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特高压电气设备用纳米复合绝缘材料与应用关键技术

 
项目介绍

(一)项目的目标及主要研究内容

1.项目的目标

  建立国产化高性能环氧纳米复合绝缘材料配方体系, 掌握结构设计与批量制造等关键技术,突破环氧绝缘缺陷的早期预测瓶颈,实现特高压电气设备可靠性的提升与绝缘失效故障率的进一步降低。

2.项目的主要研究内容

  本项目的研究内容主要包括:高性能环氧树脂基材交联网络结构的构筑与纳米改性方法, 以及批量化制备工艺,建立国产化高性能环氧纳米复合绝缘材料配方体系;交流盆式绝缘子结构的多场协同设计与气固界面优化方法,以及特高压交流盆式绝缘子固化成形的应力控制技术; 特高压交流开关设备用盆式绝缘子及直流换流阀用饱和电抗器批量化制造与试验技术; 特高压环氧绝缘件缺陷发生、发展与闪络放电特征,构建缺陷早期诊断新技术。 具体需解决两个关键科学问题与三项关键技术。

1) 关键科学问题:

  1环氧复合材料交联网络结构、界面特征与其性能的关联规律及纳米调控机理

  揭示环氧复合材料交联网络结构对其性能的影响规律, 掌握环氧复合材料性能的纳控机理, 解决纳米颗粒分散与配比技术, 突破高性能环氧复合绝缘材料综合性能协升的瓶颈, 研制出高性能环氧纳米复合绝缘材料配方体系, 实现关键基础材料替代。

  2多场耦合下环氧纳米复合绝缘件缺陷的发生、发展过程及绝缘失效机理

  掌握多场耦合条件下环氧纳米复合绝缘件缺陷发生、 发展规律及闪络放电特征, 揭缘失效机理, 建立特高压环氧绝缘件气固界面闪络模型, 为特高压绝缘件缺陷的早断奠定理论基础。

2关键技术问题:

  1环氧绝缘件结构的多场协同设计方法和界面性能调控技术

  掌握制备工艺对环氧纳米复合材料气固界面特性的影响规律, 揭示气固界面强场破坏机理, 建立绝缘件电场设计准则, 突破环氧纳米复合绝缘系统多场耦合的协同设计瓶颈,为特高压环氧绝缘件的批量制造提供技术支撑。

  2特高压电气设备用绝缘件固化成形应力控制技术

  建立环氧纳米复合材料固化反应动力学模型, 掌握固化成形过程三维非稳态模拟方法, 优化制造工艺, 突破特高压大尺寸绝缘件缺陷与应力控制技术, 实现特高压开关设备用绝缘件可靠性的进一步提升。

  3运行中环氧绝缘件缺陷多源信息特征参量提取及其诊断方法

  掌握运行中环氧纳米复合绝缘件缺陷特征, 解决缺陷特征参量提取的技术难题, 建立多源信息融合的绝缘缺陷诊断方法, 突破运行中环氧绝缘件缺陷的早期诊断技术, 为特高压开关设备故障率的进一步降低提供有效运维手段。

(二)项目拟采取的研究方法

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课题1:国产化高性能环氧纳米复合绝缘材料配方体系

  (1)研究环氧树脂分子结构与其性能的关联规律,设计高性能环氧树脂双交联网络的分子结构;研究固化剂与合成工艺对环氧树脂双交联网络结构的影响规律,掌握环氧树脂双交联网络结构的构筑方法。

  (2)研究纳米无机填料设计方法与合成技术;研究纳米无机填料表面特性对其浸润性的影响规律,以及表面改性技术;研究环氧树脂中纳米无机填料分散特性及其复合母料制备技术。

  (3)研究高导热环氧复合材料的无机填料配比技术,以及纳米增强增韧机理;研究高导热、纳米增强增韧对材料绝缘特性的影响;研究高比例无机填料对环氧复合材料绝缘特性、导热特性与力学特性的影响,以及高导热环氧复合材料的纳米界面增强增韧技术。

  (4)研究微-纳复合填料的界面特征,及其对电气、力学和热性能的影响规律,以及界面特性的纳米调控方法;研究微米无机填料表面纳米结构的生成方法,以及纳米化修饰技术。

  (5)研究环氧树脂基材合成反应过程与批量化工艺参数的关系,研究批量制备工艺对材料性能的影响,建立环氧纳米复合材料的批量化制备关键工艺参数控制方案。

  (6)研究环氧树脂、固化剂和无机填料配比方法对固化反应过程的影响,以及材料综合性能的影响规律,优化配比和固化反应工艺,建立环氧纳米复合绝缘材料配方体系。

  课题1的研究思路、方法等如下图所示。

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课题2:环氧纳米复合绝缘件气固界面特性与结构优化设计技术

