伍珈樂 熊沛琪 邢澤西 龔陽智 卞星明

SiC摻雜對直流電纜附件用硅橡膠材料非線性電導(dǎo)特性的優(yōu)化研究

伍珈樂1熊沛琪1邢澤西1龔陽智2卞星明1

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102006 2. 國網(wǎng)福州供電公司 福州 350009）

電氣設(shè)備部件的性能提升不僅要依靠傳統(tǒng)幾何方法來改善絕緣結(jié)構(gòu)，更要側(cè)重于對絕緣材料自身性能的優(yōu)化。該文通過實(shí)驗(yàn)研究了碳化硅（SiC）/硅橡膠復(fù)合材料的直流電導(dǎo)特性和直流擊穿特性。隨著溫度升高，SiC晶格散射會阻礙載流子遷移，宏觀上表現(xiàn)為電導(dǎo)特性非線性系數(shù)降低，而更多高能載流子的出現(xiàn)則會使非線性區(qū)閾值場強(qiáng)減小。隨著SiC體積分?jǐn)?shù)及粒徑的增加，復(fù)合材料直流擊穿場強(qiáng)雖有一定程度降低，但整體仍滿足運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。在兼顧關(guān)鍵位置電場分布、損耗功率及局部溫升的條件下，該文通過仿真探究了非線性電導(dǎo)特性參數(shù)的合理范圍，所制備的摻雜10%體積分?jǐn)?shù)SiC/硅橡膠復(fù)合材料作為應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣參與電場調(diào)控，可有效改善電纜終端內(nèi)部電場強(qiáng)度分布，應(yīng)力錐導(dǎo)體錐面處電場強(qiáng)度降低幅度達(dá)到50%。該研究結(jié)果有望從材料改性角度為提升電纜附件性能提供思路。

硅橡膠 非線性電導(dǎo)特性 直流擊穿特性 電場調(diào)控

0 引言

隨著特高壓輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，各電壓等級直流輸電系統(tǒng)對電氣設(shè)備可靠性的要求愈加嚴(yán)格[1-2]。對于直流輸電主力設(shè)備之一的高壓直流電纜而言，絕緣水平是其核心問題，也是影響設(shè)備容量及其長期運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。硅橡膠（Silicone Rubber, SR）作為一種兼具良好機(jī)械加工性能、耐腐蝕性能及粘接性能的聚合物材料，通常用作電纜附件增強(qiáng)絕緣。在電纜附件內(nèi)部，由于絕緣材料電導(dǎo)率及介電常數(shù)等無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)性過渡，其電場分布不均勻程度高[3-4]，附件絕緣部分所承受的電場強(qiáng)度是整體場強(qiáng)平均值的數(shù)倍，這可能導(dǎo)致附件內(nèi)部局部電場畸變，甚至直接引起絕緣失效[5]。因此，降低關(guān)鍵位置處的高場強(qiáng)，合理改善設(shè)備內(nèi)部電場分布對于高壓電纜設(shè)備的絕緣問題至關(guān)重要[6-7]。

采用電導(dǎo)率隨外加電場自適應(yīng)變化的非線性絕緣材料部分替代傳統(tǒng)硅橡膠作為應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣，是一種調(diào)控電纜終端內(nèi)部電場分布的有效方案[8]。通過摻雜導(dǎo)體或半導(dǎo)體填料對傳統(tǒng)硅橡膠進(jìn)行改性，能夠賦予復(fù)合材料良好的非線性電導(dǎo)特性，從而達(dá)到均勻電場分布的目的[9-10]。L. G. Virsberg等研究者建立了基于非線性電導(dǎo)材料電纜終端的等效電路模型，其仿真結(jié)果在理論上對這一均壓方法作了可行性驗(yàn)證[11]，該團(tuán)隊(duì)雖沒有進(jìn)行相應(yīng)材料的制備，但其開創(chuàng)的研究方向突破了傳統(tǒng)改變絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場調(diào)控的思路。文獻(xiàn)[12-13]介紹了碳化硅（Silicon Carbide, SiC）摻雜的SR基復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入SiC后在低電場條件下復(fù)合材料的絕緣性能沒有下降，隨著外加電場的增加，復(fù)合材料展現(xiàn)出了顯著的非線性導(dǎo)電性，有助于加速介質(zhì)表面和空間電荷消散，抑制界面處的電荷積累，然而未對所制備材料參與設(shè)備電場調(diào)控的應(yīng)用效果展開計(jì)算。文獻(xiàn)[14-15]報(bào)道了摻雜氧化鋅（Zinc Oxide, ZnO）壓敏微球的復(fù)合材料，通過仿真對比分析了傳統(tǒng)電纜終端和摻雜改性復(fù)合材料電纜終端在典型工作電壓下的電場分布，結(jié)果表明，基于非線性電導(dǎo)材料的電纜終端附件內(nèi)部電場分布更為均勻。文獻(xiàn)[16]研究了鈦酸銅鈣（Copper-Titanate Calcium, CCTO）/ SR復(fù)合材料，隨著填料含量增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨外加電場非線性增加的現(xiàn)象愈加明顯，通過仿真計(jì)算證明了CCTO摻雜復(fù)合材料具有較好均勻化電場分布的能力。然而以上研究均是將仿真計(jì)算作為一種應(yīng)用效果的驗(yàn)證手段，沒有探究電導(dǎo)率參數(shù)范圍的影響。無論是摻雜何種填料的復(fù)合材料，其電導(dǎo)率特性都是由閾值電場和非線性系數(shù)這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行評估，事先通過仿真計(jì)算確定出與應(yīng)用場景相匹配的合適電導(dǎo)率參數(shù)范圍，可在材料制備環(huán)節(jié)中，如改性方法的選擇方面起指導(dǎo)作用。

