更新时间：2022-08-25 15:55
为研究环氧绝缘材料电荷积聚过程的影响因素，减少材料表面电荷积聚效应，采用高阻计对直流电压下环氧绝缘材料不同时间点的体积电阻率和表面电阻率等关键电气性能进行测量，并采用直流试验装置，借助电容探头法进行直流高压下的表面电荷测量。通过相关理论研究，获得了环氧绝缘材料电阻率随直流电压作用时间的关系，建立了环氧绝缘材料电气性能与电荷积聚的关系，并明确了环氧绝缘材料电气性能的改进措施，对于减少直流电压下，环氧绝缘材料的表面电荷积聚，提高输变电设备直流绝缘子运行可靠性具有实际意义。
电荷积聚过程的理论
电荷要从表面消散需要从内部迁移至表面，这将导致环氧绝缘材料内部可自由移动的电荷进一步下降，此时迁移的速率较大，由于表面电荷量较小，几乎无表面向内部消散，电荷在材料表面逐渐积聚；然后，由于环氧绝缘材料内部自由电荷量有限，电荷迁移的速率逐渐下降，而电荷沿向内部消散量逐渐增加，某一时刻，出现体积电阻率的极大值。而后电荷迁移的速率进一步下降，由于此时电荷沿内部消散仍在增加，体积电阻率出现略微的回落，直至迁移和沿内部消散都最终趋于稳定，体积电阻率也趋于稳定，此过程也就是直流电场下特殊的电饱和过程。
环氧绝缘材料电气性能的改进
体积电阻率方面。增大初始体积电阻率有利于减小电荷迁移速率和迁移电流密度，但由于体积电阻率增大的同时也会延长阶段1的持续时间，此外，增大初始体积电阻率还将增大电荷沿内部消散的时间常数。因此，体积电阻率只能适当增大。
表面电阻率方面。环氧绝缘材料表面电阻率越小则环氧绝缘材料表面电荷积聚后的消散速度越快，即如果降低表面电阻率，将减小电荷积聚密度。但由于在切向场强一定的情况下，表面电阻率的减小将增大表面电导电流密度，从而增加闪络的风险，3#绝缘子电荷密度本身较大，而表面电阻率较小，表面电导电流过大，发生闪络，因此表面电阻率只可适当减小。
此外，表面电阻率和体积电阻率存在一定匹配特性。当某种材料存在过大的体积电阻率和过小的表面电阻率时，由于内部电荷迁移至表面的迁移电流密度较小，迁移速率也较小，表面积聚电荷量较小，且增速较小，表面切向场强主要来自外加电场的分量，此时场强相对较大，由于表面电阻率过小，产生的电荷很快向电极加载部位移动，形成过大的表面电导电流，出现闪络。9#绝缘子体积电阻率与表面电阻率差值较大，虽然电荷量较小，但仍发生闪络。因此，表面电阻率和体积电阻率应有一定差值关系。如体积电阻率在1014Ω·m数量级时，表面电阻率应在1011Ω数量级左右。
对局部放电损伤过程中油浸绝缘纸的微观结构及其与电气性能的关系进行研究。使用原子力显微镜和 X 射线衍射仪等材料分析手段与介电谱仪、高阻仪和柱–柱电极等电气分析手段相结合的方法，分析损伤过程中油浸绝缘纸分子链结构、聚集态结构及介电常数、介质损耗因数、体积电导率和电气强度。结果表明：损伤过程中，绝缘纸结晶区比无定形区更易受到局部放电破坏；结晶度呈上升趋势且晶粒取向加强，但晶粒大小、晶体类型和二相共存结构未发生改变；结晶度升高和晶粒取向加强造成介电常数、体积电导率和介质损耗因数呈下降趋势，但电气强度呈上升趋势；结晶和取向改变了分子、离子和电子的活动性，是造成电气性能变化的重要原因。
电气性能测量
