电工绝缘新材料课件.pptx

1、1、背景2、新型植物绝缘油3、抗老化绝缘油4、纳米植物绝缘油5、耐老化绝缘纸6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料7、超疏水纳米涂料8、纳米粒子填充型复合防腐涂料9、导电混凝土主要内容1、背景n纳米研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划:纳米电工绝缘材料。n“十二五”国家科技计划材料领域2013年度备选项目征集指南:特高压绝缘功能材料。n国家和南方电网公司“十二五”科技规划的科技项目:特高压绝缘材料，植物绝缘油，纳米绝缘油，新型接地材料，纳米防腐涂料，直流高压绝缘材料关键技术等。2、新型植物绝缘油n美国和欧洲的环保法令：要求充油电力设备无泄漏。n防火型液体绝缘材料：难燃油，燃点300 C。n植物绝

2、缘油在配电变压器中得到了应用，IEEE出版了配电变压器中的植物绝缘油选用导则。nAREVA制造出275kV植物绝缘油变压器，在巴西电网投入试验运行。nFR3(Cooper Power Sys.);BIOTEMP(ABB);茶油及菜籽油(重庆大学)；棕榈油(日本)n高燃点;可再生;低碳排放;降低变压器全寿命周期成本。2、新型植物绝缘油参数FR3BIOTEMP性能数值测试方法数值测试方法外观浅绿色ASTM D1524无色透明ASTM D1524密度（kgm-3）0.92/25ASTM D12980.91/25ASTM D1298运动粘度（mm2s-1）34/40ASTM D44545/40ASTM

3、 D445凝点（）-21ASTM D97-15到-25ASTM D97沸点（）316ASTM D92330ASTM D92酸值（mgKOHg-1）0.04ASTM D9740.075ASTM D974表面张力（mNm-1）24ASTM D971ASTM D971击穿电压（kV）56ASTM D181665ASTM D1816介质损耗角（%）3/100ASTM D9242/100ASTM D924相对介电常数3.2/25ASTM D11693.2/25ASTM D1169体积电阻率（m）21011/25ASTM D92411011/25ASTM D9242、新型植物绝缘油植物油的倾点通常在-10

4、C以上新的精制食用植物油的击穿电压通常在20kV以下食用植物油的介损通常高于10食用植物油易于氧化25#变压器油的要求（GB2536）倾点 22C击穿电压35kV氧化安定性介损5.4 击穿电压(20)/kV5835新型混合绝缘油20%天然酯（橄榄油）+80%矿物油+0.3%T501+0.3%L063、抗老化绝缘油C60纳米粒子改性矿物绝缘油C60纳米粒子C60与矿物油产生特定结合C60分散于矿物油 纳米绝缘油制备流程密度1.72g/cm3外径1nm体积弹性模量14109Pa德拜温度185K热导率（300K）0.4W/mK沸点800K介电常数4.0-4.5电阻率1014mC60基本物理性质3、抗

5、老化绝缘油C60改性矿物油老化后的含水量老化时间(h)含水量(ppm)不同老化时间C60改性矿物油水分含量3、抗老化绝缘油老化中期C60改性矿物油的击穿电压介于60-70kV之间；老化后期击穿电压有所下降，C60浓度越高击穿电压越高。改性矿物油击穿电压C60浓度(mg/L)击穿电压(kV)C60改性矿物油的击穿电压3、抗老化绝缘油C60改性矿物油的介损老化时间（h）介损值相同老化时间下C60改性矿物绝缘油的介损值全部降低3、抗老化绝缘油C60浓度（mg/L）电阻值（cm）C60改性矿物油电阻值C60浓度增加改性矿物油电阻值降低，老化时间越长电阻值下降越多4、纳米植物绝缘油纳米植物绝缘油及应用击

6、穿特性稳定性介电特性制备方法已有方法制备纳米植物绝缘油易团聚、沉降。纳米绝缘油击穿机理和影响因素尚不明确，亟待研究。缺乏纳米植物绝缘油在复杂环境下的稳定性研究。纳米植物绝缘油介电性能研究少，缺乏实验数据。难点问题4、纳米植物绝缘油纳米绝缘油：纳米粒子的制备两步法n共沉淀法制备纳米粒子n表面改性获得亲油性纳米粒子硫酸铁 表面活性剂硫酸亚铁一步法n高温分解法制备亲油性纳米粒子 (油酸钠+氯化铁=油酸铁)4、纳米植物绝缘油 纳米植物绝缘油制备流程 纳米粒子表面改性前 纳米粒子表面改性后共沉淀法制备纳米粒子表面改性获得亲油性纳米粒子纳米粒子在油中超声分散提出了采用油酸对Fe3O4纳米粒子进行表面改性的

7、方法，解决了纳米粒子分散稳定性的问题，制备出分散稳定纳米植物绝缘油。油样击穿电压(kV)12345均值植物绝缘油48.651.545.356.248.049.9纳米绝缘油58.354.763.162.560.459.8改性前后油样分稳定性对比图(纳米粒子质量分数为1%）工频击穿电压纳米绝缘油工频击穿电压比普通植物绝缘油提高近20%纳米油的击穿特性（两步法）4、纳米植物绝缘油4、纳米植物绝缘油纳米植物绝缘油的正、负极性雷电冲击击穿电压分别比植物绝缘油高37%和12%。油样油样负极性雷电击穿电压负极性雷电击穿电压(kV)(kV)12345均值植物绝缘油85.384.283.282.184.283.