基于上述分析，本文選用具有化學(xué)活性低、成本適中及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)的SiC對SR基體進(jìn)行摻雜改性，通過實(shí)驗(yàn)探究了SiC/SR復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)和直流擊穿特性。建立了500kV直流電纜終端模型，在綜合考慮引入非線性材料對關(guān)鍵位置電場分布、損耗功率及溫升的影響后，確定了與應(yīng)用場景相匹配的電導(dǎo)率關(guān)鍵參數(shù)范圍，并探究了所制備的SiC/SR復(fù)合材料作為應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣參與電場調(diào)控的應(yīng)用效果。研究結(jié)果有望從材料改性角度為提升電纜附件性能提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品制備

基體選擇甲基乙烯基硅橡膠（MVQ110），其中乙烯基含量0.08%，分子量為68萬，由浙江新安化工集團(tuán)有限公司提供；交聯(lián)劑為2,5-二甲基-2,5-雙-（叔丁基過氧）己烷，由北京伊諾凱科技有限公司提供；填料為SiC粉體，晶型為β型，平均粒徑分別為1.5μm、10μm、28μm和40μm，由秦皇島一諾材料有限公司提供。SiC/SR復(fù)合材料制備流程如圖1所示。按照制備需求稱取適量純硅橡膠基體和SiC；填料、基體和交聯(lián)劑在雙輥混煉機(jī)上充分混合后得到混煉膠；最后將混煉膠放在模具上，使用平板硫化儀在170℃、15MPa條件下熱壓成型，得到不同體積分?jǐn)?shù)、不同粒徑的SiC/SR復(fù)合材料樣品。圖2為樣品斷面形貌掃描電鏡圖，可見SiC顆粒均勻分散于SR基體中。

圖1 SiC/SR復(fù)合材料制備流程

圖2 SiC/SR復(fù)合材料樣品掃描電鏡圖

1.2 直流電導(dǎo)率測試

采用三電極系統(tǒng)測量SiC/SR復(fù)合材料的直流電導(dǎo)率，該系統(tǒng)主要包括：三電極單元、高壓直流電源、保護(hù)電阻、分壓器、皮安表和高溫烘箱，測試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。高壓直流電源為日本松定電源公司生產(chǎn)的AU—80R15直流電源，輸出電壓范圍為0～80kV，額定輸出電流為20mA。Keithley 6517B型靜電計(jì)用于檢測電流，測量范圍為1fA～20mA。三電極單元中測量電極直徑=20mm，測量電極與環(huán)形保護(hù)電極間隙=3mm。高溫烘箱用于提供恒溫環(huán)境。測試樣品為直徑80mm，厚度=1mm的圓片。

圖3 直流電導(dǎo)率測試系統(tǒng)示意圖

對于每組樣品，保持電壓恒定約30min，待極化電流充分衰減、皮安表電流示數(shù)穩(wěn)定后，選取最后1min內(nèi)測量到的電流數(shù)據(jù)的平均值作為該試樣的電導(dǎo)電流。