在20℃条件下，采用Concept80宽带介电谱测试系统(novocontrol GmbH)测量损伤过程中油浸绝缘纸的频域介电谱、频域介损谱和频域内的体积电导率；同时，根据IEC60093和IEC60243-1标准，分别测量油浸绝缘纸直流体积电导率和工频电气强度。
为了使电气性能的测量结果更具代表性且能有效地反映材料微观结构的变化，即电气性能测量不受水分和其它损伤产物的影响，每次测量取出 5个试品，测量前试品先经丙酮清洁、真空干燥和浸油处理。5个试品测量平均值作为测量结果。
电气性能变化
结构和性能之间呈现内在的关联性，其中聚集态结构是直接影响材料性能的重要因素。在局部放电损伤过程中，局部放电产生的热量导致表征油浸绝缘纸聚集态结构特征的结晶度增加、取向度加强，也必将引起其电性能发生变化。
极化、电导、损耗和击穿是绝缘介质材料的4种基本电性能。极化包括瞬时极化和松弛极化等形式，介电常数(或相对介电常数)是描述介质极化的宏观参数，分为实部和虚部，实部与由瞬时极化和松弛极化引起的无功电流成正比。而虚部在不考虑电导时与由松弛极化引起的有功电流成正比；电导有电子电导和离子电导等，电导率是表征介质电导性能的宏观参数。损耗主要由电导和松弛极化引起，其特性可由介质损耗因数tanδ表征，在不考虑电导电流时其值计算。击穿表征了介质在电场作用下的极限能力，电气强度表征了介质的这种能力，它是介质的特性参数。
油浸绝缘纸相对介电常数随频率变化
局部放电损伤过程中，油浸绝缘纸经清洁、真空干燥和浸油处理后，含水量均小于0.1817%，且油浸绝缘纸的组成基本相同；另一方面，表征聚集态结构的结晶度逐渐增加，晶粒取向加强；同时，测得其介电常数、体积电导率、介质损耗因数及电气强度。
油浸绝缘纸经清洁、真空干燥和浸油处理后，其介电常数实部随频率减小而增加，但虚部随频率减小呈现先减小后增加的现象，出现最小值。随着损伤时间增长，实部和虚部频域谱线均呈向下移动趋势，但谱线形状基本不变；在低频区谱线的下降速度较快，同时虚部最小值左移。这表明随着结晶度增加和晶粒取向加强，油浸绝缘纸的介电常数呈下降趋势。
直流下测得的油浸绝缘纸体积电导率
描述了在交流和直流条件下测得的油浸绝缘纸体积电导率。油浸绝缘纸经清洁、真空干燥和浸油处理后，其体积电导率随频率减小而减小；随着损伤时间的增长，体积电导率频域谱线也呈向下移动趋势，但其谱线形状基本不变，并且在低频区谱线的下降速度较快；当频率减小到其最小极限值时，电压源显示直流特性。直流条件下测得其体积电导率随损伤时间增长亦呈下降趋势。由此可见，随着结晶度加和晶粒取向加强，油浸绝缘纸的体积电导率呈下降趋势。
油浸绝缘纸介质损耗因数随频率变化
伴随着介电常数和体积电导率的变化，介质损耗因数亦将发生相应变化。油浸绝缘纸经清洁、真空干燥和浸油处理后，其介质损耗因数在频域范围内的变化相似于介电常数虚部的变化规律，即其随着频率降低先减小后增加，且有最小值出现；随着损伤时间的增长，介质损耗因数谱线呈向下移动趋势，但谱线形状基本不变，而且最小值左移。这说明随着结晶度增加和晶粒取向加强，油浸绝缘纸的介质损耗因数呈下降趋势。
油浸绝缘纸的电气强度
在损伤过程中，油浸绝缘纸经清洁、真空干燥和浸油处理后，测得的电气强度。可见，随着损伤时间增长，油浸绝缘纸的电气强度总体呈上升趋势。换而言之，随着结晶度增加和晶粒取向加强，油浸绝缘纸电气强度呈上升趋势。
总之，随着结晶度增加和晶粒取向加强，油浸绝缘纸的介电常数、体积电导率和介质损耗因数均呈下降趋势，但其电气强度总体呈上升趋势。