摘要
高压GIL/GIS以及电缆终端等电力设备的支撑绝缘构件通常采用环氧树脂/氧化铝混合料浇注而成，在强电场和温度梯度运行工况下频繁发生击穿解体等故障，严重威胁电力系统的安全稳定运行。本文以环氧树脂及其复合材料为对象，研究了温度梯度作用下的电树枝劣化规律，建立相场仿真模型分析了温度梯度和热应力对环氧树脂电树枝击穿的影响机理；着眼于改善材料内部温度梯度及热应力分布，提出了氧化铝与高导热氮化硼复配共混提升环氧树脂复合材料击穿性能的方法，以期为开发高性能电工环氧绝缘件和保障超/特高压电力设备安全稳定运行提供基础理论与实验支撑。本文的主要研究工作和结论如下： （1）基于交流电压和温度梯度条件下环氧树脂电树枝生长与击穿特性，发现大温度梯度导致电树枝通道数量增多、颜色变暗，并造成更大面积区域损伤和击穿时间缩短。通过相场仿真获得了温度梯度下电树枝生长模拟过程中的能量密度分布，发现了温度梯度通过改变树枝尖端的理化特性和场强分布来影响电树枝的生长过程；温度梯度产生的热应力会改变材料的应变分布，降低局部击穿所需的能量，促进了电树枝的发展。 （2）基于不同温度下环氧/Al2O3复合材料的介电与击穿特性，发现工频下复合材料的介电常数随着温度逐渐升高，介电损耗先减小后增大；Al2O3填料的加入会导致复合材料的击穿强度下降。电树枝试验结果表明Al2O3会增加复合材料的劣化击穿时间，但温度梯度会削弱填料的阻挡作用，加剧电树枝劣化速度；结合相场模拟结果，填充无规Al2O3的复合材料电树击穿时间长于填充球型Al2O3的复合材料；填料聚集会改变电树枝通道的发展速率，影响了复合材料的总体击穿时间。 （3）基于填料复配制备了环氧树脂/Al2O3/BN复合材料。当Al2O3/BN的体积比达到6:4时，热导率达到1.68W/(m·K)，增加了36.3%，线性热膨胀系数也明显下降；BN的引入提高了复合材料的击穿强度，并改善了温度梯度下的电树枝劣化击穿特性；基于环氧树脂/Al2O3/BN复合材料仿真模型，发现了复合材料在增加放电通道的数量、提高热扩散效率和降低内部应力方面的优势，揭示了高导热填料提升环氧树脂/Al2O3复合材料击穿性能的原因。
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