫度為210℃、絕緣層外側(cè)溫度為 76℃，溫度梯度差高達(dá)134℃。

圖6 絕緣層內(nèi)部徑向溫度分布仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of radial temperature distribution within insulation

然而，當(dāng) BT60粒子添加后，絕緣層內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度下降，使得溫度分布的均勻度得到明顯改善（見圖6）。隨著BT60粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，優(yōu)化效果大幅提升：仿真模型絕緣層的最高溫度降至138℃（35%組別），降幅達(dá) 34%。此時(shí)，絕緣層內(nèi)外側(cè)溫度差為60℃，降幅高達(dá)55%。

由于上述溫度梯度的存在，絕緣層內(nèi)部電場(chǎng)分布呈現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象，導(dǎo)致最大電場(chǎng)強(qiáng)度值集中在外邊界附近，而電場(chǎng)最低值靠近導(dǎo)管側(cè)，這是套管、電纜等設(shè)備的典型現(xiàn)象。

圖7為溫度梯度場(chǎng)下不同試樣在相同尺度和坐標(biāo)下的內(nèi)部徑向電場(chǎng)分布。表3列出了對(duì)應(yīng)的絕緣層內(nèi)部電場(chǎng)最值特性。隨著 BT60粒子摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值明顯減小，從而在一定程度上抑制了電場(chǎng)畸變。其中，35%組別的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值從 29.8MV/m降至11.1MV/m，下降了64%?？梢?，PTC材料BT60的添加能夠有效減小絕緣材料內(nèi)外側(cè)電場(chǎng)差，使得溫度梯度分布導(dǎo)致的絕緣電場(chǎng)畸變問題得到改善。

圖7 溫度梯度場(chǎng)下絕緣材料內(nèi)部徑向電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution within insulating materials under radial temperature gradient

表3 絕緣層內(nèi)部電場(chǎng)特性Tab.3 The electric field within insulation

3 分析與討論

BT60粒子一個(gè)重要的特點(diǎn)就是電阻率的 PTC效應(yīng)。當(dāng)溫度高于居里溫度（60℃）以后，其電阻率會(huì)隨著溫度上升而增大[12]，這與絕緣材料電阻率的NTC特性恰好是相反的。但是，BT60材料隨溫度上升的電阻率存在最大值且該值低于純環(huán)氧樹脂材料的電阻率。因此，在環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中出現(xiàn)的高溫電阻率高于純環(huán)氧樹脂現(xiàn)象的背后，涉及的BT60粒子內(nèi)在的相變行為對(duì)載流子輸運(yùn)過程的影響，而不僅僅是宏觀電阻率的變化。

由于 Heywang模型能夠解釋較多的 PTC陶瓷材料試驗(yàn)現(xiàn)象，被人們廣為認(rèn)可和使用[17]。該模型指出，PTC陶瓷粒子晶界的特性會(huì)在居里溫度點(diǎn)附近發(fā)生變化。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，晶界上介電常數(shù)下降，從而導(dǎo)致界面勢(shì)壘上升。而勢(shì)壘的上升會(huì)使得被捕獲的載流子更難躍遷參與到電導(dǎo)的過程[18]。從該模型看來，均勻分散在基底材料中的BT60粒子會(huì)在溫升后阻礙載流子在環(huán)氧樹脂中的遷移。已有研究表明，BT60粒子和環(huán)氧樹脂之間會(huì)形成鏈段受到束縛的界面區(qū)域[12]。當(dāng)溫度高于居里溫度后，BT60粒子和環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料陷阱會(huì)深于純環(huán)氧樹脂[19]。可見，PTC粒子對(duì)復(fù)合材料高溫電阻率的提升是通過受溫度影響的界面陷阱特性阻礙載流子的遷移而實(shí)現(xiàn)。

