非线性均压材料的设计理论与参数调控
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的研究人员何金良、杨霄、胡军，在2017年第16期《电工技术学报》上撰文指出，具有非线性电学参数的材料，其电导率或介电常数能够随着空间电场做出自适应的改变，从而达到智能改善绝缘介质空间电场分布均匀性的效果，可用于缓解高压设备局部集中的高电场。
目前，国内外已经能够制备出具有高稳定水平的非线性电导特性的材料，如以氧化锌压敏微球为填料，以绝缘材料为基体的复合物。该文详细综述了国际上对于非线性电导材料均压的设计理论，介绍了如何根据实际改善电场分布的需求选择非线性均压材料的参数。
在此基础上，总结国际上学者对于在材料制备过程中调控材料非线性参数以满足均压设计需求的研究工作。本文也对非线性均压材料在应用于实际高压设备方面的进展做了简单介绍。
高压设备由于其自身特定的几何结构会造成局部电场集中，如电缆接头或终端、绝缘子高压端、电机线棒末端、穿墙套管法兰处等，这些位置的局部场强远高于平均场强，甚至可能达到局部场强的数倍，这为设备的设计与制造带来了一定的困难。
通过增加绝缘尺寸以保证设备绝缘性能的方法会大大增加设备的制造、运输与装配成本；而单单通过增加绝缘尺寸并不能缓解局部的高场强，却会加速绝缘材料的老化过程，为设备的长期安全可靠运行带来潜在的风险。因此，合理改善电场分布，缓解关键位置处的高场强对于高压设备的绝缘问题至关重要。
传统的均压方法主要从改变设备的绝缘结构入手，本质是改变或者附加电极进行强制分压，以达到均压的效果。主要方法包括改变电极形状、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[1]。
然而这些方法的均压效果比较有限，在设计上也有较大难度，同时附加结构也可能会为设备的运行带来新的隐患[2]。因此，近年来学者们开始通过改变绝缘材料的特性来解决高压设备的绝缘问题。
均压材料按照其参数特性分类可分为电学参数基本不随电场改变的固定参数均压材料，以及参数随外电场自适应变化的非线性均压材料。采用固定参数材料（如高电导、高介电常数材料）的均压效果对于设备的几何参数比较敏感，这为材料的设计与制造带来很大难度。同时其对材料参数的准确性以及材料对温度或电场的稳定性要求也较高，否则均压效果并不理想。
另外，这些材料还可能会带来高介质损耗或者高泄漏电流等问题。而非线性均压材料则能够克服这些问题，因为其在平均电场下表现出绝缘材料的特性，只在局部高场下电学参数发生自适应的改变。另外，材料对电场的自适应特性也为非线性均压材料的设计带来较大的便利，即不需要根据设备原先电场分布对材料参数进行严格的控制，只要其关键参数在一定范围内即可。因此，学者们近年来研究的重点主要在于非线性均压材料上。
非线性均压材料按照其非线性参数类型还可分为非线性介电常数材料与非线性电导材料。对于非线性电导材料，国际上[3-11]与国内[12,13]的研究者均能制备出性能稳定并且非线性水平较高的材料，如以氧化锌微型压敏电阻为填料、以绝缘材料为基体的非线性复合物，以下简称ZnO复合物；同时也能够在一定范围内对材料的非线性特性进行调节，使之满足均压的具体需求。
而对于非线性介电材料，尽管有文章报道了部分材料能够表现出随电场升高介电常数也随之升高的特性，如BaTiO3/环氧树脂复合物[14,15]，但是材料的非线性水平比较有限，也尚未有研究报道如何调控其非线性性能。总体而言，目前国际上报道的非线性电导材料无论从种类上还是从非线性水平上都能远远超过非线性介电材料，而目前的非线性材料均压理论，也基本上基于非线性电导材料。
在此前的文章中，已经介绍了国际上非线性均压材料在材料特性方面的研究进展[2]，以及笔者所在团队制备出的非线性电导材料的制备工艺、非线性性能与应用示例[12]。
在本文中，将在第一部分中介绍国际上对于非线性均压材料的设计理论的研究进展，即如何根据设备的均压需求选择非线性材料的电学参数；第二，三部分中，主要介绍国际上对非线性均压材料的性能调控的研究，即如何在材料制备过程中控制制备条件，从而使所得非线性材料的电学参数满足设计要求，同时也能满足材料其他方面如力学性能上的要求。最后，本文也对非线性均压材料对应用于实际高压设备方面的进展做了简单介绍。
1 非线性均压材料的设计理论（略）
2 非线性均压材料的制备（略）
非线性材料的加工与制备主要分为两个方面：具有非线性电学特性的填料的制备以及填料与绝缘聚合物基体的混合。
3 非线性均压材料的参数调控（略）