1.3 直流擊穿特性測試

直流擊穿特性測試系統(tǒng)包括直流高壓發(fā)生器、試驗(yàn)變壓操作箱和圓柱電極三部分。測試樣品為直徑50mm，厚度1mm的圓片。在實(shí)驗(yàn)過程中，將待測樣品浸在絕緣油中，以防樣品發(fā)生沿面放電情況，升壓速率為1kV/s，直到樣品被擊穿。采用式（1）所示雙參數(shù)Weibull分布來處理所測擊穿場強(qiáng)數(shù)據(jù)。

式中，(break)為累計(jì)失效概率；break為實(shí)測擊穿場強(qiáng)值；為形狀因子；為(break)=0.632時(shí)對應(yīng)的特征擊穿場強(qiáng)。

2 電纜終端模型

為評估所制備的SiC/SR復(fù)合材料參與設(shè)備電場調(diào)控的可行性和應(yīng)用效果，建立了500kV直流電纜終端有限元仿真模型，如圖4所示。該模型主要由銅導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、交聯(lián)聚乙烯（Cross Linked Polyethylene, XLPE）絕緣、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽網(wǎng)、橡膠護(hù)套、應(yīng)力錐導(dǎo)體和應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣八個(gè)部分組成[14,17]，具有非線性電導(dǎo)特性的SiC/SR復(fù)合材料應(yīng)用于應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣部分。圖4中的標(biāo)記點(diǎn)為電纜終端絕緣中的關(guān)鍵位置，a→b→c代表以a為起始點(diǎn)的橡膠護(hù)套、應(yīng)力錐絕緣和XLPE主絕緣界面路徑；d→e→f代表以d為起始點(diǎn)的應(yīng)力錐導(dǎo)體表面路徑。

圖4 500kV直流電纜終端模型

2.1 電場條件設(shè)置

對于500kV直流電壓作用下的電纜終端模型，其電場分布主要由材料電導(dǎo)率決定，控制方程為

式中，為傳導(dǎo)電流密度；為材料電導(dǎo)率；為電場強(qiáng)度；為電勢。各部分材料的電學(xué)參數(shù)見表1。其中，應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣材料參數(shù)均為實(shí)測值，其電導(dǎo)率將于3.1節(jié)中詳細(xì)敘述，體積分?jǐn)?shù)為10%、20%及30%的SiC/SR復(fù)合材料的相對介電常數(shù)分別為3.4、4.6和6.5。

表1 電纜終端各部分材料的電學(xué)參數(shù)

Tab.1 Electrical parameters of materials in the model

在模型邊界條件設(shè)置方面，以銅導(dǎo)體為電壓終端；以絕緣屏蔽層為接地邊界；在離電纜終端足夠遠(yuǎn)的閉合場域邊界設(shè)置為電絕緣，得到

式中，c為銅導(dǎo)體電勢；s為絕緣屏蔽層電勢；為閉合場域邊界；為邊界上的單位法向矢量。

2.2 溫度場條件設(shè)置

電纜終端模型中的熱量傳遞包含熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種基本方式。在沒有外加熱源的情況下，控制方程為[18]

式中，為溫度；為流體的速度場矢量；為熱通量；為密度；為熱容；為材料的熱導(dǎo)率。

溫度場求解包含三類邊界條件：①中心導(dǎo)桿溫度設(shè)置為343.15K[4]；②電纜終端兩端邊界1設(shè)置為熱絕緣；③電纜表面2與周圍環(huán)境發(fā)生自然對流散熱。

式中，c為銅導(dǎo)體溫度；為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ext為環(huán)境溫度，設(shè)置為303.15K。

此外，考慮到電纜表面對周圍環(huán)境的輻射散熱過程，有

式中，為輻射系數(shù)；為Stefan-Boltzmann常數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 直流電導(dǎo)特性

不同體積分?jǐn)?shù)SiC/SR復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性曲線如圖5a所示。摻雜量的提高減小了各SiC顆粒間SR基體相的厚度，等效于在物理上減少了載流子從一個(gè)SiC顆粒傳輸?shù)搅硪粋€(gè)SiC顆粒時(shí)需要躍過或逃逸的基體中深陷阱的數(shù)量[13]，因而隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增加，SiC/SR復(fù)合材料具有更高歐姆區(qū)電導(dǎo)率和更低的閾值電場強(qiáng)度。圖5b為不同粒徑SiC/SR復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性曲線。在SiC/SR復(fù)合材料中，由SiC顆粒相互接觸形成的導(dǎo)電通路形狀與粒徑有直接關(guān)系。當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)保持不變時(shí)，粒徑越大，形成筆直導(dǎo)電通路的概率越高[19]；與大粒徑SiC相比，小粒徑SiC比表面積大，顆粒與橡膠基體間接觸面積大，從而導(dǎo)致填料-基體界面勢壘增加，載流子在局部電場作用下躍過界面勢壘并到達(dá)相鄰SiC顆粒的概率降低[20]。因此填充大粒徑SiC的復(fù)合材料在歐姆區(qū)具有更高的導(dǎo)電性和更低的閾值電場強(qiáng)度。衡量電導(dǎo)特性的關(guān)鍵參數(shù)見表2。