由于 PTC材料在常溫下是半導(dǎo)電材料，此時(shí)BT60粒子在環(huán)氧樹脂基底中作為雜質(zhì)存在，這會(huì)增強(qiáng)復(fù)合材料的電導(dǎo)，從而使得常溫電阻率降低[20-21]。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電導(dǎo)的來源增加，導(dǎo)致電阻率進(jìn)一步下降。當(dāng)溫度高于 BT60的居里溫度后，PTC效應(yīng)會(huì)抑制環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率的下降。這種低溫電阻率降低、高溫電阻率提升現(xiàn)象的同時(shí)發(fā)生，使得環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率對(duì)溫度的依賴程度下降，從而抑制了負(fù)溫度效應(yīng)。但是，隨著BT60粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步提高，不同粒子之間的間距逐漸減小，發(fā)生逾滲效應(yīng)的局部區(qū)域會(huì)增加，導(dǎo)致35%組別在高溫下的電阻率低于0%組別。

為了量化表征絕緣材料電阻率對(duì)溫度的依賴程度，對(duì)電導(dǎo)率-溫度特性數(shù)據(jù)進(jìn)行了 Arrhenius公式的擬合，從而獲得不同試樣的電導(dǎo)活化能參數(shù)[22]?；罨茉酱螅黼妼?dǎo)率對(duì)溫度的依賴程度越高，相反則越低[23]。試樣的電導(dǎo)活化能的擬合結(jié)果如圖8所示。由圖可知，BT60粒子的添加能夠顯著降低環(huán)氧樹脂材料電阻率對(duì)溫度的依賴程度。當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至20%，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的活化能從0.83eV降到0.54eV，表明電阻率負(fù)溫度效應(yīng)的弱化效果越明顯。20%組別通過較高質(zhì)量分?jǐn)?shù) BT60粒子的添加，降低了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料常溫電阻率，并利用填料的PTC效應(yīng)維持高溫下電阻率（90℃以上時(shí)高于純環(huán)氧樹脂），從而有效減小了高低溫之間電阻率的差值。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大至35%，雖然其電導(dǎo)活化能低于純環(huán)氧樹脂，但是由于局部逾滲效應(yīng)的影響，高溫電阻率較20%組別的下降幅度更大，導(dǎo)致電導(dǎo)活化能上升。

圖8 試樣的電導(dǎo)活化能Fig.8 Electrical conductivity activation energy of samples

雖然較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)組別的常溫電阻率有所下降，但是高壓直流輸電屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的大規(guī)模輸電方式，相關(guān)的載流設(shè)備長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此高溫是絕緣材料運(yùn)行時(shí)的常態(tài)[24]。以環(huán)氧浸漬紙復(fù)合材料作為主絕緣的換流變壓器閥側(cè)套管為例，IEC 65700?2014規(guī)定其最高運(yùn)行溫度不超過120℃。此時(shí)，純環(huán)氧樹脂的電阻率低于常溫電阻率，并在熱點(diǎn)溫度區(qū)域存在電阻率最低值。而當(dāng)溫度高于90℃時(shí)，20%組別的電阻率高于純環(huán)氧樹脂，由此可見，該電阻率-溫度特性具有一定的工程合理性。

雖然高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 BT60粒子添加大幅優(yōu)化了環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料的電阻率-溫度特性。但是直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)還是受到了一定的影響。不過值得注意的是，即便是20%組別的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)仍是純環(huán)氧樹脂的 84.2%。這種現(xiàn)象可歸咎于較高的高溫電阻率減小了泄漏電流，從而降低試樣溫升以及熱擊穿概率，使得環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料仍具有較高的絕緣水平[4]。