  (1)建立气固界面特性表征方法,研究制备工艺、纳米填充对环氧纳米复合材料气固界面特性的影响,建立环氧气固界面特性与制备工艺、纳米填充的关联关系。

  (2)研究不同结构环氧绝缘件气固界面工频和雷电冲击耐受特性,以及电场分布的影响规律;确定特高压交流盆式绝缘子表面许用场强值及切/法向电场分量配合关系,建立特高压交流盆式绝缘子气固界面电场设计准则。

  (3)研究特高压绝缘件电气、力学、热性能间的影响关系;建立电场、应力场及温度场相互耦合仿真模型,研究特高压交流盆式绝缘子电气、力学与热性能的协同设计方法与结构优化设计技术。

  (4)研究气固界面调控方法对环氧绝缘件气固界面特性及电场耐受特性的影响规律,确定盆式绝缘子气固界面耐受场强提升的表面调控工艺。

  课题2的研究思路、方法等如下图所示。

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课题3:特高压大尺寸绝缘件批量化制造关键技术

  (1)研究微-纳米颗粒表面化学特性、粒径、形貌等对环氧树脂固化过程的影响,建立环氧纳米复合材料和绝缘件成形固化反应动力学模型。

  (2)建立固化过程的三维非稳态模拟计算方法,研究固化度与温度分布的关系;基于大尺寸绝缘件固化过程的温度分布与固化度的测量,修正三维非稳态计算方法。

  (3)基于固化过程温度分布特性,研究温度梯度对大尺寸绝缘件固化度分布的影响,以及大尺寸绝缘件自加热模具的设计方法;研究大尺寸绝缘件固化成形过程的温度场梯度控制技术。

  (4)研究固化度对环氧绝缘件应力分布的影响规律,建立特高压交流开关设备用盆式绝缘子应力分布的计算模型,获得固化温度场对特高压交流开关设备用盆式绝缘子应力分布特性的影响关系,提出特高压交流开关设备用盆式绝缘子应力分布调控方法。

  (5)研究浇注与固化工艺参数对大尺寸绝缘件缺陷及其性能的影响,建立特高压交流开关设备用盆式绝缘子批量制造的质量控制体系;进行应用验证或带电考核。

  课题3的研究思路、方法等如下图所示。

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课题4:高导热环氧纳米复合材料饱和电抗器应用关键技术

  (1)研究特高压饱和电抗器温度场仿真模型,研究多场条件下饱和电抗器温度分布特性,以及线圈与铁芯结构对温度分布特性的影响。

  (2)研究饱和电抗器用高导热纳米复合材料性能试验技术及评价方法,开展饱和电抗器用高导热环氧复合材料绝缘特性与导热性以及老化试验,分析高导热材料的绝缘特性。

  (3)研究饱和电抗器用高导热环氧材料的固封方法,以及固封方法对饱和电抗器铁芯-环氧界面特性的影响,优化高导热环氧纳米复合材料绝缘固封工艺。

  (4)研究运行工况下饱和电抗器多参数协同设计方法,及线圈绕组和铁芯弹性体封装制造技术;研制饱和电抗器样机,并进行绝缘和热特性试验评价与应用。

  课题4的研究思路、方法等如下图所示。

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课题5:特高压开关设备用环氧绝缘件缺陷诊断与运维技术

  (1)研究多场耦合条件下环氧绝缘件缺陷发生、发展规律,以及电场、机械和热等应力耦合作用下气固界面缺陷产生机理。

  (2)研究运行电压下缺陷引发绝缘件闪络的发生、发展过程,以及多场耦合对闪络过程的影响机理,获得不同缺陷引发的闪络放电发展过程中声、光、电等信号特征。

  (3)提取不同缺陷发展过程中的特征参量,研究缺陷特征参量识别的高灵敏度检测技术;研究X射线激励下微小缺陷的高灵敏度检测方法。

  (4)研制金属封闭式陡波冲击电压发生器,研究陡波冲击波形参数对不同缺陷闪络特性的影响规律,确定特高压环氧绝缘件缺陷检测的陡波冲击波形参数。

  (5)基于不同缺陷发生、发展过程中的声、光、电等信号特征,研究环氧绝缘件缺陷的分类与识别技术,提出多源信息融合的绝缘件缺陷早期诊断方法。

  (6)研究基于深度学习理论的绝缘故障状态特征量提取及优化方法,建立绝缘件缺陷危害状态评估模型,提出基于绝缘件缺陷危害状态的特高压GIS 运维策略。

  课题5的研究思路、方法等如下图所示。

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