制备非线性均压材料，一个首要的问题是非线性填料的体积分数。若体积分数太小，则很难形成填料的导电通路而使材料本身无法表现出非线性特性；若填料体积分数太大，则会使复合物整体性能如力学性能、泄漏电流等发生较大劣化。因此，一个适宜的填料体积分数对于非线性均压材料的应用至关重要。
在填料体积分数基本确定后，需要调控非线性均压材料的参数使之满足均压应用对材料提出的要求，主要体现在压敏电场Eb与非线性系数上。本文第1节介绍，非线性系数的增大对于改善电场的效果也有明显的饱和效应。可以认为，均压对于材料的非线性系数并没有太苛刻的要求，使其在10～20之间就可以达到很好的均压效果。
在这一点上，ZnO复合物由于其优良的非线性特性，完全能够满足均压对于非线性系数的要求。因此，在已经确定了填料体积分数的情况下，调控非线性均压材料使之满足均压要求，主要在于调控材料的压敏场强。因此本章讨论的重点在于对非线性均压敏电场的调控。
4 非线性均压材料实际应用概述
目前，以CB、SiC等为填料的传统均压材料已发展得较为成熟，并且已经投入了商业生产。研究者们对于将这些材料在电缆接头、末端，电机线圈处的应用进行了许多仿真与实验研究[16,17,44-51]，并且也开始从材料的长期运行特性上（如发热与老化等方面）考察这些材料的均压效果。
法国研究者P. Argaut等将均压材料用于138kV电缆端部与应力锥相结合[52]，按照相关电缆型式试验的标准进行了长达数个月的带有加热循环的老化实验，验证了应用非线性均压材料的这一新的绝缘结构能够满足测试要求。
阿海珐电力技术中心的学者J. C. G. Wheeler等针对电机中均压材料的表面电阻及其非线性特性随着外界温度变化稳定性较差的问题，对比了多家制造商生产出的非线性均压胶带[47]，测量了其在不同温度下表面电阻的非线性特性，并通过这些实测数据对其应用于换流器供电电动机时端绕组上的最大场强分布进行了仿真，确定了几种材料中长期耐发热特性以及耐老化特性最好的一种。
滑铁卢大学的研究者Emad Sharifi等也对模绕电动机线圈中的均压胶带进行了类似研究，测量了材料不同温度下的非线性特性并仿真了其均压效果。此外，该研究还搭建了实验平台测量了电机端部绕组的表面电势，对比了实验与仿真的结果，得到几点对于电机中应用均压胶带的指导性的结论[49]。由于其所选的非线性均压材料随温度稳定性较好，研究认为其热特性对于材料的均压效果影响不大。
近年来，随着ZnO复合物的发展与微型压敏电阻制备工艺的完善，研究者们开始对ZnO压敏电阻复合物用于均压控制开展了研究。
首先对于传统非线性复合物的应用场合，如电缆附件，一些研究机构已经做出了能够通过检验的成品。基于ZnO复合物的冷、热塑形中压（42kV）电缆的附件在2000年已研制成功[53]，此后高压电缆附件如84kV的冷缩电缆终端[10]与145kV的自立式终端[54]也陆续被开发出来并通过了相关测试。基于ZnO非线性均压复合物的更高电压等级下电缆终端的成品目前还没有研究报道，但是其设计仿真工作[55]在国内外都正在开展。
清华大学的研究者对于ZnO压敏电阻/硅橡胶非线性均压材料用于500kV交流电缆终端应力锥绝缘处的均压应用进行了仿真设计[56]，仿真结果如图15所示。
图15 ZnO压敏电阻/硅橡胶非线性均压材料应用于500kV交流电缆终端应力锥绝缘处的电场分布仿真
图15a为基于ZnO/硅橡胶非线性均压复合物的电缆终端应力锥结构。图15b为图13a中结构5-应力锥绝缘部分采用固定电导材料时的电场分布，图15c为应力锥绝缘部分采用非线性材料时的电场分布。在两图中颜色越亮代表场强越高。
从图中可见当应力锥绝缘部分采用非线性均压材料后，应力锥绝缘中的最高场强（主要出现在应力锥导体与应力锥绝缘的界面处，这一部分也是电缆终端最容易出现故障的位置）被明显削弱，应力锥绝缘中的电场分布也远比原先均匀。对于126kV电缆终端，哈尔滨理工大学的研究者还进行了将纳米SiC/硅橡胶非线性均压材料同样用于电缆终端的应力锥绝缘部分的仿真研究工作[57]，发现该材料的非线性电导特性也能起到很好的均压效果。
与ZnO非线性均压材料在电缆附件中的应用情况类似，在电机绕组端部电晕防护的应用中，目前还未有文章报道基于ZnO复合物的成品。但有研究通过仿真对比了ZnO与SiC复合物典型的非线性电导特性在电机端部防晕的作用效果[58]，说明了以ZnO压敏电阻为填料的漆层能具有与SiC复合物相似的均压效果，但是其损耗及发热更小，因此比SiC更加适用，此处不做详细介绍。
除了电缆附件与电机绕组这些传统非线性复合物的应用场合，研究者们还考虑将ZnO复合物应用于其他需要均压控制的高压设备中。一个最典型的应用是基于ZnO复合物的绝缘子[59]，英国卡迪夫大学的H. Griffiths与Abd-Rahman等[60]通过仿真研究了在绝缘子芯棒外围薄层中应用氧化锌复合物材料层的均压效果，其绝缘结构如图16a和图16b所示，通过选取合适的复合材料的压敏电压，能起到很好的均压作用，如图16c中的实线所示，有效地缓解了局部的高场强。
