團(tuán)隊(duì)介紹

律方成，教授，博士生導(dǎo)師，華北電力大學(xué)副校長，河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，全國特高壓交流輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員，國家級模范教師。主要從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測與智能診斷、電工絕緣材料、高靈敏傳感器、SF6替代氣體等方面研究。獲省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中被SCI/EI檢索收錄100余篇，出版專著1部。

詹振宇，博士研究生，主要從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測、電工絕緣材料、SF6環(huán)保替代氣體等方面研究。

導(dǎo)語

本文采用低溫等離子體的方法氟化處理環(huán)氧樹脂樣片，改變氟化處理的時(shí)間，測試比較了改性前后樣片的表面微觀形貌及化學(xué)組分，分析改性后樣片在C4F7N/CO2混合氣體中的絕緣性能，解釋了氟化處理對閃絡(luò)電壓的影響關(guān)系，為未來環(huán)保GIL中環(huán)氧樹脂絕緣件的等離子體改性處理提供了參考。

研究背景

絕緣子作為GIL中的重要組成部件，其在電場作用下會出現(xiàn)表面電荷積聚的現(xiàn)象。長期運(yùn)行中，絕緣子表面積聚的電荷會造成周圍電場畸變，引發(fā)局部放電甚至造成絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)，嚴(yán)重威脅GIL的穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)外的廠家、研究機(jī)構(gòu)通過采用表面浸漬涂敷、化學(xué)改性、離子注入等方式提升環(huán)氧樹脂的表面的電導(dǎo)率，減少材料表面電荷積聚，從而提升絕緣子沿面閃絡(luò)電壓。

低溫等離子體作為一種新興的表面處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域中。結(jié)合等離子體高效、可控等優(yōu)點(diǎn)，可將電負(fù)性的氟元素引入形貌較為復(fù)雜的絕緣子表面，避免了傳統(tǒng)的氣體表面改性可能帶來的毒性等弊端，同時(shí)提升絕緣子電氣性能。

隨著低GWP指數(shù)的C4F7N環(huán)保氣體在GIL中的應(yīng)用，研究等離子體氟化改性對環(huán)氧樹脂的絕緣性能的影響，確定合適的改性處理參數(shù)，可為未來工程中絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)及表面處理提供一定的參考。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

等離子體改性處理平臺示意圖如圖1所示，處理平臺包括電路部分和氣路部分。電路部分包括高頻電源、DBD反應(yīng)釜和示波器，電源輸出電壓中心頻率為50kHz。氣路部分主要由Ar與CF4氣體作為等離子體反應(yīng)氣體，兩路氣體通過質(zhì)量流量控制器控制流速，控制Ar流速為2.5slm，CF4流速為0.25slm，氣體混合后一起通入反應(yīng)釜中。

圖1 等離子體改性處理平臺

將清洗、干燥后的樣片置于反應(yīng)釜中，將電源輸出電壓幅值升至6 kV，調(diào)整電源頻率使反應(yīng)釜中出現(xiàn)較多的絲狀放電?？刂品磻?yīng)處理時(shí)間分別為5min、10min、15min，設(shè)置一組空白未處理樣片，分別記為F0、F5、F10、F15。通過AFM測試改性前后樣片的表面粗糙度如表1所示，SEM測試結(jié)果如圖2所示。

表1 改性前后樣片表面粗糙度

圖2 改性前后樣片SEM測試結(jié)果

隨著處理時(shí)間的增加，樣片的基體受到等離子體的不斷撞擊蝕刻，樣片表層基體被剝離，基體內(nèi)氧化鋁填料逐漸暴露出來，暴露出的填料粒徑也逐漸增大，從而導(dǎo)致表面起伏加大，粗糙度有所增加。處理時(shí)間增加至15min，表面不斷有氧化鋁填料暴露出來，同時(shí)氧化鋁填料受到高能等離子體撞擊與本身填料粒徑的限制，表面暴露出的填料尺寸并未進(jìn)一步增大，隨著暴露出的填料顆粒增多，粗糙度反而有所降低。

改性前后樣片表面部分原子占比如表2所示，改性后樣片中F原子占比明顯增多，對F10樣片XPS測試中C原子進(jìn)行分峰處理，結(jié)果如圖3所示，采用等離子體處理的方法可有效將C-F鍵引入聚合物中。

表2 改性前后樣片原子占比

圖3 F10樣片C元素分峰

根據(jù)樣片充電后表面電荷消散特性計(jì)算樣片表面陷阱分布。采用指尖電極的形式，測試改性后樣片的在20%C4F7N/ 80%CO2混合氣體中直流與交流下的沿面閃絡(luò)特性，結(jié)果如圖4所示。

氟化改性后在直流與交流下樣片的閃絡(luò)特性均有提升，均在處理10 min閃絡(luò)電壓達(dá)到最大值。F0樣片正極性閃絡(luò)電壓平均值為29.57 kV，負(fù)極性閃絡(luò)電壓平均值為-25.99 kV，處理后F10樣片正極性閃絡(luò)電壓平均值為44.99 kV，負(fù)極性閃絡(luò)電壓平均值為-46.25 kV，分別提升52%與78%。交流下樣片閃絡(luò)電壓從F0的20.44 kV提升到F10樣片23.65 kV，提升16%。

圖4a 樣片沿面直流下閃絡(luò)特性

圖4 b 樣片沿面交流下閃絡(luò)特性

結(jié)論

等離子體改性可將電負(fù)性氟元素引入聚合物中，控制適當(dāng)處理時(shí)間可有效提升環(huán)氧樹脂電氣性能：

• （1）等離子體改性可以有效在環(huán)氧樹脂表面接枝氟元素，增加樣片表面粗糙度，處理時(shí)間增加，樣片表面粗糙度降低，表面溝壑減少；
• （2）改性處理后環(huán)氧樹脂中空穴陷阱能級增加，電子陷阱能級變淺。環(huán)氧樹脂沿面閃絡(luò)特性受到其電荷特性與表面形貌共同影響；
• （3）過長時(shí)間的等離子體氟化處理會造成樣片表面基體受損，沿面閃絡(luò)呈現(xiàn)降低趨勢。

引用本文

詹振宇, 阮浩鷗, 律方成, 劉偉, 李志兵, 謝慶. 等離子體氟化改性環(huán)氧樹脂及其在C4F7N/CO2混合氣體中電氣性能研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(8): 1787-1798. Zhan Zhenyu, Ruan Haoou, Lü Fangcheng, Liu Wei, Li Zhibing, Xie Qing. Plasma Fluorinated Epoxy Resin and Its Insulation Properties in C4F7N/CO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1787-1798.