華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室、華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室的研究人員律方成、詹振宇、張立國、焦羽豐、謝慶，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出，環(huán)氧樹脂常用于制造盆式絕緣子，其在直流電壓下的表面電荷積聚現(xiàn)象嚴重，成為阻礙直流氣體絕緣電氣設備研發(fā)與應用的主要瓶頸。
等離子體技術作為一種高效、可控的改性方法，可以有效改善環(huán)氧填料的電氣性能。本文采用大氣壓低溫等離子體技術對微米AlN填料進行氟化處理，控制不同的氟化時間，測試改性后的環(huán)氧樹脂試樣的微觀形貌、化學組分、電荷特性及沿面閃絡特性。
實驗結果表明：等離子體氟化45min后，填料平均粒徑降低26%，填料氟化45min，氟元素占比達到38.55%。隨著氟化時間增加，環(huán)氧樹脂樣初始積聚電荷量降低，閃絡電壓呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，在對填料氟化45min時，閃絡電壓提升最明顯，較未氟化填料提升了約39.9%，兩參數(shù)韋布爾分布表明閃絡電壓分散性也有所降低。
研究結果表明了等離子體填料處理提升環(huán)氧樹脂電氣性能的可行性，處理方法高效穩(wěn)定，性能提升明顯，為AlN及其他填料的改性提供了新的研究思路。
氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Line, GIL）是一種采用壓縮氣體（SF6或SF6與N2混合氣體等）絕緣，外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流輸電設備，相較于傳統(tǒng)的架空線路或電力電纜，GIL具有輸電容量大、電磁輻射低、輸電損耗小、節(jié)約占地面積等眾多優(yōu)點，因此其應用范圍日益擴大。
隨著西電東送、“大氣污染防治計劃”等一系列特高壓重點工程的開工建設，對遠距離的輸電設備提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的架空輸電線路在垂直落差高度大、跨越江河等地理環(huán)境惡劣及地質(zhì)條件復雜的情況下不僅無法施工建設且難以長期安全穩(wěn)定運行，GIL因受氣象、地質(zhì)條件制約小，安裝布置靈活，在工程建設中具有重要的意義。
在直流GIL中，腔體內(nèi)部的絕緣子與氣體交界面處存在表面電荷積聚的現(xiàn)象，由于在直流電壓下，電場方向保持不變，表面電荷難以消散，大量積聚的電荷會造成絕緣子附近電場畸變，導致絕緣子出現(xiàn)放電甚至沿面閃絡，嚴重威脅直流GIL設備安全穩(wěn)定運行。
目前國際上已經(jīng)投運的GIL工程往往采用降低運行電壓提高絕緣裕度的方式保障設備的可靠性，例如日本日立公司與關西電力公司等聯(lián)合研制的直流±500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear, GIS），在阿南換流站長期降壓運行在±250kV，ABB公司采用在交流550kV、800kV GIS元件基礎上研制的直流GIS，其長期運行電壓為±500kV。通過更高的絕緣裕度來保障直流氣體絕緣設備的安全運行，不僅增加了設備的體積，同時經(jīng)濟效益差，不利于直流GIL的大規(guī)模推廣。
隨著材料科學的發(fā)展，越來越多學者開展對絕緣材料進行表面改性或者納米改性的研究，增加絕緣材料的電荷消散速率，提高絕緣材料的耐受電壓。
天津大學的杜伯學將絕緣材料放置在F2與其他惰性氣體混合的氣氛中，直接氟化絕緣材料，使得絕緣材料表面形成一層氟化屏蔽層，不僅抑制了電荷的注入也提高了電荷消散速率，提升了材料的絕緣性能。中科院電工所的邵濤采用低溫等離子體技術，通過介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD）、射流放電的形式處理絕緣材料表面，結果發(fā)現(xiàn)改性處理后的絕緣材料，表面電導率有所提升，電荷消散速率加快，同時材料表面引入了羰基等極性基團使得材料表面陷阱變淺，電荷更容易脫陷。對絕緣材料的表面改性受到改性設備等因素的制約，存在對試樣表面造成損傷的可能，而傳統(tǒng)氣體氟化方式需要多日的時間處理，目前大多停留在絕緣試樣改性的研究中，實際GIL中絕緣子形貌特征與絕緣試樣差別較大，工業(yè)大規(guī)模的應用仍需進一步的研究。