另外，也有研究建立数值计算模型，用来计算氧化锌复合物层用于芯棒外的细层中的均压效果[20]。由于其仿真中应用的绝缘结构以及材料电学特性的原因，计算结果显示非线性均压层的应用并未改变最大场强的数值，但是其将最大场强的位置由最薄弱的三相点处转移到了机械以及绝缘强度更强的地方，这也为均压应用提供了一个思路：均压材料会改变关键位置电场分布，虽然不能有效地降低最大场强的数值，但是可以将最大场强转移至耐受强度更高的地方。
德国达姆施塔特大学与ABB公司的研究者还共同开展了实验工作[61]，他们制造出了基于ZnO/硅橡胶复合物的长棒形绝缘子并在600kV电压下测试四种绝缘子的电晕特性，分别是伞裙与芯棒均采用ZnO复合物、单独伞裙或者单独芯棒采用ZnO复合物，以及普通绝缘子，如图17a所示。
结果表明只有芯棒与绝缘子均采用ZnO复合物的绝缘子完全能抑制电晕，而只有一部分采用ZnO复合物的绝缘子均有少许电晕产生，普通绝缘子产生电晕区域最大，如图17b所示，说明基于ZnO复合物的绝缘子能够有效抑制电晕的产生。
该研究还测量了这种绝缘子在人工降雨下以及在较长时间的积污中（盐雾中600h）的绝缘特性，结果显示其能够完全抑制干带电弧并且在较长时间运行后也并未产生绝缘劣化的现象。这些实验结果都非常有力地证明了ZnO复合物应用于绝缘子中均压的效果。
图16 ZnO复合物用于应用于绝缘子均压设计的示意图与绝缘子表面场强分布仿真
图17 ZnO复合物用于应用于绝缘子均压的结构示意图与600kV电压下的电晕照片
此外，ABB公司的研究者还提出了基于ZnO复合物的高压套管的设计[44]并申请了专利[62]，也对ZnO复合物在电力电子模块的应用进行了设计与仿真[63]，ZnO复合物在高压设备的均压控制方面有着广阔的前景，以上介绍都有可能是相关设备提高其绝缘性能的新的发展方向。
从上面的仿真与实验结果来看，以ZnO复合物为代表的非线性电导材料对于各类电力设备中局部集中场强的缓解与对整体的均压都能够起到非常有效的作用，并且也能够满足实际应用对于绝缘材料的一些基本要求，如低泄漏电流等。但这些研究目前还主要处于仿真与实验室实验阶段，因此还有非常大的研究空间。
最后，在非线性介电常数材料的应用方面，由于对这种材料本身的研究还有待发展，因此关于其应用的研究也相对较少。前面提到，英国曼彻斯特大学的B. Varlow等学者最早开展了对介电非线性材料的研究，其曾对实验测得的具有µE关系的BaTiO3复合物应用于电缆绝缘层进行了仿真计算，说明了复合物可以起到一定的均压作用。
B. Varlow所在实验室长久以来对于以BaTiO3为填料的具有介电非线性的材料进行研究，其中N. Y. Wang与I. Cotton等研究者通过仿真与实验验证了具有非线性高介电常数的BaTiO3复合物在IGBT模块中能够有效地控制局部放电[64]，同时也说明了这样的应用在实际生产制造中的可行性很高，前景比较明朗。
除此之外，学者们对于通过介电常数来均压的研究目前主要集中在直接具有高介电常数的复合物，如以BTY（BaCO3+TiO2+Y2O3）陶瓷为填料的复合物[65]等，其中BaTiO3是应用最广泛的填料之一，也可与其他金属颗粒一起作为混合填料[66]，但是研究一般只关注其本身高介电性能而非其介电非线性。实际上，如果电导非线性材料与高介电材料都能有效地应用于高压设备的均压控制中，非线性介电常数材料应用的必要性也是有待商榷的。
5 结论
1）在应用非线性材料均压的设计中，材料的非线性系数与压敏场强是两个最重要的参数。这两个参数可以通过一些基本的计算公式与设计原则确定其大致范围，再通过仿真手段进行优化设计与验证。
2）将非线性材料应用于均压设计中，需要选择适宜的填料体积分数，从而使复合物整体既能表现出非线性特性，其他方面性能又不会受到太大影响。以ZnO微型压敏电阻为填料的复合物要想获得稳定的非线性特性，填料体积分数要在35%以上。
3）降低非线性均压材料填料体积分数可以通过人工控制填料排布，采用高纵横比的颗粒的方法。但这些方法材料成本较高，材料制备工艺复杂，因此很难对其进行推广。
4）ZnO复合物具有较高水平的非线性特性，其非线性系数基本能满足均压的需要，因此对于ZnO非线性特性的调控主要在于使材料的压敏场强满足具体的设计需求。
5）改变非线性均压材料压敏电场可行的方法有：改变复合物基体，改变ZnO填料粒径与形状，改变ZnO填料配方与烧结温度，加入半导体或导电填料等方法。