环氧树脂（EP）常用作高频变压器的主绝缘材料，因长期受高频重复电应力作用，导致表面积累的电荷密度增加，容易诱发绝缘失效。纳米改性是提升复合绝缘界面电荷消散特性的重要手段。

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、北京市高电压与电磁兼容重点实验室（华北电力大学）、埃克塞特大学数学与物理工程学院的李志辉、解曾祺、李庆民、董紫薇、王忠东，在年第5期《电工技术学报》上撰文，采用多巴胺接枝的纳米氮化硼（h-BN）改性制备了环氧树脂复合材料，重点考察绝缘表面电荷的高频消散特性。受耗散时间、高频致热效应及深陷阱能级的影响，高频下的绝缘表面电荷不易消散，而引入多巴胺接枝的BN可有效提升环氧树脂复合绝缘的电荷消散速率。具体结果表明，掺杂质量分数为10%时，电荷消散速率达到最大值62.15%，相较于纯EP提高了19.41%，与此同时高频沿面闪络电压比纯EP提高了14.73%。

研究人员指出其提升机理主要缘于两个方面：一是BN表面接枝的氨基增强了填料与基体的相容性，形成的三维交联网络拓宽了电荷消散路径；二是材料表层浅陷阱密度的提高，使得载流子易通过隧穿效应参与到电导过程，提高了载流子迁移率；此二者协同作用有效提高了表面电荷的高频消散速率。上述研究结果为高频变压器主绝缘系统优化设计提供了基础依据。

环氧树脂（EpoxyResin,EP）兼具优异的电气性能和力学性能，常用作高频电力变压器的主绝缘材料，但因长期工作在上升时间短、操作频率高的高频电压下，其表面电荷的积聚与消散过程会受到影响，导致电场畸变程度较为剧烈，进而引发复杂的放电特性。

高频电压下电荷的注入/抽出速率是工频电压下的几十倍甚至上百倍，环氧树脂表面电荷难以消散使得积聚程度加重，电荷驻留效应明显，对放电的影响愈发显著。开展电荷的积聚与消散特性研究，对厘清高频电场下的电荷输运机理以及提升高频变压器运行可靠性具有重要意义。

现有研究表明，通过向EP材料中引入无机纳米填料可以改变复合材料的内部陷阱能级和电导率，使其表现出更好的电荷消散性能。六方氮化硼（h-BN）作为宽禁带半导体填料，被认为是下一代复合绝缘材料的理想填料。

一方面，相比于绝缘体具有更窄的禁带宽度（5.5～6.4eV），能有效降低载流子的入陷势垒；另一方面，纳米片相较纳米颗粒具有更高的比表面积和表面能，在化学键作用下易形成有机-无机网络结构，可提高材料的击穿强度，是当前纳米改性的研究重点。利用氮化硼对环氧树脂进行纳米改性还可提高复合材料的综合性能。表面电荷的积聚与消散受放电类型和材料特性的影响较大。

当前研究表明，在环氧树脂中引入氮化硼填料，可有效提升材料的综合性能，但不同材料、不同电场下的表面电荷积聚特性差别较大。现有研究结果多限于直流、工频及脉冲方波电场，且施加的频率较低。而对于高压电力电子装备，其绝缘长期工作在高频重复电应力下，绝缘表面电荷的积聚和消散特性研究较少，更高频率下的电荷消散与聚合物沿面放电特性之间的关系也缺乏实验验证。同时，接枝氮化硼/环氧树脂绝缘表面电荷的高频消散机制尚不明确，有待开展探索研究。

为厘清上述问题，华北电力大学等单位的研究人员通过球磨法制备了氮化硼纳米片，采用盐酸多巴胺对其进行表面官能团接枝，得到多巴胺接枝纳米片，借助扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）分析等手段表征改性效果，并将其掺杂至环氧树脂基体中获得EP复合绝缘。重点针对高频电应力下环氧树脂复合绝缘改性前后的表面电荷消散特性以及沿面绝缘强度开展测试研究，并结合电导率、表层陷阱分布等特性，阐释多巴胺接枝的纳米氮化硼对表面电荷消散特性的影响机制。

图1三种EP复合材料图2高频正弦表面电位测试系统图3沿面闪络实验系统

研究人员得到如下结论：

1）电压频率增加会导致环氧树脂表面初始电位及积聚电荷密度的增加，电位衰减率呈先下降后上升的趋势，在10kHz时达到极小值。

2）当电压频率低于10kHz时，高频致热效应不明显，此时耗散时间起主要作用，随频率增加电荷消散速度降低；当频率高于拐点时，此时高频致热效应起主要作用，温升增大了电导率，高频消散速度随频率增加而增大；随频率进一步增加，表层陷阱能级和密度增大，制约了高频下的电荷消散特性，此时陷阱参数起主要作用，表面电荷衰减程度减缓。频率对耗散时间的影响、高频致热效应及陷阱能级分布三者的协同作用，是导致电荷消散出现极小值的根本原因。

3）多巴胺接枝改性提高了环氧树脂表面电荷的高频消散速率，在掺杂质量分数为10%时，高频消散速率最大，为62.15%。掺杂含量影响到绝缘性能，掺杂含量过高，表面电导率过大，有助于电子崩的形成与发展，反而降低了高频沿面放电电压。

4）厘清了多巴胺接枝改性对EP绝缘表面电荷高频消散的影响机制。氮化硼经多巴胺接枝后，其表面附着的氨基基团，通过化学键、交联作用增强了填料与基体的界面作用，形成了分散均匀的三维交联网格，拓宽了电荷的消散通道；掺杂P-BN可有效提高材料内部的浅陷阱密度，降低介质势垒高度，有助于电荷沿体内和界面消散。二者的协同作用可有效改善复合绝缘的表面电荷消散特性。

本工作成果发表在年第5期《电工技术学报》，论文标题为“多巴胺接枝的纳米氮化硼改性环氧树脂绝缘表面电荷高频消散特性”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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