黄旭炜、倪潇茹等：苯硫醚聚酰亚胺电极覆膜材料合成及直流应力下对金属微粒运动特性的抑制作用

黄旭炜，倪潇茹，王健，李庆民，林俊，王忠东

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180708

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导语

本文在传统聚酰亚胺分子结构中引入了苯硫醚基团，制得了一种与GIL金属电极之间具有高粘附功的新型无胶电极聚酰亚胺覆膜材料，通过提高介电常数和粘附功，使得金属微粒所受的粘附功和静电吸附力明显提升，有效抑制了金属微粒在直流电应力下的运动行为。

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研究背景

直流气体绝缘输电线路（DC GIL）以其不受环境因素影响、载流量高、可靠度高、输送容量大等优势，在特高压直流输电技术研究中的得到广泛关注。但是GIL中金属微粒会在直流电场作用下降低其绝缘性能。研究者常采用电极表面覆膜有效降低金属微粒的活性以保证运行稳定性。但是传统的有机薄膜材料热稳定性较低，且与金属导体粘结性较差，这会限制GIL的运行稳定性。因此，必须研制新型耐高温无胶导体覆膜绝缘材料以满足对DC GIL中金属微粒抑制的需求。

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论文的方法及创新点

引入含硫二元胺单体到传统聚酰亚胺分子中，经过阶梯升温的热酰亚胺化合成方法制备苯硫醚基团取代的聚酰亚胺薄膜，制备流程如下图所示：

图1  含苯硫醚聚酰亚胺的合成示意图

在大容量特高压直流GIL中，金属导体的表面运行温度高达105°C，这对覆膜材料的热学性能提出严苛要求。研究考察了合成薄膜材料的热稳定性和热行为，热性能如图2所示。苯硫醚基团取代后，聚酰亚胺薄膜的热稳定性较高，5%质量损失温度高于500°C，其玻璃化转变温度也高于350°C。测试结果表明，本研究中制备的含苯硫醚聚酰亚胺薄膜满足GIL电极覆膜的绝缘需求。

图2  聚酰亚胺薄膜试样的热性能数据

提升材料与金属之间的粘附性能是保证其作为电极无胶覆膜需求的重要目标。为表征改性聚酰亚胺薄膜与金属导体之间的粘附性能，本文采用测量接触角的方法，计算含硫聚酰亚胺薄膜与金属导体和微粒之间的表面张力、界面张力及粘附功，以评价两者间的粘结性能。如图3所示，相较于传统聚酰亚胺薄膜，改性材料与铝合金导体之间的粘附功更高，因而粘结性能更好。

图3  接触角测试结果

为了验证本文所提改性聚酰亚胺薄膜对直流GIL中金属微粒运动行为抑制的有效性，搭建了直流均匀电场条件下的实验平台，如图4所示。利用逐步升压法测得不同覆膜条件下金属微粒的启举电压及金属微粒的运动行为。

研究结果表明，导体表面覆改性聚酰亚胺薄膜显著提升了金属微粒的启举电压，同时也有效限制了金属微粒在电极间的“贯穿性”运动，如图5所示。这表明引入苯硫醚基团后，聚酰亚胺薄膜可以满足本研究的两个需求，即：1）与金属导体高粘附性，2）金属微粒有效抑制。

图4  实验平台示意图

图5  覆膜电极上金属微粒启举电压与运动状态

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结论

文章针对特高压直流GIL中金属微粒对设备运行安全的威胁，制备了一种含苯硫醚结构的新型聚酰亚胺电极覆膜材料，并对其结构与物化特性进行了测试。该薄膜具有较高的热稳定性和金属粘附特性，通过薄膜材料的高介电常数和金属粘附性能，提升了金属微粒在直流电场下的启举电压。同时，基于金属微粒运动观测平台开展了直流应力下电极覆膜时金属微粒的运动实验，结合理论分析阐释了改性薄膜对金属微粒运动特性的抑制作用。

团队介绍

黄旭炜

博士研究生，研究方向包括新型高性能电介质材料设计与合成开发等。正参与国家自然科学基金重点项目、并主持中央高校基本科研业务费专项基金。

李庆民

华北电力大学教授，博士生导师，现担任高电压与电磁兼容北京市重点实验室主任。主要从事先进输变电装备绝缘、放电物理等方向的科学研究，先后主持国家级重点课题3项，发表学术论文 300 余篇，出版著作 5 部。