8、8纳米绝缘油96.194.092.996.189.693.7油样油样正极性雷电击穿电压正极性雷电击穿电压(kV)(kV)12345均值植物绝缘油77.873.474.570.273.473.9纳米绝缘油104.899.499.4102.6101.5101.5雷电冲击击穿电压国外研究结果（ABB）油样冲击击穿电压(kV)正极性负极性矿物油Univolt6086170纳米油Univolt157154油样冲击击穿电压(kV)正极性负极性矿物油Nytro-10X88177纳米油Nytro156173V.Segal,et al.“AC and impulse breakdown strength of

9、a colloidal fluid based on transformer oil and magnetite nanoparticles”.Record of 1998 IEEE-ISEI,pp.619-622,Arlington,VA,USA,June 7-10,1998.n 球内外电势满足拉普拉斯方程cosexp122exp221,2112331212330rrrtrRtrRErE sr14411101121211062.71011029.621008.71068.2222 松弛时间远小于流注发展时间 02n 球外电场满足n 松弛时间满足机理分析4、纳米植物绝缘油 2102020214

10、 sincos2 sin2 sin2SSeeSeereerQtQQdQtQRdREdRJdttdQccc)(101.07491seepcn 充电电流n 充电时间4、纳米植物绝缘油纳米粒子对空间电场的影响4、纳米植物绝缘油5、耐老化绝缘纸研究背景n随着变压器等设备电压等级的提高，绝缘纸的耐受电压和耐热等级需要提高。n换流变压器出线端油纸绝缘在直流电场下的空间电荷集聚问题亟需解决。n高电气强度和机械强度的耐老化绝缘纸技术备杜邦等少数国外大公司所垄断。5、耐老化绝缘纸纤维解离器打浆机纸样抄造设备绝缘纸样5、耐老化绝缘纸纳米蒙脱土改性纤维素绝缘纸抗拉强度老化120天时，普通绝缘纸的抗张强度还剩77%，

11、而改性绝缘纸的抗拉强度还剩90%以上。5、耐老化绝缘纸纳米蒙脱土改性纤维素绝缘纸击穿电压MMT提高了绝缘纸的工频击穿场强，并且使老化过程中改性绝缘纸的工频击穿场强分散性减小。纳米蒙脱土的阻隔作用5、耐老化绝缘纸老化120天的绝缘纸样的介质损耗热老化120天的纸样老化120天的绝缘纸样的微观形貌5、耐老化绝缘纸耐老化纸样的SEM图a）100倍；b）400倍普通老化纸样的SEM图a）100倍；b）400倍6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料n高密度聚乙烯纳米复合材料在日本已成功用于500kV及以上电压等级电力电缆。n电树枝和水树枝老化是影响聚乙烯电缆寿命的主要因素，聚乙烯纳米复合材料显示出更好的耐受电树

12、枝和水树枝老化的能力。n高压直流电缆的应用要求聚乙烯材料具有更强的空间电荷消散能力，通过纳米复合，可以达到此目的。6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料纳米蒙脱土有机化处理甲基铵盐溶液MMT悬浮液+温度T搅拌配比时间t白色絮状沉淀8090oC蒸馏水洗净除去溴离子50oC 真空干燥24h有机MMT6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料MMT含量对PE/MMT复合材料力学性能的影响w.t%0%0.5%1.0%2.0%3.0%5.0%熔融指数MI/g/10min6.286.356.155.835.594.15拉伸强度(TS)/MPa9.569.559.239.159.108.58弹性模量E/MPa1515.2151

13、6.31516.01513.21510.41508.3断裂伸长率e/%65.365.565.566.166.566.3MMT含量对PE/MMT复合材料介电强度的影响MMT w.t%Ebrd的Weibull分布参数(kV/mm)0%185.6812.530.5%181.5211.031.0%183.2417.532.0%195.4815.233.0%199.7819.355.0%198.6425.48 f1=f2=8(road/s),STAB6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料 f1=f2=8(road/s),STABMMT w.t%原始质量(g)5天10天质量差(g)质量变化率(%)质量差(g)质量

14、变化率(%)0566.751.230.221.560.280.5554.560.630.110.700.131.0574.560.640.110.750.132.0515.530.50.0970.620.123.0594.250.350.0590.40.0695.0574.230.250.0440.260.045MMT含量对PE/MMT复合材料吸水率的影响介电常数和介电损耗聚乙烯改性前后在工频下的介电常数变化聚乙烯改性前后在工频下的介电损耗变化6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料工频电压下电树枝生长特性纯PE的电树枝以枝状为主。PE/MMT以丛林状为主。MMT有助于更好

