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李庆民教授课题组在柔性输电装备高频绝缘性能提升领域取得重要进展

信息发布于:2022-10-19

基于功率器件的电能路由器可实现交流与直流以及不同电压等级间的灵活变换,在可再生能源大规模可靠并网方面具有很好的应用前景。高频变压器作为电能路由器的核心部件,工作频率一般在10kHz以上,使得其绝缘长期面临高频高压、局部高温、电晕与局部放电共同作用的复杂运行环境,而界面放电是导致其气–固绝缘失效的主要原因之一。再者,传统Kapton型聚酰亚胺薄膜难以满足高频变压器的绝缘要求,限制了装备向高电压大容量发展与应用。须研究揭示高频瞬变应力下的放电演化机理,攻克高频变压器的高性能绝缘设计与可靠运行难题。

课题组率先开展了高频瞬变应力下放电演化机理研究,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了频致拐点现象的物理模型;进一步构建了高频变压器匝间绝缘材料关键理化性能的跨尺度仿真模型,利用密度泛函理论与分子反应动力学模拟方法遴选出满足匝间绝缘需求的高性能配方体系;据此制备了不同质量分数含苯硫醚基团的低介损聚酰亚胺薄膜,所获得的改性聚酰亚胺材料在介电损耗、沿面放电寿命、热稳定性以及长期热老化特性等方面,相比于Kapton型聚酰亚胺材料均具有显著优势,其中介电损耗降低3倍,放电耐受时长最高提升了160%;通过解析高频沿面放电与表面电荷的交互作用,厘清了苯硫醚基团对改性聚酰亚胺高频沿面放电与耐受性能的调控机制。本研究在揭示高频电-热应力下聚酰亚胺薄膜绝缘性能劣化机制的基础上,系统建立了高频绝缘性能的调控方法(如图1所示),实现了匝间绝缘材料高频介电损耗和电气寿命的协同提升,相关成果推动了电能路由器核心技术进步和高性能装备研发。

图1.局部放电频致拐点形成机理与聚酰亚胺介损调控机制

课题组面向未来电网发展的重大技术需求,与国家电网、南方电网、山东青岛鼎信等企业开展科研合作,建立“产学研用”协同创新通道,提出的高性能聚酰亚胺材料改性制备技术支撑了MVA级电能路由器样机研制。相关成果以学术论文形式发表在《Surface and Coatings Technology》、《Applied Surface Science》、《IEEE TIM》和《IEEE TDEI》等国际权威期刊上。其中,课题组任瀚文博士在复杂应力下绝缘空间电荷演化机制与高分辨表征方面取得重要成果,获得2022年度中国电工技术学会优秀博士学位论文。

初审:任瀚文

复审:李庆民

审核:张 洪


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