對絕緣材料配方體系的改性，可以從源頭處提升絕緣子性能，因此大量的學者通過在絕緣材料中添加無機填料的方法，進一步提高材料電荷消散率，綜合改善聚合物的絕緣性能。AlN作為一種新型無機填料具有高導熱性、熱膨脹系數(shù)低等眾多優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注，研究表明，添加微米AlN后的環(huán)氧樹脂不僅提高了導熱率，同時力學性能也有所提升。但相比傳統(tǒng)的Al2O3等填料，添加AlN后的環(huán)氧樹脂絕緣性能有所下降，限制了AlN在環(huán)氧樹脂配方填料中的應用。
結合大氣壓低溫等離子體技術高效節(jié)能、設備簡單、操作簡便、控制性強、產(chǎn)量高等優(yōu)點，本文采用介質(zhì)阻擋放電的形式，在大氣壓環(huán)境中對微米AlN填料進行等離子體氟化處理，通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、X射線光電子能譜分析（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）、傅里葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared, FTIR）分析添加改性微米填料后的環(huán)氧樹脂的微觀特征，研究改性后試樣的電荷消散特性和閃絡特性，尋求微米AlN填料的改性方法。
討論
對于改性后的環(huán)氧樹脂，由于填料的引入及環(huán)氧樹脂本身存在較多的不飽和鍵及支鏈結構等因素，環(huán)氧樹脂中會不可避免地存在陷阱。較大粒徑的聚合物中陷阱的密度也較大，由圖5可知，等離子體氟化會使得填料的粒徑變小，因此填料未氟化的試樣中陷阱密度最大。
有學者的研究表明陷阱的類型與試樣沿面閃絡電壓間存在著較大關聯(lián)關系，在閃絡發(fā)展過程中，根據(jù)二次電子崩（Secondary Electron Emission Avalanche, SEEA）模型，材料中被電子轟擊電離的內(nèi)二次電子向材料外逃逸的過程中會與材料內(nèi)陷阱發(fā)生作用。
當電子被能級較淺的陷阱捕獲時，隨著外部激勵的作用，電子會脫陷，參與沿面閃絡發(fā)展，而被能級較深的陷阱捕獲時，電子較難脫陷，無法參與閃絡的發(fā)展，從而抑制沿面閃絡的進一步發(fā)展，提高試樣的閃絡電壓。
從陷阱能級的角度看，當填料氟化時間從10min增加至45min時，淺陷阱大大降低，而深陷阱隨著氟化時間增加，沿面閃絡電壓逐漸提升，而當填料氟化時間增加至60min時，試樣中重新出現(xiàn)了大量的淺陷阱，電子容易發(fā)生脫陷，因而閃絡電壓出現(xiàn)了降低的趨勢。
另一方面，由于氟元素化學性質(zhì)較為活潑，XPS與FTIR分析結果顯示，填料與環(huán)氧樹脂中均有氟元素存在，隨著對填料進行等離子體氟化，氟元素易與環(huán)氧樹脂中的基團發(fā)生反應，將填料與聚合物基體緊密結合，粒徑較小的填料，其在基體中的分散性更好，填料間的交互區(qū)域容易發(fā)生重疊，降低了填料的禁帶寬度，增加了材料中電荷消散的途徑，抑制了表面電荷積聚，初始時刻電荷積聚也較少，較低的初始表面電荷也使得試樣表面電場畸變降低，抑制表面發(fā)生細微的放電，也提高了試樣的閃絡電壓。
當填料改性時間繼續(xù)增加，填料禁帶寬度大大降低，電子容易進入導帶，電荷消散率也較高，初始時刻表面積聚電荷大大降低，此時聚合物性質(zhì)向導體性質(zhì)過渡，放電較易發(fā)生。根據(jù)實驗與結論分析，對AlN填料最優(yōu)的氟化時間應控制在45min。
總結
本文采用大氣壓低溫等離子體技術，通過采用DBD放電的形式，對微米AlN填料進行氟化處理，調(diào)節(jié)填料的氟化時間，對合成的環(huán)氧樹脂試樣分別測量其微觀物理形貌、化學組分、表面電荷特性及沿面閃絡電壓，采用等溫衰減電流法計算環(huán)氧樹脂試樣表面電荷密度，得到主要結論如下：
1）對AlN填料采用適當?shù)入x子體氟化可以使得填料粒徑降低，并在填料與聚合物中引入氟元素，減少環(huán)氧樹脂中低能級陷阱密度，增加環(huán)氧樹脂中電荷消散通道，提高環(huán)氧樹脂電荷消散能力。2）隨著填料氟化時間增加，摻雜填料經(jīng)等離子體氟化后的試樣閃絡電壓及其分散性均有所提升，AlN填料氟化45min，試樣閃絡電壓平均值增加最明顯，且分散性較低。3）摻雜氟化后填料的環(huán)氧樹脂，其表面淺陷阱隨著氟化時間增加呈現(xiàn)先消失后出現(xiàn)的規(guī)律，深陷阱隨著氟化時間增加而逐漸增加，試樣中淺陷阱中電子容易受激脫陷，參與試樣沿面閃絡發(fā)展，深陷阱容易捕獲電子，抑制試樣沿面閃絡發(fā)展。
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