圖5 SiC/SR復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性

表2 SiC/SR復(fù)合材料電導(dǎo)率特性的關(guān)鍵參數(shù)

Tab.2 Parameters of electrical conductivity

不同溫度下SiC/SR復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性曲線如圖6所示。隨著溫度的上升，復(fù)合材料的閾值電場強(qiáng)度及非線性系數(shù)均呈逐漸降低趨勢。這是由于，一方面，溫度升高賦予了無規(guī)則熱運(yùn)動的載流子更高的能量，在電場作用下，更多高能載流子得以越過界面勢壘，參與導(dǎo)電過程，因而進(jìn)入非線性區(qū)的閾值電場強(qiáng)度降低；另一方面，當(dāng)外加電場強(qiáng)度上升到一定值時(shí)，大多數(shù)導(dǎo)帶中的載流子均沿電場方向遷移形成傳導(dǎo)電流，在此過程中，運(yùn)動載流子與SiC晶格中的振動原子相碰撞，其運(yùn)動速度及方向都將改變，發(fā)生載流子散射現(xiàn)象，以致傳導(dǎo)電流方向上載流子數(shù)量減少，宏觀上表現(xiàn)為電導(dǎo)特性曲線非線性系數(shù)降低[21-22]。

3.2 直流擊穿特性

SiC/SR復(fù)合材料的直流擊穿電場強(qiáng)度Weibull分布如圖7所示。純硅橡膠樣品的特征擊穿場強(qiáng)為=48.91MV/m，摻雜10% 1.5μm SiC后，特征擊穿場強(qiáng)降低至=37.76MV/m，降幅為22.8%；摻雜粒徑增加至40μm，特征擊穿場強(qiáng)為=29.37MV/m，降幅為40%；摻雜量增加至30%，特征擊穿場強(qiáng)進(jìn)一步降低至=25.79MV/m，降幅為47.3%。

因此，摻雜SiC會導(dǎo)致復(fù)合材料的特征擊穿場強(qiáng)降低，且降幅隨著SiC體積分?jǐn)?shù)、粒徑的增加呈逐漸增大趨勢。但整體而言，下降之后的特征擊穿場強(qiáng)數(shù)值仍高于目前XLPE直流電纜設(shè)計(jì)所允許運(yùn)行的最高工作場強(qiáng)20MV/m[23]，并留有一定裕度。

3.3 仿真結(jié)果及分析

采用非線性電導(dǎo)材料對設(shè)備進(jìn)行電場調(diào)控時(shí)，只有當(dāng)材料的電導(dǎo)特性與設(shè)備工作環(huán)境相匹配，才能達(dá)到較好的均壓效果。首先，以XLPE絕緣-橡膠護(hù)套-應(yīng)力錐絕緣交界點(diǎn)（圖4中b點(diǎn)）和應(yīng)力錐導(dǎo)體錐面（圖4中e點(diǎn)）兩處電場強(qiáng)度為主要考察指標(biāo)，探究適用于500kV直流電纜終端的電導(dǎo)特性參數(shù)范圍。關(guān)鍵位置電場強(qiáng)度隨應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣處材料的電導(dǎo)特性參數(shù)變化曲線如圖8所示，同時(shí)圖中也展示了采用四類典型材料（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）時(shí)對應(yīng)的電場分布，標(biāo)注的數(shù)值均為關(guān)鍵位置最大電場強(qiáng)度值。Ⅰ類材料為固定電導(dǎo)材料，其電場集中區(qū)域主要在錐面處，最大值為17.9MV/m，而交界點(diǎn)處電場強(qiáng)度僅為1.6MV/m；Ⅱ類材料為低閾值電場材料（如b=0.1MV/m，=3），與采用Ⅰ類材料時(shí)相比，錐面處的局部電場集中情況得到很好的改善，而交界點(diǎn)處電場強(qiáng)度急劇上升，最大值達(dá)20MV/m；Ⅲ類材料閾值電場適中（如b=3MV/m，=3），此時(shí)電纜終端內(nèi)部電場分布合理，錐面處最大電場強(qiáng)度降幅為51.4%，同時(shí)交界點(diǎn)處電場強(qiáng)度沒有明顯增加，內(nèi)部最高電場由XLPE主絕緣承擔(dān)，其值為16.1MV/m；Ⅳ類材料為高閾值電場材料（如b= 15MV/m，=3），由于材料電導(dǎo)率非線性增加的時(shí)機(jī)過晚，其均壓效果有限，錐面處最大電場強(qiáng)度降幅僅為8.4%。

