微支化交联结构协同提升环氧/玻璃复合材料交直流表面闪络性能的研究

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Synergistic enhancement of AC/DC surface flashover performance of epoxy/glass composites by micro-branched crosslinking structure

本文推荐研究针对高电压设备在直流叠加谐波条件下环氧/玻璃复合材料表面绝缘性能易因表面闪络而退化的问题，通过引入以3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐(BTDA)为骨架的微支化交联结构，设计合成了T/B/B-EP/玻璃复合材料。研究实现了交流、直流及交直流叠加闪络电压分别提升8.21%、17.26%和19.71%，从分子-宏观尺度阐明了分子结构对直流（通过深陷阱能级调控表面电荷积累）和交流（通过降低介电常数抑制局部放电）闪络性能的影响机制，为提升高压电气设备在复杂工况下的绝缘可靠性提供了理论依据和新材料解决方案。

　　

在现代电力系统中，高压电气设备如干式空心电抗器和套管等广泛使用环氧/玻璃复合材料作为外绝缘材料。然而，在复杂运行条件（如整流侧换流阀影响、负载侧三相不平衡等）下，设备的气固界面会对直流叠加谐波电压特别敏感。谐波分量可使表面闪络电压降低10%~20%，严重影响设备寿命。表面闪络作为一种严重的放电现象，会沿绝缘材料表面形成导电通道，其伴随的电、热和力效应可在绝缘表面产生烧蚀通道，严重时甚至引发高压设备自燃。因此，如何协同提升环氧/玻璃复合材料在直流叠加谐波电压下的表面闪络性能，成为制约现代高压电气设备发展的关键绝缘技术难题。

为解决这一难题，发表在《CSEE Journal of Power and Energy Systems》上的研究论文“Synergistic Enhancement of AC/DC Surface Flashover Performance of Epoxy/Glass Composites by Micro-branched Crosslinking Structure”提出了一种创新的材料设计策略。该研究通过化学合成方法，设计并制备了具有微支化交联结构的T/B/B-EP/玻璃复合材料，系统探究了其对交流和直流表面闪络性能的协同增强作用及内在机制。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过三步合成法制备T/B/B-EP基质树脂，包括甲苯二异氰酸酯三聚体(TDI trimer)与双酚A(BPA)的共聚、BPA与3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐(BTDA)的共聚以及最终的闭环反应；制备了不同改性剂添加比例（0-10 wt%）的T/B/B-EP/玻璃复合材料；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(¹H-NMR)对化学结构进行表征；通过等温表面电位衰减(ISPD)测试、表面电荷分布测试、表面电导率测试、介电谱测试和局部放电测试等手段系统表征材料的电气参数；结合密度泛函理论(DFT)和分子动力学模拟，从分子尺度分析了改性剂对陷阱参数和介电性能的影响机制。

A. Characterization of Microscopic Chemical

通过FTIR和¹H-NMR谱图表征证实了TDI trimer/BPA和BPA/BTDA共聚物的成功合成，以及T/B/B-EP树脂的特征基团（如羰基伸缩振动峰位于1640 cm^-1），表明改性完整且新型环氧树脂合成成功。

B. Effect of BTDA skeleton on Charge Transport Characteristics

ISPD测试表明，随着T/B/B改性剂添加比例增加至6 wt%，材料表面陷阱能级和陷阱密度分别达到峰值1.085 eV和14.29×10¹⁹eV^-1·m^-3，表面电荷积累在高压电极处增加18.7%，但向地电极传输过程中电荷密度减半，表面电导率最低降至4×10^-16S。分子模拟显示，BTDA的引入增强了材料的电负性，降低LUMO能级，增大HOMO-LUMO能隙，使电子陷阱能级整体提高，增强了电子捕获能力。

C. Effect of Branched Structure on Surface Discharge Characteristics

介电常数测试表明，当改性剂添加比例为8 wt%时，材料在1 Hz下的介电常数最低为3.25，比未改性材料降低0.96。分子动力学模拟显示，支化结构的引入使自由体积分数(FFV)从“大而稀疏”转变为“小而致密”，在添加比例为8 wt%时FFV最大为30.11%，有效限制了偶极子转向和弛豫，从而降低介电常数。局部放电测试表明，在交流电压和交直流叠加电压(1:3)下，表观放电量先降后升，在8 wt%添加比例时交流放电量降低7.6%，叠加电压放电量降低9.4%，局部放电得到有效抑制。

D. Mechanism of effect of T/B/B modifier on AC/DC flashover performance of EP/glass composites

韦伯分布测试显示，在直流电压下，6 wt%添加比例的特征闪络电压最高为24.33 kV，提升18.97%，与陷阱能级正相关；在交流电压下，8 wt%添加比例的特征闪络电压最高为15.96 kV，提升8.21%，与介电常数负相关；在交直流叠加电压(1:3)下，6 wt%添加比例的特征闪络电压最高为23.19 kV，提升20.97%。当添加比例为8 wt%时，综合效果最优，交流、直流和叠加闪络电压分别提升8.21%、17.26%和19.71%。

研究结论表明，T/B/B改性剂通过BTDA骨架引入深陷阱能级，抑制电荷输运，提升直流闪络性能；通过微支化结构增加自由体积分数，降低固相介电常数，抑制气固界面局部放电，提升交流闪络性能。在叠加电压下，二者协同抑制电荷输运和气体电离过程，显著增强交直流叠加闪络性能。该工作不仅提供了可增强直流叠加谐波电压性能的支化交联复合材料，还明确了调控直流和交流闪络的关键参数，为保障相关电气设备安全提供了理论依据和新材料设计策略。