15、地抑制电树枝的生长。6、聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料使用长链有机改性剂改性MMT制备的PE/MMT复合材料有助于减小空间电荷积聚时的峰值和消散后的残留电荷，并加快空间电荷的消散速率。n输电线路、线路绝缘子、变电站支柱绝缘子、套管防污(雨)闪。n线路绝缘子、变电站支柱绝缘子、套管防覆冰。n金属构件的腐蚀防护。n除广泛应用于电力行业，超疏水涂料还可用于防雾、油水分离、流体减阻、船舶防腐等，具有广泛的应用前景。7、超疏水纳米涂料7、超疏水纳米涂料超疏水现象7、超疏水纳米涂料超疏水的蝉翼表面(a)蚱蝉的光学图片;(b)蝉翼表面的纳米结构蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成纳米柱的直径大约在80 nm，纳

16、米柱的间距大约在180 nm规则排列纳米突起所构建的粗糙度使其表面稳定吸附了一层空气膜，诱导了其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。7、超疏水纳米涂料超疏水涂料的研制n研制出超疏水涂层工艺配方，建立了中试系统，满足批量生产的要求。n超疏水涂层疏水接触角接近1600，接触角滞后为4.10。纳米分散反应过程涂层制备7、超疏水纳米涂料超疏水与静态接触角疏 水：接触角大于900。超疏水：接触角大于1500。（例1；例2）疏水超疏水u超疏水绝缘子的雨闪和污闪电压高于普通绝缘子的结果。超疏水涂层防污性能7、超疏水纳米涂料雨闪电压污闪电压n超疏水涂层耐酸、耐碱性能优良静态接触角滚动角超疏水涂层稳定性7、超疏

17、水纳米涂料超疏水涂层防冰性能n超疏水涂层具有比普通RTV涂层和普通绝缘子更好的防冰性能。绝缘子串覆冰闪络电压随覆冰时间的变化情况涂覆超疏水涂层绝缘子与涂覆RTV涂层绝缘子串，普通玻璃绝缘子串对比试验（覆冰时间3小时）。7、超疏水纳米涂料粗糙表面下的液滴接触角与界面张力的关系7、超疏水纳米涂料8、纳米粒子填充型复合防腐涂料地网的腐蚀与防护问题土壤腐蚀是指土壤的不同组分、不同因素对金属的协同腐蚀作用，即腐蚀除化学腐蚀、电化学腐蚀外，还应包括机械、生物、物理腐蚀和它们的联合破坏。8、纳米粒子填充型复合防腐涂料防腐蚀机理屏蔽作用 使基体与外部环境隔离，以免受到腐蚀。阻挡水、氧和离子的透入，就可防止金属

18、腐蚀。缓蚀作用涂层中含有的化学防锈涂料，在有水存在时，从涂料中离解出缓蚀离子，从而引起阳极极化，或阴极极化，或阴阳极同时极化，抑制腐蚀进行。电化学作用 涂料中加入对基体金属能成为牺牲阳极的金属粉，金属粉之间和金属粉与基体之间能达到电接触程度，从而保护基体免受腐蚀。如富锌底漆对钢铁的保护。8、纳米粒子填充型复合防腐涂料纳米SiO2/丙烯酸酯聚氨酯复合防腐涂料加入比例2%加入比例6%加入比例10%纳米SiO2/丙烯酸酯聚氨酯复合防腐涂料8、纳米粒子填充型复合防腐涂料电化学测试系统纳米SiO2/丙烯酸酯聚氨酯复合防腐涂料8、纳米粒子填充型复合防腐涂料防腐性能测试样品测试样品TAF曲线腐蚀电位较大,极

19、化电阻较大,腐蚀电流密度较小,说明纳米改性防腐涂料能有效抑制金属腐蚀9、导电混凝土n材料来源广泛、价格低廉。n变电站地网及接地体的腐蚀问题：高腐蚀性土壤地区的深井接地问题。n地下变电站、军事设施等特殊环境地网的降阻问题。n长寿命地网的设计与工程应用。n取代接地模块的长效接地体。导电 纤维导电 颗粒立体导电网络9、导电混凝土石墨、碳黑强度低、吸水量大碳纤、钢纤具有提高混凝土的抗拉、抗弯、抗 剪等力学性能u电阻率：0.018mu抗折强度：7.8MPau抗压强度：42.8MPa9、导电混凝土n导电混凝土具有优异的耐酸碱腐蚀性能。n在PH为1的强酸溶液中浸泡20天后，导电混凝土电阻率为0.85m，抗折强度为6.8MPa，抗压强度为37.2MPa；n在PH为12的强碱溶液中浸泡20天后，导电混凝土电阻率为0.75m，抗折强度为6.5MPa，抗压强度为35.3MPa；广州南方气体厂专用变电站地网改造工程地网工频接地电阻由改造前的3.2降低为0.59 9、导电混凝土n750kV西宁变电站接地网750kV西宁变电站接地网示意图导电混凝土的应用