相較而言，電場調(diào)控對非線性電導(dǎo)材料閾值電場強(qiáng)度的要求更為嚴(yán)格，材料的非線性系數(shù)只要不是太低，都能夠起到一定的均壓作用。在滿足閾值電場強(qiáng)度與應(yīng)用場景相匹配這一前提條件后，更低的閾值電場強(qiáng)度和更高的非線性系數(shù)均意味著在相同的外加電場下，材料具有更大的電導(dǎo)率，從而使局部電場強(qiáng)度降幅更大，均壓效果更好。需要注意的是，應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣處導(dǎo)電性提高的同時(shí)也意味著在運(yùn)行期間泄漏電流增加，進(jìn)而將引起更高的絕緣損耗功率，因此需要綜合考量。圖9所示為增強(qiáng)絕緣處損耗功率密度和溫度隨電導(dǎo)特性參數(shù)變化曲線，標(biāo)注的數(shù)值為增強(qiáng)絕緣處特征參數(shù)的平均值。當(dāng)采用Ⅰ類固定電導(dǎo)材料即傳統(tǒng)硅橡膠時(shí)，損耗功率密度為6.33W/m3；與采用Ⅰ類材料時(shí)相比，依次引入Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類材料后，隨著閾值電場由低向中、高過渡，損耗功率集中區(qū)域先擴(kuò)大后縮小，由此引起的局部溫升也呈先增加后減小的變化趨勢。總體來說，摻雜SiC雖增加了應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣處的損耗功率，但由此引起的局部溫升不超過1K，該值與中心導(dǎo)桿上的發(fā)熱相比可以忽略[24]。

遲慶國、李忠磊和D. Weida等國內(nèi)外學(xué)者通過仿真計(jì)算考察了不同種類非線性電導(dǎo)復(fù)合材料參與電纜附件內(nèi)部電場調(diào)控的應(yīng)用效果[15,25-27]，材料應(yīng)用后的關(guān)鍵位置附近最大場強(qiáng)平均降幅約為50%。在綜合考慮引入非線性材料對關(guān)鍵位置的電場分布、損耗功率及局部溫升的影響后，按照如下條件進(jìn)行參數(shù)篩選：與采用Ⅰ類材料時(shí)相比，錐面處最大電場強(qiáng)度降低幅度不低于50%，即數(shù)值不大于9.0MV/m；同時(shí)交界點(diǎn)處最大電場強(qiáng)度上升幅度不超過20%，即數(shù)值不大于1.92MV/m；損耗作用引起的局部溫升不超過1K。根據(jù)上述條件，得到合適的電導(dǎo)率參數(shù)范圍為：①對于=3的材料，2.9MV/m＜b＜4.0MV/m；②對于=5的材料，6MV/m＜b＜7.3MV/m；③對于=10的材料，7.0MV/m＜b＜10.2MV/m。

在目前已制備出的復(fù)合材料中，10% 1.5μm SiC/SR、10% 10μm SiC/SR、10% 28μm SiC/SR的電導(dǎo)特性參數(shù)基本滿足條件①；而對應(yīng)條件②和③的復(fù)合材料正在通過對SiC填料表面有機(jī)化改性、表面無機(jī)化包覆等方式積極探索中，力求在保證一定非線性系數(shù)的前提下，實(shí)現(xiàn)閾值電場往高場方向調(diào)控。