而套管模型的仿真結(jié)果表明，20%組別絕緣層的最高運(yùn)行溫度下降了約49℃，溫度梯度差僅為純環(huán)氧樹脂材料填充時(shí)的 62.9%。這樣的優(yōu)化可以提高絕緣材料的運(yùn)行功率或者降低其運(yùn)行溫度，有望提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性或者經(jīng)濟(jì)性。更為重要的是，20%組別絕緣層的最大電場(chǎng)強(qiáng)度從原來的29.8MV/m降至 12.5MV/m，下降了 58%，內(nèi)部電場(chǎng)畸變得到顯著的抑制。雖然復(fù)合絕緣材料的擊穿性能有所降低，但是大幅改善的溫升和電場(chǎng)分布使得調(diào)控方法具有應(yīng)用的可能性。

另外一點(diǎn)不容忽視的是，BT60粒子是以鈦酸鋇為基體的PTC陶瓷復(fù)合材料，并且鈦酸鋇是主要的成分。鈦酸鋇材料的熱導(dǎo)率約為6.2W/(m·K)，而環(huán)氧樹脂材料的熱導(dǎo)率在0.17～0.21W/(m·K)之間[25]，前者是后者的約36倍。高導(dǎo)熱BT60粒子的添加能夠在基底材料內(nèi)部形成導(dǎo)熱通路[26]。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，熱傳導(dǎo)路徑也會(huì)增加，使得復(fù)合材料內(nèi)部的熱量更容易向外界傳遞。因此，BT60粒子的添加提高了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，并降低了仿真模型中絕緣層的熱點(diǎn)溫度。而絕緣層內(nèi)外溫度差的減小，也能夠均勻電阻率分布以及相應(yīng)的直流電場(chǎng)分布。此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：BT60粒子對(duì)電場(chǎng)分布的改善是通過熱導(dǎo)率的提高還是阻溫特性的優(yōu)化呢?

為了揭示該問題，本文選用20%組別，僅改變熱導(dǎo)率或者阻溫特性進(jìn)行電場(chǎng)分布的仿真，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯瑔为?dú)優(yōu)化熱導(dǎo)率或阻溫特性均能將絕緣層的最大電場(chǎng)強(qiáng)度降至19MV/m附近。前者通過降低熱點(diǎn)溫度，后者通過降低電阻率隨溫度的下降幅度，最終都能減小絕緣層內(nèi)外側(cè)電阻率的差值，從而均勻內(nèi)部電場(chǎng)的分布。但是，不論是熱導(dǎo)率還是阻溫特性的單獨(dú)優(yōu)化均無法達(dá)到兩者共同作用時(shí)的改善效果。可見，BT60粒子對(duì)絕緣內(nèi)部電場(chǎng)分布的調(diào)控是通過熱導(dǎo)率和阻溫特性的協(xié)同作用而實(shí)現(xiàn)的。

圖9 最大電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度分布仿真結(jié)果Fig.9 The results of maximum electric field and temperature distribution

4 結(jié)論

1）鈦酸鋇基正溫度系數(shù)陶瓷材料能夠提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，從而能夠?qū)⒎抡婺Ｐ椭薪^緣層內(nèi)外溫度梯度差從134℃減小至60℃。

2）鈦酸鋇基陶瓷材料電阻率的正溫度系數(shù)效應(yīng)能夠弱化環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率對(duì)溫度的敏感度，使得電導(dǎo)活化能從0.83eV降至0.54eV。

3）鈦酸鋇基正溫度系數(shù)陶瓷材料通過對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率和電阻-溫度特性的協(xié)同優(yōu)化，從而均勻溫度梯度場(chǎng)下仿真模型中絕緣層的電場(chǎng)分布，最大電場(chǎng)從29.8MV/m降至11.1MV/m。

4）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%組別的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)維持在純環(huán)氧樹脂的76.9%，仍具有較高的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

5）高質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈦酸鋇基正溫度系數(shù)陶瓷材料的添加會(huì)降低復(fù)合絕緣材料的擊穿性能，但是優(yōu)化的溫度和電場(chǎng)特性使其仍具有應(yīng)用的可能性，為復(fù)雜工況下高性能工程絕緣材料的研發(fā)提供了新的思路。