改善絕緣設備或部件整體電場分布均勻程度的方法及復合材料的介紹

一些高壓輸變電系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，由此帶來了一系列設計、制造方面的不利影響。

目前，改善絕緣設備或部件整體電場分布均勻程度的傳統方法主要包括：改變電極形狀、在絕緣介質內嵌入金屬起到內屏蔽作用、在絕緣介質內部加多層平行電容極板、在絕緣介質表面或外圍布置均壓環作為中間電極、安裝并聯的均壓電容等。與采用各種外部措施的傳統方法相比，通過各種手段調節絕緣電介質材料自身的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制造難度等方面都具有明顯的優勢。目前此類復合材料主要包括：恒定參數的高電導或高介電復合材料，以及具有與外加電場相關的非線性壓敏電導或非線性介電特性的復合材料。

恒定參數高電導復合材料在絕緣設備或部件均壓方面的典型應用是廣泛用于預制電纜終端結構中的橡膠應力錐。采用高相對介電常數復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復合材料的橡膠應力錐，其結構上簡單、緊湊，電場改善效果為理想。目前，高相對介電常數復合材料套管已有較為成熟的商業化產品應用于中壓電纜系統。用于制備高相對介電常數復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復合材料替代恒定參數高電導復合材料作為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，非線性介電復合材料相比恒定參數高相對介電常數復合材料，對電場分布均勻性的改善效果有非常顯著的提升。

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

陶瓷粉體為填料，使得復合材料的非線性電導得到了很大提高，并實現了商業應用。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復合材料的基礎研究。

從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復合材料是為理想的方案。對于交流系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；同時復合材料具有的非線性電導特性也能對空間電荷積累產生有效的消散作用，避免因其導致的局部電場集中。對于直流系統，在正常工況下由復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。對于兼具非線性電導和非線性介電特性的復合材料，Argaut 等發表過相關論文，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 壓敏陶瓷作為填料的復合材料，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，只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仿真和實驗上得到了初步的證明。

面向高電壓等級、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復合材料的理論基礎和應用研究，有助于有效、廣泛地解決高電壓等級電力系統絕緣設備或部件電場分布不均勻的難題，尤其對于相關技術和產業發展，具有填補基礎理論和應用研究空白的作用，價值和意義為顯著。