將三種材料應(yīng)用于應(yīng)力錐增強(qiáng)絕緣部分，其參與高壓電纜終端電場調(diào)控的應(yīng)用效果如圖10和圖11所示，關(guān)鍵位置處的電場強(qiáng)度值列于表3中。電纜工作過程中存在發(fā)熱現(xiàn)象，其附件內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度沿法向方向呈梯度分布。在高溫高場條件下，雖然SiC晶格散射現(xiàn)象會阻礙載流子輸運(yùn)，繼而導(dǎo)致非線性系數(shù)減小，但同時(shí)更多高能載流子的出現(xiàn)會使材料電導(dǎo)率進(jìn)入非線性區(qū)的時(shí)機(jī)提前，即閾值電場強(qiáng)度降低，從而彌補(bǔ)了由于非線性系數(shù)降低對均壓效果產(chǎn)生的負(fù)面影響。與采用傳統(tǒng)硅橡膠材料相比，三種材料均展現(xiàn)出了良好的均壓效果，錐面處電場強(qiáng)度降低幅度均達(dá)到50%，同時(shí)交界點(diǎn)處電場強(qiáng)度上升幅度均不超過20%，電纜終端內(nèi)部電場分布合理，最大場強(qiáng)由XLPE主絕緣承擔(dān)。綜合來說，10% 1.5μm SiC/SR復(fù)合材料和10% 10μm SiC/SR復(fù)合材料對電纜終端內(nèi)部電場分布的改善效果較好。

圖10 采用所制備SiC/SR復(fù)合材料后電場分布

圖11 關(guān)鍵位置參考線處電場強(qiáng)度

表3 關(guān)鍵位置電場強(qiáng)度

Tab.3 Field strength at key position

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了SiC摻雜的硅橡膠基復(fù)合材料直流電導(dǎo)特性和直流擊穿特性，仿真分析了所制備復(fù)合材料參與高壓電纜終端電場調(diào)控的應(yīng)用效果，得出的主要結(jié)論如下：

1）摻雜SiC后復(fù)合材料的直流擊穿場強(qiáng)雖有一定幅度降低，但整體仍大于目前XLPE絕緣直流電纜設(shè)計(jì)所允許運(yùn)行的最高工作場強(qiáng)。

2）隨著溫度升高，SiC晶格散射現(xiàn)象會阻礙載流子輸運(yùn)，導(dǎo)致復(fù)合材料非線性系數(shù)降低，但高溫條件下更多高能載流子的出現(xiàn)將電導(dǎo)率進(jìn)入非線性區(qū)的時(shí)機(jī)提前，即閾值電場強(qiáng)度降低，彌補(bǔ)了由于非線性系數(shù)降低對均壓效果帶來的負(fù)面影響。

3）與采用傳統(tǒng)絕緣材料相比，所制備的摻雜SiC的體積分?jǐn)?shù)為10%的SiC/SR復(fù)合材料可有效改善電纜終端內(nèi)部電場分布，應(yīng)力錐導(dǎo)體錐面處電場強(qiáng)度降低幅度達(dá)到50%，同時(shí)XLPE絕緣-橡膠護(hù)套-增強(qiáng)絕緣交界點(diǎn)處電場強(qiáng)度上升幅度不超過20%。其中，10% 1.5μm SiC/SR復(fù)合材料和10% 10μm SiC/SR復(fù)合材料改善效果較好。

4）通過偶聯(lián)劑對填料表面改性以增強(qiáng)界面結(jié)合，或通過表面包覆納米填料以構(gòu)造穩(wěn)定接觸界面，是保證一定非線性系數(shù)的前提下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料閾值電場往高場方向調(diào)控的可探索方向。

[1] 李忠磊, 趙宇彤, 韓濤, 等. 高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽材料研究進(jìn)展與展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(9): 2341-2354. Li Zhonglei, Zhao Yutong, Han Tao, et al. Research progress and prospect of semi-conductive shielding composites for high-voltage cables[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(9): 2341-2354.

[2] 朱煜峰, 許永鵬, 陳孝信, 等. 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直流XLPE電纜局部放電模式識別技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 659-668. Zhu Yufeng, Xu Yongpeng, Chen Xiaoxin, et al. Pattern recognition of partial discharges in DC XLPE cables based on convolutional neural network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 659-668.

[3] 李進(jìn), 梁虎成, 杜伯學(xué). 氣體絕緣直流設(shè)備氣固界面電場分布特性與調(diào)控方法研究進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(8): 2619-2628. Li Jin, Liang Hucheng, Du Boxue. Progress in electrical field distribution along gas-solid interface in compact gas insulated system and its regulation methods[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(8): 2619-2628.

[4] 李國倡, 王家興, 魏艷慧, 等. 高壓直流電纜附件XLPE/SIR材料特性及界面電荷積聚對電場分布的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 3081-3089. Li Guochang, Wang Jiaxing, Wei Yanhui, et al. Effect of material properties of XLPE/SIR and interface charge accumulation on electric field distribution of HVDC cable accessory[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 3081-3089.

