改善绝缘设备或部件整体电场分布均匀程度的方法及复合材料的介绍

一些高压输变电系统中的绝缘设备或部件，如输电电缆终端的绝缘部分、各种绝缘子的高压端部分等，其自身所承受的电场分布极不均匀，所承受的电场强度远远超出平均值，甚至达到平均值的数倍，由此带来了一系列设计、制造方面的不利影响。

目前，改善绝缘设备或部件整体电场分布均匀程度的传统方法主要包括：改变电极形状、在绝缘介质内嵌入金属起到内屏蔽作用、在绝缘介质内部加多层平行电容极板、在绝缘介质表面或外围布置均压环作为中间电极、安装并联的均压电容等。与采用各种外部措施的传统方法相比，通过各种手段调节绝缘电介质材料自身的性能参数实现改善绝缘设备或部件电场分布均匀程度的效果，在实际均压效果、以及降低设备设计和制造难度等方面都具有明显的优势。目前此类复合材料主要包括：恒定参数的高电导或高介电复合材料，以及具有与外加电场相关的非线性压敏电导或非线性介电特性的复合材料。

恒定参数高电导复合材料在绝缘设备或部件均压方面的典型应用是广泛用于预制电缆终端结构中的橡胶应力锥。采用高相对介电常数复合材料套管也可以改善电缆终端电场分布的均匀程度，同时相比采用高电导复合材料的橡胶应力锥，其结构上更加简单、紧凑，电场改善效果更为理想。目前，高相对介电常数复合材料套管已有较为成熟的商业化产品应用于中压电缆系统。用于制备高相对介电常数复合材料的填料已扩展到碳纳米管，Al 和Ag 等金属粒子，聚苯胺(PANI)等导电高分子颗粒， BaTiO3 等高相对介电常数陶瓷颗粒，以及 TiO2 等氧化物颗粒等。

L.G. Virsberg 等早提出了采用非线性特性材料改善电场分布的设想。ABB 公司的研究人员研究了采用非线性电导复合材料替代恒定参数高电导复合材料作为电缆套管的技术方案，及其对电场分布均匀性的改善效果[8-9]。分析结果表明，非线性介电复合材料相比恒定参数高相对介电常数复合材料，对电场分布均匀性的改善效果有显著的提升。

Manchester 大学的 Varlow 和 Auckland 等较早对采用多种聚合物基体和无机填料合成的非线性电导复合材料的特性进行了较为广泛深入的研究。另外，研究者通过以陶瓷烧结工艺制备的ZnO 压敏

陶瓷粉体为填料，使得复合材料的非线性电导性能得到了很大提高，并实现了商业应用。在，哈尔滨理工大学和西安交通大学等也开展了非线性电导或介电复合材料的基础研究。

从实际应用效果的角度考虑，兼具非线性电导和非线性介电特性的复合材料是更为理想的方案。对于交流系统中绝缘介质上由外加电压导致的不均匀电场，希望能够以非线性介电特性为主导因素改善电场分布，避免大的泄漏电流和介质损耗；同时复合材料具有的非线性电导特性也能对空间电荷积累产生有效的消散作用，避免因其导致的局部电场集中。对于直流系统，在正常工况下由复合材料的非线性电导特性主导改善外部电压以及空间电荷导致的不均匀电场，在各种暂态电场作用下则可以发挥非线性介电特性的作用。对于兼具非线性电导和非线性介电特性的复合材料，Argaut 等发表过相关论文，但受到了 ABB 研究者的质疑。近年来ABB 公司的Donzel 等报道的以ZnO 压敏陶瓷作为填料的复合材料，除了非线性电导特性之

外，实际上还应该同时存在非线性的压敏介电特性，只是未被研究者予以考虑和研究而已。针对上述观点，本实验室先前研究成果应经从仿真和实验上得到了初步的证明。

面向高电压等级、多类型电力绝缘均压需求，开展兼具非线性电导和介电特性的复合材料的理论基础和应用研究，有助于更有效、广泛地解决高电压等级电力系统绝缘设备或部件电场分布不均匀的难题，尤其对于相关技术和产业发展，具有填补基础理论和应用研究空白的作用，价值和意义更为显著。