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最新消息| 華北電力大學:等離子體氟化改性環氧樹脂及在混合氣體中電氣性能 | 2022-11-14 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://baijiahao.baidu.com/s?id=1665126815841285531&wfr=spider&for=pc" 電氣新科技發布時間：04-2913:17媒體人，優質創作者團隊介紹律方成，教授，博士生導師，華北電力大學副校長，河北省輸變電設備安全防御重點實驗室主任，全國特高壓交流輸電標準化技術委員會委員，國家級模范教師。主要從事電氣設備在線監測與智能診斷、電工絕緣材料、高靈敏傳感器、SF6替代氣體等方面研究。獲省部級科技進步一等獎3項，二等獎2項。發表學術論文200余篇，其中被SCIEI檢索收錄100余篇，出版專著1部。詹振宇，博士研究生，主要從事電氣設備在線監測、電工絕緣材料、SF6環保替代氣體等方面研究。導語本文采用低溫等離子體的方法氟化處理環氧樹脂樣片，改變氟化處理的時間，測試比較了改性前后樣片的表面微觀形貌及化學組分，分析改性后樣片在C4F7NCO2混合氣體中的絕緣性能，解釋了氟化處理對閃絡電壓的影響關系，為未來環保GIL中環氧樹脂絕緣件的等離子體改性處理提供了參考。研究背景絕緣子作為GIL中的重要組成部件，其在電場作用下會出現表面電荷積聚的現象。長期運行中，絕緣子表面積聚的電荷會造成周圍電場畸變，引發局部放電甚至造成絕緣子發生沿面閃絡，嚴重威脅GIL的穩定運行。國內外的廠家、研究機構通過采用表面浸漬涂敷、化學改性、離子注入等方式提升環氧樹脂的表面的電導率，減少材料表面電荷積聚，從而提升絕緣子沿面閃絡電壓。低溫等離子體作為一種新興的表面處理技術，廣泛應用于工業生產、生物醫學研究等領域中。結合等離子體高效、可控等優點，可將電負性的氟元素引入形貌較為復雜的絕緣子表面，避免了傳統的氣體表面改性可能帶來的毒性等弊端，同時提升絕緣子電氣性能。隨著低GWP指數的C4F7N環保氣體在GIL中的應用，研究等離子體氟化改性對環氧樹脂的絕緣性能的影響，確定合適的改性處理參數，可為未來工程中絕緣子優化設計及表面處理提供一定的參考。論文方法及創新點等離子體改性處理平臺示意圖如圖1所示，處理平臺包括電路部分和氣路部分。電路部分包括高頻電源、DBD反應釜和示波器，電源輸出電壓中心頻率為50kHz。氣路部分主要由Ar與CF4氣體作為等離子體反應氣體，兩路氣體通過質量流量控制器控制流速，控制Ar流速為2.5slm，CF4流速為0.25slm，氣體混合后一起通入反應釜中。圖1 等離子體改性處理平臺將清洗、干燥后的樣片置于反應釜中，將電源輸出電壓幅值升至6 kV，調整電源頻率使反應釜中出現較多的絲狀放電。控制反應處理時間分別為5min、10min、15min，設置一組空白未處理樣片，分別記為F0、F5、F10、F15。通過AFM測試改性前后樣片的表面粗糙度如表1所示，SEM測試結果如圖2所示。表1 改性前后樣片表面粗糙度圖2 改性前后樣片SEM測試結果隨著處理時間的增加，樣片的基體受到等離子體的不斷撞擊蝕刻，樣片表層基體被剝離，基體內氧化鋁填料逐漸暴露出來，暴露出的填料粒徑也逐漸增大，從而導致表面起伏加大，粗糙度有所增加。處理時間增加至15min，表面不斷有氧化鋁填料暴露出來，同時氧化鋁填料受到高能等離子體撞擊與本身填料粒徑的限制，表面暴露出的填料尺寸并未進一步增大，隨著暴露出的填料顆粒增多，粗糙度反而有所降低。改性前后樣片表面部分原子占比如表2所示，改性后樣片中F原子占比明顯增多，對F10樣片XPS測試中C原子進行分峰處理，結果如圖3所示，采用等離子體處理的方法可有效將C-F鍵引入聚合物中。表2 改性前后樣片原子占比圖3 F10樣片C元素分峰根據樣片充電后表面電荷消散特性計算樣片表面陷阱分布。采用指尖電極的形式，測試改性后樣片的在20%C4F7N 80%CO2混合氣體中直流與交流下的沿面閃絡特性，結果如圖4所示。氟化改性后在直流與交流下樣片的閃絡特性均有提升，均在處理10 min閃絡電壓達到最大值。F0樣片正極性閃絡電壓平均值為29.57 kV，負極性閃絡電壓平均值為-25.99 kV，處理后F10樣片正極性閃絡電壓平均值為44.99 kV，負極性閃絡電壓平均值為-46.25 kV，分別提升52%與78%。交流下樣片閃絡電壓從F0的20.44 kV提升到F10樣片23.65 kV，提升16%。圖4a 樣片沿面直流下閃絡特性圖4 b 樣片沿面交流下閃絡特性結論等離子體改性可將電負性氟元素引入聚合物中，控制適當處理時間可有效提升環氧樹脂電氣性能：（1）等離子體改性可以有效在環氧樹脂表面接枝氟元素，增加樣片表面粗糙度，處理時間增加，樣片表面粗糙度降低，表面溝壑減少；（2）改性處理后環氧樹脂中空穴陷阱能級增加，電子陷阱能級變淺。環氧樹脂沿面閃絡特性受到其電荷特性與表面形貌共同影響；（3）過長時間的等離子體氟化處理會造成樣片表面基體受損，沿面閃絡呈現降低趨勢。引用本文詹振宇， 阮浩鷗， 律方成， 劉偉， 李志兵， 謝慶. 等離子體氟化改性環氧樹脂及其在C4F7NCO2混合氣體中電氣性能研究[J]. 電工技術學報， 2020, 35(8): 1787-1798. Zhan Zhenyu, Ruan Haoou, Lü Fangcheng, Liu Wei, Li Zhibing, Xie Qing. Plasma Fluorinated Epoxy Resin and Its Insulation Properties in C4F7NCO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1787-1798. 關鍵字標籤：停車場地坪 |
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