[5] Donzel L, Greuter F, Christen T. Nonlinear resistive electric field grading part 2: materials and applications[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2011, 27(2): 18-29.

[6] 何金良, 楊霄, 胡軍. 非線性均壓材料的設(shè)計(jì)理論與參數(shù)調(diào)控[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(16): 44-60. He Jinliang, Yang Xiao, Hu Jun. Progress of theory and parameter adjustment for nonlinear resistive field grading materials[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(16): 44-60.

[7] Ullah W, Khan F, Umair M. Design and optimization of segmented PM consequent pole hybrid excited flux switching machine for EV/HEV application[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(3): 206-214.

[8] Christen T, Donzel L, Greuter F. Nonlinear resistive electric field grading part 1: theory and simulation[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2010, 26(6): 47-59.

[9] 遲慶國, 崔爽, 張?zhí)鞐? 等. 碳化硅晶須/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)非線性電導(dǎo)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(20): 4405-4414. Chi Qingguo, Cui Shuang, Zhang Tiandong, et al. Study on nonlinear characteristics on conductivity of silicon carbide whisker/epoxy resin composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4405-4414.

[10] 李進(jìn), 王雨帆, 梁虎成, 等. 高壓直流GIL盆式絕緣子非線性電導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(1): 166-173, 407. Li Jin, Wang Yufan, Liang Hucheng, et al. Parameter optimization of nonlinear conductivity spacer for HVDC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(1): 166-173, 407.

[11] Virsberg L G, Ware P H. A new termination for underground distribution[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1967, PAS-86(9): 1129-1135.

[12] Du Boxue, Yang Zhuoran, Li Zhonglei, et al. Temperature-dependent charge property of silicone rubber/SiC composites under lightning impulse superimposed DC voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 810-817.

[13] Du Boxue, Yang Zhuoran, Li Zhonglei, et al. Nonlinear conductivity and charge transport characteristics of silicone rubber/SiC composites under impulse superimposed on DC voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 776-783.

[14] Zhao Xiaolei, Meng Pengfei, Hu Jun, et al. Simulation and design of 500 kV DC cable terminal accessory based on ZnO varistor microsphere composites[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(1): 10-16.

[15] Weida D, Richter C, Clemens M. Design of ZnO microvaristor material stress-cone for cable accessories[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(4): 1262-1267.

[16] Chi Qingguo, Li Zhen, Zhang Tiandong, et al. Study on nonlinear conductivity of copper-titanate-calcium/ liquid silicone rubber composites[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 681-688.

[17] 胡軍, 趙孝磊, 楊霄, 等. 非線性電導(dǎo)材料應(yīng)力錐改善電纜終端電場強(qiáng)度分布[J]. 高電壓技術(shù), 2017, 43(2): 398-404. Hu Jun, Zhao Xiaolei, Yang Xiao, et al. Improving the electric field strength distribution of cable terminals by stress cone of nonlinear conductivity material[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(2): 398-404.

[18] 程鵬. 電纜接頭內(nèi)部缺陷下的電磁—熱—力特性及表征方法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2016.

[19] Yang Xiao, Zhao Xiaolei, Hu Jun, et al. Grading electric field in high voltage insulation using composite materials[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2018, 34(1): 15-25.

[20] Li Zhonglei, Du Boxue, Yang Zhuoran, et al. Effects of crystal morphology on space charge transportation and dissipation of SiC/silicone rubber composites[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(4): 2616-2625.

[21] 楊卓然. 電熱復(fù)合場下高壓直流電纜附件用硅橡膠復(fù)合材料電荷輸運(yùn)與電導(dǎo)調(diào)控方法研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2019.

[22] 劉恩科, 朱秉升, 羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 7版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[23] 李盛濤, 王詩航, 李建英. 高壓直流電纜料的研發(fā)進(jìn)展與路徑分析[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(5): 1399-1411. Li Shengtao, Wang Shihang, Li Jianying. Research progress and path analysis of insulating materials used in HVDC cable[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(5): 1399-1411.

[24] 李進(jìn), 張程, 杜伯學(xué), 等. 直流GIL用非線性電導(dǎo)環(huán)氧絕緣子電場仿真[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(4): 1056-1063. Li Jin, Zhang Cheng, Du Boxue, et al. Electrical field simulation of epoxy spacer with nonlinear conductivity for DC GIL[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1056-1063.

