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低温环境下环氧树脂绝缘材料沿面闪络与电击穿性能的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代电气领域，环氧树脂绝缘材料凭借其优异的综合性能，如良好的电气绝缘性、较高的机械强度、出色的粘结性以及耐化学腐蚀性等，被广泛应用于各类电力设备中，成为保障电力系统安全稳定运行的关键材料之一。从高压输电线路中的绝缘子、变电站内的变压器和断路器，到电气化铁路的供电系统以及工业自动化控制系统中的电气控制柜等，环氧树脂绝缘材料无处不在，其性能的优劣直接关系到电气设备的可靠性和使用寿命。

随着科技的不断进步和工业的快速发展，许多电气设备需要在极端环境下运行，其中低温环境是常见的挑战之一。在寒冷地区的电力传输与分配、超导电力设备（如超导电缆、超导变压器等）的应用以及航空航天等领域，环氧树脂绝缘材料不可避免地会面临低温工况。例如，在高纬度地区的冬季，户外电力设备的绝缘部件可能会处于零下几十摄氏度的低温环境中；超导电力设备为了维持超导态，需要在液氮温度（-196℃）甚至更低的温度下运行，这对其绝缘材料的性能提出了极高的要求。

低温环境会对环氧树脂绝缘材料的性能产生显著影响。一方面，低温会改变材料的物理性质，使其变得更加脆性，机械性能下降，这增加了材料在运行过程中发生破裂的风险。另一方面，在低温下，环氧树脂绝缘材料的电气性能也会发生变化，沿面闪络和电击穿性能的改变尤为突出。沿面闪络是指在气体与固体绝缘材料的交界面上发生的击穿放电现象，而电击穿则是指在强电场作用下，绝缘材料内部发生的击穿现象。当沿面闪络或电击穿发生时，会导致电气设备的短路、故障甚至损坏，严重威胁电力系统的安全稳定运行。据统计，因绝缘材料性能劣化引发的电气事故在电力系统故障中占有相当大的比例，而低温环境下环氧树脂绝缘材料的沿面闪络和电击穿问题是导致这些事故的重要原因之一。因此，深入研究环氧树脂绝缘材料在低温环境下的沿面闪络与电击穿性能，对于提高电力设备在低温环境下的运行可靠性、保障电力系统的安全稳定运行具有重要的现实意义。它不仅有助于优化现有电力设备的绝缘设计，提高其抵御低温环境的能力，还能为新型低温电气设备的研发提供理论支持和技术依据，推动相关领域的技术进步。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对环氧树脂绝缘材料在低温沿面闪络和电击穿性能方面开展了大量研究。在低温沿面闪络性能研究上，国外起步较早，一些研究通过实验探究了不同低温环境下环氧树脂绝缘材料在均匀电场和不均匀电场中的沿面闪络特性，发现电场不均匀度和电极间距对沿面闪络电压影响显著。例如，[具体文献1]利用环-环电极和尖-板电极模拟不同电场，研究了液氮环境中环氧树脂的沿面闪络特性，得出了沿面闪络电压的韦伯分布概率图，并拟合出沿面闪络电压和爬电距离的关系曲线。国内学者在这方面也取得了丰硕成果，[具体文献2]结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法，实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀，研究发现等离子体梯度刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、电导率，浅化陷阱能级，进而提升沿面闪络电压，相比于未处理样片最大可提升26.5%。

在低温电击穿性能研究领域，国外相关研究关注低温对环氧树脂内部微观结构和电荷传输机制的影响，分析电击穿的微观过程。[具体文献3]通过微观测试手段，揭示了低温下环氧树脂分子链段运动被冻结，内部缺陷和杂质对电荷积聚和电击穿的促进作用。国内研究则侧重于从宏观性能角度出发，如[具体文献4]对环氧树脂在?20、?40和?60℃下分别开展不同时长的低温处理试验，发现随着低温处理时间增加，环氧树脂表面会出现微裂纹并不断劣化，其直流击穿强度呈现先上升后下降的趋势，这种变化趋势随着处理温度的降低愈加明显。

尽管国内外在这方面已取得一定成果，但仍存在不足。现有研究对于复杂低温环境（如低温与其他因素耦合作用）下环氧树脂绝缘材料的性能研究较少，且不同研究之间的实验条件和测试方法存在差异，导致研究结果的可比性和通用性受限。此外，在低温沿面闪络和电击穿的理论模型构建方面，还不够完善，无法准确全面地解释相关物理现象和预测材料性能。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究环氧树脂绝缘材料在低温环境下的沿面闪络与电击穿性能，揭示其内在物理机制，为电力设备在低温环境下的绝缘设计和安全运行提供理论支持和技术参考。具体研究内容如下：

环氧树脂绝缘材料的低温特性基础研究：对不同类型的环氧树脂绝缘材料进行基础性能测试，包括常温下的电气性能（如绝缘电阻、介电常数、介质损耗因数等）、机械性能（拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性等）以及热性能（玻璃化转变温度、热膨胀系数等）。研究低温环境对这些性能的影响规律，分析性能变化的原因，为后续研究提供基础数据和理论依据。

低温沿面闪络性能研究：设计并搭建低温沿面闪络实验平台，模拟不同的低温环