[25] Chi Qingguo, Yang Meng, Zhang Changhai, et al. Nonlinear electrical conductivity and thermal properties of AgNPs/BN/EPDM composites for cable accessory[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(4): 1081-1088.

[26] 孫略, 張沛紅, 李中原, 等. 高壓直流電纜終端硅橡膠基非線性復(fù)合材料[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(5): 1654-1665. Sun Lüe, Zhang Peihong, Li Zhongyuan, et al. Silicone rubber nonlinear composites for HVDC cable terminals[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(5): 1654-1665.

[27] Li Zhonglei, Yang Zhuoran, Xing Yunqi, et al. Improving the electric field distribution in stress cone of HTS DC cable terminals by nonlinear conductive epoxy/ZnO composites[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, 29(2): 1-5.

Optimization of Nonlinear Conductivity Characteristics of Silicone Rubber Materials for DC Cable Accessories by SiC Doping

Wu Jiale1Xiong Peiqi1Xing Zexi1Gong Yangzhi2Bian Xingming1

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Grid Fuzhou Electric Power Supply Company Fuzhou 350009 China）

For HVDC cables, the insulation level is the core issue, and also the key factor affecting the equipment capacity and long-term operation stability. In the cable accessories, because the electrical conductivity and dielectric constant of the insulating material cannot achieve continuous transition, the electric field distribution is highly uneven. The field strength borne by the insulating part of the accessories is several times the average value of the overall field strength, which may cause local electric field distortion inside the accessories and even directly cause insulation failure. Reasonable improvement of the electric field distribution at key positions are critical to the insulation of high-voltage cable terminal. It is an effective scheme to regulate the field distribution in the cable terminal by using nonlinear material whose electrical conductivity changes adaptively with the applied field.

Silicon carbide (SiC), which has the advantages of low chemical activity, moderate cost and good thermal conductivity, is selected to modify the silicone rubber (SR) matrix. The DC breakdown and nonlinear conductivity characteristics of SiC/SR composites were experimentally investigated. The results show that although the breakdown strength of the composite material decreases to a certain extent after doping with SiC, it still meets the requirement of operation. With the increase of temperature, the SiC lattice scattering will hinder the carrier migration, resulting in the decrease of nonlinear coefficient, while the appearance of more high-energy carriers will reduce the threshold field of the conductivity.

When nonlinear materials are used to regulate the electric field of the equipment, only when the conductivity characteristics of the materials match the operation environment can a better field grading effect be achieved. Under the conditions of considering the field distribution, power loss and local temperature rise, the suitable parameters range of nonlinear conductivity were determined quantitatively. The results show that when the nonlinear coefficient is fixed, the threshold field increases gradually, and the field strength at the junction and the cone surface presents completely opposite changing trends. Although doping SiC increases the power loss at the stress cone reinforced insulation, the resulting local temperature rise does not exceed 1K, which can be ignored compared with the heating on the central copper rod. The parameters range matched with 500kV DC cable terminal is: (1) For material with nonlinear coefficient of 3, the threshold field should be in the range of 2.9～4.0MV/m. (2) For material with nonlinear coefficient of 5, the threshold field should be in the range of 6.0～7.3MV/m. (3) For material with nonlinear coefficient of 10, the threshold field should be in the range of 7.0～10.2MV/m. The conductivity characteristic parameters of the prepared composites doped with 10% SiC basically meet the range (1). The composites corresponding to range (2) and range (3) are being actively explored by means of surface organic modification and surface inorganic coating.

Compared with the traditional SR materials, the prepared 10% SiC/SR composite material can effectively improve the field strength distribution inside the cable terminal. The field strength at the conical surface of stress cone conductor can be reduced by 50%, and the field strength at the junction of XLPE insulation-rubber sheath-reinforced insulation increases by no more than 20%. Among them, 10% 1.5μm and 10% 10μm SiC/SR composites has better improvement effect. The findings are expected to provide ideas for improving the performance of cable accessories from the perspective of material modification.

Silicone rubber, nonlinear conductivity, breakdown strength, field regulation

國家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目資助（7000-202158440A-0-0-00）。

2022-06-16

2022-08-27

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221138

TM215

伍珈樂 女，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)電氣絕緣材料設(shè)計(jì)與綜合性能優(yōu)化。E-mail：wujiale2016@126.com

卞星明 男，1985年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姽ぱb備電磁環(huán)境、電力系統(tǒng)智能感知和先進(jìn)電氣絕緣材料。E-mail：bianxingming@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）